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1引　言

隨著科技進(jìn)步、社會(huì)發(fā)展以及人民生活水平提高,尤其是加入WTO后,企業(yè)參與激烈的國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng),對(duì)商品包裝提出了更高的要求。其中,粉粒狀農(nóng)用產(chǎn)品,如糧食、種子、飼料、化肥、農(nóng)藥等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用品,以及薯片、米花、豆花等農(nóng)副產(chǎn)品的深加工食品,都需要大量各種規(guī)格定量包裝。目前國(guó)內(nèi)大量農(nóng)用產(chǎn)品仍然采用手工定量包裝。手工包裝一方面勞動(dòng)強(qiáng)度大,工作環(huán)境惡劣,速度慢,準(zhǔn)確度低,生產(chǎn)效率低,經(jīng)濟(jì)效益差;另一方面對(duì)采用手工包裝不能符合衛(wèi)生要求的食品、藥品,以及對(duì)人體有毒有害的物品需要自動(dòng)化、無人化定量包裝[1,2]。因此實(shí)現(xiàn)大量粉粒狀農(nóng)用產(chǎn)品高速高準(zhǔn)確度自動(dòng)定量包裝是急需解決的技術(shù)難題。

2　粉粒狀農(nóng)用產(chǎn)品自動(dòng)定量包裝現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)粉粒狀農(nóng)用產(chǎn)品自動(dòng)定量包裝有2種方式[3]:1)容積式自動(dòng)定量包裝,是基于容積來計(jì)量包裝物料的數(shù)量,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,成本低,定量速度高,但定量準(zhǔn)確度依賴于物料比重的穩(wěn)定性,受物料松散程度、顆粒大小均勻程度、吸濕性、結(jié)塊性等物理化學(xué)性質(zhì)的變化影響較大。主要適用于顆粒大小均勻、自流性好、比重相對(duì)穩(wěn)定、價(jià)格較低的農(nóng)用產(chǎn)品定量包裝。目前農(nóng)用產(chǎn)品自動(dòng)定量包裝主要采用容積式,中小規(guī)格容積式自動(dòng)定量速度在40～60包/min左右,準(zhǔn)確度在±2%～±3%左右。由于準(zhǔn)確度差,企業(yè)在執(zhí)行《定量包裝商品的計(jì)量監(jiān)督規(guī)定》時(shí),為了滿足計(jì)量監(jiān)督部門檢查,只能“寧多勿少”,從而在定量包裝上造成巨大損失[4];2)稱重式自動(dòng)定量包裝,是以重量來計(jì)量包裝物料的數(shù)量,與容積式相比,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,成本高,定量速度慢,但準(zhǔn)確度較高。主要適用于顆粒大小不均勻不規(guī)則、比重不穩(wěn)定、價(jià)格較高的農(nóng)用產(chǎn)品定量包裝。目前中小規(guī)格稱重式自動(dòng)定量速度在10～20包/min左右,準(zhǔn)確度在±1%～±1.5%左右。盡管稱重式自動(dòng)定量包裝在企業(yè)實(shí)現(xiàn)“稱平量準(zhǔn)”上已經(jīng)前進(jìn)了一大步,但速度慢,仍然不能滿足大量粉粒狀農(nóng)用產(chǎn)品定量包裝要求[4]。

國(guó)外自動(dòng)定量包裝發(fā)展趨勢(shì)是應(yīng)用微電子等高新技術(shù),同時(shí)提高定量的速度和準(zhǔn)確度[5]。如組合式定量包裝,速度在60包/min以上,準(zhǔn)確度在±1%左右,但結(jié)構(gòu)復(fù)雜,成本高,一套設(shè)備上百萬元,國(guó)內(nèi)一般企業(yè)難以承受[5]。為此本文在實(shí)用新型專利基礎(chǔ)上[6],借鑒國(guó)外的先進(jìn)技術(shù),提出一種混合式自動(dòng)定量包裝新方法,以提高定量的準(zhǔn)確度和速度。

3　混合式自動(dòng)定量包裝原理

混合式自動(dòng)定量包裝系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖1所示[6],包括:由料倉(cāng)、粗細(xì)給料管、粗細(xì)給料器及其數(shù)字控制組成給料子系統(tǒng),由稱重料斗、投料汽缸、稱重傳感器及其稱重?cái)?shù)據(jù)采集組成稱重子系統(tǒng),包裝機(jī)及其控制子系統(tǒng),主控微機(jī)。

