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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，量尤其是加人WTO后，企業(yè)參與激烈的國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，量對(duì)商品包裝提出了更高的要求。其中量粉粒狀農(nóng)用產(chǎn)品.量如糧食、種子、飼料、化肥，農(nóng)藥等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用品，以及薯量片、米花、豆花等農(nóng)副產(chǎn)品的深加工食品，都需要大量各量種規(guī)格定量包裝.目前國(guó)內(nèi)大量農(nóng)用產(chǎn)品仍然采用手工量定量包裝。手工包裝一方面勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作環(huán)境惡劣,量速度慢，準(zhǔn)確度低，生產(chǎn)效率低，經(jīng)濟(jì)效益差；另一方面量對(duì)采用手工包裝不能符合衛(wèi)生要求的食品、藥品，以及量對(duì)人體有毒有害的物品需要自動(dòng)化、無(wú)人化定量包量裝”疽。因此實(shí)現(xiàn)大量粉粒狀農(nóng)用產(chǎn)品高速高準(zhǔn)確度自量動(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種方量式:％量1)容積式自動(dòng)定量包裝,是基于容積來(lái)計(jì)量包裝量物料的數(shù)量，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，定量速度高，但定最準(zhǔn)量確度依賴于物料比重的穩(wěn)定性，受物料松散程度、顆粒量大小均勻程度、吸濕性、結(jié)塊性等物理化學(xué)性質(zhì)的變化量影響較大。主要適用于顆粒大小均勻、自流性好、比重相量對(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)品量自動(dòng)定量包裝主要釆用容積式.中小規(guī)格容積式自動(dòng)定量量速度在4。?60包/niin左右，準(zhǔn)確度在士2%?士3%量左右。由于準(zhǔn)確度差,企業(yè)在執(zhí)行《定量包裝商品的計(jì)量量監(jiān)督規(guī)定》時(shí)，為了滿足計(jì)量監(jiān)督部門(mén)檢查，只能.'宇多量勿少”,從而在定量包裝上造成巨大損失5;2>稱重式自量動(dòng)定量包裝.是以重量來(lái)計(jì)量包裝物料的數(shù)量，與容積量式相比，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高.定量速度慢，但準(zhǔn)確度較高。量主要適用于顆粒大小不均勻不規(guī)則、比重不穩(wěn)定、價(jià)格量較高的農(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Anin左右，準(zhǔn)確度在士量1%?量±1.5%左右。盡管稱重式自動(dòng)定量包裝在企業(yè)實(shí)現(xiàn)“稱量平量準(zhǔn)”上已經(jīng)前進(jìn)了一大步,但速度慢.仍然不能滿足量大量粉粒狀農(nóng)用產(chǎn)品定量包裝要求
國(guó)外自動(dòng)定量包裝發(fā)展趨勢(shì)是應(yīng)用微電子等高新量技術(shù)，同時(shí)提高定量的速度和準(zhǔn)確度31’如組合式定量量包裝.速度在60包/min以上，準(zhǔn)確度在±1%左右，但量結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本髙.一套設(shè)備上百萬(wàn)元.國(guó)內(nèi)一般企業(yè)難量以承受⑶。為此本文在實(shí)用新型專利基礎(chǔ)上借鑒國(guó)量外的先進(jìn)技術(shù)，提出一種混合式自動(dòng)定量包裝新方法,量以提高定量的準(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所示如,量包括：由料倉(cāng)、粗細(xì)給料管、粗細(xì)給料器及其數(shù)字控制組量成給料子系統(tǒng).由稱重料斗、投料汽缸、稱重傳感器及其量稱重?cái)?shù)據(jù)采集組成稱重子系統(tǒng)、包裝機(jī)及其控制子系量統(tǒng).主控微機(jī)。

ffi量1髭合量弍自動(dòng)定*包裝系妬
