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1緒論
1.1研究目的和意義
目前自動(dòng)定量包裝機(jī)在糧食、食品、化工、化肥、建材、農(nóng)藥等行業(yè)中作為關(guān)鍵設(shè)備得到廣泛的應(yīng)用，它對(duì)于提高工業(yè)計(jì)量領(lǐng)域的自動(dòng)化水平，提高產(chǎn)品的質(zhì)量有著重要意義。近代，隨著科學(xué)技術(shù)水平的提高，電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)得到快速發(fā)展，促使衡器技術(shù)也有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，定量包裝技術(shù)中物料的稱量也從最原始的手工稱量發(fā)展為電子自動(dòng)稱量。電子稱重技術(shù)是從50年代中期電子技術(shù)深入到衡器的輔助測(cè)量技術(shù)，從60年代初出現(xiàn)了機(jī)電結(jié)合電子衡器開始，迅速發(fā)展成為一門新興技術(shù)，它是集傳感器技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制及測(cè)試技術(shù)、機(jī)械制造自動(dòng)化技術(shù)、物料輸送和管理技術(shù)為一體的綜合技術(shù)，是現(xiàn)代稱重計(jì)量和控制系統(tǒng)工程的重要技術(shù)基礎(chǔ)。應(yīng)用電子稱重技術(shù)開發(fā)的電子稱重系統(tǒng)，具有廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域和較強(qiáng)的滲透性、同其它高技術(shù)產(chǎn)業(yè)一樣，電子衡器產(chǎn)業(yè)也是國(guó)家經(jīng)濟(jì)和科學(xué)競(jìng)爭(zhēng)的重要陣地⑴。
自動(dòng)定量包裝機(jī)是電子稱重技術(shù)在定量系統(tǒng)中的具體應(yīng)用。它是一種按照事先設(shè)計(jì)的方法和程序，以自動(dòng)稱量的方式將大宗物料分成預(yù)定質(zhì)量的小份載荷形式的自動(dòng)稱量裝置。它是一種新型的稱重控制系統(tǒng)，是在非自動(dòng)衡器的基礎(chǔ)上，充分利用電子、自動(dòng)控制、微機(jī)等技術(shù)發(fā)展起來的，被廣泛應(yīng)用于港口碼頭、商品貿(mào)易、化工原料、糧食加工、食品包裝、醫(yī)藥配置、鋼鐵冶煉、水泥生產(chǎn)、玻璃制造等領(lǐng)域進(jìn)行稱量和配料。通過定量稱重，控制產(chǎn)品質(zhì)量、核算成本、管理企業(yè)，從而獲得最佳經(jīng)濟(jì)效益?，F(xiàn)在世界各國(guó)都在積極的開發(fā)適合于不同領(lǐng)域的先進(jìn)定量包裝設(shè)備。以提高工業(yè)計(jì)量領(lǐng)域的自動(dòng)化水平⑵⑶。
但現(xiàn)在大多數(shù)定量包裝機(jī)在應(yīng)用于流動(dòng)性差的物料時(shí)，受物料性質(zhì)的影響，物料的包裝精度不太容易控制；同時(shí)控制系統(tǒng)仍然使用稱重儀表控制，控制不方便、缺少一定的靈活性。由于控制系統(tǒng)和一些機(jī)械系統(tǒng)的影響，使得物料的包裝精度不夠高，很難適應(yīng)當(dāng)前社會(huì)發(fā)展對(duì)物料的包裝的要求，并且對(duì)企業(yè)造成了一定的原料浪費(fèi)。正是針對(duì)這種現(xiàn)狀，本課題對(duì)應(yīng)用于流動(dòng)性差的物料的強(qiáng)制給料定量包裝機(jī)進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究，對(duì)稱量精度進(jìn)行了分析，研究了智能控制算法，提高了稱量精度，以滿足企業(yè)生產(chǎn)需求。
本課題研究促進(jìn)了定量包裝機(jī)在流動(dòng)性差的物料定量包裝和配料中的應(yīng)用，促進(jìn)定量包裝機(jī)的應(yīng)用范圍。強(qiáng)制給料定量包裝機(jī)的研制不僅提高了工人的勞動(dòng)效率，改善勞動(dòng)強(qiáng)度，而且對(duì)于提高自動(dòng)稱量領(lǐng)域的自動(dòng)化水平有著十分重要的意義。
1.2包裝機(jī)械的發(fā)展動(dòng)態(tài)
