基于壓彎軸向位移值的掛面彎曲折斷率測(cè)定儀的研制

姜 松管國(guó)強(qiáng)劉瑞霞賈 瑜陳章耀趙杰文

(江蘇大學(xué)食品與生物工程學(xué)院1,鎮(zhèn)江 212013)

(江蘇大學(xué)理學(xué)院2,鎮(zhèn)江 212013)

基于壓彎軸向位移值的掛面彎曲折斷率測(cè)定儀的研制

姜 松1管國(guó)強(qiáng)1劉瑞霞1賈 瑜1陳章耀2趙杰文1

(江蘇大學(xué)食品與生物工程學(xué)院1,鎮(zhèn)江 212013)

(江蘇大學(xué)理學(xué)院2,鎮(zhèn)江 212013)

為了解決掛面彎曲折斷率測(cè)定中的徒手操作和端部轉(zhuǎn)角目測(cè)精度低等問(wèn)題,根據(jù)基于壓彎軸向位移值的掛面彎曲折斷率測(cè)定方法以及現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定指標(biāo)之間換算關(guān)系;運(yùn)用觸摸屏技術(shù)、PLC控制技術(shù)以及直線步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù),開(kāi)發(fā)了基于壓彎軸向位移值掛面彎曲折斷率測(cè)定儀。經(jīng)考核性試驗(yàn),測(cè)定儀性能穩(wěn)定可靠,完全滿足設(shè)計(jì)要求;為質(zhì)檢部門的掛面質(zhì)量檢測(cè)和企業(yè)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)及質(zhì)量評(píng)價(jià)提供了專用儀器支撐,提高了掛面行業(yè)品質(zhì)檢測(cè)的科技含量。

掛面 壓彎軸向位移值 彎曲折斷率 PLC 直線步進(jìn)電機(jī) 測(cè)定儀

掛面彎曲折斷率測(cè)定方法,在國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)——掛面 (LS/T3212—1992)中規(guī)定抽取掛面 20根,截成長(zhǎng)度為180 mm,分別放在標(biāo)有厘米刻度和角度的平板上,用左手固定零位端右手緩緩沿水平方向向左移動(dòng),使掛面彎曲成弧形,未到規(guī)定的彎曲角度折斷,即為彎曲折斷條。彎曲折斷率計(jì)算方法為20根試樣中彎曲折斷的掛面根數(shù)與 20根試樣之比的百分比[1]。從標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)方法來(lái)看,掛面彎曲折斷率測(cè)定屬原始的徒手操作,測(cè)試結(jié)果受操作條件影響很大,同時(shí)用眼睛判定掛面端部彎曲角度的誤差較大。目前,測(cè)定掛面彎曲折斷率的儀器未見(jiàn)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。掛面彎曲折斷率是評(píng)價(jià)掛面質(zhì)量的主要物理檢測(cè)指標(biāo)之一,運(yùn)用 PLC控制技術(shù)結(jié)合直線步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù),開(kāi)發(fā)新型的掛面彎曲折斷率測(cè)定儀是當(dāng)務(wù)之急。

1 掛面彎曲折斷率測(cè)定的基本原理

將掛面彎曲折斷看成兩端鉸支細(xì)長(zhǎng)壓桿,如圖 1所示,建立掛面壓桿大撓度非線性微分方程[2]。通過(guò)求解可得出兩端鉸支之間的軸向位移值Δl、wmax和Δl與 l、wmax與 l的比值:

圖1 掛面屈曲狀態(tài)參數(shù)

表 1為Δl/l和wmax/l與端部轉(zhuǎn)角對(duì)應(yīng)關(guān)系以及對(duì)應(yīng)的橢圓積分值[3],表 2為不同長(zhǎng)度掛面壓桿彎曲的端部轉(zhuǎn)角與Δl和中點(diǎn)最大撓度 wmax的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

采用撓度最大處應(yīng)力相等的原理,由掛面長(zhǎng)度為 180 mm規(guī)定彎曲角度計(jì)算出其他長(zhǎng)度的規(guī)定彎曲角度,實(shí)現(xiàn)不同長(zhǎng)度掛面彎曲折斷評(píng)定值與現(xiàn)有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)之間的等價(jià)換算,表 3為 150、120、100、90 mm長(zhǎng)度掛面彎曲折斷評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。

