王 凱，吳 兵*，廖宗宇，蔡家斌，李 芳，龍遠(yuǎn)強(qiáng)，潘 正(.貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，貴州 貴陽 55005；.貴州省煙草公司遵義市公司，貴州 遵義 563000)

我國(guó)是世界上第一煙草大國(guó)，煙草業(yè)稅收在我國(guó)的稅收體系中有著重要地位，是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要支柱行業(yè)，它對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起著積極的助推作用[1]。在整個(gè)煙草產(chǎn)業(yè)鏈中，煙葉是最重要的原料，它在運(yùn)輸及倉(cāng)儲(chǔ)等物流過程中都是基于以麻片包裝的煙包為基本單元進(jìn)行作業(yè)，物流成本過高，且物流設(shè)備較為落后[2-5]。目前，煙包的上包作業(yè)普遍采用皮帶傳輸機(jī)來完成，這類設(shè)備一般占地面積較大、較為笨重且移動(dòng)困難，難以適應(yīng)不同工作場(chǎng)所的上包作業(yè)需求，同時(shí)還存在著易使煙葉質(zhì)量受損以及安全隱患等問題[6-7]。

針對(duì)現(xiàn)有的上包設(shè)備存在的問題，本文設(shè)計(jì)了一種基于可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller, PLC)控制的新型上包機(jī)。該設(shè)備采用提升鏈條作為輸送裝置，可以將煙包從地面垂直運(yùn)輸?shù)街付ㄎ恢酶叨?，從而大大減小占地面積；以托盤作為煙包輸送的載體，可以使煙包在上包過程中放置平穩(wěn)，減小安全隱患，避免煙葉質(zhì)量受損；同時(shí)設(shè)備底部裝有萬向輪，可以較為方便地移動(dòng)，從而可適應(yīng)多種工作場(chǎng)所。

1 上包機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 主要設(shè)計(jì)要求

為了解決現(xiàn)有上包過程存在的問題，并能夠更好地應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)必須遵循以下原則：

(1)上包作業(yè)的效率需為每分鐘6到10個(gè)包，且上包速度可調(diào)；

(2)設(shè)備的上包高度能夠根據(jù)具體情況進(jìn)行調(diào)整，最高上包高度為4 m；

(3)設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，應(yīng)便于移動(dòng)，且設(shè)備的操作簡(jiǎn)單，易于上手。

1.2 整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1所示，煙包上包機(jī)主要由機(jī)架、傳動(dòng)總成以及輸送機(jī)構(gòu)組成。

圖1 煙包上包機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of the tobacco bale conveyor

其中，機(jī)架是煙包上包機(jī)的主要連接和承載部件，其余兩個(gè)機(jī)構(gòu)均是固定連接在上面，是上包機(jī)的基礎(chǔ)部件。機(jī)架主要由底板、側(cè)框架、中間連桿、左右擋板、限位槽和擴(kuò)張輪桿等組成；機(jī)架主要以焊接和螺栓連接為主，加工工藝性較好，加工精度易得到保證[8-9]。傳動(dòng)總成主要由電機(jī)、主軸、傳動(dòng)齒輪和傳動(dòng)鏈條等組成，是主要的動(dòng)力部件；輸送機(jī)構(gòu)主要由輸送鏈輪、輸送鏈條、傳動(dòng)軸和托盤等組成，是主要的煙包承載部件[10]。

2 上包機(jī)關(guān)鍵部件選型

2.1 輸送鏈條選型

煙包上包機(jī)采用輸送鏈條進(jìn)行垂直輸送煙包。如圖2所示，在輸送鏈上共有7個(gè)托盤，擬定最多可有4個(gè)煙包同時(shí)放置在托盤上。考慮每個(gè)煙包和托盤的重量以及鏈條自身的承重能力，根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)選擇鏈條的型號(hào)為16A。鏈條的具體參數(shù)如表1所示。

圖2 輸送機(jī)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the conveying mechanism

