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隨著包裝產(chǎn)品需求量日益增加，自動(dòng)包裝機(jī)速度和精度都需要進(jìn)行相應(yīng)提高，但是在提高系統(tǒng)運(yùn)行速度過程中系統(tǒng)噪聲越來越強(qiáng)烈影響到了采集信號(hào)，造成包裝袋內(nèi)產(chǎn)品質(zhì)量誤差變大，需要設(shè)計(jì)濾波效果和檢測(cè)精度更好的稱量包裝系統(tǒng) [1] 。
一般高速包裝機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和精度都不是很高，應(yīng)用單片機(jī)等低端芯片都不能很好地保證系統(tǒng)運(yùn)算速度，為提高包裝機(jī)檢測(cè)精度和響應(yīng)速度設(shè)計(jì)硬件和軟件平臺(tái)。硬件平臺(tái)利用 STM32 作為最小系統(tǒng)并設(shè)計(jì)雙應(yīng)變片稱量結(jié)構(gòu)、雙路 AD 快速轉(zhuǎn)換電路和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路等嵌入式模塊，保證硬件平臺(tái)穩(wěn)定的基礎(chǔ)上把小波分解法融入到采集系統(tǒng)中，并通過包裝機(jī)稱量程序完成快速檢測(cè)的任務(wù)，最后通過實(shí)時(shí)采集稱量信號(hào)進(jìn)行不同方法效率和精確度對(duì)比。結(jié)果表明小波分析的包裝系統(tǒng)可以快速穩(wěn)定完成稱量任務(wù)。

1 袋式自動(dòng)包裝機(jī)工藝

袋裝自動(dòng)包裝機(jī)主要由稱量機(jī)構(gòu)和包裝機(jī)構(gòu) 2個(gè)部分組成，而控制系統(tǒng)主要依靠機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行執(zhí)行，因此在進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)之前必須對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)即被控對(duì)象流程作詳細(xì)說明 [2] 。重要結(jié)構(gòu)包括對(duì)稱的應(yīng)變片、檢測(cè)電路、上料機(jī)構(gòu)和包裝機(jī)構(gòu)，稱量部分采用雙應(yīng)變傳感器的橋式結(jié)構(gòu)可以有效降低系統(tǒng)檢測(cè)誤差。機(jī)械系統(tǒng)中輸入機(jī)構(gòu)包括電阻式應(yīng)變片和傳送電機(jī)轉(zhuǎn)速等，因此在設(shè)計(jì)包裝控制系統(tǒng)時(shí)需要設(shè)計(jì)高精度電壓采集和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路等 [3] 

由于工廠嘈雜環(huán)境和機(jī)械高速運(yùn)行振動(dòng)會(huì)嚴(yán)重影響采集的稱量信號(hào)，需要采用小波算法對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行分解，現(xiàn)存電壓提取方法有 EMD（經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解）、小波變換等，在非線性濾波方法中小波變換表現(xiàn)出了巨大優(yōu)勢(shì)。小波變換也可以分為不同種類例如單小波、多小波、分解法等 [4] ，經(jīng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)基本的小波變換在提取稱量信號(hào)時(shí)計(jì)算速度快且濾波效果好，因此采用小波分解變換法對(duì)應(yīng)變電壓信號(hào)進(jìn)行提取 。首先確定系統(tǒng)要采用的小波基函數(shù)類型并確定分解層數(shù)，然后用用戶函數(shù)對(duì)多層小波進(jìn)行選取。

2 包裝機(jī)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

嵌入式控制系統(tǒng)由于執(zhí)行效率高、成本低、擴(kuò)展能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用到各種設(shè)備中，在自動(dòng)包裝控制系統(tǒng)中電阻應(yīng)變片、多 AD 快速采集、電機(jī)驅(qū)動(dòng)等控制技術(shù)在嵌入式電路中已經(jīng)被廣泛應(yīng)用了，因此開發(fā)自動(dòng)包裝機(jī)儀表控制系統(tǒng)的周期和可靠性都可以滿足自動(dòng)控制要求。

2.1 應(yīng)變片橋式檢測(cè)模塊

根據(jù)夾帶裝置、稱量?jī)x表、傳送帶、縫紉機(jī)和蹲袋等機(jī)械裝置構(gòu)建硬件電路整體結(jié)構(gòu)組成?？刂葡到y(tǒng)的硬件電路主要以 STM32 最小系統(tǒng)為計(jì)算核心，擴(kuò)展±5 V 內(nèi)稱量傳感器電壓輸入采集電路 [6] ，采集電路包括稱量傳感器信號(hào)雙橋電路和雙路 A/D 轉(zhuǎn)換電路。通過 3 V 的紐扣電池供電應(yīng)變片輸出電流，在應(yīng)變片中間接入滑動(dòng)變阻器可以實(shí)現(xiàn)傳感器電路的快速校準(zhǔn)，輸出電路接入10 倍的放大器跟隨電路，并且設(shè)計(jì) 2 個(gè)一階濾波器濾除信號(hào)中的高頻噪聲，最后稱量電壓信號(hào)以差分形式傳輸?shù)胶罄m(xù)電路。

