一種高效自動(dòng)塑料粉碎機(jī)組的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)?

王昌佑，王鴻博，王淮賢，胡建國(guó)

（1.廣東隆興包裝實(shí)業(yè)有限公司，廣東 潮州 515638；2.順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 順德 528300）

0 引言

國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)的塑料邊角料粉碎機(jī)目前都采用以單片送料（或單片人工遞送）粉碎，而且物料的送料都由人工操作，造成送料慢、粉碎速度低、效率差等問(wèn)題。為此，筆者根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際需要設(shè)計(jì)了一種具有整卷自動(dòng)上料、自動(dòng)粉碎過(guò)篩、自動(dòng)稱(chēng)量及包裝的全自動(dòng)整卷邊角塑料粉碎機(jī)組。

1 全自動(dòng)整卷邊角塑料粉碎機(jī)組構(gòu)成及工藝流程

1.1 設(shè)備基本結(jié)構(gòu)

高效自動(dòng)粉碎機(jī)組設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 高效自動(dòng)粉碎機(jī)組結(jié)構(gòu)示意圖

1.1.1 自動(dòng)上料裝置

本機(jī)組上料裝置由升料和推料機(jī)構(gòu)組成，均采用減速電機(jī)和鏈傳動(dòng)方式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，其限位開(kāi)關(guān)起到位檢測(cè)及保護(hù)功能。

1.1.2 粉碎機(jī)及落料裝置［1，2］

用于塑料粉碎的粉碎機(jī)型式有很多：按粉碎機(jī)安裝形式分為立式和臥式；按粉碎機(jī)的主要粉碎機(jī)理分為剪切式、沖擊式、渦流式和渦輪式；按操作方式分為低溫和常溫等。

本粉碎機(jī)組采用常溫模式下臥式單轉(zhuǎn)子剪切模式，并在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了改進(jìn)，由上部的強(qiáng)力切碎機(jī)構(gòu)和下部的細(xì)粉剪切機(jī)構(gòu)所組成。上部的強(qiáng)力切碎機(jī)構(gòu)具有低轉(zhuǎn)速、大扭矩、高擊碎力等特點(diǎn)，它同時(shí)具有割裂、扯斷、切碎、撞擊、擠壓、雜碎等粉碎功能，可使塑料聚合物粗碎成小塊狀；下部細(xì)碎機(jī)構(gòu)具有剪切功能，使上部粗碎的小塊狀物料得到細(xì)碎，達(dá)到細(xì)度要求的物料，并從四周落料篩網(wǎng)排出，落入粉碎機(jī)落料箱；粉碎落料箱中設(shè)有料位檢測(cè)元件，便于對(duì)粉碎機(jī)及上料推料裝置的運(yùn)行進(jìn)行間歇式控制。

1.1.3 螺桿輸送裝置

螺桿輸送裝置主要由電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺桿旋轉(zhuǎn)將粉碎機(jī)落料箱中的顆粒提升到稱(chēng)重裝置的粉料盛斗。該裝置的運(yùn)行由粉碎機(jī)落料箱及粉料盛斗中所設(shè)置的有無(wú)料檢測(cè)裝置進(jìn)行自動(dòng)控制。

1.1.4 粉料落料稱(chēng)重裝置

落料稱(chēng)重裝置主要由給料機(jī)構(gòu)、稱(chēng)量斗、夾袋機(jī)構(gòu)、氣動(dòng)系統(tǒng)及傳感器等構(gòu)成，其目的是實(shí)現(xiàn)定量自動(dòng)稱(chēng)重包裝。系統(tǒng)采用高、中、慢三速自動(dòng)控制下料，系統(tǒng)效率高，落料稱(chēng)重精度高，且根據(jù)包裝重量需求（由觸摸屏參數(shù)畫(huà)面進(jìn)行設(shè)定）可自動(dòng)調(diào)節(jié)下料重量，控制精度可達(dá)每包重量誤差在0.1 kg內(nèi)。

1.1.5 輸送及自動(dòng)縫包裝置

該裝置由輸送裝置、自動(dòng)縫包裝置組成，主要完成定量稱(chēng)重，粉料進(jìn)包裝袋后自動(dòng)傳輸至自動(dòng)縫包裝置和縫包的任務(wù)。該裝置設(shè)有輸送到位、縫包完成到位限位開(kāi)關(guān)，控制縫包機(jī)構(gòu)的運(yùn)行。

1.2 設(shè)備的基本參數(shù)

