doi：10.15889/j.issn.1002-1302.2016.10.123
　　摘要：為有效避免散煙收購過程中定級分揀的人為因素，提高煙葉分揀的準(zhǔn)確性，設(shè)計一套基于PLC控制的散煙在線分揀系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用輸送帶機構(gòu)承載并輸送煙葉，真空裝置通過氣嘴有效吸附煙葉，機械手機構(gòu)結(jié)合位置檢測傳感器分揀煙葉。以可編程邏輯控制器作為系統(tǒng)的控制核心，研究其控制策略，提出一種多級程序控制方案，并運用仿真軟件對控制程序進行模擬仿真運行。對系統(tǒng)的各個執(zhí)行部件分別進行功能試驗，結(jié)果表明：檢測識別機構(gòu)響應(yīng)靈敏，能準(zhǔn)確控制電機的啟停；真空裝置滿足要求，氣嘴對煙葉的吸附效果良好；機械手帶動氣嘴和煙葉運行狀態(tài)良好，分揀系統(tǒng)可滿足分揀要求。本研究為散煙檢測分級分揀的自動化、數(shù)字化領(lǐng)域提供基礎(chǔ)。
　　關(guān)鍵詞：散煙；分揀；PLC；控制系統(tǒng)
　　中圖分類號：S226.5 文獻標(biāo)志碼： A文章編號：1002-1302（2016）10-0424-04
　　收稿日期：2015-08-07
　　基金項目：河南省科技廳產(chǎn)學(xué)研項目（編號：142107000053）；河南省煙草公司科技計劃（編號：201212）。
　　作者簡介：姬江濤（1965—），男，河南偃師人，博士，教授，主要從事智能化農(nóng)業(yè)裝備研究。
　　通信作者：杜新武，博士，副教授。E-mail：du_xinwu@sina.com。煙草是我國重要的經(jīng)濟作物，在農(nóng)作物中占有重要的經(jīng)濟地位，不僅是我國重要的出口農(nóng)產(chǎn)品，而且是我國大部分地區(qū)提高農(nóng)民收入的重要手段[1]。散煙定級分揀是煙草行業(yè)的一項基礎(chǔ)性工作，GB 2635—1992《烤煙》規(guī)定了42級烤煙綜合評價標(biāo)準(zhǔn)，按照國標(biāo)對烤煙煙葉進行準(zhǔn)確的定級分揀是提高煙草制品品質(zhì)的關(guān)鍵因素，同時也是確保廣大煙農(nóng)和工業(yè)生產(chǎn)者之間經(jīng)濟利益合理分配的重要依據(jù)。
　　目前，國內(nèi)外煙草行業(yè)均根據(jù)煙葉標(biāo)準(zhǔn)樣本對煙葉質(zhì)量進行檢驗與分揀，再依靠人體感官來判斷。依靠評定人員的感官進行定性評定，極易受到客觀環(huán)境條件、評定人員情緒、評定人員經(jīng)驗的影響，從而出現(xiàn)評級定價不準(zhǔn)確的現(xiàn)象[2]。每年煙葉收購前，全國各煙區(qū)主管部門均要舉辦培訓(xùn)班，并將大量樣本發(fā)往各收購站，必然造成人力、物力、財力的巨大消耗[3-4]。傳統(tǒng)的煙葉定級分揀方式不僅給國家、煙農(nóng)、煙葉加工部門造成經(jīng)濟損失，也使后期加工變得繁瑣[5]。
　　研究現(xiàn)代化的煙葉質(zhì)量檢測技術(shù)，運用多種控制理論，開發(fā)自動程度較高的煙葉分揀裝備，對于裁決煙葉質(zhì)量糾紛、指導(dǎo)散煙收購定級分揀工作、保護煙農(nóng)與國家利益均具有非常重要的意義。本研究是“散煙收購自動化分級技術(shù)研究及系統(tǒng)開發(fā)”項目的一部分，將定級后的煙葉自動分揀至相應(yīng)煙箱，以區(qū)分不同級別煙葉的價值，實現(xiàn)煙葉按質(zhì)定價，在保護煙農(nóng)經(jīng)濟利益的同時為后續(xù)煙葉加工提供便利。
　　1在線分揀系統(tǒng)組成及工作原理
　　在線分揀系統(tǒng)主要由輸送機構(gòu)、分揀機構(gòu)、檢測機構(gòu)、煙箱組成�？傮w結(jié)構(gòu)見圖1。