1.2.1國(guó)外包裝機(jī)械現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)
上一世紀(jì)50至70年代，電子技術(shù)和合成化工的迅速發(fā)展，對(duì)包裝機(jī)械產(chǎn)生了很大的影響，出現(xiàn)了一系列以釆用合成材料為包裝材料的新包裝工藝及設(shè)備。如機(jī)電密
切結(jié)合的高速化自動(dòng)包裝機(jī)，調(diào)整操作方便的多功能包裝機(jī)和勞動(dòng)生產(chǎn)率極高的自動(dòng)包裝線的大量出現(xiàn)，使包裝機(jī)械在生產(chǎn)業(yè)機(jī)械中成為矚目的一個(gè)領(lǐng)域［引。
1）    美國(guó)
美國(guó)是世界上包裝機(jī)械發(fā)展歷史較長(zhǎng)的國(guó)家，早已形成了獨(dú)立完整的包裝機(jī)械體系，其品種和產(chǎn)量均居世界之首。其產(chǎn)品以高、大、精、尖產(chǎn)品居多。新型包裝機(jī)械產(chǎn)品中以成型、填充、封口三種機(jī)械的增長(zhǎng)最快。美國(guó)的包裝機(jī)械與計(jì)算機(jī)緊密結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了機(jī)電一體化控制⑶。從上世紀(jì)90年代初以來，美國(guó)包裝機(jī)械業(yè)一直保持著良好的發(fā)展勢(shì)頭。
2）    日本
日本與美國(guó)、德國(guó)相比，起步較晚。日本的包裝機(jī)械以中小型單機(jī)為多，具有體積小、精密度高、易安裝、操作方便、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)。上世紀(jì)60年代以前，包裝機(jī)械廠家不足60家，只能包裝糖果、香煙等060-70年代，是日本包裝機(jī)械業(yè)起步階段，產(chǎn)值增長(zhǎng)速度很快。70?80年代，增長(zhǎng)速度雖不如上一階段那么高，但年增長(zhǎng)率仍達(dá)13%。80-90年代是穩(wěn)定增長(zhǎng)階段，將微電子技術(shù)成功地應(yīng)用于包裝機(jī)械的控制，以后又將光導(dǎo)纖維技術(shù)、工業(yè)機(jī)器人技術(shù)、模塊化技術(shù)應(yīng)用于包裝機(jī)械，達(dá)到安全性高、無人操作、高生產(chǎn)率的水平，大大提高了其國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力図。
日本的包裝機(jī)械制造廠以中小企業(yè)為主，包裝機(jī)械的品種齊全，產(chǎn)品品種近500種，規(guī)格有700多個(gè)。90年代以來，已將變頻調(diào)整、光電追蹤、無觸點(diǎn)電子開關(guān)、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)顯示等技術(shù)運(yùn)用在包裝機(jī)械中。日本包裝機(jī)械的很大一部分用于食品包裝領(lǐng)域，食品包裝機(jī)械產(chǎn)值占包裝機(jī)械總產(chǎn)值的一半以上。
3）    德國(guó)
德國(guó)的包裝設(shè)備在計(jì)量、制造、技術(shù)性能等方面居領(lǐng)先地位，特別是啤酒、飲料灌裝設(shè)備具有高速、成套、自動(dòng)化程度高、可靠性好等特點(diǎn)，享譽(yù)全球。包裝機(jī)集機(jī)一電一液及微機(jī)控制于一體采用光電感應(yīng)，靠光標(biāo)控制袋長(zhǎng)，并配有防靜電裝置。其中袋包裝機(jī)能集制袋、稱重、充填、抽真空、封口等工序于一臺(tái)單機(jī)上完成。已生產(chǎn)出世界上最高速的茶葉包裝機(jī)，速度達(dá)350袋/分
上述幾個(gè)國(guó)家在包裝機(jī)械的發(fā)展上起著很重要的作用。包裝機(jī)械的發(fā)展趨勢(shì)，大概有如下幾個(gè)方面同：
1）    向多功能、高效、低耗的方向發(fā)展。許多加工設(shè)備，已經(jīng)越來越被用戶要求向著多功能方向發(fā)展。比如一套設(shè)備可以生產(chǎn)兩種以上的不同型號(hào)產(chǎn)品，因此包裝機(jī)械也必須向多功能方向發(fā)展。同時(shí)，要求設(shè)備提高效率，降低消耗，以降低成本，找尋市場(chǎng)。
