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0引言
近年來(lái),科技的飛速發(fā)展帶動(dòng)了工業(yè)生產(chǎn)的快速發(fā)展,中小定量包裝等食品行業(yè)對(duì)組合秤稱重系統(tǒng)的需求量越來(lái)越大[1]。傳統(tǒng)的單體稱量包裝秤存在抗干擾能力差、包裝速度慢、包裝計(jì)量精度不高、功耗大等弊病[2-3],而且對(duì)于單重不一或者不均勻物料時(shí),單體稱量包裝秤不能精確測(cè)量物料的質(zhì)量,造成不合格率的升高。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展,關(guān)于這方面的稱重系統(tǒng)的研究越來(lái)越多,而具有配料精確、可靠性強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)的自動(dòng)稱重系統(tǒng)能更好地解決這些問(wèn)題,并明顯提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益。
1系統(tǒng)設(shè)計(jì)
稱重系統(tǒng)硬件由中央處理單元、振動(dòng)控制、氣缸控制、數(shù)據(jù)采集和人機(jī)界面五部分組成。其中,數(shù)據(jù)采集部分包括信號(hào)調(diào)理部分和A/D轉(zhuǎn)換部分;氣缸調(diào)節(jié)控制部分由調(diào)節(jié)控制電路和氣缸電動(dòng)閥組成。稱重系統(tǒng)

硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1稱重系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖
Fig.1Hardwarestructureoftheweighingsystem
1.1    中央處理單元
中央處理單元采用32位ARM處理器,是整個(gè)稱重系統(tǒng)的控制和數(shù)據(jù)采集中樞。中央處理單元通過(guò)與各個(gè)檢測(cè)部分和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的信息交互,以及人機(jī)界面的通信程序,振動(dòng)電機(jī)采用PWM控制程序、氣缸調(diào)節(jié)控制程序、A/D轉(zhuǎn)換及計(jì)算程序,實(shí)現(xiàn)了整個(gè)稱重系統(tǒng)的智能控制。中央處理單元通過(guò)對(duì)光電開關(guān)的檢測(cè),實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)物料的情況,并根據(jù)振動(dòng)電機(jī)的幅度調(diào)節(jié),保證備料斗的物料充足;通過(guò)稱重傳感器轉(zhuǎn)換質(zhì)量,由信號(hào)調(diào)理及A/D轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào);電壓信號(hào)經(jīng)中央處理單元計(jì)算,轉(zhuǎn)換成數(shù)字量,最后顯示在人機(jī)界面上。

1.2    振動(dòng)控制
系統(tǒng)采用了無(wú)觸點(diǎn)的光電檢測(cè)開關(guān)來(lái)控制振動(dòng)給料器。當(dāng)光電檢測(cè)開關(guān)檢測(cè)到線振盤里物料沒(méi)有或不夠時(shí),向中央處理單元發(fā)出加料信號(hào),中央處理單元向物料輸送機(jī)發(fā)出加料信號(hào),直到光電檢測(cè)開關(guān)測(cè)出有物料為止。然后啟動(dòng)振動(dòng)電機(jī),調(diào)節(jié)合適的振幅和振動(dòng)時(shí)間,將物料送到每個(gè)備料斗中。
1.3    氣缸控制
氣缸控制部分實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)伸縮氣桿工作。打開備料斗斗門,將物料送到稱重斗中,由中央處理單元實(shí)現(xiàn)智能控制,完成何時(shí)需要打開或者關(guān)閉氣缸電動(dòng)閥,使系統(tǒng)精確地完成一次稱重過(guò)程。
當(dāng)稱重斗沒(méi)有物料或者物料不夠時(shí),中央處理單元發(fā)出添加物料的信號(hào),這時(shí)控制電路會(huì)一邊打開氣缸電動(dòng)閥,一邊接收電動(dòng)閥反饋回來(lái)的開度信號(hào)。中央處理單元也一直檢測(cè)稱重斗中的物料質(zhì)量,避免物料過(guò)多而導(dǎo)致質(zhì)量超過(guò)所需要的數(shù)值。
1.4    數(shù)據(jù)采集
在稱重斗中,物料通過(guò)稱重傳感器產(chǎn)生質(zhì)量信號(hào),再通過(guò)引線傳送到控制設(shè)備的主板上。中央處理單元讀取并記錄每個(gè)稱重斗的質(zhì)量,再通過(guò)計(jì)算、分析、組合,篩選出最接近目標(biāo)質(zhì)量的組合稱重斗。當(dāng)接收到包裝機(jī)發(fā)送的請(qǐng)求放料信號(hào)時(shí),中央處理單元發(fā)出信號(hào),啟動(dòng)稱重斗電機(jī)驅(qū)動(dòng)器,打開被選中的稱重斗,把產(chǎn)品卸到卸料斗中,從而進(jìn)入包裝機(jī)。
考慮到電磁振動(dòng)器線圈產(chǎn)生的電磁場(chǎng)會(huì)對(duì)A/D采樣有影響,當(dāng)稱重傳感器把物料質(zhì)量傳送到信號(hào)調(diào)理電路中時(shí),對(duì)A/D采樣模塊增加屏蔽體進(jìn)行磁場(chǎng)屏蔽[4]。之后經(jīng)過(guò)放大、濾波等一系列程序,再由A/D轉(zhuǎn)換成中央處理單元可識(shí)別的數(shù)字量,由處理單元進(jìn)行中位值平均濾波法[5],剔除最大值和最小值,最后求出平均值作為最終采樣值。數(shù)據(jù)采集流程圖如圖2所示。

