桑叶收集输送机的控制系统设计

2018-01-18彭帅星胡迎春牟向伟胡裔志齐勇落

制造业自动化 2017年10期

彭帅星，胡迎春，牟向伟，胡裔志，齐勇落

（1.广西科技大学机械工程学院，柳州 545006；2.广西师范大学职业技术师范学院，桂林 541004；3.桂林海威科技股份有限公司，桂林 541004）

0 引言

广西抓住了国家“东桑西移”的良好机遇，调整战略，努力实现了跨越式发展，在桑蚕产业积极地投入和不断地扩展，逐渐成为广西地区产业转移方向最成功的产业之一。虽然广西的桑蚕业发展迅猛，但是由于养蚕业机械化程度不高，发展较缓慢，成为制约桑蚕产业快速发展的瓶颈。目前在桑园管理和桑叶收获方面，由于受广西自然条件和地理环境的影响，国内对输送机的研究还处于起步阶段，由于目前工业化迅速发展，城镇化进程加快，劳动力价值提升，为加快研究适合不同区域蚕桑产业各个生产环节的配套、高效机械设备，推动传统蚕业向规模化、省力化和优质高效的现代化经营方向发展，迫在眉睫。桑叶采摘收集输送机是必不可少的机械设备。

1 整机结构及工作原理

桑叶收集输送机，它的主要功能是有节律的把运输车向前推进一个运输车的距离而且能够实现准确的定位，使之制造过程更加流畅。桑叶收集输送机是由运输车和它的传动装置构成（如图1所示），图中有很多运输车构成，每个运输车中心都有一个定位孔，而车体是通过两个2（滚轮）来支承在1（滚道）上，而9（导轨）是分别夹在两个滚道中间。小车的3（台面）是通过5（回转铰轴）相连接成为一个整体，从而在每个车台面上都会有4（塑料箱）来进行承接桑叶，传动的部分6（步移缸）一般位于在7（车体）下边，8（插销缸）和10（定位缸）的插销和拔销运动都会对应定位孔所在位置。因为车体和台面之间连接距离是固定的，从而两个小车之间的距离也是固定并且是相等的，都是0.5m。

由实际测量，一株桑树一般有3～5枝，一般采摘完一株需要3s，运输车运动需要时间（循环周期）可以确定为12s；步移缸前进后退速度采取慢-快-慢节奏，以防产生冲击。

图1 桑叶收集输送机结构

桑叶收集输送机气压PLC控制系统的运动顺序是先插销缸的活塞上升（插销），然后定位缸活塞下降（拔销），从而步移缸活塞向前运动（步移缸前进）。到指定位置后，定位缸的活塞上升（插销），从而插销缸活塞下降（拔销），然后步移缸活塞向后运动（步移缸后退），完成这些动作称为一个周期运动，如果需要连续运动就进行连续周期运动。这个运动周期一共需要12s。因为步移缸前进和返回行程和小车距离是相等的相等，所以步移缸前进和后退运动所需要的时间是相等都为6s。定位缸插销缸运动的距离也是都是50mm。插销拔销所需时间都为1s，定位缸的拔销插销各为1s，进而辅助时间为2s。

2 气压回路设计

桑叶收集输送机气压系统中的油路是有三种执行元件控制，而且它们的工作性质也互不相同，它们是按照规定的动作顺序进行运动，气压系统的油路主要由三条构成，包括步移气压缸、定位气压缸、插销气压缸三条支路，保证每条支路都通畅且三条支路是并联的，由一条主道供气。三条回路中步移气压缸这条支路所需的气量最大，选择单定量泵供气，泵的气量需要按照步移缸所需而定。步移气压缸往返速度相等，按理不需要进行调速，但是为了避免冲击，一般需要采用双向减速回路，也就是在进油路中装单向行程减速阀，对于定位气压缸的插销拔销速度，不需要进行调速，对于插销拔销的时间可以进行调速，采用调速回路，实现调速并保证两缸运动同步。气压系统中的回路都是采用电磁换向阀进行换位实现气路导通，气压系统回路中步移气压缸和辅助气压缸是通过动作顺序控制进行运动的。

图2 气压传动原理图

3 系统设计

根据步移式输送机的工艺流程及控制要求，气压系统主要是利用PLC的控制系统，并且选用三菱FX2N系列PLC（可编程控制器）。

3.1 工作模式分析

系统工作时，当插销缸的活塞向上运动(插销)，插入车体后，定位缸活塞下降（拔销），然后步移缸通过插销插入车体将输送小车向前移动一个输送小车的距离，然后定位缸活塞上升（插销）插入小车的定位孔中对小车进行定位，然后插销缸活塞下降（拔销）最后步移缸返回，进行下一周期的步移运动。桑叶收集输送机分为手动和自动两种控制方式，然而自动控制方式又分单周期和连续两种情况，自动与手动方式主要靠转换开关控制，当打开手动挡时，选择按钮控制运行每一个动作，而且手动方式主要是用于安装，调整维护这种情况，事实上就是按钮对步移式输送机的每一个气压缸进行独立控制。单周期的运行就是当调到单周时，按下按钮后各个气压缸按照采摘要求顺序进行一个周期动作，然后自动停止在原始位。单周期运行主要是用于检验系统，就是在系统处于原始位时，按下运行的按钮，各个气压缸按照工作要求顺序进行一个周期运动，然后自动停在原始位。连续运行就是在正常工作时系统处于原始按下运行按钮时，系统连续不断地执行各步动作。

表1 桑叶收集输送机的执行元件配置方案

表2 电磁铁动作循环表

3.2 PLC工作示意图

由设计可知本次设计主要实现步移缸前进和返回，插销缸的插销拔销，定位缸插销拔销这几个动作，结合PLC控制来实现这些动作。PLC工作示意图如图3所示。

图3 工作示意图

表3 I/O分配表

3.3 PLC输入输出接线图

通过常用传动设备和电器元件所需PLC的I/O点数选择用FX2N-32M型号的PLC，根据PLC的工作示意图和实际工作需要得到I/O分配表，如表3所示。

由I/O分配表和PLC实际工作需要得到输入输出接线图，如图4所示。

图4 输入输出接线图

3.4 主要控制程序

图5 主要程序

3.5 程序仿真

GX-Developer和GX-Simular软件是适用于三菱PLC的最新编程和仿真调试软件，可对三菱FX系列PLC的梯形图、顺序功能图、指令表等进行编程和仿真。GXDeveloper软件可以采用梯形图编程、指令编程、功能块编程等多种编程方式，程序中可以加入中英文注释，使用方便。该软件具有软件监控和CPU诊断功能，方便用户查明错误。即使在无PLC实物情况下，利用GXDeveloper和GX-simular软件可实现对程序的调试与仿真。用户可通过在线调试功能进行软件测试，监控PLC运行时的动作状态和数据变化等情况。通过观察触点颜色的变化，清晰地看到程序仿真运行的全过程。

仿真调试步骤如下：

1）创建新工程，打开GX-Developer软件，单击“工程”菜单下“创建新工程”，出现如图6所示的对话框。在对话框中的各个下拉菜单中选择相应的PLC系列、PLC类型、程序类型等并确定。在所创建的新工程中，运用顺序功能图编程的方法编写运输车控制程序。