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0引言

當(dāng)前，谷物包裝袋縫口過程一直依賴人力，惡劣的工作環(huán)境影響到操作人員的身體健康，對呼吸道和皮膚等部位損害尤其嚴(yán)重。鑒于此，許多學(xué)者對包裝縫口裝 置系統(tǒng)做了相關(guān)研究，或針對局部包裝工位機(jī)構(gòu)的研究口 ,或側(cè)重于某類產(chǎn)品包裝線或自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究小刁。這些設(shè)備始終無法徹底擺脫人的近距離參與。 本文設(shè)計(jì)一種用于對谷物包裝袋袋口實(shí)現(xiàn)自動(dòng)縫合的裝置，可與皮帶輸送機(jī)、裝袋稱或其它附屬設(shè)備裝配成一體使用，使得裝袋、稱重和縫包可由一人操作。具有結(jié)構(gòu)輕、安調(diào)容易、靈活便捷、占用空間小、工作范圍大等特點(diǎn)。該裝置以控制器為核心協(xié)調(diào)各個(gè)模塊工作，控制氣缸和直流電機(jī)運(yùn)動(dòng)，以傳感器反饋相關(guān)信號，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)引線、穿針、扣緊、縫合和剪線的全過程閉環(huán)精確控制。

1縫口裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

11總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

縫口裝置總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括引線、扣 緊、縫合和剪線結(jié)構(gòu)。當(dāng)引線柱上移到最上端時(shí)，剪線機(jī)構(gòu)閉合將縫口線剪斷，之后剪線機(jī)構(gòu)重新分開，引線 柱穿過剪線機(jī)構(gòu)下移。此時(shí),引線柱尾端類“M”型結(jié)構(gòu)的彈性夾口中間“V"型下凹槽中引線孔引出的縫口線被引入至縫口針中間的縫線孔，縫口線一端穿過縫口針到夾緊裝置處。夾緊裝置中左右滑塊內(nèi)移并壓緊鎖緊卡扣，鎖緊卡扣左端面鋸齒狀鎖緊突起與右端面鋸齒狀鎖緊突起相互卡合，保證鎖緊卡扣與縫口線下端有效扣緊。扣緊后，左右滑塊外移分開，引線柱豎直向上移動(dòng)到剪線機(jī)構(gòu)以上的初始位置作復(fù)位運(yùn)動(dòng)，此時(shí)因縫口線下端與鎖緊卡扣相連處被縫口針擋著無法繼續(xù)朝上運(yùn)動(dòng)。同時(shí),位于最下方的電機(jī)工作，帶動(dòng)擋板往上運(yùn)動(dòng)，將下一個(gè)鎖緊卡扣推至滑塊凸臺位置,作好下一個(gè)穿線工作準(zhǔn)備。此時(shí)，縫合結(jié)構(gòu)中左右氣缸配合運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)縫口針對包裝袋袋口的縫制動(dòng)作。當(dāng)縫制過程結(jié)束時(shí),剪線機(jī)構(gòu)即可動(dòng)作剪斷縫口線，完成一次自動(dòng)引線穿針和縫制的操作。

 

1.2引線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

引線結(jié)構(gòu)如圖2所示,該結(jié)構(gòu)工作原理如下：引線 柱下移帶動(dòng)縫口線穿過縫口針上的縫線孔，使縫口線的頭部被夾緊裝置夾緊。引線柱形狀為具有一定小錐度的錐形桶結(jié)構(gòu)，其上開口用于縫口線進(jìn)線，下開口為呈“M”型結(jié)構(gòu)的彈性夾口。這種形狀使得彈性夾口對縫口線的夾緊為非剛性模式，有利于避免縫口線和引線柱之間發(fā)生卡死。此外，為實(shí)現(xiàn)引線柱上移時(shí)不對縫口線產(chǎn)生夾緊效果，在“M”型結(jié)構(gòu)彈性夾口中間的 “V"形下凹槽兩內(nèi)側(cè)壁上開設(shè)一個(gè)帶缺口的松弛槽， 可使得引線柱豎直往上運(yùn)動(dòng)時(shí)對縫口線無夾緊效果， 而引線柱豎直向下運(yùn)動(dòng)時(shí)能夠有效地夾緊縫口線一起朝下移動(dòng)。為應(yīng)對不同粗細(xì)的縫口線，在引線柱下端外側(cè)配合一個(gè)緊固圈結(jié)構(gòu)，緊固圈的內(nèi)螺紋和引線柱外螺紋配合連接，因整個(gè)引線柱為一錐形桶結(jié)構(gòu)，相應(yīng)的緊固圈內(nèi)孔也為錐形，當(dāng)緊固圈向上運(yùn)動(dòng)時(shí),該錐度 可以對引線柱下端產(chǎn)生由外向內(nèi)的擠壓，從而調(diào)整引線柱的彈性夾口的引線孔出口處對縫口線的壓緊力。

