保定職業(yè)技術學院機電工程系 高韶坤 艾建軍

引言

目前葦編多采用人工方式或簡單機械加工，生產效率較低，且質量水平參差不齊，為了提高葦簾的編織效率和質量，方便葦農操作，根據相關葦簾編織工藝要求和農業(yè)機械設計標準設計了一款自動控制葦編機，并對其進行了試驗研究[1]。

1 自動控制葦編機結構與工作原理

1.1 整機結構

該機器共有三套機械裝置和一套控制系統(tǒng)組成：送料機構、編織機構、卷簾裝置以及PLC控制部分。在CAXA實體設計環(huán)境中對自動控制葦編機進行三維建模，如圖1所示。送料機構采用傳送帶傳送蘆葦稈，編織機構將葦簾編好后由卷簾機構通過旋轉運動進行收集。機器的工作過程通過控制面板實現人機交互，根據實際加工情況在面板設置葦簾厚度，控制系統(tǒng)據此計算電機轉速并驅動電機，人機交互更加方便，提高了設備的自動化程度[2]。

圖1 自動控制葦編機總體結構示意圖

1.2 工作原理

采用雙線旋轉的編織方法，原理見圖2。兩根編織線從旋轉器的出線孔1伸出，然后被2、6兩個分線孔分開，與前面鎖扣形成一個封閉的編織環(huán)，蘆葦稈穿過編織環(huán)，旋轉器旋轉180°，便編織好了一根蘆葦稈，重復動作以此類推，編織好的蘆葦受到卷簾裝置的拉力向前運動，葦簾編織持續(xù)進行。

圖2 雙線旋轉編織原理

1.3 關鍵部件

旋轉軸組件作為編織機構的關鍵，結構如圖3所示，由旋轉器，旋轉線軸，線軸三部分通過螺紋連接組成，旋轉線軸兩端通過螺紋鏈接分別與旋轉器和線軸連接在一起。

圖3 旋轉軸組件

2 傳動系統(tǒng)設計

2.1 編織機器傳動系統(tǒng)設計

傳動系統(tǒng)主要為旋轉軸旋轉提供動力，并根據工作需要調節(jié)旋轉軸的轉速，如圖4所示。為了保證編織機工作的穩(wěn)定性，編織機傳動系統(tǒng)的第一級傳動采用帶傳動，電動機通過窄V帶將動力傳遞給將6個蝸桿串聯在一起的蝸桿軸，再通過蝸輪蝸桿傳動將運動傳遞到6個旋轉軸。旋轉軸的開啟與調速由PLC控制電機變頻調速實現[3]。

圖4 編織機傳動系統(tǒng)圖

2.2 卷簾拉簾部分傳動系統(tǒng)設計

編織需要一個向前的力，才能持續(xù)進行編織，而編好的葦簾也需要卷起，所以編織機配有拉簾卷簾裝置。卷簾傳動采用一級帶傳動，拉簾部分傳動系統(tǒng)設計如圖5所示。

圖5 拉簾傳動系統(tǒng)圖

2.3 電機轉速計算

拉簾卷簾裝置提供向前的力，使編織持續(xù)進行，拉簾示意圖見圖6，由兩根橡膠卷棍通過摩擦力拉動葦簾前進。常見蘆葦稈長1～2.5m，直徑3～10mm。制作葦簾時選取長1.5m，直徑5mm左右的葦稈，設定編織機的工作效率為V=120～180m/h。按照編織原理，選取功率為1.1KW的步進電機，根據葦稈直徑計算電機轉速。

圖6 拉簾示意圖

μ——摩擦系數（取μ=0.8）；N——壓緊力（N）；

卷簾速度kV=dn蝸桿K

d——葦稈直徑(cm)；n蝸桿——蝸桿轉速（r/min）；k---間隙系數（取k=1.1～1.2）。

蝸桿的轉速

n電機——電機轉速（r/min）

i1——帶傳動傳動比

i2——蝸輪蝸桿傳動比

N2——大帶輪轉速（r/min）

N1——小帶輪轉速（r/min）

N4——蝸桿轉速（r/min）

N3——蝸輪轉速（r/min）

D1——小帶輪直徑（cm）

D2——大帶輪直徑（cm）

Z1——蝸桿頭數

Z2——蝸輪齒數

可見電機的轉速與葦稈直徑有關，將實際編織用的葦稈直徑帶入公式，即可得出相應的電機轉速。

3 PLC控制系統(tǒng)設計

控制電機變頻調速系統(tǒng)由Siemens S7-200 PLC、FR-D740-0.75K變頻器、三菱GT1000系列觸摸屏、電機及電機測速系統(tǒng)等構成?？梢蕴岣哒{速系統(tǒng)的實用性和靈活性，操作簡便、直觀[4]。對PLC的I/O端子進行分配，分配如表1所示。

表1 PLC的I/O分配表

電機運行工作時序部分梯形圖程序如圖7所示。

圖7 電機變頻調速控制系統(tǒng)部分梯形圖

4 試驗情況及效果

葦簾編織裝置和卷簾裝置是葦編機的主要工作部件，編織效果和卷簾速度是整機的工作性能的重要指標。為此，通過對自動控制葦編機的性能試驗，研究機器運動參數對葦編機作業(yè)的影響，并分析實驗結果[5]。

4.1 試驗目的

農業(yè)機械裝備研發(fā)的重要一環(huán)是通過生產作業(yè)驗證機械的工作性能。本研究針對自動控制葦編機的設計和結構性能參數，對影響編織效果和編織厚度的重要因素進行實驗，對編織的松緊度和厚度進行檢驗，為后續(xù)優(yōu)化樣機提供參數依據[6]。

4.2 編織試驗

以不同直徑的葦稈進行編織試驗，編織繩用魚網線，主要測定編織效果和編織速度，試驗數據見表2。

表2 試驗測試數據

試驗數據主要分析兩個方面：

（1）蘆葦簾的編織要求緊密，不能松散，編織繩要緊緊地勒住蘆葦稈，不能從一頭用手輕松拽出葦稈，經線要均勻，經過試驗，編織的葦簾不跳線、不跑偏、厚薄均勻，質量良好。

（2）編織速度快，生產效率高，能根據蘆葦稈直徑和送料的速度調節(jié)電機轉速。分別選用了平均直徑為3mm，5mm，8mm的葦稈和厚度為20mm的稻草做了四次編織試驗，相應的電機轉速分別調節(jié)為1300r/min，1000r/min，700r/min，300r/min，編 織 速 度 為120m/h，150m/h，170m/h，165m/h，符合設計預期，不僅滿足了使用要求，還提高了生產效率。

5 結論

既能生產厚度3～8mm的裝飾用葦簾，也能生產厚度20mm的大棚用保溫草簾，該機采用獨特的傳動機構,配套動力1.1kW電機，正常工作每小時可生產130～180m葦簾（根據葦簾的厚?。?長短可以任意調節(jié),具有結構簡單、不跳線、不跑偏、不伸長和厚薄均勻等特點。可以提高以蘆葦為原料的草編業(yè)的工作效率，提高蘆葦的利用率，保證蘆葦編織產品的質量。