doi：10.15889/j.issn.1002-1302.2016.10.123
　　摘要：為有效避免散煙收購過程中定級(jí)分揀的人為因素，提高煙葉分揀的準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)一套基于PLC控制的散煙在線分揀系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用輸送帶機(jī)構(gòu)承載并輸送煙葉，真空裝置通過氣嘴有效吸附煙葉，機(jī)械手機(jī)構(gòu)結(jié)合位置檢測傳感器分揀煙葉。以可編程邏輯控制器作為系統(tǒng)的控制核心，研究其控制策略，提出一種多級(jí)程序控制方案，并運(yùn)用仿真軟件對(duì)控制程序進(jìn)行模擬仿真運(yùn)行。對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)執(zhí)行部件分別進(jìn)行功能試驗(yàn)，結(jié)果表明：檢測識(shí)別機(jī)構(gòu)響應(yīng)靈敏，能準(zhǔn)確控制電機(jī)的啟停；真空裝置滿足要求，氣嘴對(duì)煙葉的吸附效果良好；機(jī)械手帶動(dòng)氣嘴和煙葉運(yùn)行狀態(tài)良好，分揀系統(tǒng)可滿足分揀要求。本研究為散煙檢測分級(jí)分揀的自動(dòng)化、數(shù)字化領(lǐng)域提供基礎(chǔ)。
　　關(guān)鍵詞：散煙；分揀；PLC；控制系統(tǒng)
　　中圖分類號(hào)：S226.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2016）10-0424-04
　　收稿日期：2015-08-07
　　基金項(xiàng)目：河南省科技廳產(chǎn)學(xué)研項(xiàng)目（編號(hào)：142107000053）；河南省煙草公司科技計(jì)劃（編號(hào)：201212）。
　　作者簡介：姬江濤（1965—），男，河南偃師人，博士，教授，主要從事智能化農(nóng)業(yè)裝備研究。
　　通信作者：杜新武，博士，副教授。E-mail：du_xinwu@sina.com。煙草是我國重要的經(jīng)濟(jì)作物，在農(nóng)作物中占有重要的經(jīng)濟(jì)地位，不僅是我國重要的出口農(nóng)產(chǎn)品，而且是我國大部分地區(qū)提高農(nóng)民收入的重要手段[1]。散煙定級(jí)分揀是煙草行業(yè)的一項(xiàng)基礎(chǔ)性工作，GB 2635—1992《烤煙》規(guī)定了42級(jí)烤煙綜合評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，按照國標(biāo)對(duì)烤煙煙葉進(jìn)行準(zhǔn)確的定級(jí)分揀是提高煙草制品品質(zhì)的關(guān)鍵因素，同時(shí)也是確保廣大煙農(nóng)和工業(yè)生產(chǎn)者之間經(jīng)濟(jì)利益合理分配的重要依據(jù)。
　　目前，國內(nèi)外煙草行業(yè)均根據(jù)煙葉標(biāo)準(zhǔn)樣本對(duì)煙葉質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)與分揀，再依靠人體感官來判斷。依靠評(píng)定人員的感官進(jìn)行定性評(píng)定，極易受到客觀環(huán)境條件、評(píng)定人員情緒、評(píng)定人員經(jīng)驗(yàn)的影響，從而出現(xiàn)評(píng)級(jí)定價(jià)不準(zhǔn)確的現(xiàn)象[2]。每年煙葉收購前，全國各煙區(qū)主管部門均要舉辦培訓(xùn)班，并將大量樣本發(fā)往各收購站，必然造成人力、物力、財(cái)力的巨大消耗[3-4]。傳統(tǒng)的煙葉定級(jí)分揀方式不僅給國家、煙農(nóng)、煙葉加工部門造成經(jīng)濟(jì)損失，也使后期加工變得繁瑣[5]。
　　研究現(xiàn)代化的煙葉質(zhì)量檢測技術(shù)，運(yùn)用多種控制理論，開發(fā)自動(dòng)程度較高的煙葉分揀裝備，對(duì)于裁決煙葉質(zhì)量糾紛、指導(dǎo)散煙收購定級(jí)分揀工作、保護(hù)煙農(nóng)與國家利益均具有非常重要的意義。本研究是“散煙收購自動(dòng)化分級(jí)技術(shù)研究及系統(tǒng)開發(fā)”項(xiàng)目的一部分，將定級(jí)后的煙葉自動(dòng)分揀至相應(yīng)煙箱，以區(qū)分不同級(jí)別煙葉的價(jià)值，實(shí)現(xiàn)煙葉按質(zhì)定價(jià)，在保護(hù)煙農(nóng)經(jīng)濟(jì)利益的同時(shí)為后續(xù)煙葉加工提供便利。
　　1在線分揀系統(tǒng)組成及工作原理
　　在線分揀系統(tǒng)主要由輸送機(jī)構(gòu)、分揀機(jī)構(gòu)、檢測機(jī)構(gòu)、煙箱組成�？傮w結(jié)構(gòu)見圖1。
　　1.1輸送機(jī)構(gòu)
