米線自動切割一體機的控制系統設計

吳焱明，武林，楊少鋒，苗凱

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米線自動切割一體機的控制系統設計

吳焱明，武林，楊少鋒，苗凱

（合肥工業大學 機械工程學院，安徽 合肥 230009）

目前國內米線切割還處在人工操作階段，人工勞動強度高，危險性高，且生產效率低，切割質量差。企業過度的勞動力和資本投入在米線生產的切割環節中，不僅影響著生產自動化的實現，而且制約著企業的發展。為此，開發了一臺米線自動切割一體機，采用自動化的下架、壓緊、切割和送料等方式，實現米線切割的標準化、規范化。通過對米線質地和特征的調查，并經過大量實驗的驗證，控制系統形成以PLC為主控制器，觸摸屏作為人機界面，伺服電機、氣缸作為執行元件的控制方案。控制軟件采用模塊化的思想實現各個控制功能，分別實現了米線的單序手動切割和連續自動切割，大幅減輕了勞動強度，提高了切割的安全性，并保證了切割質量。

食品機械；自動切割機；PLC；控制系統

米線又稱米粉、米粉絲，既可作為小吃，又可作為主食[1]，具有廣泛的消費對象、巨大的發展潛力和廣闊的消費市場。然而，國內大多數米線生產企業尚處于資本原始積累階段，其生產設備自動化程度不夠高[2]，特別是米線切割步驟耗費了大量的人力資源，且切割后的米線長度參差不齊，影響產品的美觀性，制約著米線生產企業做強做大。為此，受某米線生產企業的委托，開發了一臺米線自動切割一體機，并設計了一款基于PLC的控制系統，利用PLC的可調性與易操作性，使勞動利用率與作業效率大大提高[3]。

圖1 米線自動切割機示意圖

1 系統總體設計

米線切割機的機械系統主要由機架、抓取機構、翻轉機構、牽引機構、鋸移機構、車移機構、壓緊機構和擋板機構組成，如圖1所示。牽引、鋸移、車移機構的運動均采用伺服電機作為動力裝置，三者的位移量和位移速度分別由PLC的脈沖數和脈沖頻率進行精確控制。牽引和車移機構采用伺服電機、減速器、同步帶的方式進行傳動，其中，牽引機構通過牽引手臂完成將米線牽引至目標位再空載返回的動作。車移機構則是通過小車完成將切割好的米線移動到目標位再返回至起點的動作。鋸移機構采用伺服電機、滾珠絲杠的方式進行傳動，其則是通過鋸移電機帶動鋸片架完成鋸進與退出動作。以上三者直線運動機構均設有原點、左極限和右極限三個接近開關，分別用于移動件的起點引導與判斷和左右極限位置的預警。抓取、翻轉、壓緊和擋板機構則采用氣缸推動，其氣動原理圖如圖2所示。此外，也可通過排氣節流閥和減壓閥來控制氣缸的動作快慢和壓力大小。抓取機構用于與生產線對接并通過抓取鉤取出一定量帶有米線的米線桿；翻轉機構則通過翻轉板將抓取好的米線翻轉至水平，待牽引手臂牽引；壓緊機構主要是通過壓緊板將米線壓緊，便于鋸片完成切割動作；擋板機構則通過擋板將切割好的米線兜起，供操作人員取走米線。四個氣缸均設有上下兩個磁性開關，可以通過其檢測氣缸動作是否到位。另外，鋸片的轉動采用典型的三相交流異步電機、皮帶輪的方案來實現。

圖2米線自動切割機氣動原理圖

2 控制系統硬件設計

控制系統的硬件主要由PLC、伺服電機及其驅動器、觸摸屏、三相交流異步電機、電磁閥等組成，如圖3所示。PLC的輸入點包括啟動、暫停、急停等4個按鈕，同時還有原點、左右極限等9個接近開關和3個伺服報警，此外還包括檢測氣缸到位的8個磁性開關，共計24個輸入信號；輸出點包括3臺伺服電機的脈沖和方向信號、4個氣缸的電磁閥信號、三相電機和報警指示燈等共14個輸出信號。從I/O點數、性能要求、可靠性和成本等角度綜合考慮[4]，選擇臺達EH3系列的PLC，控制系統原理圖，如圖3所示。