表 1 Δl/l和wmax/l與端部轉(zhuǎn)角對(duì)應(yīng)關(guān)系以及對(duì)應(yīng)的橢圓積分值

表2 不同長(zhǎng)度掛面壓桿彎曲的端部轉(zhuǎn)角與Δl和中點(diǎn)最大撓度wmax的對(duì)應(yīng)關(guān)系/mm

表 3 不同長(zhǎng)度掛面端部轉(zhuǎn)角θ0、軸向壓縮位移值Δl和最大撓度wmax應(yīng)力等價(jià)換算

2 測(cè)定儀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

測(cè)定儀為箱體結(jié)構(gòu),由人機(jī)交互系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和掛面測(cè)試支撐系統(tǒng)等四個(gè)子系統(tǒng)組成,如圖2所示。

圖 2 掛面彎曲折斷率測(cè)定儀組示意圖

人機(jī)交互系統(tǒng):采用臺(tái)達(dá)公司DOP5.7英寸觸摸屏,通過(guò)觸摸屏可以進(jìn)行各種操作功能的設(shè)置,并可將測(cè)試參數(shù)和測(cè)試結(jié)果顯示在屏幕上。操作簡(jiǎn)單、方便。同時(shí)觸摸屏可以通過(guò) RS485串行通訊接口及RS485/232轉(zhuǎn)換器,與計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊,測(cè)試參數(shù)和測(cè)試結(jié)果也可以在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示與數(shù)據(jù)保存以及數(shù)據(jù)處理等。

控制系統(tǒng):控制器采用臺(tái)達(dá)公司DVP-EH2型PLC,具有精度高、速度快、可靠穩(wěn)定的特性。主要作用是接受輸入信息,并根據(jù)信息進(jìn)行判定和數(shù)據(jù)處理,進(jìn)而輸出控制信號(hào)到測(cè)試儀的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng):包括驅(qū)動(dòng)模塊和直線步進(jìn)電機(jī),采用海頓公司 21000系列 Size8混合式直線步進(jìn)電機(jī)和DCM4010驅(qū)動(dòng)器,驅(qū)動(dòng)器可以接受 PLC輸出的脈沖信號(hào),控制直線步進(jìn)電機(jī)位移,實(shí)現(xiàn)測(cè)試過(guò)程中的支撐系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)任務(wù)。

支撐系統(tǒng):是測(cè)定儀的機(jī)械部分,主要由底座、靜支撐擋板、橫式數(shù)顯標(biāo)尺、動(dòng)支撐擋板等部分組成。

此外,為了保留手動(dòng)測(cè)試和撓度測(cè)量,支撐系統(tǒng)中靜支撐擋板和動(dòng)支撐擋板安裝在橫式數(shù)顯標(biāo)尺上,并在其下方安裝了帶角度刻度的鏡面用于端部轉(zhuǎn)角測(cè)量,以及左側(cè)安裝了豎式數(shù)顯標(biāo)尺及撓度測(cè)量指針用于測(cè)量最大撓度。掛面彎曲折斷率測(cè)定儀結(jié)構(gòu)示意圖,如圖 3所示。

圖3 掛面彎曲折斷率測(cè)定儀結(jié)構(gòu)示意圖

3 測(cè)定儀工作原理

隨機(jī)抽取一定根數(shù)的掛面,截成規(guī)定的長(zhǎng)度,分別放在測(cè)定儀的靜支撐擋板和動(dòng)支撐擋板之間,并使靜支撐擋板和動(dòng)支撐擋板上測(cè)量槽之間距離等于掛面的長(zhǎng)度如圖 3所示。通過(guò)直線步進(jìn)電機(jī)螺桿推動(dòng)動(dòng)支撐擋板使掛面產(chǎn)生軸向壓縮失穩(wěn)彎曲,螺桿推動(dòng)的動(dòng)支撐擋板的軸向壓彎位移分辨率為 0.01 mm。當(dāng)動(dòng)支撐擋板的軸向壓彎位移值未達(dá)到規(guī)定的軸向壓彎位移值時(shí),掛面試樣折斷,即為彎曲折斷條。不同厚度和長(zhǎng)度掛面的軸向壓縮位移值規(guī)定值是不同的。彎曲折斷率計(jì)算方法為試驗(yàn)樣本中彎曲折斷的掛面根數(shù)與試驗(yàn)樣本數(shù)之比的百分比。