表1 輸送鏈主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of conveyor chain

2.2 電機(jī)選型

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)共有4個(gè)鏈輪，其中鏈輪組上有3個(gè)鏈輪：1個(gè)從動(dòng)鏈輪和2個(gè)輸送鏈輪，如圖3所示。由圖可見，在開始工作時(shí)，主動(dòng)鏈輪通過驅(qū)動(dòng)鏈條帶動(dòng)從動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而通過輸送鏈輪帶動(dòng)輸送鏈條運(yùn)動(dòng)。

圖3 鏈輪組示意圖Fig.3 Schematic diagram of the sprocket set

為保證上包過程運(yùn)行平穩(wěn)，在進(jìn)行輸送鏈條的選擇時(shí)，須按照低速鏈條來處理，即v<0.6 m/s[11]。在本設(shè)計(jì)中，輸送鏈條運(yùn)轉(zhuǎn)速度設(shè)定為0.3 m/s。

當(dāng)設(shè)備處于最大上包數(shù)量時(shí)，最大負(fù)載約為2 862 N。通過計(jì)算得電機(jī)功率約為1.1 kW，電機(jī)轉(zhuǎn)矩約為29.3 N·m。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，電機(jī)選擇變頻調(diào)速電機(jī)，同時(shí)根據(jù)得到的計(jì)算結(jié)果，最終選擇型號(hào)為YVF2-132S-4，其主要參數(shù)如表2所示。

表2 電機(jī)基本參數(shù)Tab.2 Basic motor parameters

3 上包機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 上下包作業(yè)流程

如圖4所示：當(dāng)設(shè)備開始上包作業(yè)時(shí)，電機(jī)4啟動(dòng)，驅(qū)動(dòng)主動(dòng)鏈輪3轉(zhuǎn)動(dòng)，主動(dòng)鏈輪3通過驅(qū)動(dòng)鏈條2驅(qū)動(dòng)鏈輪組1轉(zhuǎn)動(dòng)，鏈輪組1帶動(dòng)輸送鏈條5進(jìn)行循環(huán)往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)；在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中，托盤6安裝固定在兩輸送鏈條之間，并跟隨輸送鏈條進(jìn)行循環(huán)往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而將煙包從地面垂直輸送到指定高度位置。

圖4 煙包上包機(jī)作業(yè)示意圖Fig.4 Schematic diagram of operation structure of tobacco bale conveyor

在整個(gè)上包作業(yè)流程中，當(dāng)某個(gè)托盤將要到達(dá)指定上包或者下包位置時(shí)，電機(jī)會(huì)逐漸減速直至在指定上包或者下包位置停止轉(zhuǎn)動(dòng)，并保持幾秒鐘，在此期間由工人將煙包放置到托盤上，或者將煙包從托盤上抬離。之后，電機(jī)啟動(dòng)，逐漸加速達(dá)到預(yù)定的轉(zhuǎn)速后，開始勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，完成一次上包或者下包作業(yè)。

3.2 I/O需求分析及控制功能分析

為實(shí)現(xiàn)循環(huán)上包的功能，需對(duì)上包機(jī)進(jìn)行有效的控制，本文選擇的控制方式為PLC控制[12-13]。根據(jù)上、下包作業(yè)流程，估算可能需要用到的串口類型、串口數(shù)量和I/O點(diǎn)數(shù)。上限位選擇按鈕(選擇上包處的限位傳感器)2個(gè)，下限位選擇按鈕(選擇下包處的限位傳感器)3個(gè)，正轉(zhuǎn)按鈕1個(gè)，反轉(zhuǎn)按鈕1個(gè)，啟動(dòng)按鈕1個(gè)，停止按鈕1個(gè)，傳感器5個(gè)，信號(hào)指示燈9個(gè)。一共需要輸入端子14個(gè)，輸出端子9個(gè)。同時(shí)考慮到還要留有一定的I/O余量，故選定I/O點(diǎn)數(shù)為40，其中輸入端子24個(gè)，輸出端子16個(gè)。

