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潘春荣，张飞 （江西理工大学 机电工程学院，赣州 341000） 摘要：目的 设计一套自动筛选设备，实现残次品的自动筛选和剔除。方法 结合纤维定向分布概率密度函数思想及连续介质力学理论对缝合区域进行分析，建立缝线力学特性模型；为确保筛选机构的真空吸盘群与编织袋底口缝合区域表面形成的负压满足要求，建立真空系统的真空度、透气度、时间三者之间的数学模型。结果 推导出了缝线区力学特性参数、系统真空度、透气度、时间之间的关系，根据各参数之间的关系，采用三维制图软件Pro/E进行实体建模，并选取相关控制元器件完成了设备结构设计和控制系统搭建。结论 该自动编织袋残次品筛选系统能够将有缝合瑕疵的产品筛选并剔除，且能大幅度提高编织袋生产效率和降低生产成本。 关键词：编织袋底口；缝线；真空吸盘；PLC；微型拉力传感器 随着畜牧业的快速发展，对饲料及饲料包装的需求不断增加，因畜牧业自身独有的周期性特点，即幼崽集中哺育期，在此期间对饲料的需求出现跳跃式增长，因此，要求饲料和饲料包装生产企业具备短时间内快速提升产能的能力。通过前期的调研及相关资料的查阅，目前国内大部分编织袋生产企业的生产工艺普遍存在多工序、多设备和自动化程度不高等问题[1—2]。主要是因编织袋底口缝合质量无法实现自动检测，完全依靠人工，不仅效率低、产品质量及稳定性无法得到保证，且不利于编织袋实现自动化流水线生产。针对该问题，文中在文献[3—5]的研究基础上拟推导并建立编织袋底口缝合区力学特性及系统真空度的数学模型，以该模型为理论基础，结合金属材料屈服强度测试原理及方法，从而设计并开发编织袋残次品筛选机。 1 筛选机构设计及工作原理1.1 流程编织袋底口因存在漏缝、跳针、断线的情况，导致缝合区缝合密度降低，其力学性能也有所下降，通过上下真空吸盘群及 3组气缸组成的结构对缝线两侧区依次施加垂直于其表面的牵引力。牵引力阈值大小的设定是编织袋残次品筛选的关键，需根据缝口力学模型及系统真空度模型进行设定。具体筛选流程见图1。  图1 筛选流程 1.2 机构设计结合上述筛选流程可知，筛选机构可分为 2部分，即编织袋缝口筛选模块和抓取码垛机械手。筛选模块由2部分组成，位于编织袋下方的由真空腔及吸盘群组成的编织袋定位结构,以及位于编织袋上方的由气缸、拉力传感器、真空发生器、光电接近开关、3组真空吸盘组成的牵引机构，该机构可对编织袋一侧施加垂直于其表面的向上牵引力，找出缝合有瑕疵的区域。抓取码垛机械手主要由抓取和搬运2部分组成，可实现编织袋的抓取和搬运码垛功能。设备结构见图2。  图2 筛选机构 2 编织袋缝口区域力学特性分析2.1 缝合棉线力学特性建模编织袋残次品筛选以底口缝线的力学特性为依据[3]，缝线的主要成分为纤维，取棉线中任意一段作为分析对象，Pan[4—5]结合纤维定向分布概率密度函数思想及连续介质力学理论，通过对缝线中任意一根纤维进行受力分析，以此为基础推广到整条缝。纤维的拉伸弹性模量为Ef，纤维在缝线体积中所占比例为φf，纤维长度有效系数为η，捻回角为 q，缝线的拉伸模量为：  Platt根据缝线几何结构和缝线变形与轴向变形间的关系，推导出缝线中纤维拉伸应变εf与缝线拉伸应变量εy和捻回角q之间的关系：  根据连续介质力学理论，缝线的拉伸应力δy，拉伸应变εy和拉伸模量Ey之间存在以下关系：  结合以上公式及单位距离（10 cm）内缝针缝合密度ρ（缝合针数），得出编织袋底口缝线区力学模型：  根据以上力学模型可计算出不同型号编织袋底口力学特性F值，该值为编织袋残次品筛选的判定条件。 2.2 吸盘及力学特性分析编织袋残次品的筛选和剔除主要由真空吸盘完成，上下吸盘组与缝线两侧区域形成负压并施加垂直于表面的牵引力，以底口缝合区域的力学模型为判定条件，设计真空筛选系统。为了确保吸盘与编织袋表面形成的负压满足要求，需对真空系统的关键参数，即真空度、透气度、时间进行分析。编织袋缝线区域的受力情况见图3。  图3 编织袋缝合区域受力情况 吸盘与被抓取物体表面形成负压，这主要是由真空发生器将吸盘腔体内多余气体抽出而实现的。腔体内与腔体外形成压力差，在大气压强的作用下使吸盘与物体表面牢固压合在一起。当吸盘与物体表现牢固结合后，依据动态平衡可得出系统的抽气方程[6]：  式中：p为真空腔中的压强；u为抽真空速度；V为吸盘腔的容积；Q为泄露量。 编织袋由丝线编织而成，虽表面覆盖涂层，但其仍具有一定的透气度，故不能忽略该因素。透气度D（m/(Pa·s)）是指在单位时间和单位压力差的情况下，单位面积编织袋所通过的平均气量，编织袋透气量Q为：  式中：A为吸盘有效面积；Δp为真空系统的内外压差。将式（6）代入式（5）中得到：  式中：t为腔体内的压强由标准大气压p0变为p所用的时间，即吸盘与编织袋表面形成负压的所需时间。