如測(cè)定試樣長(zhǎng)度為 180 mm掛面的彎曲折斷率,隨機(jī)抽取掛面 20根,截成長(zhǎng)度為 180 mm,分別放在測(cè)定儀的靜支撐擋板和動(dòng)支撐擋板之間,并使靜支撐擋板和動(dòng)支撐擋板上測(cè)量槽之間距離等于掛面的長(zhǎng)度180 mm,通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)推動(dòng)動(dòng)支撐擋板使掛面產(chǎn)生軸向壓縮失穩(wěn)彎曲,當(dāng)動(dòng)支撐擋板的軸向壓彎位移值未達(dá)到規(guī)定值時(shí)掛面試樣折斷,即為彎曲折斷條。當(dāng)掛面厚度大于 0.9 mm時(shí),規(guī)定軸向壓縮位移值大于等于8.50 mm(等價(jià)于現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的彎曲角度大于等于25°);當(dāng)掛面厚度小于等于 0.9 mm,規(guī)定軸向壓縮位移值大于等于12.14 mm(等價(jià)于現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的彎曲角度大于等于30°)。彎曲折斷率計(jì)算方法為 20根試樣中彎曲折斷的掛面根數(shù)與 20根試樣之比的百分比。其他長(zhǎng)度掛面評(píng)定參數(shù)如表 3所示?；趬簭澼S向位移值掛面彎曲折斷率測(cè)定儀的測(cè)定程序如圖 4所示。

4 功能特性

(1)測(cè)試精度高,響應(yīng)速度快。DVP-EH2型PLC為 12位機(jī),具有精度高、速度快的特點(diǎn)使測(cè)試儀具有優(yōu)良的測(cè)試精度和響應(yīng)時(shí)間。海頓DCM驅(qū)動(dòng)器是高性能細(xì)分?jǐn)夭?qū)動(dòng)器,使步進(jìn)電機(jī)具有較好的輸出性能[4]。

(2)操作簡(jiǎn)單,使用方便。通過(guò)觸摸屏或計(jì)算機(jī)即可進(jìn)行各種操作功能和原始參數(shù)的設(shè)置,并可將測(cè)試參數(shù)和測(cè)試結(jié)果顯示在屏幕上。

(3)可靠性高、穩(wěn)定性強(qiáng)。由于 PLC具有可靠性高,穩(wěn)定性強(qiáng)的特點(diǎn),高性能細(xì)分?jǐn)夭ú竭M(jìn)電機(jī)DCM驅(qū)動(dòng)器具有先進(jìn)的過(guò)載保護(hù)功能,使測(cè)試儀運(yùn)行更可靠、更安全。

(4)測(cè)定儀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。測(cè)定儀為臺(tái)式箱體結(jié)構(gòu),觸摸屏布置在右上方,控制器、驅(qū)動(dòng)器、直線步進(jìn)電機(jī)布置在面板下方,測(cè)試支撐系統(tǒng)布置在左側(cè),測(cè)定儀的各部件充分考慮了加工工藝的合理性、調(diào)試和維修的方便性。

圖4 彎曲折斷率測(cè)定程序圖

(5)技術(shù)指標(biāo)。靜支撐擋板和動(dòng)支撐擋板間距為80～200 mm,螺桿運(yùn)動(dòng)范圍為 0～100 mm,測(cè)量精度為0.01 mm;測(cè)量速度為 0.01～0.1 mm/s;掛面試樣長(zhǎng)度