 

1.3扣緊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

夾緊裝置如圖3所示,包括左右滑塊、鎖緊卡扣和承載臺三部分。承載臺上開設(shè)導(dǎo)向槽使得滑塊能沿著導(dǎo)向槽移動(dòng)，鎖緊卡扣兩側(cè)有配合卡槽，能夠保證卡扣在滑塊的擠壓力作用下有效的鎖緊。鎖緊卡扣下方的定位擋板可通過直流電機(jī)的帶動(dòng)上移，每完成一次卡緊，則擋板上移一個(gè)卡扣高度進(jìn)行更新。為增強(qiáng)鎖緊卡扣鎖緊端面對縫口線的鎖緊摩擦力，在卡扣的鎖緊端面上增加鋸齒狀突起。

 

1.4縫合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

縫合結(jié)構(gòu)如圖4所示，該結(jié)構(gòu)包括縫口針和兩結(jié)構(gòu)相同且成對稱分布的左右穿插裝置?？p口針兩端的外徑等大，中間有一圓孔用于穿引縫制線。每個(gè)穿插裝置由直線氣缸驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)左右伸縮移動(dòng)，直線氣缸的活塞桿固定在“U”形定位框上，定位框的兩側(cè)壁通過電磁鐵連接著壓緊塊，在電磁鐵帶動(dòng)下交替進(jìn)行夾緊和松開縫口針的動(dòng)作。初始狀態(tài)下，若縫口針左端定位在相應(yīng)側(cè)縮進(jìn)的穿插裝置上，此時(shí)右端穿插裝置則完全伸出且其兩壓緊塊處于松開狀態(tài)?？p口針的右端與右穿插裝置之間留有間隙以便放入谷物包裝袋的待縫制袋體。開始作業(yè)時(shí)，左穿插裝置在氣缸活塞桿的帶動(dòng)下向右移伸出，將縫口針穿過谷物包裝袋的袋體伸入到右穿插裝置的兩夾緊塊內(nèi)。之后右穿插裝置的兩夾緊塊閉合夾持住縫口針的右端，同時(shí)左穿插裝置的兩夾持塊松開縫口針左端，并保持姿態(tài)不動(dòng)。右穿插裝置在氣缸活塞桿帶動(dòng)下右移回縮，該過程直到縫口針的左端完全穿過谷物包裝袋的袋體為止。在這之后，包裝袋袋體外移一定距離，同時(shí)右穿插裝置在氣缸活塞桿帶動(dòng)下再次伸出左移，與上述過程類似，直到整個(gè)縫口機(jī)構(gòu)回到初始狀態(tài)，完成一個(gè)循環(huán)的縫制。依此類推，即可實(shí)現(xiàn)谷物包裝袋袋口的連續(xù)自動(dòng)縫制，可有效提升袋口的縫制效率。

 

 

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1總體方案

系統(tǒng)總體硬件的設(shè)計(jì)方案如圖5所示，主要由控制器、驅(qū)動(dòng)器、執(zhí)行器和傳感器四部分形成的一個(gè)完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)?？刂破魇钦麄€(gè)系統(tǒng)的核心，接受傳感器的信號進(jìn)行決策，輸出決策指令給驅(qū)動(dòng)器,協(xié)調(diào)各個(gè)部件的工作。驅(qū)動(dòng)器接受控制器信號，進(jìn)行功率放大，用于控制執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)。執(zhí)行器有直流電機(jī)和直線氣缸兩種。傳感器則有旋轉(zhuǎn)編碼器和光電開關(guān)，旋轉(zhuǎn)編碼器與直流電機(jī)連接，反饋直流電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度和角度給控制器;光電開關(guān)檢測直線氣缸的位置信息,用于判斷氣缸是否運(yùn)動(dòng)到位。