混合式自動(dòng)定量包裝是在容積式和稱重式自動(dòng)定量充填基礎(chǔ)上發(fā)展起來的[7]。其自動(dòng)定量整個(gè)過程在主控微機(jī)的協(xié)調(diào)控制下,采用多級(jí)給料及靜態(tài)稱重實(shí)現(xiàn)。首先由粗給料器采用容積式快速往稱重料斗加入目標(biāo)量的大部分(主加料),穩(wěn)定一定時(shí)間后進(jìn)行準(zhǔn)確靜態(tài)稱重,而不象稱重式自動(dòng)定量,一邊給料一邊稱重的動(dòng)態(tài)稱重;然后計(jì)算確定剩余的小部分量,并將其換算成細(xì)給料器加料的容積,在流量一定的情況下用時(shí)間大小表示;最后控制細(xì)給料器加料(補(bǔ)加料),同時(shí)控制稱重料斗投料汽缸打開投料門,向包裝機(jī)投料,完成自動(dòng)定量一次循環(huán)過程。

其中,給料和稱重分時(shí)進(jìn)行,以提高加料速度,減少加料沖擊和落差對(duì)稱重的影響。細(xì)給料器采用容積式加料,但由于加料量少,補(bǔ)加料誤差亦小,提高了定量準(zhǔn)確度。同時(shí)細(xì)給料器加料后不再稱重,在細(xì)給料同時(shí)就投料,進(jìn)一步提高了定量速度?；旌鲜阶詣?dòng)定量包裝綜合了容積式自動(dòng)定量速度高和稱重式自動(dòng)定量準(zhǔn)確度高優(yōu)點(diǎn)。

4　混合式自動(dòng)定量包裝實(shí)現(xiàn)方法

4.1　混合式自動(dòng)定量包裝工藝流程

根據(jù)以上原理,混合式自動(dòng)定量包裝工藝流程分為自動(dòng)定量和包裝2個(gè)工步,在進(jìn)行下一包物料自動(dòng)定量的同時(shí),進(jìn)行上一包物料的包裝。自動(dòng)定量分成4個(gè)節(jié)拍,如表1所示,其中時(shí)間以中小規(guī)格定量包裝為例。

1)主加料,由給料子系統(tǒng)完成,每個(gè)工作循環(huán)主加料時(shí)間固定,由物料比重穩(wěn)定性、粗給料器性能等決定。通過調(diào)節(jié)粗給料器激振力及料厚度使得主加料量在目標(biāo)重量90%～95%左右。

2)穩(wěn)定,由主控微機(jī)完成,每個(gè)工作循環(huán)穩(wěn)定時(shí)間固定,由主加料量對(duì)稱重料斗沖擊大小、稱重料斗抗振動(dòng)性能等決定。

3)靜稱重,由稱重子系統(tǒng)完成,每個(gè)工作循環(huán)稱重時(shí)間固定,由稱重準(zhǔn)確度、A/D轉(zhuǎn)換器時(shí)間、采樣頻率及點(diǎn)數(shù)、數(shù)據(jù)濾波方式及處理速度等決定。

4)補(bǔ)加料及投料,補(bǔ)加料由給料子系統(tǒng)完成,投料由包裝機(jī)控制子系統(tǒng)完成,每個(gè)工作循環(huán)補(bǔ)加料時(shí)間隨著補(bǔ)加料量不同而變化。每個(gè)工作循環(huán)投料開始時(shí)間固定,結(jié)束時(shí)間隨著補(bǔ)加料時(shí)間變化而變化。

以上4個(gè)節(jié)拍在主控微機(jī)統(tǒng)一協(xié)調(diào)下進(jìn)行,即由主控微機(jī)控制給料子系統(tǒng)、稱重子系統(tǒng)及包裝機(jī)控制子系統(tǒng)開始工作時(shí)間。

4.2　混合式自動(dòng)定量稱重子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理及方法

從混合式自動(dòng)定量過程來看,靜態(tài)稱重準(zhǔn)確度對(duì)最后定量準(zhǔn)確度影響最大,也是第4節(jié)拍補(bǔ)加料的基礎(chǔ)。因此高速高準(zhǔn)確度稱重是實(shí)現(xiàn)混合式自動(dòng)定量包裝的基礎(chǔ)。