　　1.1輸送機構(gòu)
　　輸送機構(gòu)是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)載體，散煙放置在輸送帶上依次被分級、輸送、分揀至各級煙箱，結(jié)合人機工程學(xué)原理，選取人體適宜的操作高度，確定整個輸送機構(gòu)高度為0.65 m。煙葉在輸送機構(gòu)上縱向放置，因此輸送機構(gòu)寬度、輸送帶寬度根據(jù)散煙的最大展開寬度確定。測量煙葉樣本由河南省宜陽縣煙草公司提供，煙葉品種為北方地區(qū)大面積種植的NC89型煙葉，具有代表性，測量平均寬度為0.168 m，最大寬度為0.23 m�？紤]余量輸送帶寬度選用0.4 m，輸送機構(gòu)寬度為 0.5 m，輸送帶材質(zhì)選用煙草茶葉業(yè)常用的食品級PE輸送帶。
　　整個輸送機構(gòu)由調(diào)頻電機驅(qū)動，速度可調(diào)，設(shè)計的正常工作速度為0.05 m/s。整個輸送機構(gòu)采用模塊化設(shè)計，總體長度可根據(jù)分揀煙葉的級別和分揀機構(gòu)的數(shù)量調(diào)整。
　　1.2分揀機構(gòu)
　　分揀機構(gòu)主要由機架、驅(qū)動電機、擺臂機構(gòu)、氣嘴、真空泵等部分組成，整體結(jié)構(gòu)見圖2。
　　驅(qū)動電機采用減速電機，工作時減速電機通過傳動機構(gòu)帶動擺臂機構(gòu)順時針（逆時針）轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)分揀動作。氣嘴安裝在擺臂末端，氣嘴吸氣口通過氣管與真空泵相連，工作時真空泵保持一定的真空度，當(dāng)氣嘴接近煙葉時氣閥開啟，氣嘴吸起煙葉，此后擺桿轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)到煙箱位置時氣閥關(guān)閉，氣嘴吸力消失，煙葉落入相應(yīng)煙箱中。
　　驅(qū)動電機選用RF27DR63M4系列減速電機（SEW傳動設(shè)備公司產(chǎn)品），電機額定功率PN=0.18 kW，額定轉(zhuǎn)速nN=1 400 r/min，減速比i1=69.47。外部減速傳動機構(gòu)采用一級齒輪機構(gòu)傳動，設(shè)計傳動比i2=3。分揀機構(gòu)總傳動比為：
　　i=i1i2=69.47×3=208.41；（1）
　　分揀機構(gòu)最終轉(zhuǎn)速為：
　　n=nNi=1 400208.41=6.72 r/min。（2）
　　擺臂機構(gòu)設(shè)計長度為0.6 m，材質(zhì)選用304不銹鋼管，在滿足使用強度要求的前提下，盡量降低機械擺臂機構(gòu)的質(zhì)量，不僅使整個機構(gòu)更加緊湊和輕巧，還可降低驅(qū)動功率。擺臂機構(gòu)的力學(xué)模型為懸臂梁機構(gòu)，擺臂一端的撓度會影響擺臂運動的穩(wěn)定性，因此需要對擺臂機構(gòu)撓度進行校核。初選幾種不同尺寸的不銹鋼方管或矩形管，建立力學(xué)模型對其撓度進行校核。最終選取規(guī)格為0.04 m×0.03 m×0.002 m的不銹鋼管。最大撓度校核為：
　　wB=Fl33EI。（3）
　　式中：F為擺臂末端作用力，N，取F=20 N；l為擺臂長度，m，設(shè)計長度l=0.6 m；E為彈性模量，GPa，資料查詢304不銹鋼E=193 GPa；I為截面慣性矩，m4。
　　由于采用不銹鋼矩形空心管，可知慣性矩I為：
　　I=BH3-bh312。（4）
　　式中：B為不銹鋼管寬度，m，B=0.04 m；H為不銹鋼管高度，m，H=0.03 m；b為不銹鋼管內(nèi)孔寬度，m，b=0.036 m；h為不銹鋼管內(nèi)孔高度，m，h=0.026 m。

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