代入式（7）得：  经变换后得到： 式（9）中，p，D，t为未知量，需进一步分析。由真空系统特性可知，因系统的抽气速度较快，即吸盘腔内达到p所用时间较短，无法检测，需在理想情况下对时间t进行处理，即假定编织袋表面不存在透气度，得到抽真空方程为： 吸盘腔内压强由 p0到达所需筛选要求的压强 p1时，所用时间t0为： 因编织袋表面并不是完全致密的，存在一定的泄漏量，吸盘腔体内压力达到要求压力的时间会相应延长，需引入相关的安全系数b，得到系统抽气时间t。将t代入式（10）中，得到最终的系统真空度与透气度的数学模型： 结合缝口力学模型式（4）及吸盘吸附力式（13），可推导出真空系统的真空度p为： 为了确保吸盘所产出的吸附力满足要求，通常情况下，系统的安全系数 b取值范围为 2～4，吸盘的有效面积A为其自身最大物理尺寸的85%左右，系统的真空度p一般取最大值的95%。 3 设备控制系统硬件选型及配置3.1 PLC选型及端口分配根据设备的控制要求，系统输入和输出信号分别占用PLC输入端12个点、输出端13个点。考虑到设备后期的可拓展性，故选用西门子 S7-200系列CPU226型PLC作为系统中央控制单元。该PLC型号共有2路数字输入和2路数字输出（Q0.0和Q0.1），2路数字输出具有高速脉冲（PTO）功能，可用于控制伺服电机或者步进电机[7]。PLC端口的分配见表1。 表1 筛选设备PLC的I/O分配 输入信号 输出信号输入设备 地址 输出设备 地址光电检测开关 I0.0 脉冲输出 Q0.0 1号牵引气缸下限位 I0.1 伺服使能 Q0.1 2号牵引气缸下限位 I0.2 脉冲方向 Q0.2 3号牵引气缸下限位 I0.3 吸盘群1号真空发生器 Q0.3 4号抓取气缸下限位 I0.4 吸盘群2号真空发生器 Q0.4机械手气缸下限位 I0.5 吸盘群3号真空发生器 Q0.5机械手目标位置检测 I0.6 吸盘腔真空发生器 Q0.6机械手初始位置越程检测 I0.7 机械手抓取吸盘真空发生器5 Q0.7机械手目标位置越程检测 I1.0 1号牵引气缸电磁阀 Q1.0伺服电机停止 I1.1 2号牵引气缸电磁阀 Q1.1机械手复位 I1.2 3号牵引气缸电磁阀 Q1.2机械手物料检测 I1.3 4号抓取气缸电磁阀 Q1.3 3.2 伺服驱动器的选用及设定码垛机械手[8]的运动由伺服电机和伺服驱动器组成的控制系统实现。为了提高机械手的响应速度和运行精度，降低系统误差，选用位置控制模式[9]。在位置控制模式中，通过脉冲个数、方向和发送频率等参数对伺服电机的位置、方向和速度进行精确控制。伺服驱动主要参数设置见表2。 3.3 机械传动误差修正机械手的往复搬运动作由伺服电机和滚珠丝杆组成的传动机构[10]实现，因滚珠丝杆存在机械加工误差且无法避免，需通过伺服系统的插补算法将其消除。当指令脉冲当量与位置反馈脉冲当量不一致时，使用电子齿轮对其进行匹配[11—12]。设置每个脉冲量对应的进给量为1 μm，总的位移量为1000 mm。电子齿轮的设定范围为 0.1＜PCMX/PCMX＜2000，对机编码器反馈脉冲PCMX和上位机给定脉冲PCDV值进行设置。已知滚珠丝杆螺纹节距l=8 mm，电机主轴与滚珠丝杆通过联轴器直接连接，传动比n=1，伺服电机编码器的分辨率Pt为每转反馈10 000个脉冲，根据上述参数结合式（15）可验证电子齿轮设置是否符合要求： 表2 伺服驱动器主要参数设置 序号 编号 名称 数值 功能含义1 Pr0.01 控制模式 0 位置控制2 Pr0.06 旋转脉冲方向设定 1 数值为0前进；数值为1后退3 Pr0.07 脉冲输入方式 3 脉冲+方向控制电机运行4 Pr0.08 电机每圈脉冲数 2500 转1圈反馈的脉冲个数5 Pr5.04 驱动禁止输入设定 2 正向，负向驱动输入无效 式中：Δs0为每个脉冲对应的位移量；Δs1为伺服电机每转对应的位移量。 3.4 系统控制电路设计设备控制电路硬件由触摸屏、PLC、EM235模块、伺服驱动器、拉力变送器等组成。控制电路见图4。 图4 控制电路 4 气动控制回路设计编织袋的筛选和抓取的动力源主要由真空系统提供。为了确保吸盘与编织袋表面形成稳定可靠的负压，其上牵引机构的每组吸盘群均使用一个真空发生器。气动控制回路的各执行元件的动作由单电控二位五通常闭型电磁阀实现。为了确保气缸动作稳定可靠，在电磁阀排气孔处安装相应的节流阀。系统部分气动原理见图5。 5 系统控制程序设计图5 气动控制原理 在可编程控制器编程软件Step7-Micro/win中，调用高速计数器和PTO指令向导模块并对PLC输出端Q0.0进行配置，对伺服电机加、减速等各种运行参数设置并绘制出电机的运动包络图。由松下MSDA042A1A型伺服电机用户手册可知，其编码器分辨率为每转反馈10 000个脉冲。