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1  引　 言

隨著科技進(jìn)步、社會發(fā)展以及人民生活水平提高 ,尤其是加入 WTO后 ,企業(yè)參與激烈的國際市場競爭 ,對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;另一方面對采用手工包裝不能符合衛(wèi)生要求的食品、藥品 ,以及對人體有毒有害的物品需要自動化、無人化定量包裝[1, 2] 。 因此實現(xiàn)大量粉粒狀農(nóng)用產(chǎn)品高速高準(zhǔn)確度自動定量包裝是急需解決的技術(shù)難題。

2 　 粉粒狀農(nóng)用產(chǎn)品自動定量包裝現(xiàn)狀

目前國內(nèi)粉粒狀農(nóng)用產(chǎn)品自動定量包裝有 2種方式[3] : 1)容積式自動定量包裝 ,是基于容積來計量包裝物料的數(shù)量 ,結(jié)構(gòu)簡單 ,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、比重相對穩(wěn)定、價格較低的農(nóng)用產(chǎn)品定量包裝。 目前農(nóng)用產(chǎn)品自動定量包裝主要采用容積式 ,中小規(guī)格容積式自動定量速度在 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《定量包裝商品的計量監(jiān)督規(guī)定》時 ,為了滿足計量監(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)稱重式自動定量包裝 ,是以重量來計量包裝物料的數(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。 盡管稱重式自動定量包裝在企業(yè)實現(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] 。

國外自動定量包裝發(fā)展趨勢是應(yīng)用微電子等高新技術(shù) ,同時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 ,國內(nèi)一般企業(yè)難以承受[5] 。 為此本文在實用新型專利基礎(chǔ)上 [6],借鑒國外的先進(jìn)技術(shù) ,提出一種混合式自動定量包裝新方法 ,以提高定量的準(zhǔn)確度和速度。

3 　 混合式自動定量包裝原理

混合式自動定量包裝系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu),包括: 由料倉、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數(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)

混合式自動定量包裝是在容積式和稱重式自動定量充填基礎(chǔ)上發(fā)展起來的^[7] 。其自動定量整個過程在主控微機(jī)的協(xié)調(diào)控制下 ,采用多級給料及靜態(tài)稱重實現(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)定一定時間后進(jìn)行準(zhǔn)確靜態(tài)稱重 ,而不象稱重式自動定量 ,一邊給料一邊稱重的動態(tài)稱重;然后計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間大小表示;最后控制細(xì)給料器加料 (補(bǔ)加料 ) ,同時控制稱重料斗投料汽缸打開投料門 ,向包裝機(jī)投料 ,完成自動定量一次循環(huán)過程。

其中 ,給料和稱重分時進(jìn)行 ,以提高加料速度 ,減少加料沖擊和落差對稱重的影響。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。 同時細(xì)給料器加料后不再稱重 ,在細(xì)給料同時就投料 ,進(jìn)一步提高了定量速度。 混合式自動定量包裝綜合了容積式自動定量速度高和稱重式自動定量準(zhǔn)確度高優(yōu)點。

4 　 混合式自動定量包裝實現(xiàn)方法

4. 1 　 混合式自動定量包裝工藝流程

根據(jù)以上原理 ,混合式自動定量包裝工藝流程分為自動定量和包裝 2個工步 ,在進(jìn)行下一包物料自動定量的同時 ,進(jìn)行上一包物料的包裝。

1) 主加料 ,由給料子系統(tǒng)完成 ,每個工作循環(huán)主加料時間固定 ,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 ,每個工作循環(huán)穩(wěn)定時間固定 ,由主加料量對稱重料斗沖擊大小、稱重料斗抗振動性能等決定。

3) 靜稱重 ,由稱重子系統(tǒng)完成 ,每個工作循環(huán)稱重時間固定 ,由稱重準(zhǔn)確度、 A/D轉(zhuǎn)換器時間、采樣頻率及點數(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 ,每個工作循環(huán)補(bǔ)加料時間隨著補(bǔ)加料量不同而變化。 每個工作循環(huán)投料開始時間固定 ,結(jié)束時間隨著補(bǔ)加料時間變化而變化。

以上 4個節(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)開始工作時間。

4. 2 　 混合式自動定量稱重子系統(tǒng)實現(xiàn)原理及方法

從混合式自動定量過程來看 ,靜態(tài)稱重準(zhǔn)確度對最后定量準(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)確度稱重是實現(xiàn)混合式自動定量包裝的基礎(chǔ)。

1) 稱重料斗機(jī)械振動性能分析。 稱重料斗在主加料 f (t ) = A后振動系統(tǒng)可以簡化。 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)定時間后 ,在非常短的靜態(tài)稱重時間內(nèi) ,要實現(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,無阻尼固有頻率 k _n =(k /m )^1/2 , 因為 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 ,因此只有通過增加阻尼系數(shù) c來滿足稱重要求。