圖2數(shù)據(jù)采集流程圖
Fig.2Flowchartofdataacquisition
1.5    人機(jī)界面
本稱重系統(tǒng)采用帶觸摸的液晶屏,用自帶軟件開發(fā)了人性化的操作界面。通過(guò)觸摸屏幕能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)稱重系統(tǒng)所有功能的操作以及振動(dòng)電機(jī)的幅度調(diào)試。通過(guò)觸摸屏幕,操作人員可在信息欄上看到每次稱重的時(shí)間和質(zhì)量,操作簡(jiǎn)便。
受外界環(huán)境影響以及自身?xiàng)l件限制,系統(tǒng)采用的應(yīng)變式稱重傳感器的輸入-輸出呈現(xiàn)非線性[6],因此需要對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定及校正。在傳感器托盤上依次放上標(biāo)定質(zhì)量值的砝碼,同時(shí)質(zhì)量顯示在屏幕的信息欄。根據(jù)與標(biāo)定質(zhì)量值的偏差,將偏差值輸入到初始標(biāo)定對(duì)應(yīng)的文本欄里,經(jīng)過(guò)逆模型校正后,系統(tǒng)進(jìn)行校正換算,完成標(biāo)定過(guò)程。
2稱重系統(tǒng)的外觀結(jié)構(gòu)
智能稱重系統(tǒng)采用振動(dòng)給料式設(shè)計(jì)[7],具備大儲(chǔ)料斗、組合秤、振動(dòng)機(jī)構(gòu)、光電檢測(cè)的特點(diǎn),能夠?qū)崿F(xiàn)各種物料大小不均勻的稱重方式,并具有精準(zhǔn)的稱重效果。該稱重系統(tǒng)長(zhǎng)84cm,高124cm,寬65cm;采用的是光電檢測(cè)物料;下面裝有帶振動(dòng)電機(jī)的振動(dòng)盤,兩邊設(shè)計(jì)有防護(hù)欄,防止物料掉出去;中部采用的是四頭組合秤的原理,每頭秤的量程為2kg;安放了4個(gè)備料斗。物料經(jīng)過(guò)備料斗流向4個(gè)秤盤,進(jìn)行精準(zhǔn)計(jì)算,經(jīng)過(guò)卸料氣桿,將物料推到卸料斗,最后進(jìn)行打包。
2.1    振動(dòng)系統(tǒng)
振動(dòng)部分實(shí)現(xiàn)稱重系統(tǒng)的振動(dòng)機(jī)能,由中央處理單元實(shí)現(xiàn)智能控制,完成稱重系統(tǒng)的給料功能。振動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3振動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖
Fig.3Structureofthevibrationmachine
此振動(dòng)系統(tǒng)是在電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸上裝上一個(gè)助鍵,在電機(jī)快速轉(zhuǎn)動(dòng)下,引起強(qiáng)烈振動(dòng)。振動(dòng)電機(jī)裝置托盤與振動(dòng)給料盤采用焊接方式固定。在彈簧塑料軟套筒內(nèi)裝彈簧,既可以支撐振動(dòng)盤,也可以加強(qiáng)振動(dòng)效果。
2.2    備料與稱重機(jī)構(gòu)
物料由振動(dòng)盤進(jìn)入備料斗,在秤盤空閑的情況下,備料斗閥門氣桿打開備料斗閥門[8],物料放進(jìn)4個(gè)秤盤進(jìn)行稱重,信號(hào)傳輸?shù)街醒胩幚韱卧M(jìn)行計(jì)算、組合。待組合完成后,卸料氣桿將物料推進(jìn)卸料斗內(nèi),完成一回程序。在稱重過(guò)程中,啟動(dòng)振動(dòng)機(jī)構(gòu),將物料送到備料斗,等待下一次循環(huán),加快速度。為防止物料超出壓力傳感器的量程,在秤盤上裝加秤盤防過(guò)壓腳[9-10],保護(hù)壓力傳感器。
3試驗(yàn)結(jié)果
通過(guò)對(duì)組合秤稱重系統(tǒng)的不均勻稱重?cái)?shù)據(jù)的測(cè)量與分析,采集稱重單元的實(shí)際質(zhì)量并利用Matlab對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真,精確度均為0.5‰。稱重試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量和對(duì)應(yīng)的實(shí)際稱量結(jié)果如表1所示。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)建立一種合適的標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量與實(shí)際稱重質(zhì)量的關(guān)系,得到兩者之間的擬合曲線,從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的標(biāo)定變換。通過(guò)測(cè)試,無(wú)論在均勻的物料還是不均勻的物料中,標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量與實(shí)際稱重質(zhì)量都具有很好的線性關(guān)系。

4結(jié)束語(yǔ)
經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試,該稱重系統(tǒng)計(jì)量準(zhǔn)確,光電檢測(cè)物料靈敏,下料量振動(dòng)調(diào)節(jié)反應(yīng)速度快,稱重精度達(dá)到預(yù)期要求。該稱重系統(tǒng)可以提高小型食品包裝廠家生產(chǎn)效率,提升經(jīng)濟(jì)效益;對(duì)于一些稱重不均勻、速率慢等領(lǐng)域的自動(dòng)化稱重系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)具有參考價(jià)值。
 

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