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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(wú)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(lái)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(lái)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(wàn)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),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(lái)的^[7] 。其自動(dòng)定量整個(gè)過(guò)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(kāi)投料門 ,向包裝機(jī)投料 ,完成自動(dòng)定量一次循環(huán)過(guò)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。 混合式自動(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。

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(guò)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(kāi)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(kāi)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(guò)程來(lái)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。 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 t _p = π /(k _n ( 1- a² ) ^1/2,超 調(diào)量 M _p = ( x (t _p ) - x ₀ ) /x ₀ = exp( - a π /( 1 -a² ) ^1/2) ,調(diào)整時(shí)間 t s = 4/(a k _n ) 。 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 t _p 、 M _p 和 t _s ,即盡可能增加 a 和 k _n 。阻尼比 a= 0. 5 c /(m k)^1/2,無(wú)阻尼固有頻率 k _n =(k /m )^1/2 , 因?yàn)?nbsp;m 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(guò)增加阻尼系數(shù) c來(lái)滿足稱重要求。

2) 稱 重 數(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(guò) 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(guò)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(guò) 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(guò)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(guò)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(guò)放大、 A/D轉(zhuǎn)換后 ,以采樣頻率 2 000次 /s采集數(shù)值。由可見(jiàn) ,經(jīng)過(guò)穩(wěn)定時(shí)間 T ₀ 后波形低頻部分主要在物料重量對(duì)應(yīng)數(shù)值U ₀ (圖中水平實(shí)線 ) 上下震蕩逐漸衰減趨向穩(wěn)定值 U ₀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 ( T ₁ - T ₀ ) 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 U ₁ (圖中水平虛線 ) ,稱重采集處理誤差即為 X = U ₁ - U ₀ 。

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(kāi)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(kāi)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(guò)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(guò)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(guò) ,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(wú)電流通過(guò) ,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(kāi) ,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 50 Hz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(guò)控制 50 Hz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(guò)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(guò)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(guò)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

由表 1總時(shí)間可計(jì)算出 ,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(guò)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. 5 g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 400 g 的物料 ,若容重在 0. 27 ～ 0. 3 g /cm 3 之間變化 ,變化率約為± 5 % ,主加料量為目標(biāo)質(zhì)量的 95 % ,即380 g,主加料一定容積物料 ,質(zhì)量將在 360 ～ 400 g 之間變化 ,通過(guò)穩(wěn)定及靜態(tài)稱量后確定補(bǔ)加料量將在 40～ 0 g 之間 ,最大補(bǔ)加料量為 40 g,其對(duì)應(yīng)實(shí)際補(bǔ)加料質(zhì)量將在 38 ～ 42 g之間 ,最終質(zhì)量在 398 ～ 402g之間 ,補(bǔ)加料誤差為± 2 g,相對(duì)400 g 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 400 g和 200 g,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 380 g和 190 g,最大補(bǔ)加料量為 40 g和 20 g。實(shí)驗(yàn)時(shí)間參數(shù)是: 通過(guò)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600 ms和 400 ms,最大補(bǔ)加料時(shí)間為 800 ms和 600ms,穩(wěn)定時(shí)間 200 ms,靜態(tài)稱量時(shí)間 300 ms。補(bǔ)加料的最小控制量分別為 1. 0 g和 0. 7 g左右。

       400 g 實(shí)驗(yàn)定量速度平均為 40包 /min,質(zhì)量在397. 4 ～ 402. 4 g之間 ,與目標(biāo)質(zhì)量 400 g相比 ,絕對(duì)誤差在 - 2. 6～ + 2. 4 g 之間 , 準(zhǔn)確度在 - 0. 65 % ～+ 0. 6 %之內(nèi)。 200 g實(shí)驗(yàn)定量速度平均為 46包 /min,質(zhì)量在 198. 6 ～ 200. 8 g之間 ,與目標(biāo)質(zhì)量 200 g相比 ,絕對(duì)誤差在 - 1. 4 ～ + 0. 8 g之間 ,準(zhǔn)確度在 - 0. 7 %～+ 0. 4 %之內(nèi)。

7  結(jié)　 論

通過(guò)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(wú)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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