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1. 2. 2. 伺服電機(jī): 驅(qū)動(dòng)螺旋送料機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn);
      3. 螺旋送料機(jī): 將糧食從原料倉輸送到包裝袋;
      4. 秤臺(tái): 將包裝袋里面的糧食質(zhì)量實(shí)時(shí)發(fā)送給嵌入式控制系統(tǒng);
      5. PLC 控制系統(tǒng): 根據(jù)秤臺(tái)實(shí)時(shí)發(fā)送回來的糧食質(zhì)量信號(hào)，給伺服電機(jī)發(fā)送電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)螺旋送料機(jī)加料量的智能控制。
   3. 包裝計(jì)量裝置的工作原理

包裝計(jì)量裝置的整個(gè)工程流程由 PLC 控制器控制，自動(dòng)完成糧食的計(jì)量和包裝。整個(gè)工作流程為: 系統(tǒng)開始正常工作后，由上級供料系統(tǒng)向原料倉供料; PLC 控制器根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)的包裝袋質(zhì)量、目標(biāo)定量值和快慢給料閾值信息，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)控制螺旋送料機(jī)開始進(jìn)行快速給料操作; 秤臺(tái)獲取包裝袋已裝物料的模擬質(zhì)量信息，經(jīng)過濾波、放大、A / D 轉(zhuǎn)換等操作，發(fā)送至 PLC 控制器，由其判斷是否已經(jīng)達(dá)到預(yù)先設(shè)定的快速給料閾值; 若達(dá)到快速給料閾值，則螺旋送料機(jī)開始進(jìn)行慢速給料操作，當(dāng)達(dá)到預(yù)先設(shè)定的目標(biāo)定量值后，停止給料; 該包裝過程結(jié)束，開啟下一包裝過程。包裝計(jì)量裝置的工作流程如圖 3 所示。

圖 3 包裝計(jì)量裝置工作原理流程圖

Fig．3    The flow chart of working principle of package metering device

1. 4. 包裝計(jì)量裝置機(jī)械部分的設(shè)計(jì)

包裝計(jì)量裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分， 該部分設(shè)計(jì)的合理性和效率對整個(gè)系統(tǒng)的成本、可行 性和精確度具有重要的影響。

包裝計(jì)量裝置機(jī)械部分包括送料機(jī)、計(jì)量設(shè)備及嵌入式控制器等。其中，計(jì)量設(shè)備是定量配重裝置機(jī)械部分最重要的部件，而螺旋桿是計(jì)量設(shè)備的核心。

螺旋秤在糧食包裝計(jì)量的實(shí)際應(yīng)用中，最重要的零件是螺桿。螺旋秤中的螺桿，應(yīng)該使設(shè)備符合大部分糧食的精密包裝，因此在對螺桿的設(shè)計(jì)中不僅要滿足設(shè)備對產(chǎn)量和要求，還要符合設(shè)備關(guān)于精度的要求。螺旋桿設(shè)計(jì)示意如圖 4 所示。

螺桿外徑參數(shù)設(shè)定越大，每次帶出的糧食質(zhì)量越大，計(jì)量誤差也越大; 參數(shù)設(shè)定越小，因增加電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的次數(shù)，包裝效率就越低。為了防止電機(jī)的抖動(dòng)導(dǎo)致糧食的溢出，引起計(jì)量誤差，設(shè)計(jì)中將螺桿和伺服電機(jī)同軸轉(zhuǎn)動(dòng)。

為了方便螺桿參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算，采用矩形截面螺 紋的計(jì)算方法。其中，伺服電機(jī)帶動(dòng)螺桿旋轉(zhuǎn) 1 次，

帶出的糧食體積 V 為

V = F·L = t( S － b) ·π·d / cosα ( cm³ ) ( 1) 螺桿每次帶出的糧食質(zhì)量 M 為

M = V·γ·n ( kg) ( 2) 其中，F 為矩形螺紋截面積; L 為螺旋桿總長度; t

為螺旋槽深度; S 為螺距; b 為螺旋葉片厚度; d 為螺桿內(nèi)徑大小; α 為螺旋升角; γ 為糧食單位容積質(zhì)量值; n 為螺桿的轉(zhuǎn)速。

螺桿參數(shù)的設(shè)計(jì)取決于待包裝糧食對象，式( 1) 和式( 2) 決定了螺桿參數(shù)的計(jì)算，這些參數(shù)的設(shè)定直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的計(jì)量精度。

在計(jì)算過程中，假定螺旋填充率為 1，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)比較，設(shè) S = D = 25cm，d = 4cm。該參數(shù)屬于標(biāo)準(zhǔn)螺旋，對大部分糧食具有廣泛的適應(yīng)性，能夠滿

足設(shè)計(jì)要求，符合計(jì)量精度標(biāo)準(zhǔn)。

2. 全自動(dòng)糧食精密包裝機(jī)伺服系統(tǒng)的建模
   1. 伺服系統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)的數(shù)學(xué)模型

伺服系統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)主要包括電機(jī)、聯(lián)軸器、螺旋和定位螺旋絲桿等幾個(gè)部分。伺服電機(jī)的角位 移量是傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的輸入值，記為 θ_M( t) ; 伺服電機(jī)帶出的糧食體積是傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的輸出值，記為 v₀ ( t) 。經(jīng)過研究分析后，將伺服系統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)轉(zhuǎn)化為如圖 5  所示的模型。

                                                         圖 5 伺服系統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)的動(dòng)力模型

                                                                                                                          Fig．5    The dynamic model of mechanical transmission of servo system

其中，I 為等效負(fù)載慣量; L 為定位螺旋絲桿長度; k 為螺旋絲桿剛度; F 為伺服電機(jī)的傳動(dòng)力; F₀ 為糧食給螺旋絲桿的摩擦阻力; v 為螺旋絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)的空間排擠量; v₀ 為糧食下落的體積量。

對于伺服系統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)的動(dòng)力模型，可以寫出其動(dòng)力平衡方程式，即

轉(zhuǎn)矩為 M，伺服電機(jī)的力矩方程為

M = M  + J dω + f ω ( 10)

L dt a

其中，f_a 和 M_L 分別為伺服電機(jī)的阻尼轉(zhuǎn)矩系數(shù)和負(fù)載轉(zhuǎn)矩。

伺服電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩 M 的表達(dá)方程式為

·· ·

F = mv 0  + Cr x0  + F0 ( 3)

M = C Icosφ = k I

( 11)

其中，m 為執(zhí)行部件的質(zhì)量; C_r 為螺旋送料機(jī)上的粘性阻尼系數(shù)。

伺服電機(jī)的傳動(dòng)力可以表示為

F = k( v － v0 ) ( 4)

其中，k_T 和 I_a 分別為伺服電機(jī)的等效轉(zhuǎn)矩系數(shù)和負(fù)載電流。

3. 電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
   1. 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

PLC 是全自動(dòng)糧食精密包裝機(jī)電氣控制系統(tǒng)的核心控制器件，其動(dòng)作傳輸信號(hào)采用按鈕、位置開關(guān)直接和 PLC 輸入端相連，控制性能可靠。根據(jù)對系統(tǒng)的分析與研究，該系統(tǒng)總共需要 12 個(gè)輸入點(diǎn)和 8 個(gè)輸出點(diǎn)。考慮到系統(tǒng)的可靠性和可擴(kuò)展性，本文選用西門子公司的 S7－200 控制器。系統(tǒng)的 PLC 輸入輸出端口分配如表 1 和表 2 所示。