（测试计量技术及仪器专业论文）动态粉状物料称重技术研究.pdf

中国计量科学研究院硕士学位论文 摘要 随着人们生活水平不断提高，人们对各种方便食品的需求也随之增长，同时 这也拉动了我国食品和包装机械行业的快速发展。未来机械包装业配合着产业自 动化的趋势，在技术上将朝着控制数字化方向发展。然而目前我国机械包装业比 较落后，许多中小型企业在产品最后的定量称重包装阶段，还是采用人工称重、 人工包装。该方法劳动强度大、工作效率低，对于企业大规模生产、提高劳动生 产率来说己成为一种瓶颈或制约。 在这样的背景下，本文具体分析了定量下料问题，以公司的 t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 作为微处理器芯片，利用其能实时快速地实现各种数字信号处 理算法的特点，对粉粒状物料的动态称重技术进行了研究。 动态粉粒状物料称重技术的研究主要包括以下三个方面的工作：机械结构框 架的设计、电路板的研制、称重信号的采集和处理。在机械结构的设计中，比较 了目前应用较普遍的给料系统的特点及性能，并结合本项目的要求，设计了机械 系统的总体结构。在电路设计中，首先着手于元器件的比较与选择，然后设计电 路、制板并调试成功，最后编写了通用的控制程序。在数字信号的处理中，先对 称重信号进行f i r 滤波，然后对信号进行分析、建模来得到动态称重系统的解决 方案。 本文完成了基于d s p 的粉状物料定量称重系统的软硬件设计，并取得了较 好的结果。为今后进一步的研究奠定了基础。 论文最后总结了全文，指出了本系统的一些不足，并提出了下一步改善的一 些设想。 关键词：d s p动态称重定量下料 中国计量科学研究院硕士学位论文 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ei m p r o v e m e n to ft h ep e o p l e sl i v i n gs t a n d a r d s ，t h ed e m a n d so f v a r i o u sc o n v e n i e n tf o o d sa l el a r g e l yi n c r e a s e d ，a n dt h i sa l s o p r o m o t e st h e d e v e l o p m e n to fo u rc o u n t r y sf o o da n dp a c k a g i n gm a c h i n e r yi n d u s t r y t h ef u t u r e p a c k a g i n gm a c h i n e r yi n d u s t r y w i l lm a r c ht o w a r d d i g i t a l c o n t r o lt e c h n i c a l l y c o m p l y i n gw i t hi n d u s t r ya u t o m a t i o nt r e n d h o w e v e rt h ep a c k a g i n gm a c h i n e r y i n d u s t r yi no u rc o u n t r yi s s t i l lr e l a t i v e l yb a c k w a r d ，m a n ys m a l la n dm e d i u m s i z e d e n t e r p r i s e ss t i l lw e i g ha n dp a c kt i l e i rp r o d u c t sm a n u a l l ya tt h ef i n a l l yq u a n t i t a t i v e w e i g h i n ga n dp a c k a g i n gs t a g eo fp r o d u c t i o n t h i sw a y i sl a b o r - c o n s u m i n g ，i n e f f i c i e n l a n dh a sb e c o m eab o t t l e n e c ko rc o n s w a i n tf o rt h e s ee n t e r p r i s e st oi m p r o v et f l e i r p r o d u c t i v i t i e sa n dr e g u l a t ep r o d u c t i o n hv i e wo ft h ea b o v e m e n t i o n e df a c t s t h i sp a p e rm a k e sac o n c r e t ea n a l y s i so ft h e q u a n t i t a t i v ed u m p i n gq u e s t i o n ，a n d c h o o s e st it m s 3 2 0 v c 5 4 0 2a st h e m i c r o p r o c e s s o rc h i pw h i c hc a nr e a l i z ev a r i o u sd s pa l g o r i t h m sf a s ta n dr e a lt i m e l yt o u n d e r t a k eas t u d yo ft h ed y n a m i cw e i g h i n gt e c h n i q u ef o rp u l v e r u l e n ta n dg r a i n y m a t e r i a l t h er e s e a r c hi n c l u d e sm a i n l yt h ef o l l o w i n gt h r e ea s p e c t s ：t h ed e s i g no ft h e m e c h a n i c a ls t r u c t u r e ，t h ed e v e l o p m e n to ft h ec i r c u i tb o a r d ，t h ec o l l e c t i n ga n d p r o c e s s i n go ft h ew e i g h i n gs i g n a l i nt h ed e s i g no ft h em e c h a n i c a ls t r u c t u r e ，t h e a u t h o rc o m p a r e ss e v e r a lc u r r e n tc o n t i n u o u sf e e d i n gs y s t e m s c h a r a c t e r i s t i c s ，a n d d e s i g n st h em e c h a n i c a ls y s t e ma r c h i t e c t u r ei nl i g h to