2.2 雙通高速 AD 采集電路

信號(hào)采集轉(zhuǎn)換電路在整個(gè)硬件系統(tǒng)中非常重要，此電路主要任務(wù)是把雙路應(yīng)變片傳感器輸出的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號(hào)，可以提供給 MCU 進(jìn)行讀取和計(jì)算 [7] 。作為一個(gè) 14 位 A/D 快速轉(zhuǎn)換芯片，它可以對(duì)信號(hào)實(shí)現(xiàn) 128 倍的低噪聲編程放大 [8] 。芯片使用過程完全通過編程方式實(shí)現(xiàn)，它內(nèi)部沒有復(fù)雜的寄存器，芯片上電后會(huì)自動(dòng)進(jìn)行初始化等操作。稱量傳感器通過差分方式接入 V−和 V+，芯片內(nèi)工作通道和放大倍數(shù)通過 SPI 引腳發(fā)送脈沖完成控制，芯片通過外部 75M 高速時(shí)鐘可以保證芯片的轉(zhuǎn)化效率。電路設(shè)計(jì)圖中只接入了一個(gè)應(yīng)變傳感器，另一個(gè)通道接法完全相同。
 

2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

設(shè)備驅(qū)動(dòng)電路是為了控制自動(dòng)包裝機(jī)執(zhí)行結(jié)構(gòu)，比如電機(jī)、蹲袋氣缸、縫紉電機(jī)等都帶有強(qiáng)磁干擾信號(hào)，而控制核心 MCU 最怕接收到外接受強(qiáng)電磁信號(hào) [9] ，因此必須在 STM32 控制接口處設(shè)置外圍驅(qū)動(dòng)電路。在處理器上可以使用的最大電壓是 5 V，而被控對(duì)象控制引腳最低電壓為 12 V，兩者之間的電壓差會(huì)造成額外灌電流現(xiàn)象，L298N 可以實(shí)現(xiàn) 3 A 大電流輸出，電源引腳 VSS 上面接入大小 2 個(gè)電容濾波和指示燈 [10] ，可以控制四相步進(jìn)電機(jī)，電機(jī)輸出信號(hào)線都采用±12 V 電源鉗制傳輸信號(hào) [11] 。

3 包裝機(jī)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在包裝機(jī)主要硬件系統(tǒng)搭建完成后，需要根據(jù)控制流程在硬件平臺(tái)中開發(fā)對(duì)應(yīng)控制程序，從包裝工藝流程、稱量信號(hào)采集驅(qū)動(dòng)和小波特征提取等部分開發(fā)，軟件程序設(shè)計(jì)以高可靠性和精度為準(zhǔn)進(jìn)行開發(fā)。

3.1 稱量系統(tǒng)流程

自動(dòng)包裝結(jié)構(gòu)需要一次流程就可以完成包裝過程，系統(tǒng)主要參數(shù)通過人為設(shè)置。包裝流程開始過程中先要進(jìn)行 MCU 自檢、輸入傳感器和電磁閥復(fù)位等初始化 [12] ，確認(rèn)系統(tǒng)無誤后再執(zhí)行 A/D 信號(hào)采集過程中，把采集完的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成質(zhì)量數(shù)值，通過計(jì)算設(shè)定和讀取差值把包裝質(zhì)量控制在可控范圍內(nèi)，稱量過程采用電機(jī)閉環(huán)控制方式來提高精度。質(zhì)量滿足要求后再進(jìn)行輸出信號(hào)控制，主要包括氣缸伸縮蹲袋、傳送帶輸送和縫紉機(jī)封袋等過程，在經(jīng)過最后一步封袋后就完成了一次包裝過程。

3.2 AD 采集驅(qū)動(dòng)程序

在自動(dòng)包裝控制系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)主要包括被控對(duì)象和信號(hào)采集 2 部分驅(qū)動(dòng)，控制部分信號(hào)驅(qū)動(dòng)以輸出精準(zhǔn)控制為主，而信號(hào)采集部分以 A/D轉(zhuǎn)換芯片為主，需要完成數(shù)據(jù)輸入、通道選擇和編程增益等控制，因此重點(diǎn)介紹傳感器采集信號(hào)的驅(qū)動(dòng)程序 [13] 。信號(hào)采集核心驅(qū)動(dòng)程序見圖 7，程序主要完成 A 通道在 128 倍放大下轉(zhuǎn)換結(jié)果的讀取，并把數(shù)據(jù)保存到寄存器中并通過函數(shù)返回。首先要讀取DOUT 引腳狀態(tài)，判斷芯片是否處于數(shù)據(jù)讀取過程中，在收到低電平信后通過控制 PD 脈沖引腳讀取芯片輸入引腳信號(hào)。數(shù)據(jù)讀入過程采用脈沖移位原理即 SCK 引腳每接收到 1 個(gè)時(shí)鐘上升沿信號(hào)就移位保存 1 位數(shù)據(jù)。

