煙葉自動(dòng)分級裝置中吸取機(jī)構(gòu)優(yōu)化分析

蘇國樟

（貴州水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州 貴陽 551416）

煙葉是貴州地區(qū)重要的經(jīng)濟(jì)作物，但目前煙葉分級仍依賴人工分揀實(shí)現(xiàn)，加上煙農(nóng)隊(duì)伍的減少，因此貴州地區(qū)煙葉產(chǎn)業(yè)面臨著發(fā)展難的現(xiàn)實(shí)問題[1]。隨著市場對煙葉分級的要求越來越高[2]，為進(jìn)一步提高農(nóng)業(yè)機(jī)械化程度，研究煙葉自動(dòng)分級裝置尤為重要[3]。現(xiàn)有針對煙葉分級的研究包括何艷等基于機(jī)器視覺技術(shù)的煙葉分級特征提取研究[4]，張磊團(tuán)隊(duì)通過建立煙葉的顏色和長度特征數(shù)據(jù)庫，從而實(shí)現(xiàn)煙葉的特征提取[5]等。本文所研究的煙葉自動(dòng)分級裝置主要由煙葉吸取、位姿校正、單張鋪平、煙葉分揀四部分組成，該裝置工作流程如圖1所示。

圖1 煙葉分級裝置工作流程

基于上述需求，需要設(shè)計(jì)一種煙葉吸取裝置，該裝置如圖2所示。由于系統(tǒng)控制要求較高，電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用伺服系統(tǒng)執(zhí)行單元，具體選用伺服驅(qū)動(dòng)器及交流永磁同步伺服電機(jī)HF-SP81。烤煙煙葉在吸取過程中需由伺服電機(jī)帶動(dòng)吸取機(jī)構(gòu)下降，接觸到煙葉后達(dá)到一定壓力值開始吸取動(dòng)作，隨后將吸取的煙葉放置到傳送帶上，吸取過程中若壓力不穩(wěn)定易造成煙葉破損。為解決此問題，筆者設(shè)計(jì)在吸取裝置內(nèi)加入彈性元件，通過MATLAB軟件中的SIMULINK模塊對伺服系統(tǒng)建立仿真模型，利用該模型開展剛性吸取裝置及彈性吸取裝置分析。

圖2 煙葉吸取裝置

1 組成部分

建立伺服控制電氣系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型及仿真分析有著現(xiàn)實(shí)意義[6]，數(shù)學(xué)模型的建立為提高伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能及精度提供了一種方法[7]。研究表明，采用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行仿真可有效縮短設(shè)備研發(fā)周期、提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性[8]。筆者設(shè)計(jì)的煙葉自動(dòng)分級吸取裝置驅(qū)動(dòng)部分主要由伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)、滾珠絲杠副、力傳感器、彈簧組成[9]，伺服系統(tǒng)組成如圖3所示。

圖3 伺服系統(tǒng)組成

2 伺服系統(tǒng)各部分?jǐn)?shù)學(xué)模型

2.1 伺服驅(qū)動(dòng)器數(shù)學(xué)模型

本系統(tǒng)采用的伺服驅(qū)動(dòng)器為三菱的MR-J3，伺服驅(qū)動(dòng)器數(shù)學(xué)模型是由壓力控制單元、速度控制單元組成，其基本數(shù)學(xué)模型為：

式中，uq(t)為電樞回路輸入電壓，Ka為增益倍數(shù)，取4。uc(t)為力控制電壓，uɡ(t)為速度環(huán)反饋電壓，Kf為速度反饋系數(shù)，取4×10-4，ωr(t)為電機(jī)角速度。

2.2 伺服電機(jī)數(shù)學(xué)模型

本系統(tǒng)采用的電機(jī)為三菱的HF-SP81，其為交流永磁同步電機(jī)（PMSM），在磁路不飽和、不計(jì)磁滯和渦流損耗的影響、空間磁場呈正弦分布的條件下，永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子為圓筒形Ld=Lq=L，且摩擦忽略不計(jì)。電機(jī)的傳遞模型如下：

式中，繞組等效電阻R=1.2 Ω，電樞電感L=0.5 H，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=17.8×10-4kg·m2，負(fù)載TL=3 N·m，轉(zhuǎn)矩系數(shù)Kc=1.8。伺服電機(jī)模型框圖如圖4所示。

圖4 伺服電機(jī)模型框圖

2.3 滾珠絲杠的數(shù)學(xué)模型

未加入彈性元件前，假設(shè)該部分為剛性連接，且滾珠絲杠副及絲杠的質(zhì)量和負(fù)載相比可以忽略不計(jì)，所以電機(jī)轉(zhuǎn)速就是絲杠轉(zhuǎn)速。總體的傳遞函數(shù)應(yīng)該為：

加入彈性元件后，接觸時(shí)有幾何變形關(guān)系為：

式中，x為工作臺(tái)移動(dòng)的距離，x1為彈簧被壓縮的距離。

所以總體的傳遞函數(shù)應(yīng)該為：

2.4 仿真對比

在SIMULINK中建立系統(tǒng)傳遞框圖，并基于系統(tǒng)傳遞框圖開展仿真分析，當(dāng)調(diào)整彈簧剛度K時(shí)，可以得到不同的壓力-時(shí)間響應(yīng)曲線。系統(tǒng)傳遞框圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)傳遞框圖

將剛性吸取機(jī)構(gòu)壓力-時(shí)間響應(yīng)曲線1（見圖6）和彈性吸取機(jī)構(gòu)壓力-時(shí)間響應(yīng)曲線2（見圖7）進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)加入彈性元件后吸取機(jī)構(gòu)最終吸取時(shí)分布在煙葉表面的系統(tǒng)壓力最大超調(diào)量大幅降低50%，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間是差不多的，所以加入彈性元件可以使煙葉吸取時(shí)分布在煙葉表面的壓力更穩(wěn)定。仿真結(jié)果證明，彈性吸取機(jī)構(gòu)在吸取煙葉時(shí)的壓力值穩(wěn)定，不易對煙葉造成損壞，能夠?qū)崿F(xiàn)煙葉的穩(wěn)定吸取。

圖6 壓力-時(shí)間響應(yīng)曲線1

圖7 壓力-時(shí)間響應(yīng)曲線2

3 結(jié)語

筆者通過研究煙葉自動(dòng)分級裝置中煙葉吸取機(jī)構(gòu)，建立常見伺服驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，利用SIMULINK建立電氣系統(tǒng)仿真模型。通過仿真分析，加入彈性元件進(jìn)行前后對比，最終仿真結(jié)果表明，加入彈性元件可以使煙葉吸取時(shí)的壓力更穩(wěn)定，有利于保護(hù)煙葉不破損。實(shí)驗(yàn)表明，仿真分析有利于幫助理解知識(shí)[10]，同時(shí)本研究也為其他農(nóng)業(yè)機(jī)械吸取裝置設(shè)計(jì)提供了一定的參考。