1)稱重料斗機(jī)械振動(dòng)性能分析。稱重料斗在主加料f(t)=A后振動(dòng)系統(tǒng)可以簡(jiǎn)化為圖2a所示[8]。其中m為稱重料斗質(zhì)量,k為稱重傳感器的彈性系數(shù),c為稱重料斗振動(dòng)阻尼系數(shù)。在主加料后稱重料斗支撐在稱重傳感器的彈性變形量x(t)響應(yīng)曲線如圖2b所示。其中,在主加料前x(0)=0,峰值時(shí)間tp=π/(kn(1-a2)1/2,超調(diào)量Mp=(x(tp)-x0)/x0=exp(-aπ/(1-a2)1/2),調(diào)整時(shí)間ts=4/(akn)。彈性系數(shù)k與彈性變形量x(t)乘積即主加料質(zhì)量A。在主加料后較短穩(wěn)定時(shí)間后,在非常短的靜態(tài)稱重時(shí)間內(nèi),要實(shí)現(xiàn)高準(zhǔn)確度稱重,必須盡可能減少tp、Mp和ts,即盡可能增加a和kn。阻尼比a=0.5c/(mk)1/2,無阻尼固有頻率kn=(k/m)1/2,因?yàn)閙受到稱重傳感器的量程限制,k受到稱重傳感器結(jié)構(gòu)限制,因此只有通過增加阻尼系數(shù)c來滿足稱重要求。

2)稱重?cái)?shù)據(jù)采集處理子系統(tǒng)硬件。它由AT89C652單片機(jī),看門狗定時(shí)器、電壓監(jiān)控和EEP-ROM一體的X5045芯片,RS-485接口轉(zhuǎn)換芯片LBC184,對(duì)稱重傳感器的微弱的電信號(hào)進(jìn)行放大的儀表放大器AD623芯片及14位高速串行輸出模/數(shù)轉(zhuǎn)換器MAX121芯片,輸入、輸出信號(hào)光電隔離器MOC3020,輸入反相驅(qū)動(dòng)器74HC14,輸出反相驅(qū)動(dòng)器MC1413等組成。

子系統(tǒng)通過RS-485串行接口總線與主控微機(jī)、其它子系統(tǒng)傳送數(shù)據(jù),包括接收主控微機(jī)發(fā)送的工作參數(shù)和向主控微機(jī)及其它子系統(tǒng)發(fā)送的稱重?cái)?shù)據(jù)采集處理結(jié)果;通過輸入、輸出信號(hào)與主控微機(jī)進(jìn)行時(shí)序協(xié)調(diào),以提高系統(tǒng)執(zhí)行的可靠性和快速性;通過X5045的EEP-ROM存儲(chǔ)器存放運(yùn)行參數(shù),如采樣速率、采樣點(diǎn)數(shù)、稱重量程等。

子系統(tǒng)通過兩臺(tái)UH-53高準(zhǔn)確度電阻應(yīng)變片式稱重傳感器,支撐稱重料斗,提高稱重料斗抗振性和穩(wěn)定性。2臺(tái)稱重傳感器采用并聯(lián)組秤方法。并聯(lián)后,總輸出電阻小,信號(hào)傳輸抗干擾能力強(qiáng),輸出電壓與被稱物料重量成線形關(guān)系,提高了稱重準(zhǔn)確度[9]。

子系統(tǒng)通過厚模工藝制作的集成儀表放大器AD623芯片和14位高速度串行A/D轉(zhuǎn)換器MAX121芯片組成前置通道,完成對(duì)稱重信號(hào)放大、轉(zhuǎn)換、采集。AD623具有高輸入阻抗、低輸出阻抗、強(qiáng)抗共模干擾能力、低溫漂、低失調(diào)電壓和高穩(wěn)定增益、輸入電壓范圍大、放大誤差小、能夠提供很好的線性度等特點(diǎn)。MAX121具有低溫漂、低信噪比、輸入電壓范圍大等特點(diǎn),內(nèi)置采樣保持器和三態(tài)緩沖輸出器,輸入端直接與AD623輸出端相連,輸出端可直接與CPU相連[10]。

3)稱重?cái)?shù)據(jù)采集處理子系統(tǒng)軟件。在主加料后,稱重信號(hào)經(jīng)過放大、A/D轉(zhuǎn)換后,以采樣頻率2000次/s采集數(shù)值,采集數(shù)值波形如圖4所示。由圖可見,經(jīng)過穩(wěn)定時(shí)間T0后波形低頻部分主要在物料重量對(duì)應(yīng)數(shù)值U0(圖中水平實(shí)線)上下震蕩逐漸衰減趨向穩(wěn)定值U0的曲線,同時(shí)包含高頻干擾信號(hào)。因此稱重?cái)?shù)據(jù)采集處理必須在稱重時(shí)間(T1-T0)范圍內(nèi),在適當(dāng)?shù)牟蓸铀俾屎筒蓸狱c(diǎn)數(shù)下,采集一定數(shù)量采樣值,剔除高頻或隨機(jī)干擾值后,求平均得到U1(圖中水平虛線),稱重采集處理誤差即為X=U1-U0。