2.2氣缸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電路

根據(jù)縫口機(jī)構(gòu)的需要，為實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)幾個(gè)部件的直 線運(yùn)動(dòng)，使用FEST。公司型號為DNU-63-100-PPV -A的直線氣缸，分別用于引線柱驅(qū)動(dòng)、滑塊驅(qū)動(dòng)、穿插裝置驅(qū)動(dòng)以及剪線裝置驅(qū)動(dòng)。直線氣缸由電磁閥開關(guān)量控制，電路如圖6所示。

圖6氣缸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電路

以氣缸1控制為例，其主控芯片為某公司的89C51單片機(jī)，包括按鍵復(fù)位和晶體整蕩器電路等最小系統(tǒng)。由電磁閥調(diào)節(jié)進(jìn)出氣量實(shí)現(xiàn)氣缸運(yùn)動(dòng)，圖 6中由光電耦合元件TIP521實(shí)現(xiàn)模擬信號與數(shù)字信 號物理上的隔絕。光耦輸出側(cè)聯(lián)接電磁閥線圈和三極管，當(dāng)單片機(jī)與光耦連接的端口輸出低電平時(shí)，光耦輸 入端導(dǎo)通，輸出端與光耦連接的三極管基極獲得電壓, 三極管導(dǎo)通，電磁閥得電，氣缸動(dòng)作。當(dāng)單片機(jī)對應(yīng)的 端口輸出高電平時(shí)，三極管截止，電磁閥線圈失電，氣 缸回位。氣缸2、氣缸3和氣缸4的控制電路和工作原理與氣缸1相同。

2.3直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電路

扣環(huán)更新控制選用ZYT110永磁直流電機(jī)實(shí)現(xiàn), 直流電機(jī)釆用經(jīng)典的H橋式電路驅(qū)動(dòng)，如圖7所示。

該電路由4個(gè)型號為IRF3707的場效應(yīng)管、反相 器74LS04、TLP521-4光電耦合元件和若干電阻組 成。其工作原理：當(dāng)Q5、Q8導(dǎo)通時(shí)，電流從電源正極 經(jīng)過Q5從左至右穿過電機(jī)，然后再經(jīng)Q8回到電源負(fù) 極，將驅(qū)動(dòng)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng);反之當(dāng)Q6、Q7導(dǎo)通時(shí)，電 機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。因此，電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)需要三個(gè)信號控制: 兩個(gè)方向信號（IN3和IN4為電機(jī)轉(zhuǎn)向控制信號輸入 端）和一個(gè)使能信號（PWM2端口用于控制電機(jī)轉(zhuǎn)速）。 為了準(zhǔn)確得到電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度和速度信息,采用工業(yè)級增 量型旋轉(zhuǎn)編碼器與直流電機(jī)輸出軸聯(lián)接。該編碼器具 有體積小、重量輕、安裝方便、性價(jià)比極高的顯著優(yōu)點(diǎn)。 通過旋轉(zhuǎn)的光柵盤和光耦產(chǎn)生可識別方向的計(jì)數(shù)脈沖 信號。單相脈沖400/r,雙相4倍頻脈沖為1 600/r, DC5~24 V寬電壓供電，最大機(jī)械轉(zhuǎn)速5 000 r/min 以上。AB兩相輸岀矩形正交脈沖，電路輸出為NPN 集電極開路輸出型，此種輸出類型可以與帶內(nèi)部上拉 電阻的單片機(jī)如本文釆用的89C51單片機(jī)直接相連, 實(shí)現(xiàn)物體的旋轉(zhuǎn)速度、角度、加速度及長度測量。

 

 

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)谷物包裝袋縫口機(jī)構(gòu)的工作過程，確定該系 統(tǒng)軟件

 

流程如圖8所示。圖8中各氣缸作用：氣缸1一引線柱驅(qū)動(dòng)；氣缸 2一夾緊裝置驅(qū)動(dòng);氣缸3一縫口針移動(dòng)驅(qū)動(dòng);氣缸4- 剪線裝置驅(qū)動(dòng)。整個(gè)過程可分為準(zhǔn)備期、工作期和結(jié)束期三個(gè)階段。準(zhǔn)備期進(jìn)行各個(gè)電氣和機(jī)構(gòu)復(fù)位，當(dāng)復(fù)位結(jié)束后進(jìn)入工作期。工作期分為上扣、縫合和剪線三個(gè)步驟。在上扣過程，氣缸1下扣出錯(cuò)將無法使縫合線有效固定，穿插裝置出錯(cuò)導(dǎo)致縫合針