設(shè)備基本參數(shù)如下：

粉碎速度（kg／h）： 1 800；

粉碎整卷邊角料規(guī)格（mm）： Φ900×880；

整卷邊角重量（kg）： ≤200；

定額稱(chēng)量（kg）： 10～50；

稱(chēng)量速度（t／h）： 2～3；

縫包速度（包／h）： 80～120；

供氣壓力（MPa）： 0.5～0.7；

電動(dòng)機(jī)功率（k W）： 45；

旋轉(zhuǎn)刀刃直徑（mm）： Φ500。

1.3 全自動(dòng)整卷邊角塑料粉碎機(jī)組工藝流程

該設(shè)備全部動(dòng)作均由PLC自動(dòng)控制，操作方便，生產(chǎn)效率高。設(shè)備具有單個(gè)裝置運(yùn)行及整個(gè)機(jī)組全自動(dòng)運(yùn)行功能，在解決粉碎效率、節(jié)省人力要求的生產(chǎn)過(guò)程中提供了必要的工藝手段。該系統(tǒng)可根據(jù)設(shè)定的參數(shù)使定量稱(chēng)重能精確控制，根據(jù)物料的多少進(jìn)行粉碎機(jī)的間歇式控制，減少粉碎機(jī)空載運(yùn)行時(shí)間，有效提高了粉碎效率并具有顯著的節(jié)能效果。粉碎機(jī)組工藝流程如圖2所示。

圖2 粉碎機(jī)組工藝流程

2 控制系統(tǒng)及程序設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)硬件配置

粉碎機(jī)組控制系統(tǒng)以西門(mén)子PLC、觸摸屏、傳感器、A／D模塊及電器元件組成，機(jī)組控制硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。根據(jù)全自動(dòng)粉碎機(jī)組的工藝流程及實(shí)際需要同時(shí)考慮系統(tǒng)的擴(kuò)展留有少量冗余，硬件選用西門(mén)子S7－200系列CPU226 AC／DC／繼電器型主機(jī)1塊、EM221擴(kuò)展模塊1塊、EM222擴(kuò)展模塊1塊、EM231模擬量輸入模塊1塊、TP170 A觸摸屏1塊、F WC稱(chēng)重模塊1套及若干電器元件。

2.2 控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)及程序設(shè)計(jì)

2.2.1 設(shè)備的控制操作要求

根據(jù)實(shí)際需求，該機(jī)組設(shè)備的控制要求如下：

（1）運(yùn)行方式：能夠自動(dòng)運(yùn)行和手動(dòng)運(yùn)行切換，手動(dòng)運(yùn)行具有機(jī)組各單獨(dú)裝置獨(dú)立運(yùn)行的選擇，并能實(shí)現(xiàn)單步運(yùn)行。

（2）聯(lián)鎖／互鎖：系統(tǒng)各部分相互關(guān)聯(lián)，因此程序控制需要根據(jù)各種條件自動(dòng)進(jìn)行連鎖。如自動(dòng)與手動(dòng)狀態(tài)的互鎖、電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)聯(lián)鎖、各工位之間運(yùn)行聯(lián)鎖等。

（3）緊急停車(chē)：設(shè)置急停按鈕，當(dāng)出現(xiàn)緊急情況時(shí)，按下急停按鈕，所有正在進(jìn)行動(dòng)作的設(shè)備停止。急停復(fù)位后，能夠從斷點(diǎn)位置開(kāi)始運(yùn)行。

（4）參數(shù)及報(bào)警功能：具有對(duì)粉碎機(jī)機(jī)組各參數(shù)修改、記錄、調(diào)整的功能；設(shè)備運(yùn)行出現(xiàn)故障時(shí)應(yīng)在觸摸屏上進(jìn)行報(bào)警顯示。

圖3 機(jī)組控制硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.2.2 主系統(tǒng)控制流程

PLC是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，通過(guò)接收來(lái)自觸摸屏的輸入信息和其他各種外設(shè)輸入的信息，經(jīng)PLC處理后完成相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)控制。系統(tǒng)整體程序采用模塊化程序設(shè)計(jì)方式，控制系統(tǒng)整體流程圖如圖4所示。其中，粉碎機(jī)的間斷運(yùn)行控制、落料定量稱(chēng)重控制及輸送與縫包控制是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，尤其是落料稱(chēng)重控制決定了整體系統(tǒng)運(yùn)行的速度與精度。

圖4 控制系統(tǒng)整體流程圖

2.2.3 落料稱(chēng)重包裝控制的關(guān)鍵技術(shù)

用稱(chēng)重傳感器將落料的重量信號(hào)變換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)（4 mA～20 mA直流信號(hào)），然后將該信號(hào)送入模擬量輸入模塊的一個(gè)模擬輸入端，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)交給PLC的CPU處理［3］，實(shí)現(xiàn)出料口電磁閥切換控制和落料重量的精確控制。