Fig.量1量Composite量type量of量automation量quant量if量ing-packaging量system

混合式自動(dòng)定量包裝是在容積式和稱重式自動(dòng)定量量充填基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的:氣其自動(dòng)定量整個(gè)過(guò)程在主量控微機(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)。量首先由粗給料器采用容積式快速往稱重料斗加入目標(biāo)量量的大部分（主加料）量穩(wěn)定一定時(shí)間后進(jìn)行準(zhǔn)確靜態(tài)稱量重，而不象稱重式自動(dòng)定量.一邊給料一邊稱重的動(dòng)態(tài)量稱重；然后計(jì)算確定剩余的小部分量，并將其換算成細(xì)量給料器加料的容積，在流量一定的情況下用時(shí)間大小表量示；最后控制細(xì)給料器加料（補(bǔ)加料），同時(shí)控制稱重料量斗投料汽缸打開(kāi)投料門(mén)，向包裝機(jī)投料，完成自動(dòng)定量量一次循環(huán)過(guò)程。
其中，給料和稱重分時(shí)進(jìn)行、以提高加料速度，減少量加料沖擊和落差對(duì)稱重的影響。細(xì)給料器采用容積式加量料，但由于加料最少，補(bǔ)加料誤差亦小，提高了定量準(zhǔn)確量度。同時(shí)細(xì)給料器加料后不再稱重，在細(xì)給料同時(shí)就投量料，進(jìn)一步提高了定量速度?；旌鲜阶詣?dòng)定量包裝綜合量了容積式自動(dòng)定量速度高和稱重式自動(dòng)定量準(zhǔn)確度高量?jī)?yōu)點(diǎn).
4混合式自動(dòng)定畳包裝實(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)定量包裝丄藝流程分為量自動(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)量拍.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)主加量料時(shí)間固定，由物料比重穩(wěn)定性、粗給料器性能等決定。量通過(guò)調(diào)節(jié)粗給料器激振力及料厚度使得主加料量在目量標(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)間量固定，由主加料量對(duì)稱重料斗沖擊大小、稱重料斗抗振量動(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)稱重量肘間固定，由稱重準(zhǔn)確度、A/D轉(zhuǎn)換器時(shí)間、采樣頻率量及點(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,投料量由包裝機(jī)控制子系統(tǒng)完成，毎個(gè)工作循環(huán)補(bǔ)加料時(shí)間隨量著補(bǔ)加料量不同而變化。毎個(gè)工作循環(huán)投料開(kāi)始時(shí)間固量定，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，即由主量控微機(jī)控制給料子系統(tǒng)、稱重子系統(tǒng)及包裝機(jī)控制子系量統(tǒng)開(kāi)始工作時(shí)間.
4.2混合式自動(dòng)定置稱重子系統(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)最量后定量準(zhǔn)確度影響最大，也是第4節(jié)拍補(bǔ)加料的基礎(chǔ)。量因此高速高準(zhǔn)確度稱重是實(shí)現(xiàn)混合式自動(dòng)定量包裝的量基礎(chǔ)。
1）稱重料斗機(jī)械振動(dòng)性能分析。稱重料斗在主加量料f（t）量=量A后振動(dòng)系統(tǒng)可以簡(jiǎn)化為圖2a所示四，其中量m為稱重料斗質(zhì)量成為稱重傳感器的彈性系數(shù),『為稱量重料斗振動(dòng)阻尼系數(shù)。在主加料后稱重料斗支撐在稱重量傳感器的彈性變形量W/）響應(yīng)曲線如圖2b所示。
在主加料后較短穩(wěn)定時(shí)量間后.在非常短的靜態(tài)稱重時(shí)間內(nèi)，要實(shí)現(xiàn)髙準(zhǔn)確度稱量重，必須盡可能減少“U匕和即盡可能增加f和嘰量阻尼比£量=量0.5/3量量量k）'量\無(wú)阻尼固有頻率%量=量（k/,nY量\因?yàn)椋?rdquo;受到稱重傳感器的量程限制忌受到量稱重傳感器結(jié)構(gòu)限制，因此只有通過(guò)增加阻尼系數(shù)，來(lái)量滿足稱重要求.

