1. 2. 2. 伺服電機: 驅動螺旋送料機正常運轉;
      3. 螺旋送料機: 將糧食從原料倉輸送到包裝袋;
      4. 秤台: 將包裝袋裏麵的糧食質量實時發送給嵌入式控製係統;
      5. PLC 控製係統: 根據秤台實時發送回來的糧食質量信號，給伺服電機發送電機轉速信號，從而實現螺旋送料機加料量的智能控製。
   3. 包裝計量裝置的工作原理

包裝計量裝置的整個工程流程由 PLC 控製器控製，自動完成糧食的計量和包裝。整個工作流程為: 係統開始正常工作後，由上級供料係統向原料倉供料; PLC 控製器根據預先設計的包裝袋質量、目標定量值和快慢給料閾值信息，驅動伺服電機控製螺旋送料機開始進行快速給料操作; 秤台獲取包裝袋已裝物料的模擬質量信息，經過濾波、放大、A / D 轉換等操作，發送至 PLC 控製器，由其判斷是否已經達到預先設定的快速給料閾值; 若達到快速給料閾值，則螺旋送料機開始進行慢速給料操作，當達到預先設定的目標定量值後，停止給料; 該包裝過程結束，開啟下一包裝過程。包裝計量裝置的工作流程如圖 3 所示。

圖 3 包裝計量裝置工作原理流程圖

Fig．3    The flow chart of working principle of package metering device

1. 4. 包裝計量裝置機械部分的設計

包裝計量裝置機械結構是整個係統的核心部分， 該部分設計的合理性和效率對整個係統的成本、可行 性和精確度具有重要的影響。

包裝計量裝置機械部分包括送料機、計量設備及嵌入式控製器等。其中，計量設備是定量配重裝置機械部分最重要的部件，而螺旋杆是計量設備的核心。

螺旋秤在糧食包裝計量的實際應用中，最重要的零件是螺杆。螺旋秤中的螺杆，應該使設備符合大部分糧食的精密包裝，因此在對螺杆的設計中不僅要滿足設備對產量和要求，還要符合設備關於精度的要求。螺旋杆設計示意如圖 4 所示。

螺杆外徑參數設定越大，每次帶出的糧食質量越大，計量誤差也越大; 參數設定越小，因增加電機轉動的次數，包裝效率就越低。為了防止電機的抖動導致糧食的溢出，引起計量誤差，設計中將螺杆和伺服電機同軸轉動。

為了方便螺杆參數的設計計算，采用矩形截麵螺 紋的計算方法。其中，伺服電機帶動螺杆旋轉 1 次，

帶出的糧食體積 V 為

V = F·L = t( S － b) ·π·d / cosα ( cm³ ) ( 1) 螺杆每次帶出的糧食質量 M 為

M = V·γ·n ( kg) ( 2) 其中，F 為矩形螺紋截麵積; L 為螺旋杆總長度; t

為螺旋槽深度; S 為螺距; b 為螺旋葉片厚度; d 為螺杆內徑大小; α 為螺旋升角; γ 為糧食單位容積質量值; n 為螺杆的轉速。

螺杆參數的設計取決於待包裝糧食對象，式( 1) 和式( 2) 決定了螺杆參數的計算，這些參數的設定直接關係到整個係統的計量精度。

在計算過程中，假定螺旋填充率為 1，根據以往經驗和試驗比較，設 S = D = 25cm，d = 4cm。該參數屬於標準螺旋，對大部分糧食具有廣泛的適應性，能夠滿

足設計要求，符合計量精度標準。

2. 全自動糧食精密包裝機伺服係統的建模
   1. 伺服係統機械傳動的數學模型

伺服係統機械傳動結構主要包括電機、聯軸器、螺旋和定位螺旋絲杆等幾個部分。伺服電機的角位 移量是傳動結構的輸入值，記為 θ_M( t) ; 伺服電機帶出的糧食體積是傳動結構的輸出值，記為 v₀ ( t) 。經過研究分析後，將伺服係統機械傳動轉化為如圖 5  所示的模型。

                                                         圖 5 伺服係統機械傳動的動力模型

                                                                                                                          Fig．5    The dynamic model of mechanical transmission of servo system

其中，I 為等效負載慣量; L 為定位螺旋絲杆長度; k 為螺旋絲杆剛度; F 為伺服電機的傳動力; F₀ 為糧食給螺旋絲杆的摩擦阻力; v 為螺旋絲杆轉動的空間排擠量; v₀ 為糧食下落的體積量。

對於伺服係統機械傳動的動力模型，可以寫出其動力平衡方程式，即

轉矩為 M，伺服電機的力矩方程為

M = M  + J dω + f ω ( 10)

L dt a

其中，f_a 和 M_L 分別為伺服電機的阻尼轉矩係數和負載轉矩。

伺服電機的電磁轉矩 M 的表達方程式為

·· ·

F = mv 0  + Cr x0  + F0 ( 3)

M = C Icosφ = k I

( 11)

其中，m 為執行部件的質量; C_r 為螺旋送料機上的粘性阻尼係數。

伺服電機的傳動力可以表示為

F = k( v － v0 ) ( 4)

其中，k_T 和 I_a 分別為伺服電機的等效轉矩係數和負載電流。

3. 電氣控製係統的設計
   1. 係統硬件設計

PLC 是全自動糧食精密包裝機電氣控製係統的核心控製器件，其動作傳輸信號采用按鈕、位置開關直接和 PLC 輸入端相連，控製性能可靠。根據對係統的分析與研究，該係統總共需要 12 個輸入點和 8 個輸出點。考慮到係統的可靠性和可擴展性，本文選用西門子公司的 S7－200 控製器。係統的 PLC 輸入輸出端口分配如表 1 和表 2 所示。