2）    要求包裝機(jī)械向靈活性、變化性即柔軟性方向發(fā)展。對(duì)于同一種設(shè)備，每一個(gè)用戶都有不同的要求，因?yàn)槠洚a(chǎn)品各有特色，這就要求包裝機(jī)械，根據(jù)用戶要求的不同而設(shè)計(jì)、變化。
3）    穩(wěn)定性、可靠性方面的要求越來越高，特別是生產(chǎn)一旦停產(chǎn)就會(huì)造成生產(chǎn)浪費(fèi)、保質(zhì)期也會(huì)受影響。因此包裝機(jī)的穩(wěn)定性、可靠性是關(guān)鍵的。
4）    在釆用技術(shù)上，越來越多地向高科技方向發(fā)展。包裝機(jī)械己越來越多地釆用了機(jī)、電、光、氣、聲、磁、化、生等技術(shù)，使其越來越適合于用戶的要求。采用高新技術(shù)，操作方便，維修簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好，壽命長(zhǎng)，同時(shí)給生產(chǎn)管理上帶來很大益處。
5）    包裝機(jī)械越來越多地體現(xiàn)出其社會(huì)性。如其對(duì)環(huán)境保護(hù)、使用安全等方面的考慮，體現(xiàn)得越來越多。
1.2.2我國(guó)包裝機(jī)械現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)
我國(guó)早在上一世紀(jì)50年代中期就有少數(shù)工廠生產(chǎn)包裝機(jī)械，但水平很低。改革開放初期，引進(jìn)了一批食品機(jī)械和包裝機(jī)械，具有一定的促進(jìn)作用。上世紀(jì)80年代后期，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的突飛猛進(jìn)，市場(chǎng)對(duì)包裝機(jī)械的需求日趨擴(kuò)大。此期間我國(guó)的一大批生產(chǎn)機(jī)床、通用機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械的企業(yè)開始轉(zhuǎn)產(chǎn)從事包裝機(jī)械的生產(chǎn)。1997年底，全國(guó)增加至1600余家從事包裝機(jī)械的生產(chǎn)廠家；同時(shí)，從事包裝機(jī)械研究及開發(fā)的科研院所達(dá)75個(gè)，目前約有60多所高等院校從事包裝機(jī)械專業(yè)的教學(xué)和科研工作。
稱量式充填設(shè)備的產(chǎn)品發(fā)展成為我國(guó)包裝機(jī)械業(yè)重要門類，要發(fā)展各種形式的稱量充填設(shè)備，著力提高速度和精度，以及穩(wěn)定性和可靠性，并與自動(dòng)包裝設(shè)備相配套。
我國(guó)包裝機(jī)械與國(guó)際水平尚存在一定差距，過去長(zhǎng)期處于一種生產(chǎn)力水平低下、主體技術(shù)不高、規(guī)模過小、游離分散生產(chǎn)、企業(yè)管理水平不高、國(guó)家投入不足的狀況,大部分企業(yè)仍然處于需要技術(shù)改造、技術(shù)創(chuàng)新提高產(chǎn)品質(zhì)量、加強(qiáng)現(xiàn)代化管理以及體制轉(zhuǎn)軌的關(guān)鍵時(shí)期。我國(guó)包裝機(jī)械產(chǎn)品與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，其差距主要表現(xiàn)在：控制技術(shù)和產(chǎn)品可靠性方面較差，且技術(shù)更新的速度太慢，新技術(shù)、新材料、新工藝推廣的范圍太窄。從整體水平上看，比發(fā)達(dá)國(guó)家要落后20年，現(xiàn)在我國(guó)包裝機(jī)械產(chǎn)品中僅有5%左右能夠達(dá)到發(fā)達(dá)國(guó)家的水平，還有20%的產(chǎn)品僅能和國(guó)外上一世紀(jì)90年代的產(chǎn)品相比，其余60%左右僅能達(dá)到國(guó)外上一世紀(jì)80年代的水平[⑵。
一個(gè)完整的機(jī)電一體化系統(tǒng)，將機(jī)械、微計(jì)算機(jī)、微電子、傳感器等多種學(xué)科的先進(jìn)技術(shù)融為一體，給包裝機(jī)械在設(shè)計(jì)、制造和控制方面都帶來了深刻的變化，從根本上改變了包裝機(jī)械的面貌卩％我國(guó)包裝行業(yè)想在競(jìng)爭(zhēng)中謀求發(fā)展，應(yīng)努力提高包裝機(jī)械的總體技術(shù)水平，發(fā)展機(jī)電一體化技術(shù)，提高產(chǎn)品的可靠性和穩(wěn)定性，促進(jìn)包裝工業(yè)向現(xiàn)代化發(fā)展。