a量2林重料斗機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)誨化及響應(yīng)
Fig.量2量Schematic量diagram量of量the量compos量he量lype量of量automation量quanxifing-packaging量system量and量ils量responses

2）稱重?cái)?shù)據(jù)采集處理子系統(tǒng)硬件。它由量AT89C652單片機(jī)，看門(mén)狗定時(shí)器、電壓監(jiān)控和量EEPROM量一體的X5045芯片.RS-485接口轉(zhuǎn)換芯片量LBC184.對(duì)稱重傳感器的微弱的電信號(hào)進(jìn)行放大的儀量表放大器AD623芯片及44位高速串行輸出模/數(shù)轉(zhuǎn)換量器MAX121芯片，輸入、輸出信號(hào)光電隔離器量MOC3020,輸入反相驅(qū)動(dòng)器74HC14.輸出反相驅(qū)動(dòng)器量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)、其量它子系統(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)量和向主控微機(jī)及其它子系統(tǒng)發(fā)送的稱重?cái)?shù)據(jù)采集處理量結(jié)果;通過(guò)輸人、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的量EEPROM存儲(chǔ)器存放運(yùn)行參數(shù)'如釆樣速率、釆樣點(diǎn)量數(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)變片式稱量重傳感器，支撐稱重料斗，提高稱重料斗抗振性和穩(wěn)定量性。2臺(tái)稱重傳感器釆用并聯(lián)組秤方法。并聯(lián)后，總輸出量電阻小,信號(hào)傳輸抗干擾能力強(qiáng)，輸出電壓與被稱物料量重量成線形關(guān)系，提高了稱重準(zhǔn)確度。
子系統(tǒng)通過(guò)厚模工藝制作的集成儀表放大器量AD623芯片和14位高速度串行A/D轉(zhuǎn)換器MAX121量芯片組成前置通道，完成對(duì)稱重信號(hào)放大、轉(zhuǎn)換、釆集。量AD623具有高輸入阻抗、低輸出阻抗、強(qiáng)抗共模干擾能量力、低溫漂、低失調(diào)電壓和高穩(wěn)定增益、輸入電壓范圍量大、放大誤差小、能夠提供很好的線性度等特點(diǎn)，量MAX121具有低溫漂、低信噪比、輸入電壓范圍大等特量點(diǎn)，內(nèi)置釆樣保持器和三態(tài)緩沖輸出器，輸入端直接與量AD623輸出端相連，輸出端可直接與CPU相連
3）稱重?cái)?shù)據(jù)采集處理子系統(tǒng)軟件.在主加料后，稱量重信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、A/D轉(zhuǎn)換后，以釆樣頻率2量000次/s量采集數(shù)值，采集數(shù)值波形如圖4所示。由圖可見(jiàn).經(jīng)過(guò)穩(wěn)量定時(shí)間To后波形低頻部分主要在物料重量對(duì)應(yīng)數(shù)值量（圖中水平實(shí)線）上下震蕩逐漸衰減趨向穩(wěn)定值量的曲線.同時(shí)包含高頻干擾信號(hào)量因此稱重?cái)?shù)據(jù)采集處量理必須在稱重時(shí)間（?量,量-量TQ范圍內(nèi),在適當(dāng)?shù)牟蓸铀倭柯屎筒蓸狱c(diǎn)數(shù)下，采集一定數(shù)量釆樣值,剔除高頻或隨量機(jī)干擾值后，求平均得到圖中水平虛線），稱重釆集量處理誤差即為