為了減少誤差X,在軟件設(shè)計(jì)中,首先對(duì)采集點(diǎn)進(jìn)行定位,使得開始有效采樣點(diǎn)均在波形震蕩峰或谷上,同時(shí)直到波形震蕩峰或谷結(jié)束。其次,采用非線形數(shù)字濾波,將高頻或隨機(jī)干擾導(dǎo)致的粗大誤差濾除[11]。濾波算法為:設(shè)采集信號(hào)序列為u[i],非線形數(shù)字濾波后信號(hào)序列為v[i]。開始采樣點(diǎn),v[0]=u[0]。以后采樣點(diǎn),根據(jù)干擾強(qiáng)弱設(shè)定粗大誤差閥值_,若|u[i]-u[i-1]|<_,則v[i]=u[i];反之v[i]=v[i-1]。最后,對(duì)在有效采樣點(diǎn)范圍內(nèi)非線形數(shù)字濾波值求平均,并經(jīng)過標(biāo)度換算,得到主加料重量,作為稱重采集處理結(jié)果[12]。

4.3　混合式自動(dòng)定量給料器數(shù)字控制

為了提高混合式自動(dòng)定量速度和準(zhǔn)確度,主加料和補(bǔ)加料必須具有很好的可控性。主加料快速穩(wěn)定,主加料愈接近目標(biāo)質(zhì)量,補(bǔ)加料量愈少,定量速度和準(zhǔn)確度愈高。同樣補(bǔ)加料快速穩(wěn)定,補(bǔ)加料量愈準(zhǔn),定量速度和準(zhǔn)確度也愈高。因此,高速高準(zhǔn)確度給料是實(shí)現(xiàn)混合式自動(dòng)定量包裝的關(guān)鍵。

電磁振動(dòng)給料器是一種新型的加料設(shè)備,廣泛用于粉粒狀物料的定量給料、配料等生產(chǎn)流程中[8]。電磁振動(dòng)給料器組成結(jié)構(gòu)包括:給料槽、料厚調(diào)節(jié)板、銜鐵、板彈簧、電磁鐵及激振線圈、機(jī)座及隔振彈簧。將正弦交流電經(jīng)過單向半波整流后,加在電磁鐵的激振線圈上。在交流電正半周,激振線圈上有電流通過,在銜鐵和電磁鐵之間便產(chǎn)生一對(duì)大小相等的脈沖電磁力相互吸引,這時(shí)給料槽向后運(yùn)動(dòng),彈性系統(tǒng)發(fā)生變形,存儲(chǔ)了一定的勢(shì)能;在交流電負(fù)半周,激振線圈上無電流通過,在銜鐵和電磁鐵之間電磁力消失,由于彈簧存儲(chǔ)的勢(shì)能釋放,銜鐵和電磁鐵之間朝向反方向離開,給料槽向前運(yùn)動(dòng)。這樣電磁振動(dòng)給料器就以交流電頻率50Hz作往復(fù)振動(dòng),使給料槽中物料不斷向前拋起移動(dòng),達(dá)到給料目的[8]。通過控制50Hz交流電供電電壓、供電時(shí)間可實(shí)現(xiàn)給料量自動(dòng)控制;調(diào)節(jié)給料槽中料厚度,可實(shí)現(xiàn)給料量手動(dòng)調(diào)節(jié)[13]。

在混合式自動(dòng)定量過程中,給料厚度和供電時(shí)間一定情況下,物料的比重變化、供電電壓波動(dòng)等工作環(huán)境變化,將導(dǎo)致給料器給料量發(fā)生變化。因此在定量過程中根據(jù)前一次給料目標(biāo)量和實(shí)際量差反饋?zhàn)詣?dòng)控制供電電壓或時(shí)間。電磁振動(dòng)給料器供電電壓采用數(shù)字控制。應(yīng)用單向半波可控硅整流電路,通過數(shù)字控制可控硅的導(dǎo)通角的大小,獲得不同幅度輸出電壓,從而改變給料器給料量。