分別為 90、120、150、180 mm,寬度、厚度不限。

(6)抗干擾性強(qiáng)。本測(cè)定儀選用的臺(tái)灣臺(tái)達(dá)PLC,具有穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn),對(duì)數(shù)字輸入、輸出信號(hào)有光電隔離作用,可很好的將誤動(dòng)作信號(hào)干擾過(guò)濾掉。而 DCM4010驅(qū)動(dòng)器使用了先進(jìn)的雙極性直流斬波技術(shù),它相比 L/R同類驅(qū)動(dòng)器輸出功率更高,速度更快。它的電流控制技術(shù)使得線圈電流得以精確控制,比市場(chǎng)上同類產(chǎn)品電流紋波小,電機(jī)熱少,同時(shí)也有效的減弱或消除步進(jìn)電機(jī)的低頻振動(dòng)造成的干擾。

5 測(cè)定儀性能的考核評(píng)價(jià)

圖 5為研制的測(cè)定儀,根據(jù)設(shè)計(jì)的技術(shù)要求,對(duì)測(cè)定儀進(jìn)行了考核性試驗(yàn)。經(jīng)檢測(cè),靜支撐擋板和動(dòng)支撐擋板間距的定位誤差小于0.1%,軸向壓彎位移值的誤差小于 0.05%;經(jīng) 24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行,性能穩(wěn)定可靠;因此,所研制的測(cè)定儀技術(shù)指標(biāo)符合設(shè)計(jì)要求,達(dá)到了掛面彎曲折斷率測(cè)定對(duì)儀器的要求。

圖5 測(cè)定儀

6 結(jié)論

6.1 研制的基于壓彎軸向壓縮位移值的掛面彎曲折斷率測(cè)定儀,經(jīng)考核性試驗(yàn),性能穩(wěn)定可靠,完全滿足設(shè)計(jì)要求,實(shí)現(xiàn)了掛面彎曲折斷率測(cè)定的儀器化,克服現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中檢測(cè)方法徒手操作的缺點(diǎn)。

6.2 研制的測(cè)定儀,使掛面彎曲折斷率的測(cè)定更科學(xué)、更簡(jiǎn)便,測(cè)量范圍更寬,而且與現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)能銜接。

6.3 采用觸摸屏技術(shù)和 PLC控制技術(shù)以及直線步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù),研制的測(cè)定儀具有測(cè)試精度高、操作簡(jiǎn)單,降低了檢測(cè)工作的勞動(dòng)強(qiáng)度,提高了檢測(cè)工作的自動(dòng)化水平。為質(zhì)檢部門的掛面檢測(cè)和企業(yè)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)及質(zhì)量評(píng)價(jià)提供了專用儀器支撐,提高了掛面行業(yè)品質(zhì)檢測(cè)的科技含量。

[1]王肇慈.糧油食品品質(zhì)分析[M].北京:中國(guó)輕工業(yè)出版社,2000:301-303

[2]吳明德編.彈性桿件穩(wěn)定理論[M].北京:高等教育出版社,1989:31-39

[3]數(shù)學(xué)手冊(cè)編寫(xiě)組.數(shù)學(xué)手冊(cè)[M].北京:高等教育出版社, 2008:1321-1323

[4]徐世許,朱妙其,王毓順主編.可編程序控制器:原理·應(yīng)用·網(wǎng)絡(luò)[M].合肥:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社,2008.

InstrumentDevelopment forDetection ofBending Fracture Rate ofDryNoodlesBased on Compression Bending AxialDisplacementValues

Jiang Song1Guan Guoqiang1Liu Ruixia1Jia Yu1Chen Zhangyao2Zhao Jiewen1

(School of Food and Biological Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang1212013)
(School of Science,Jiangsu University,Zhenjiang2212013)

To resolve the low precision in handiwork determination,detection instrument for bending fracture rate of dry noodles based on compression bending axial displacement values was developed using touch screen tech2 nology,PLC control technology and linear step motor driving technology.Results:The assessment experiment shows the perfor mance of the developed detection instrument is stable and reliable,and it completely satisfies design require2 ments.This technology improves the scientific and technical content of quality detection in dry noodles industry.

dry noodles,compression bending axial displacement values,bending fracture rate,PLC,linear step motor,detection instrument

TS211.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1003-0174(2010)09-0115-04

江蘇省自然基金重點(diǎn)項(xiàng)目(BK2006707-1)

2009-08-23

姜松,男,1963年出生,教授,農(nóng)產(chǎn)(食)品流變力學(xué)特性及其質(zhì)地評(píng)價(jià)