為了減少誤差J在軟件設(shè)計(jì)中，首先對(duì)采集點(diǎn)進(jìn)量行定位，使得開(kāi)始有效采樣點(diǎn)均在波形震蕩峰或谷上，量同時(shí)直到波形震蕩峰或谷結(jié)束。其次，采用非線形數(shù)字量濾波.將高頻或隨機(jī)干擾導(dǎo)致的粗大誤差濾除濾波量算法為：設(shè)釆集信號(hào)序列為〃［門(mén).非線形數(shù)字濾波后信量號(hào)序列為切門(mén)。開(kāi)始采樣點(diǎn),訶。］=以后采樣點(diǎn)’量根據(jù)干擾強(qiáng)弱設(shè)定粗大誤差閥值。最后，對(duì)量在有效采樣點(diǎn)范圍內(nèi)非線形數(shù)字濾波值求平均，并經(jīng)過(guò)量標(biāo)度換算，得到主加料重量，作為稱重釆集處理結(jié)量。

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，主加料和量補(bǔ)加料必須具有很好的可控性，主加料快速穩(wěn)定，主加量料愈接近目標(biāo)質(zhì)量量補(bǔ)加料量愈少，定量速度和準(zhǔn)確度量愈高,同樣補(bǔ)加料快速穩(wěn)定'補(bǔ)加料量愈準(zhǔn)，定量速度和量準(zhǔn)確度也愈高。因此，高速高準(zhǔn)確度給料是實(shí)現(xiàn)混合式量自動(dòng)定量包裝的關(guān)鍵。

I.績(jī)料楕2,彈性系統(tǒng).3,銜鐵丄電破鐵（包括激振線圏）5.機(jī)映6.獄振彈陶7.支架
圖5電械振站塔料器緒枸圖
Fig.量5量Structure量of量electromagnetic量vibration量feeder
如圖5所示電磁振動(dòng)給料器是一種新型的加料設(shè)量備，廣泛用于粉粒狀物料的定量給料、配料等生產(chǎn)流程量中〔吼電磁振動(dòng)給料器組成結(jié)構(gòu)包括;給料槽、料厚調(diào)節(jié)量板、銜鐵、板彈簧、電磁鐵及激振線圈、機(jī)座及隔振弾簧。量將正弦交流電經(jīng)過(guò)單向半波整流后，加在電磁鐵的激振量線圈上。在交流電正半周，激振線圈上有電流通過(guò)，在銜量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量互吸引，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)量了量一定的勢(shì)能；在交流電負(fù)半周，激振線圈上無(wú)電流通量過(guò).在銜鐵和電磁鐵之間電磁力消失，由于弾簧存儲(chǔ)的量勢(shì)能釋放,銜鐵和電磁鐵之間朝向反方向離開(kāi)，給料槽量向前運(yùn)動(dòng)。這樣電磁振動(dòng)給料器就以交流電頻率50量Hz量作往復(fù)振動(dòng),使給料槽中物料不斷向前拋起移動(dòng)，達(dá)到量給料目的〔氣通過(guò)控制50量Hz交流電供電電壓、供電時(shí)量間可實(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)量現(xiàn)給料量手動(dòng)調(diào)節(jié):
在混合式自動(dòng)定量過(guò)程中，給料厚度和供電時(shí)間一量定情況下，物料的比重變化、供電電壓波動(dòng)等工作環(huán)境量變化，將導(dǎo)致給料器給料量發(fā)生變化，因此在定量過(guò)程量中根據(jù)前一次給料目標(biāo)量和實(shí)際量差反饋?zhàn)詣?dòng)控制供量電電壓或時(shí)間。電磁振動(dòng)給料器供電電壓釆用數(shù)字控量制。應(yīng)用單向半波可控硅整流電路，通過(guò)數(shù)字控制可控量硅的導(dǎo)通角的大小，獲得不同幅度輸出電壓，從而改變量給料器給料量.