為了便于操作與監控，采用了觸摸屏與PLC的雙向通訊[5]，通過觸摸屏設置牽引、車移、鋸移伺服電機的移動速度和位移量，并可將三者的位置實時顯示出來。傳感器包括接近開關和磁性開關，接近開關可以引導和檢測伺服電機位置，磁性開關則用來判斷氣缸的位置。指示燈有紅、黃、綠三種顏色，可以顯示系統的運行情況。

圖3 控制系統原理圖

3 控制系統軟件設計

控制系統的軟件設計包括觸摸屏設計和PLC程序設計。首先對觸摸屏進行界面設計，由于觸摸屏與PLC進行雙向的信息交換，所以觸摸屏上設有按鈕、數值輸入、狀態顯示等元件。按鈕是通過向PLC傳遞開關信息進而控制伺服電機和氣缸動作；數值輸入則是用來輸入伺服電機位移的位移量和速度；狀態顯示實時反饋電機的運動信息；各界面的切換也可通過按鈕實現。其次，對PLC程序進行設計，通過對米線加工過程的動作和時序分析可知，PLC系統設計應該有手動調整、自動加工、手動加工、參數設置、報警查詢5個功能模塊，如圖4所示。

（1）手動調整模塊：手動調整供維修調試時使用，界面設置“快進”、“快退”、“點進”、“點退”等按鈕供操作人員對伺服電機進行位置調整，并能通過數值輸入調節電機的移動速度。

圖4 米線切割機功能模塊圖

（2）自動加工模塊：自動加工供正常工作時使用，該界面設有“回起點”、“自動加工”、“暫停”、“停止”按鈕。開始加工之前，可以通過觸摸屏上的狀態顯示確定氣缸和電機是否在起點，待回起點后，按下“自動加工”按鈕，系統便進入循環的自動工作狀態，直到按下“停止”按鈕時，系統才會退出循環狀態。“暫停”按鈕可供操作人員對設備和米線進行調整后，繼續進行后續的自動加工。自動加工模式下的各個執行元件的動作如圖5所示。

由于加工過程中運動動作復雜，機構間的動作交叉眾多，為避免彼此之間運動干涉，自動加工模式下各機構的動作采用時序與條件判斷相結合的原則，即當前執行元件的動作是由其他相關元件目前的位置決定的。進入自動加工模式后，抓取鉤先取出適量的米線桿，等待翻轉板動作。當牽引手臂位于起點后，翻轉板通過翻轉氣缸將米線置于平位，然后抓取氣缸松，將米線釋放給牽引手臂。這時，牽引手臂獲取米線桿后，判斷壓緊板、小車、鋸片架是否在起點，若不在則繼續等待，若在則將米線桿牽引至目標位。緊接著，翻轉板翻轉至立位，等待抓取鉤重新抓取米線桿，至此完成抓取和翻轉機構的一輪動作。同時，壓緊板下降至壓位將米線壓緊，鋸片則判斷牽引手臂位于目標位、小車位于起點、壓緊板位于壓位后，轉動鋸片并通過鋸移電機完成鋸進和返回的動作。切割完成之后，壓緊板抬起至松位來松開米線，此后，牽引手臂伺機返回至起點即完成牽引、壓緊和鋸移機構的一輪動作。隨后，小車載著切割好的米線通過車移電機將米線送至擋板處，擋板升起并兜住米線，小車等待牽引手臂回至起點后返回。當下一輪米線切割好之后，擋板即可松開，完成車移和擋板的一輪動作。