對(duì)于電機(jī)部分，由于托盤在到達(dá)上、下包位置時(shí)需要停留幾秒鐘進(jìn)行上、下包作業(yè)，故電機(jī)會(huì)頻繁地啟停。因此，電機(jī)類型選擇變頻電機(jī)，同時(shí)還應(yīng)選用能與之匹配的變頻器。此外，托盤到達(dá)上下包位置時(shí)應(yīng)能及時(shí)準(zhǔn)確地停下來，故還需要傳感器來檢測(cè)。

操作面板、PLC和變頻器之間均采用通訊的方式來發(fā)送接收指令，各硬件之間的大致關(guān)系如圖5所示。工人通過操作面板的人機(jī)交互界面，可設(shè)置上包電機(jī)的運(yùn)行頻率(控制整體運(yùn)行速度)，到達(dá)上、下包位置的等待時(shí)間，正反轉(zhuǎn)狀態(tài)，機(jī)器啟停和所需使用的限位傳感器。

圖5 控制硬件之間的控制關(guān)系圖Fig.5 Diagram of the control relationship between control hardware

3.3 控制系統(tǒng)硬件選型

本文選擇歐姆龍CP系列的PLC，其型號(hào)為CP1E-N40S1-D。該P(yáng)LC有40點(diǎn)I/O點(diǎn)數(shù)(24點(diǎn)輸入，16點(diǎn)輸出)，同時(shí)內(nèi)置RS232-C和RS-485端口，可與觸摸屏和變頻器進(jìn)行通訊。

根據(jù)調(diào)速電機(jī)型號(hào)，選擇變頻器型號(hào)為3G3MX2-A4075-ZV1。傳感器選擇歐姆龍E3Z-FRN11 2M。操作面板為歐姆龍系列NB7W-TW00B觸摸屏[14]。

3.4 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖6為PLC邏輯控制框圖。

圖6 PLC控制邏輯圖Fig.6 PLC control logic diagram

如圖6所示，給機(jī)器上電后，進(jìn)入上包模式。判斷是否需要修改機(jī)器的運(yùn)行參數(shù)，如：改變正反轉(zhuǎn)狀態(tài)、限位傳感器選擇、運(yùn)行頻率設(shè)置、調(diào)節(jié)到達(dá)上、下包位置的等待時(shí)間。如果需要修改，則在設(shè)置好參數(shù)并確認(rèn)無誤后按動(dòng)按鈕啟動(dòng)機(jī)器。機(jī)器啟動(dòng)后，首先檢測(cè)是否位于限位處。如果位于限位處，則機(jī)器暫停幾秒后重新運(yùn)行；如果沒有位于限位處，則機(jī)器正常運(yùn)行。就這樣循環(huán)運(yùn)行，檢測(cè)是否位于限位處，直到按下停止按鈕才會(huì)退出循環(huán)，停止工作。

圖7為上、下包電機(jī)暫停狀態(tài)梯形圖。圖7所示程序段的功能是機(jī)器啟動(dòng)后進(jìn)入暫停狀態(tài)時(shí)開始定時(shí)，定時(shí)結(jié)束后變?yōu)閺?fù)啟狀態(tài)，機(jī)器恢復(fù)正常運(yùn)行狀態(tài)。定時(shí)時(shí)長(zhǎng)存放在保持區(qū)H1地址內(nèi)，故可以自行修改數(shù)值，并且斷電后也能保存數(shù)據(jù)。

圖7 上、下包電機(jī)暫停狀態(tài)梯形圖Fig.7 Ladder diagram of the pause state of the upper and lower tobacco bale motors

4 結(jié)論

本文提出了一種新型煙包上包機(jī)，該設(shè)備可進(jìn)行垂直輸送，占地面積小，移動(dòng)較為方便。采用PLC控制，上包速率可調(diào)且操作較為簡(jiǎn)單，自動(dòng)化程度較高。本設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)以及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可為相關(guān)機(jī)械設(shè)備的設(shè)計(jì)提供參考。