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)定量速度在量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)校高情況下，補(bǔ)加料準(zhǔn)確度量
是影響自動(dòng)定量準(zhǔn)確度的主要部分，主要由最大補(bǔ)加料量最和最大補(bǔ)加料時(shí)間、給料器機(jī)械性能和自動(dòng)控制性量能、物料容重穩(wěn)定性等因素決定.一般最大補(bǔ)加料量越量小,最大補(bǔ)加料時(shí)間越長(zhǎng)，給料器的料厚度越小，補(bǔ)加料量越準(zhǔn)確。通過(guò)提髙給料器機(jī)械性能和自動(dòng)控制性能，補(bǔ)量加料的最小控制量可達(dá)0.量2?0.量5量g左右。物料容重穩(wěn)量定性對(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)量量400量g的物料，若容重在0.量27?0.量3量g/cm1之間變量化,變化率約為土量5%量,主加料量為目標(biāo)質(zhì)量的95量%量.即量380量g,主加料一定容積物料,質(zhì)量將在360?400量g之量間變化，通過(guò)穩(wěn)定及靜態(tài)稱量后確定補(bǔ)加料量將在40量?0量g之間、最大補(bǔ)加料量為40量g,其對(duì)應(yīng)實(shí)際補(bǔ)加料量質(zhì)量將在38?42量g之間，最終質(zhì)量在398?402量g之間，量補(bǔ)加料誤差為土2量g,相對(duì)400量g目標(biāo)質(zhì)量，準(zhǔn)確度為量土量0.5%,達(dá)到了稱重式定量準(zhǔn)確度。
6混合式自動(dòng)定置包裝系統(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)量業(yè)生產(chǎn)用品進(jìn)行中小規(guī)格定量包裝實(shí)驗(yàn)。由于篇幅所量限，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：包裝目量標(biāo)質(zhì)量400量g和200量g,定容積小米質(zhì)量變化率約為量土量5%,因此對(duì)應(yīng)主加料目標(biāo)質(zhì)量380量g和190量g,最大量補(bǔ)加料量為40量g和20量g。實(shí)驗(yàn)時(shí)間參數(shù)是:通過(guò)調(diào)節(jié)料量厚度,使給料器在一定加料流量下，控制主加料時(shí)間為量600量ms和400量ms,最大補(bǔ)加料時(shí)間為800量ms和600量ms,穩(wěn)定時(shí)間20。ms,靜態(tài)稱量時(shí)間300量ms。補(bǔ)加料的量最小控制量分別為1.。g和0.量7量g左右。實(shí)驗(yàn)質(zhì)量數(shù)據(jù)量如表2所示。
表2混合式自動(dòng)定量包裝實(shí)驗(yàn)結(jié)杲

400量g實(shí)驗(yàn)定量速度平均為40包/min.質(zhì)量在量397.量4?402.量4量g之間，與目標(biāo)質(zhì)量400量g相比，絕對(duì)誤量差在一2.量6?+量2.量4量g之間，準(zhǔn)確度在一量0.量65%?量+量0.6%之內(nèi)。200量g實(shí)驗(yàn)定量速度平均為46包/min,量質(zhì)量在198.量6?200.量8量g之間.與冃標(biāo)質(zhì)量200量g相比，量絕對(duì)誤差在一1.量4?+量0.量8量g之間，準(zhǔn)確度在一0.量7%?量+量0.量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)量分析表明：粉粒狀農(nóng)用產(chǎn)品混合式自動(dòng)定量包裝是切實(shí)量可行的，對(duì)粉粒狀物料的適應(yīng)性強(qiáng)，既適應(yīng)于顆粒大小量均勻、容重相對(duì)穩(wěn)定的農(nóng)用產(chǎn)品定量包裝，也適應(yīng)于顆量粒大小不均勻不規(guī)則、容重不穩(wěn)定的農(nóng)用產(chǎn)品定量包量裝。它與傳統(tǒng)定量包裝相比，同時(shí)提高了自動(dòng)定量的速量度和準(zhǔn)確度.滿足了企業(yè)大批量定量包裝“稱平量準(zhǔn)”要量求。應(yīng)用該技術(shù)成果，可降低企業(yè)包裝損耗，提高包裝合量格率,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)效量益和社會(huì)效益,在自動(dòng)定量包裝方面有重要的理論指導(dǎo)量意義和應(yīng)用推廣價(jià)值。

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