1.3稱量技術(shù)的發(fā)展動(dòng)態(tài)
1.3.1稱量的分類
按定量原將粉、粒狀物料的稱量方式有稱重式和容積式兩類。稱重式具有計(jì)量精度高、通用性好、對(duì)物料特性的變化不敏感等特點(diǎn)，但速度偏低卻是阻礙其發(fā)展的主要原因之一。容積式是靠盛裝物料的容器決定加料量，其計(jì)量精度主要取決于容器容
積的精度、物料的密度及物料流量的一致性，其速度快于稱量式，但誤差較大【均。
1.3.2稱量精度的定義
稱量精度實(shí)際上是對(duì)稱量結(jié)果與真值的接近程度的一種描述，也就是對(duì)稱量系統(tǒng)誤差與隨機(jī)誤差的一種綜合反映。它指的是秤斗中被稱物料的實(shí)際質(zhì)量值與稱量系統(tǒng)中對(duì)該種物料所設(shè)定的理論質(zhì)量值之間的差值。這兩者數(shù)值之間的差也就是生產(chǎn)實(shí)際中所指的稱量誤差。稱量誤差反映配料系統(tǒng)工作時(shí)的系統(tǒng)誤差與隨機(jī)誤差之和網(wǎng)。
精度是指在相同條件下多次測(cè)量結(jié)果互相吻合的程度，表現(xiàn)了測(cè)定結(jié)果的再現(xiàn)性。精度用偏差表示，偏差越小，測(cè)定結(jié)果的精度越高；反之，則測(cè)量結(jié)果的精度越低。
1.3.3我國(guó)電子稱重技術(shù)的現(xiàn)狀卩刀-㈣
電子衡器或稱重裝置是物料計(jì)量中不可缺少的裝置。我國(guó)從上一世紀(jì)六十年代中期開始研制和生產(chǎn)電子秤，初期為模擬指針式，后來發(fā)展成數(shù)字式，從最初的機(jī)電結(jié)合型發(fā)展到現(xiàn)在的全電子型和數(shù)字智能型。無論從產(chǎn)品品種還是從生產(chǎn)規(guī)模都取得了空前的發(fā)展和極大的提高。我國(guó)電子稱重技術(shù)裝備和檢測(cè)試驗(yàn)手段基本達(dá)到國(guó)際上一世紀(jì)90年代中期的水平，并且在少量產(chǎn)品的技術(shù)上能達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，如自動(dòng)軌道衡開發(fā)的幾項(xiàng)新技術(shù)無開關(guān)判別車輛、淺基坑整體秤臺(tái)和無基坑結(jié)構(gòu)、以及曲線段安裝軌道衡。現(xiàn)在電子衡器制造技術(shù)及應(yīng)用得到了新發(fā)展，但就總體而言，我國(guó)電子衡器產(chǎn)品的數(shù)量和質(zhì)量與工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有一定差距。主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
1）    指標(biāo)上的差距：我國(guó)生產(chǎn)的電子衡器生產(chǎn)大多是低端產(chǎn)品，高速和高精度產(chǎn)品少。電磁兼容性在國(guó)外已作為一項(xiàng)基本要求，而我國(guó)多數(shù)廠家仍不能滿足此要求。
2）    理論上的差距：我國(guó)對(duì)稱重理論的研究相當(dāng)薄弱，人力和資金投入少，有些在國(guó)外已經(jīng)成熟的產(chǎn)品和工藝，而我們對(duì)其還缺乏足夠的認(rèn)識(shí)。
3）    新材料、新技術(shù)應(yīng)用與開發(fā)方面的差距：我國(guó)的大多數(shù)衡器企業(yè)天天應(yīng)付的是無休無止的價(jià)格戰(zhàn)，根本無暇顧及應(yīng)用新技術(shù)新材料的應(yīng)用。即使是一些好的企業(yè)，也仍局限在產(chǎn)品研究的層次上。而國(guó)外的一些企業(yè)早在若干年前，就開發(fā)出諸如振弦傳感器、振梁傳感器、數(shù)字傳感器等先進(jìn)的技術(shù)和產(chǎn)品，如今已在電子衡器上得到了普遍的應(yīng)用。
4）    產(chǎn)品開發(fā)手段，加工裝備、測(cè)試設(shè)備方面的差距：國(guó)外電子衡器制造手段先進(jìn)，CAD/CAM/CAT和FMS技術(shù)的應(yīng)用相當(dāng)普遍；而我國(guó)企業(yè)在這方面的潛力沒有得到充分的挖掘，效率還很低。
1.3.4電子稱重技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)