（1）稱(chēng)重傳感器標(biāo)度換算：實(shí)際控制中的過(guò)程量通過(guò)傳感器轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂葡到y(tǒng)可接收的電信號(hào)（0 V～5 V或4 mA～20 mA），再由輸入模塊以數(shù)字量的形式送給PLC。該數(shù)字量與實(shí)際過(guò)程量具有某種函數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系，但在數(shù)值上并不相等，也不能直接使用，必須經(jīng)過(guò)一定的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)化的過(guò)程稱(chēng)為模擬量的輸入數(shù)值標(biāo)定［4］。在PLC的程序設(shè)計(jì)中，為實(shí)現(xiàn)控制需要，模擬量通過(guò)手工計(jì)算轉(zhuǎn)換為數(shù)字量［5］。標(biāo)定公式如下：

其中：D為A經(jīng)過(guò)A／D轉(zhuǎn)換得到的數(shù)值；A為模擬量信號(hào)值；Am為模擬量輸入信號(hào)的最大值；A0為模擬量輸入信號(hào)的最小值；Dm為Am經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換得到的數(shù)值；D0為A0經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換得到的數(shù)值。

（2）落料稱(chēng)重控制：稱(chēng)重過(guò)程的落料控制是根據(jù)稱(chēng)重傳感器的檢測(cè)信號(hào)順序控制下料緩沖料口、稱(chēng)量斗及后續(xù)輸送、縫包包裝機(jī)構(gòu)的動(dòng)作。由可編程控制器通過(guò)軟件對(duì)稱(chēng)重誤差進(jìn)行補(bǔ)償，提高計(jì)量精度。落料稱(chēng)重子程序控制流程如圖5所示。

圖5 落料稱(chēng)重子程序控制流程

系統(tǒng)采用三級(jí)給料方式，快速進(jìn)料落料量大，可用較短時(shí)間加入額定重量的85%；中速加料落料量稍小，加入定額重量的10%；慢速加料落料量最小，加入額定重量的5%。快速落料側(cè)重于落料速度，而中速和慢速落料保證稱(chēng)量的精度，解決了包裝效率與稱(chēng)量精度之間的矛盾。本系統(tǒng)重量設(shè)定值為50 kg，動(dòng)態(tài)誤差為0.1 kg，最大落料包裝速度為5袋／min～8袋／min。對(duì)于落料性好的物料，其指標(biāo)可進(jìn)一步提高。

（3）提高動(dòng)態(tài)稱(chēng)重精度的軟件措施：影響動(dòng)態(tài)稱(chēng)重的主要因素是被稱(chēng)重物料的密度、流量和落差的大小，它是由落料倉(cāng)的重力傳感器和PLC所控制的進(jìn)料口各氣動(dòng)電磁閥產(chǎn)生的。因此，改進(jìn)控制思路，借鑒靜態(tài)稱(chēng)量精度高的特點(diǎn)是提高動(dòng)態(tài)計(jì)量的關(guān)鍵。為此本系統(tǒng)采用先快速后中速、最后慢速細(xì)加料的控制下料方式，合理調(diào)節(jié)重量參數(shù)和時(shí)間參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)多種場(chǎng)合的快速包裝。

其控制過(guò)程為：控制器收到傳感器的重量信號(hào)后，按預(yù)先設(shè)定好的程序值進(jìn)行控制，快速開(kāi)啟盛料門(mén)后，進(jìn)行快速給料，當(dāng)重量≥W1時(shí)（W1為快速下料的目標(biāo)值），PLC控制快速下料電磁閥關(guān)閉，停止快速加料信號(hào)輸出；當(dāng)重量≥W2時(shí)（W2為中速下料的目標(biāo)值），PLC控制中速下料電磁閥關(guān)閉，停止中速加料信號(hào)輸出；當(dāng)重量值≥W3時(shí)（W3為慢速下料至稱(chēng)量最終目標(biāo)值），停止慢加信號(hào)輸出，給料門(mén)安全關(guān)閉，定值稱(chēng)量完成；最后，夾袋機(jī)構(gòu)松開(kāi)，料袋自動(dòng)松開(kāi)落入輸送帶進(jìn)入下一工序。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文所設(shè)計(jì)的粉碎機(jī)組將上料、粉碎、過(guò)篩、稱(chēng)重、縫包等工藝有效集成在一起，通過(guò)PLC控制實(shí)現(xiàn)整卷邊角塑料從粉碎、稱(chēng)重到縫包的自動(dòng)過(guò)程，有效協(xié)調(diào)粉碎、稱(chēng)重、包裝、縫包各單元之間的運(yùn)行速度，系統(tǒng)運(yùn)行自動(dòng)化程度高。實(shí)際運(yùn)行中最大粉碎能力最高可達(dá)到1 800 kg／h，稱(chēng)重精確、包裝速度快。該系統(tǒng)投運(yùn)一年多來(lái)運(yùn)行平穩(wěn)，效果顯著，減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，降低了消耗，提高了生產(chǎn)率，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

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［2］ 李正仁，李銳.塑料粉末粉碎機(jī)的研制［J］.塑料加工應(yīng)用，1999（1）：25－26.

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［4］ 彭軍.傳感器與檢測(cè)技術(shù)［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2003.

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