 

3.3 小波分解提取稱量特征

在包裝過程中核心環(huán)節(jié)就是稱量質(zhì)量和速度，包裝質(zhì)量涉及到產(chǎn)品質(zhì)量和成本，為了提高稱量快速響應(yīng)過程已經(jīng)采用了閉環(huán)和高速AD采集電路進(jìn)行信號(hào)提取，把采集到的電壓信號(hào)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)為質(zhì)量信號(hào)可以大幅度提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，因此該系統(tǒng)采用小波分解電壓信號(hào)快速精準(zhǔn)提取電壓信號(hào)的方法 [14] ，具體實(shí)施過程步驟如下所述。

1）多次采集稱量電壓信號(hào)并取平均值，利用平均值得出均值矩陣[X, Y]，對(duì)信號(hào)進(jìn)行分類并取出低 X類中的抽樣 Y，計(jì)算公式為：

公式)式中：n 為樣本總數(shù)；y 為稱量信號(hào)中的樣本分類信號(hào)平均值。

2）依據(jù)電壓振動(dòng)特征對(duì)信號(hào)進(jìn)行分解，濾除掉小波分量中的高頻樣本和低頻樣本，利用小波基函數(shù)選取出最有效的稱量信號(hào)。

3）利用預(yù)測(cè)值與檢測(cè)值方差判斷檢測(cè)結(jié)果是否符合要求，不符合條件的還有再次電壓采集判斷。

4 自動(dòng)包裝機(jī)稱量性能實(shí)驗(yàn)
為驗(yàn)證自動(dòng)包裝系統(tǒng)的可靠性，搭建成型的自動(dòng)包裝生產(chǎn)線并進(jìn)行驗(yàn)證，包裝過程中比較重要的檢測(cè)過程是稱量信號(hào)，其中控制過程是動(dòng)作執(zhí)行不再說明，采用包裝機(jī)對(duì)比較重的面粉進(jìn)行稱量測(cè)試 [15] 。選擇 0.4 kg 面粉進(jìn)行包裝測(cè)試，一次成型整體流程運(yùn)行時(shí)間在 0.5 s 左右，加入物料用時(shí) 0.1 s，稱量過程見8。在導(dǎo)入物料過程中，系統(tǒng)在逐漸加入面粉稱量直到 400 g，但是稱量信號(hào)中還有面粉振動(dòng)產(chǎn)生的高斯白噪聲，因此采集的電壓會(huì)有尾貨微弱波動(dòng)，稱量與采集電壓經(jīng)過擬合后呈現(xiàn)出線性的關(guān)系證明了稱量系統(tǒng)精度根據(jù)實(shí)際測(cè)試的稱量電壓信號(hào)判斷稱量結(jié)構(gòu)能否滿足系統(tǒng)要求，提前稱量出來 300 g 的面粉包裝，

 

控制 2 個(gè)面粉同時(shí)放入到普通稱量設(shè)備和小波分析的包裝系統(tǒng)中，經(jīng)過閾度值濾波后稱量電壓中的噪聲信號(hào)已經(jīng)被濾除掉了 [16] ，2 種系統(tǒng)在檢測(cè)精度上幾乎沒有差異，因?yàn)闄z測(cè)精度主要與系統(tǒng)硬件相關(guān)，但是在特征提取速度上，小波變換明顯更有優(yōu)勢(shì)，可以提前 0.05 s 識(shí)別出稱量信號(hào)。

 

5 結(jié)語

設(shè)計(jì)了一種可以實(shí)現(xiàn)快速裝袋要求的自動(dòng)包裝機(jī)系統(tǒng)，采用高精度硬件和稱量特征快速提取軟件，根據(jù)機(jī)械工藝設(shè)計(jì)全橋應(yīng)變片稱量結(jié)構(gòu)、雙路高速A/D 采集電路和不僅電機(jī)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路等模塊，并進(jìn)行包裝主流程、信號(hào)采集驅(qū)動(dòng)、小波分解等程序的開發(fā)，最后通過袋封面粉的過程驗(yàn)證系統(tǒng)精度。結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)可以適用于不同自動(dòng)袋裝系統(tǒng)，且可以高效穩(wěn)定地完成控制任務(wù)

 

 

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