　　輸送機(jī)構(gòu)是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)載體，散煙放置在輸送帶上依次被分級(jí)、輸送、分揀至各級(jí)煙箱，結(jié)合人機(jī)工程學(xué)原理，選取人體適宜的操作高度，確定整個(gè)輸送機(jī)構(gòu)高度為0.65 m。煙葉在輸送機(jī)構(gòu)上縱向放置，因此輸送機(jī)構(gòu)寬度、輸送帶寬度根據(jù)散煙的最大展開寬度確定。測量煙葉樣本由河南省宜陽縣煙草公司提供，煙葉品種為北方地區(qū)大面積種植的NC89型煙葉，具有代表性，測量平均寬度為0.168 m，最大寬度為0.23 m�？紤]余量輸送帶寬度選用0.4 m，輸送機(jī)構(gòu)寬度為 0.5 m，輸送帶材質(zhì)選用煙草茶葉業(yè)常用的食品級(jí)PE輸送帶。
　　整個(gè)輸送機(jī)構(gòu)由調(diào)頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，速度可調(diào)，設(shè)計(jì)的正常工作速度為0.05 m/s。整個(gè)輸送機(jī)構(gòu)采用模塊化設(shè)計(jì)，總體長度可根據(jù)分揀煙葉的級(jí)別和分揀機(jī)構(gòu)的數(shù)量調(diào)整。
　　1.2分揀機(jī)構(gòu)
　　分揀機(jī)構(gòu)主要由機(jī)架、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、擺臂機(jī)構(gòu)、氣嘴、真空泵等部分組成，整體結(jié)構(gòu)見圖2。
　　驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用減速電機(jī)，工作時(shí)減速電機(jī)通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)擺臂機(jī)構(gòu)順時(shí)針（逆時(shí)針）轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)分揀動(dòng)作。氣嘴安裝在擺臂末端，氣嘴吸氣口通過氣管與真空泵相連，工作時(shí)真空泵保持一定的真空度，當(dāng)氣嘴接近煙葉時(shí)氣閥開啟，氣嘴吸起煙葉，此后擺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)到煙箱位置時(shí)氣閥關(guān)閉，氣嘴吸力消失，煙葉落入相應(yīng)煙箱中。
　　驅(qū)動(dòng)電機(jī)選用RF27DR63M4系列減速電機(jī)（SEW傳動(dòng)設(shè)備公司產(chǎn)品），電機(jī)額定功率PN=0.18 kW，額定轉(zhuǎn)速nN=1 400 r/min，減速比i1=69.47。外部減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用一級(jí)齒輪機(jī)構(gòu)傳動(dòng)，設(shè)計(jì)傳動(dòng)比i2=3。分揀機(jī)構(gòu)總傳動(dòng)比為：
　　i=i1i2=69.47×3=208.41；（1）
　　分揀機(jī)構(gòu)最終轉(zhuǎn)速為：
　　n=nNi=1 400208.41=6.72 r/min。（2）
　　擺臂機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)長度為0.6 m，材質(zhì)選用304不銹鋼管，在滿足使用強(qiáng)度要求的前提下，盡量降低機(jī)械擺臂機(jī)構(gòu)的質(zhì)量，不僅使整個(gè)機(jī)構(gòu)更加緊湊和輕巧，還可降低驅(qū)動(dòng)功率。擺臂機(jī)構(gòu)的力學(xué)模型為懸臂梁機(jī)構(gòu)，擺臂一端的撓度會(huì)影響擺臂運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，因此需要對(duì)擺臂機(jī)構(gòu)撓度進(jìn)行校核。初選幾種不同尺寸的不銹鋼方管或矩形管，建立力學(xué)模型對(duì)其撓度進(jìn)行校核。最終選取規(guī)格為0.04 m×0.03 m×0.002 m的不銹鋼管。最大撓度校核為：
　　wB=Fl33EI。（3）
　　式中：F為擺臂末端作用力，N，取F=20 N；l為擺臂長度，m，設(shè)計(jì)長度l=0.6 m；E為彈性模量，GPa，資料查詢304不銹鋼E=193 GPa；I為截面慣性矩，m4。
　　由于采用不銹鋼矩形空心管，可知慣性矩I為：
　　I=BH3-bh312。（4）
　　式中：B為不銹鋼管寬度，m，B=0.04 m；H為不銹鋼管高度，m，H=0.03 m；b為不銹鋼管內(nèi)孔寬度，m，b=0.036 m；h為不銹鋼管內(nèi)孔高度，m，h=0.026 m。

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