结合编织袋外形尺寸、滚珠丝杆螺纹节距得出 PLC单次向伺服驱动器发送脉冲数为11 625 000个。根据已知参数在PTO界面设置伺服电机步0的目标速度为每秒30 000脉冲，结束位置为1 625 000个脉冲。 1）机械手伺服电机控制程序。在PTO中设置完电机运行参数后，向导模块生成3个子程序，分别是PTO_CTRL，PTO_RUN，PTOx_MAN。在编程时，可相应调用上述3个电机控制子程序。伺服电机控制程序见图6。 图6 伺服电机控制程序 2）模拟量采集程序。模拟量主要采集的是拉力传感器反馈的电信号，并对其进行处理[13]，见图7。设备所用拉力传感器的型号为 LCM300，量程为0～200 N，灵敏度为0.1 mA/N。根据EM253输入输出的模拟量参数对拉力传感器反馈值进行转换公式和推导：当模拟量电流信号输入设置为0～20 mA时，4 mA对应数字量为6400，20 mA对应数字量为3200。转换公式为： 3）筛选机构及机械手抓取控制程序见图8。 图7 拉力传感器信号采集程序 图8 机械手控制程序 6 人机交互界面设计系统人机交互界面采用SuKon系列07L型电阻式触摸屏，该系列触摸屏通讯口均支持 RS232和RS485通讯，为复合通讯接口，并支持所有的 CAN总线协议。触摸屏操作界面设计主要是功能键和变量的设计，并使之与PLC内部地址位建立联系[14—15]，实现对设备运行参数的实时监控和调整。操作界面主要包括功能键、输入/输出区域、指示灯组态和文本显示。触摸屏的操作界面见图9。 图9 触摸屏人机交互界面 7 结语通过对缝合棉线的结构力学分析，得出了编织袋底口缝合区域的力学模型，真空吸附系统关键参数间的相互关系，以及编织袋底口残次品筛选的判定条件。以 PLC为设备硬件电路的控制核心，设计了编织袋筛选控制系统，实现了残次品的自动化筛选，提高了生产效率，降低了工人劳动强度，为实现编织袋自动化流水线生产扫除了障碍。 参考文献： [1]王显, 龚力, 胡翔. 基于 PLC的双工位切缝机控制系统设计[J]. 湖北工业大学学报, 2015, 30(1): 77—79.WANG Xian, GONG Li, HU Xiang. 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To ensure that the pressure formed on the surface of the bottom suture areas of the screening mechanism’s vacuum chuck group and woven bag met the requirements, the mathematical model for vacuum degree, air permeability and time was established. The relationship between mechanical characteristic parameters, system vacuum, air permeability and time was derived. According to the relationship between the parameters, a solid model was developed by three-dimensional drawing software Pro/E. Then relevant control components were selected to design the equipment structure and build the control system. The automatic screening system for defective woven bag can screen and eliminate the products with suture defects, and greatly improve the production efficiency and reduce the production cost of the woven bag. KEY WORDS: bottom of woven bag; suture; vacuum chuck; PLC; micro tension sensor 中图分类号：TB486+.3 文献标识码：A 文章编号：1001-3563(2017)21-0114-06 收稿日期：2017-05-02 基金项目：国家自然科学基金（713604） 作者简介：潘春荣（1973—），男，博士，江西理工大学教授，主要研究方向为机电一体化、离散制造过程的优化和控制等。 |
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