（3）手動加工模塊：手動加工模塊包含自動加工中每一個動作，可以通過手動加工完成米線加工的整個過程，也可以通過狀態顯示觀察每一個動作是否到位。

（4）參數設置模塊：參數設置可以對牽引電機、鋸移電機和車移電機的移動速度進行調整，也可以通過置數值改變三臺電機的位移量來適應不同尺寸米線的加工要求。

圖5 自動加工動作時序圖

（4）報警查詢模塊：當牽引電機、鋸移電機、車移電機在移動過程中超出左右極限，或電機過載、異常時，指示燈的紅色燈將閃爍并觸摸屏上會自動彈出報警窗口顯示當前故障。另外，當抓取氣缸、翻轉氣缸、壓緊氣缸、擋板氣缸在命令指令后未到達預定位置時，也會彈出報警窗口進行提示。

4 小結

該系統的PLC采用模塊化的思想設計了手動調整、手動加工和自動加工，對各執行元件的動作進行條件判斷，杜絕了機構間運動干涉的可能，并采用觸摸屏作為人機信息交換平臺，增強了系統的可靠性、穩定性和可操作性；使用伺服電機驅動執行元件，可精確的調節速度與位移量，提高了機構整體的精度；系統中使用的接近開關和磁性開關，則可靠的判定運動件的位置，保證了系統的安全性和可靠性。目前，該設備已在合作企業的生產線中投入使用，切割速度與生產速度相當，并留有調節的空間。同時，操作人員由原來的抓取2人、切割1人、遞料1人、捆扎3人和裝包3人的共10人組降為現在的捆扎和裝包5人，不僅節省了勞動力，而且降低了操作人員的勞動強度和危險性。切割出的米線整齊干凈，受到合作企業的一致好評，其實物圖如圖6所示。

圖6 米線自動切割機實物圖

[1]尹陽，孟慶虹，張守文. 米線加工研究現狀及相關問題探究[J]. 中國食品添加劑，2015（1）：154-158.

[2]關穎. 米線定量切割技術的研發[J]. 農產品加工，2011（7）：27-27.

[3]王開元，吳焱明，蘭毅，等. 新型鐵路接觸網檢修車梯的控制系統設計[J]. 機械設計與制造，2016（2）：150-152.

[4]吳焱明，孫云云，路程，等. 鎧裝機控制系統設計[J]. 裝備制造技術，2014（9）：60-61.

[5]魏樹實. PLC的數據通訊技術在兩臺橋式起重機同步并車監控系統中的應用[J]. 自動化信息，2005（11）：52-53.

Design of Control System for Automatic Cutting Machine for Rice Noodles

WU Yanming，WU Lin，YANG Shaofeng，MIAO Kai

(College of Mechanical Engineering, Hefei University of Technology, Hefei230009, China )

At present, rice noodle cutting is still manual work in China, with high labor intensity, high danger, low production efficiency and poor cutting quality. The burden of excessive workforce and capital investment in rice noodle cutting process not only affects the realization of automation in production, but also restricts the development of enterprises. To solve this problem, the authors developed an automatic cutting machine for rice noodles. Automated shelves, compression, cutting and feeding and other ways are used to achieve the standardization and normalization of noodle cutting. Based on the investigation of the texture and characteristics of the noodles, a control system is finally developed over repeated trials. The control scheme includes a PLC-based controller, a touch screen as a man-machine interface, and servo motor and cylinder as the implementation of the control program components. The control software realizes each control function based on the modular programming, and achieves the functions of single-sequence manual cutting and continuous automatic cutting of rice noodles, which greatly reduces the labor intensity improves the cutting safety, and ensures the cutting quality.

food machinery；automatic cutting machine；PLC；control system

TU649

A

1006－0316 (2018) 04－0073－04

2017－11－01

吳焱明（1968－），男，安徽太湖人，博士，副教授，主要研究方向為智能控制、數字化設計與制造等；武林（1991－），男，安徽六安人，碩士研究生，主要研究方向為機械制造計算機綜合自動化。

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.04.017