5　混合式自動(dòng)定量性能分析

5.1　混合式自動(dòng)定量速度分析

混合式自動(dòng)定量速度在30～60包/min之間,接近了容積式定量速度。

5.2　混合式自動(dòng)定量不確定度分析

在靜態(tài)稱量準(zhǔn)確度相對(duì)較高情況下,補(bǔ)加料準(zhǔn)確度是影響自動(dòng)定量準(zhǔn)確度的主要部分,主要由最大補(bǔ)加料量和最大補(bǔ)加料時(shí)間、給料器機(jī)械性能和自動(dòng)控制性能、物料容重穩(wěn)定性等因素決定。一般最大補(bǔ)加料量越小,最大補(bǔ)加料時(shí)間越長(zhǎng),給料器的料厚度越小,補(bǔ)加料越準(zhǔn)確。通過提高給料器機(jī)械性能和自動(dòng)控制性能,補(bǔ)加料的最小控制量可達(dá)0.2～0.5g左右。物料容重穩(wěn)定性對(duì)補(bǔ)加料準(zhǔn)確度的影響相對(duì)較大,例如包裝目標(biāo)質(zhì)量400g的物料,若容重在0.27～0.3g/cm3之間變化,變化率約為±5%,主加料量為目標(biāo)質(zhì)量的95%,即380g,主加料一定容積物料,質(zhì)量將在360～400g之間變化,通過穩(wěn)定及靜態(tài)稱量后確定補(bǔ)加料量將在40～0g之間,最大補(bǔ)加料量為40g,其對(duì)應(yīng)實(shí)際補(bǔ)加料質(zhì)量將在38～42g之間,最終質(zhì)量在398～402g之間,補(bǔ)加料誤差為±2g,相對(duì)400g目標(biāo)質(zhì)量,準(zhǔn)確度為±0.5%,達(dá)到了稱重式定量準(zhǔn)確度。

6　混合式自動(dòng)定量包裝系統(tǒng)性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)

　混合式自動(dòng)定量包裝系統(tǒng)對(duì)小米、化肥、農(nóng)藥等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用品進(jìn)行中小規(guī)格定量包裝實(shí)驗(yàn)。由于篇幅所限,這里僅給出小米實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)質(zhì)量參數(shù)是:包裝目標(biāo)質(zhì)量400g和200g,定容積小米質(zhì)量變化率約為±5%,因此對(duì)應(yīng)主加料目標(biāo)質(zhì)量380g和190g,最大補(bǔ)加料量為40g和20g。實(shí)驗(yàn)時(shí)間參數(shù)是:通過調(diào)節(jié)料厚度,使給料器在一定加料流量下,控制主加料時(shí)間為600ms和400ms,最大補(bǔ)加料時(shí)間為800ms和600ms,穩(wěn)定時(shí)間200ms,靜態(tài)稱量時(shí)間300ms。補(bǔ)加料的最小控制量分別為1.0g和0.7g左右。

400g實(shí)驗(yàn)定量速度平均為40包/min,質(zhì)量在397.4～402.4g之間,與目標(biāo)質(zhì)量400g相比,絕對(duì)誤差在-2.6～+2.4g之間,準(zhǔn)確度在-0.65%～+0.6%之內(nèi)。200g實(shí)驗(yàn)定量速度平均為46包/min,質(zhì)量在198.6～200.8g之間,與目標(biāo)質(zhì)量200g相比,絕對(duì)誤差在-1.4～+0.8g之間,準(zhǔn)確度在-0.7%～+0.4%之內(nèi)。

7結(jié)　論

通過對(duì)混合式自動(dòng)定量包裝性能理論分析和實(shí)驗(yàn)分析表明:粉粒狀農(nóng)用產(chǎn)品混合式自動(dòng)定量包裝是切實(shí)可行的,對(duì)粉粒狀物料的適應(yīng)性強(qiáng),既適應(yīng)于顆粒大小均勻、容重相對(duì)穩(wěn)定的農(nóng)用產(chǎn)品定量包裝,也適應(yīng)于顆粒大小不均勻不規(guī)則、容重不穩(wěn)定的農(nóng)用產(chǎn)品定量包裝。它與傳統(tǒng)定量包裝相比,同時(shí)提高了自動(dòng)定量的速度和準(zhǔn)確度,滿足了企業(yè)大批量定量包裝“稱平量準(zhǔn)”要求。應(yīng)用該技術(shù)成果,可降低企業(yè)包裝損耗,提高包裝合格率,對(duì)生產(chǎn)企業(yè)和消費(fèi)者無疑都具有非常大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益,在自動(dòng)定量包裝方面有重要的理論指導(dǎo)意義和應(yīng)用推廣價(jià)值。

 

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