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0引言
國(guó)內(nèi)糧食包裝企業(yè)大多采用人工加簡(jiǎn)易包裝機(jī)進(jìn)行粗放式半自動(dòng)閥口包裝，包裝時(shí)灰塵飛揚(yáng)、污染較嚴(yán)重，且用工較多、勞動(dòng)強(qiáng)度較大。因此，全自動(dòng)糧食包裝設(shè)備不僅可以減少糧食包裝環(huán)節(jié)對(duì)環(huán)境的污染，防止工人塵肺病的發(fā)生，有效替代人工在惡劣環(huán)境下的工作，減少用工量，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，還能夠帶動(dòng)傳統(tǒng)包裝機(jī)行業(yè)產(chǎn)業(yè)升級(jí)，提高糧食包裝廠家的生產(chǎn)效率。為此，以PLC為主控制器，設(shè)計(jì)了一套全自動(dòng)糧食精密包裝機(jī)電氣控制系統(tǒng)，能夠保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性及有效減少糧食的包裝誤差。
1精密包裝機(jī)的工作原理
1.1包裝計(jì)量設(shè)備的選擇
目前，市場(chǎng)上常用的包裝計(jì)量設(shè)備有定量給料機(jī)、轉(zhuǎn)子秤和螺旋秤3種。其中，螺旋秤是指稱(chēng)重給料機(jī)對(duì)粉狀、散粒狀進(jìn)行連續(xù)輸送、動(dòng)態(tài)計(jì)量及控制給料的生產(chǎn)計(jì)量設(shè)備。螺旋秤設(shè)備如圖1所示。螺旋秤工作原理為:通過(guò)對(duì)絞刀轉(zhuǎn)動(dòng)速度和圈數(shù)的控制，確定排出的物料體積，同時(shí)稱(chēng)重傳感器對(duì)已包裝入袋的物料質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè);然后，將質(zhì)量信號(hào)和和絞刀速度數(shù)據(jù)一起送入PLC控制器;最后，控制系統(tǒng)將實(shí)際流量信號(hào)和預(yù)設(shè)值進(jìn)行對(duì)比，并通過(guò)PID控制器驅(qū)動(dòng)變頻器，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)喂料絞刀的速度，從而實(shí)現(xiàn)定量給料。根據(jù)全自動(dòng)糧食精密包裝機(jī)生產(chǎn)線配重系統(tǒng)的要求，本文選用螺旋秤作為系統(tǒng)送料計(jì)量設(shè)備。

1.2包裝計(jì)量裝置的整體結(jié)構(gòu)
包裝計(jì)量裝置主要包括原料倉(cāng)、伺服電機(jī)、螺旋送料機(jī)、秤臺(tái)和PLC控制系統(tǒng)等部件，如圖2所示。

定量配重裝置各零部件的功能描述如下:
1)原料倉(cāng):待包裝糧食進(jìn)入口;
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(cāng)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(lái)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。
1.3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(kāi)始正常工作后，由上級(jí)供料系統(tǒng)向原料倉(cāng)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(kāi)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(guò)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(kāi)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(guò)程結(jié)束，開(kāi)啟下一包裝過(guò)程。包裝計(jì)量裝置的工作流程如圖3所示。

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(duì)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(duì)螺桿的設(shè)計(jì)中不僅要滿足設(shè)備對(duì)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(xiàn)為矩形螺紋截面積;L為螺旋桿總長(zhǎng)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(duì)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(guò)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(duì)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
2.1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θM(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(guò)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。

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