電子稱重技術(shù)從靜態(tài)稱重向動(dòng)態(tài)稱重發(fā)展；計(jì)量方法從模擬測(cè)量向數(shù)字測(cè)量發(fā)展；測(cè)量特點(diǎn)從單參數(shù)測(cè)量向多參數(shù)測(cè)量發(fā)展，特別是對(duì)快速稱重和動(dòng)態(tài)稱重的研究與應(yīng)用。電子衡器總的發(fā)展趨勢(shì)是小型化、模塊化、集成化、智能化；其技術(shù)性能趨向是速率高、準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定性高、可靠性高；其功能趨向是稱重計(jì)量的控制信息和
非控制信息并重的“智能化"功能；其應(yīng)用性能趨向于綜合性和組合性【2%
1）    小型化
體積小、高度低、重量輕，即小、薄、輕。近幾年新研制的電子平臺(tái)秤結(jié)構(gòu)充分采用新材料、新結(jié)構(gòu)、新的強(qiáng)度計(jì)算方法等手段來實(shí)現(xiàn)，既節(jié)約了成本，又滿足了實(shí)際需要。
2）    模塊化
對(duì)于大型或超大型的承載器結(jié)構(gòu)，如大型靜動(dòng)態(tài)電子汽車衡等，已開始釆用幾種長(zhǎng)度的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的模塊，經(jīng)過分體組合，而產(chǎn)生新的品種和規(guī)格。在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)各行業(yè)用戶的需要，選擇其中10余種常用的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格即可。這種模塊化的分體式秤體結(jié)構(gòu)，不僅提高了產(chǎn)品的通用性、互換性和可靠性，而且也大大地提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。同時(shí)還降低了成本，增強(qiáng)了企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。
3）    集成化
對(duì)于某些品種和結(jié)構(gòu)的電子衡器，例如小型電子平臺(tái)秤、專用秤、便攜式靜動(dòng)態(tài)電子輪軸秤、靜動(dòng)態(tài)電子軌道衡等，都可以實(shí)現(xiàn)秤體與稱重傳感器，鋼軌與稱重傳感器，軌道衡秤體與鐵路線路一體化。
4）    智能化
電子衡器的稱重顯示控制器與電子計(jì)算機(jī)組合，利用電子計(jì)算機(jī)的智能來增加稱重顯示控制器的功能。使電子衡器在原有功能的基礎(chǔ)上，增加推理、判斷、自診斷、自適應(yīng)、自組織等功能，這就是當(dāng)今市場(chǎng)上釆用微機(jī)化稱重顯示控制器的電子衡器與釆用智能化稱重顯示控制器的電子衡器的根本區(qū)別.
5）    綜合性
電子稱重技術(shù)的發(fā)展規(guī)律就是不斷的加強(qiáng)基礎(chǔ)研究并擴(kuò)大應(yīng)用，擴(kuò)展新技術(shù)領(lǐng)域，向相鄰學(xué)科和行業(yè)滲透，綜合各種技術(shù)去解決稱重計(jì)量、自動(dòng)控制、信息處理等問題。
6）    組合性
在工業(yè)稱重計(jì)量過程或工藝流程中，不少稱重計(jì)量系統(tǒng)還要求具有可組合性，即測(cè)量范圍等可以任意設(shè)定；硬件能夠依據(jù)一定的工作條件和環(huán)境作某些調(diào)整，硬件功能向軟件方向發(fā)展；軟件能按一定的程序進(jìn)行修改和擴(kuò)展；輸入輸出數(shù)據(jù)與指令可以使用不同的語(yǔ)言和條形碼，并能與外部的控制和數(shù)據(jù)處理設(shè)備進(jìn)行通信。
1.4課題的主要研究?jī)?nèi)容
本文對(duì)一種螺旋給料定量包裝機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)構(gòu)成進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)的分析設(shè)計(jì)，對(duì)動(dòng)態(tài)定量稱重進(jìn)行研究，提出增量式稱重方式，分析了影響螺旋給料定量包裝機(jī)包裝精度的因素，并且對(duì)包裝機(jī)提出一些改進(jìn)措施，提高包裝機(jī)的包裝精度，滿足產(chǎn)品的包裝要求。
 

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