移，當(dāng)檢測到達(dá)指定位置后,直流電機(jī)開啟工作旋轉(zhuǎn)一周，使新增扣環(huán)上升，氣缸 2運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)縫口線末端上扣，保持氣缸2當(dāng)前狀態(tài)，氣缸 1上升回位，之后氣缸2動(dòng)作回位,完成整個(gè)上扣過程； 縫合機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，電磁鐵和氣缸3按照一定時(shí)序相繼動(dòng) 作；當(dāng)完成縫合過程后，剪線氣缸4運(yùn)動(dòng)，剪斷縫口線, 工作期結(jié)束。結(jié)束期主要判斷縫合循環(huán)次數(shù)，當(dāng)循環(huán)未結(jié)束，則重新進(jìn)入工作期，否則結(jié)束工作。

4試驗(yàn)測試

對樣機(jī)測試了 5種檔位速度下各500個(gè)谷物包裝袋上扣、縫合和剪斷過程的準(zhǔn)確性，記錄出錯(cuò)次數(shù)，并 對出錯(cuò)原因進(jìn)行分析，列于表1。“3 + 4*”表示3次 故障由于扣環(huán)環(huán)耳質(zhì)量問題導(dǎo)致上扣過程失敗，4次 故障由于扣環(huán)上升高度差異導(dǎo)致上扣過程失敗；“7 + 1 + 0* * ”表示7次故障由于上扣出錯(cuò)導(dǎo)致縫合過程失 敗，1次故障由于穿插裝置出錯(cuò)導(dǎo)致縫合過程失敗，0 次故障由于剪線過程出錯(cuò)導(dǎo)致縫合過程失敗。

表1運(yùn)行穩(wěn)定性結(jié)果記錄

速度檔位 -	動(dòng)作類型及故障次數(shù)/次
	上扣	縫合	剪線
低速	1 +0	1+0+0	0
中低速	2+0	2+0+0	0
中速	1 + 1	2 + 14-0	0
中高速	2 + 1	3 + 0+1	1
高速	3+4 *	7+1+0* *	0

從結(jié)果看，導(dǎo)致上扣出錯(cuò)原因有兩種：第一是每次 扣環(huán)上升高度存在誤差，隨著速度的增加，機(jī)構(gòu)由于慣 性作用致使最終扣環(huán)的定位精度無法保證;第二是由 于扣環(huán)環(huán)耳的加工誤差導(dǎo)致配合出錯(cuò)，這種出錯(cuò)存在 一定的偶然性?？p合過程故障主要由上扣出錯(cuò)、穿插 裝置出錯(cuò)和剪線過程出錯(cuò)導(dǎo)致縫合過程失敗。其中上 無法有效穿透包裝袋，剪線過程出錯(cuò)使得縫口線 無法剪斷，

不過穿插裝置出錯(cuò)和剪線過程出錯(cuò)具有一定 的偶然性。剪線過程故障主要是斷線失敗。另外發(fā)現(xiàn)： 隨著運(yùn)行速度的增加，上扣過程出錯(cuò)的概率隨之提高。

5結(jié)論

本文介紹縫口裝置整體及各個(gè)模塊的機(jī)械結(jié)構(gòu)，給 出系統(tǒng)總體硬件設(shè)計(jì)方案和電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)硬件電路，根 據(jù)谷物包裝袋縫口機(jī)構(gòu)的工作過程，確定該系統(tǒng)軟件流 程，最后通過樣機(jī)試驗(yàn)測試機(jī)構(gòu)工作的穩(wěn)定性,并提出 提高穩(wěn)定性的方法。樣機(jī)測試結(jié)果顯示該裝置的穩(wěn)定 性在低速度階段較佳，隨著速度的提高穩(wěn)定性變差，尤 其是上扣過程的錯(cuò)誤會增多。因此通過分析，提高扣環(huán) 的加工質(zhì)量和更換高質(zhì)量的電機(jī)(如使用伺服電機(jī))或 改進(jìn)電機(jī)控制算法(如引入預(yù)測控制等)，能有效解決工 作穩(wěn)定性問題，減少上扣、縫合和剪線過程的故障。

 

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