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,對稱重傳感器的微弱的電信號進(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 光 電 隔 離器MOC3020,輸入反相驅(qū)動器 74HC14,輸出反相驅(qū)動器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)送的稱重數(shù)據(jù)采集處理結(jié)果;通過輸入、輸出信號與主控微機(jī)進(jìn)行時序協(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存儲器存放運(yùn)行參數(shù) ,如采樣速率、采樣點數(shù)、稱重量 程 等 。

子系統(tǒng)通過兩臺 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 ,完成對稱重信號放大、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。MAX121具有低溫漂、低信噪比、輸入電壓范圍大等特點 ,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) 稱重數(shù)據(jù)采集處理子系統(tǒng)軟件。在主加料后 ,稱重信號經(jīng)過放大、 A/D轉(zhuǎn)換后 ,以采樣頻率 2 000次 /s采集數(shù)值。由可見 ,經(jīng)過穩(wěn)定時間 T ₀ 后波形低頻部分主要在物料重量對應(yīng)數(shù)值U ₀ (圖中水平實線 ) 上下震蕩逐漸衰減趨向穩(wěn)定值 U ₀的曲線 ,同時包含高頻干擾信號。因此稱重數(shù)據(jù)采集處理必須在稱重時間 ( T ₁ - T ₀ ) 范圍內(nèi) ,在適當(dāng)?shù)牟蓸铀俾屎筒蓸狱c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)計中 ,首先對采集點進(jìn)行定位 ,使得開始有效采樣點均在波形震蕩峰或谷上 ,同時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)采集信號序列為 u [i ],非線形數(shù)字濾波后信號序列為 v [i ]。開始采樣點 ,v [0] = u [0]。以后采樣點 ,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 ,對在有效采樣點范圍內(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 　 混合式自動定量給料器數(shù)字控制

為了提高混合式自動定量速度和準(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)確度給料是實現(xiàn)混合式自動定量包裝的關(guān)鍵。

電磁振動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)生一對大小相等的脈沖電磁力相互吸引 ,這時給料槽向后運(yùn)動 ,彈性系統(tǒng)發(fā)生變形 ,存儲了一定的勢能;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 ,由于彈簧存儲的勢能釋放 ,銜鐵和電磁鐵之間朝向反方向離開 ,給料槽向前運(yùn)動。這樣電磁振動給料器就以交流電頻率 50 Hz作往復(fù)振動 ,使給料槽中物料不斷向前拋起移動 ,達(dá)到給料目的[ 8] 。 通過控制 50 Hz交流電供電電壓、供電時間可實現(xiàn)給料量自動控制;調(diào)節(jié)給料槽中料厚度 ,可實現(xiàn)給料量手動調(diào)節(jié)[ 13] 。

在混合式自動定量過程中 ,給料厚度和供電時間一定情況下 ,物料的比重變化、供電電壓波動等工作環(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)量和實際量差反饋自動控制供電電壓或時間。 電磁振動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 　 混合式自動定量性能分析

5. 1 　 混合式自動定量速度分析

由表 1總時間可計算出 ,混合式自動定量速度在30 ～ 60包 /min之間 ,接近了容積式定量速度。

5. 2 　 混合式自動定量不確定度分析

在靜態(tài)稱量準(zhǔn)確度相對較高情況下 ,補(bǔ)加料準(zhǔn)確度是影響自動定量準(zhǔn)確度的主要部分 ,主要由最大補(bǔ)加料量和最大補(bǔ)加料時間、給料器機(jī)械性能和自動控制性能、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)加料時間越長 ,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)定性對補(bǔ)加料準(zhǔn)確度的影響相對較大 ,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,其對應(yīng)實際補(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 　 混合式自動定量包裝系統(tǒng)性能對比實驗

　混合式自動定量包裝系統(tǒng)對小米、化肥、農(nóng)藥等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用品進(jìn)行中小規(guī)格定量包裝實驗。 由于篇幅所限 ,這里僅給出小米實驗數(shù)據(jù)。 實驗質(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。實驗時間參數(shù)是: 通過調(diào)節(jié)料厚度 ,使給料器在一定加料流量下 ,控制主加料時間為600 ms和 400 ms,最大補(bǔ)加料時間為 800 ms和 600ms,穩(wěn)定時間 200 ms,靜態(tài)稱量時間 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 實驗定量速度平均為 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實驗定量速度平均為 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

通過對混合式自動定量包裝性能理論分析和實驗分析表明: 粉粒狀農(nóng)用產(chǎn)品混合式自動定量包裝是切實可行的 ,對粉粒狀物料的適應(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 ,同時提高了自動定量的速度和準(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)效益和社會效益 ,在自動定量包裝方面有重要的理論指導(dǎo)意義和應(yīng)用推廣價值。

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