ft h ed e m a n df o rt h ep r o j e c t i n t h ed e s i g no ft h eh a r d w a r ec i r c u i lt h ea u t h o rs e t sa b o u tc o m p a r i n ga n dc h o o s i n g e l e c t r o n i cc o m p o n e n t sf i r s t l y , a n dt h e nm a k e sac i r c u i tb o a r d ，d e b u g si t ，f i n a l l yw r i t e s ag e n e r a lc o n t r o lp r o g r a m m ef o rt h ep r o j e c t i nt h ep r o c e s so fd i g i t a ls i g n a l ，l e tt h e s i g n a lt h r o u g ht h ef i rd i g i t a lf i l t e r , t h e na n a l y z ea n db u i l dm o d e l st og e tt h es o l u t i o n f o rt h ed y n a m i cw e i g h i n gs y s t e m t h ep a p e re s t a b l i s h e daq u a n t i t a t i v ew e i g h i n gs y s t e mf o rp u l v e r u l e n ta n dg r a i n y m a t e r i a lb yd e s i g n i n gs o f t w a r ea n dh a r d w a r eb a s e do i ld s pa n do b t a i n e dt h eb e t t e r d i s c e r n m e n tr e s u l t s s o f o u n d a t i o nw o r k sh a v eb e e ne s t a b l i s h e df o rt h ef a r t h e r r e s e a r c h a tt h ee n do ft h i sp a p e r , t h ew o r k so fd e s i g na r es u m m a r i z e da n do u t l i n eo fs o m e i m p r o v e m e n t sa l ep u tf o r w a r di nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：d s p ；d y n a m i cw e i g h i n g ；q u a n t i t a t i v ed u m p i n g 2 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 我国作为一个人口大国，是世界第一大食品生产国。近年来随着人们膳食结 构的调整和饮食习惯的改变，促进了食品加工业的快速发展，需要大量高品质的 包装机械和食品加工机械。未来几年食品和包装机械的需求量将会大幅度增加。 据有关方面预计，到2 0 0 8 年，我国食品机械及包装工业产值将达到4 4 0 亿元， 年均增长率可达1 0 。目前食品机械和包装设备销售势头都比较好。到2 0 0 8 年， 国内市场食品机械和包装设备的总需求应为6 5 0 亿元左右，即每年保持1 2 以 上的增长率才能满足市场需求。 再次，国外市场对食品包装机械的需求大大增加：世界第二大食品生产国e ；_ 度，食品工业规模却相对较小，随着人们生活水平的提高，对精加工食品、快谴 方便食品需求增多，因此，对食品包装机械、方便食品加工机械等需求旺盛。： 中国的食品包装机械，虽然质量一般，但由于价格低廉，仍然深受欢迎。除了i 度，阿联酋还非常需要中国的包装机械和食品机械，这里的市场潜力很大，前 看好。中国产品，尤其是中、小型包装机械和食品加工机械，比较适合阿联酋， 至整个中东地区的市场需求。究其原因，一是因为阿联酋的包装机械制造业尚禾 真正起步，而市场对包装机械需求量却与日俱增。二是阿联酋工业基础薄弱，m 民存在重商轻工观念。这为中国包装和食品加工机械进入阿联酋市场进行产品俏 售和生产制造，提供了难得的机遇和巨大的潜在市场j 。 国内的大力发展与国际市场的适时开拓与进入，势必给食品包装机械市场带 来更好的利润发展空间。我国的食品和包装机械行业近些年来所取得的成绩是显 著的，但与西方发达国家的产品相比仍存在2 0 年的技术差距。我国现有的一些 包装机械产品技术含量不高，特别是在定量称重环节上，无论是速度还是精度都 无法与欧美国家的同类产品相抗衡，对我国食品和包装机械行业的整体发展已经 造成了一定的阻碍。因此，在快速自动称量中如何提高动态称量准确度，一直是 包装机械企业急需解决的难题口j 。 1 2 国内外研究动态 国内外生产定量称重包装设各的企业大体可以分为两类，一类是包装机械制 造企业，如我国的华夏包装机械有限公司、仅一包装设备有限公司，德国的w o f f 第一章绪论 v e r p a c k u n g s m a s c h i n e n g m b h 、日本的t o y o m a c n u f a c h i n g 等公司；另一类是衡器 制造企业，如我国的金钟电子衡器股份有限公司、大和衡器有限公司，瑞士的 m e t t e r - t o l e d o 、德国的p f r e u n d t 等公司。国内企业生产的定量称重包装设备大约 速度为1 5 3 0 包，分，精度为o 5 f s ，价格大约在1 0 3 0 万元厶；国外企业生 产的定量称重包装设备的速度为3 0 包一7 0 包分，精度为0 4 5 f s ，价格约 为5 0 1 9 0 万元，台。仅从纯包装机械的包装速度看，国内生产的包装机的包装速 度与国外生产的包装机的包装速度相比，几乎没有什么差别国内的多家公司( 如 仅一公司、上海安可公司等) 生产的包装机包装速度可达9 0 1 2 0 包分，国外企 业生产的包装机大体上也是这个水平。可以这么说，目前国内的定量称重包装设， 备的速度上不去的关键是在动态称重的速度上，即在保证一定精度要求的前提 - 、i 丐西丽三瑟 童露崩弱e 臣眄臣1 而黍磊丽i i 丕亚妻；再面买谪趸j 五 7 泰砀丽磊两霸蕊董而吾西芷趸酉际上一些对定量称重包装颇有研究的著名高 校( 如美国的u n i v e r s i t yo fw a s h i n g t o n 、加拿大的m c g i l lu n i v e r s i t y 、芬兰的 h e l s i n k iu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g y ) 正在追逐的方向”j 。 随着科学技术的不断发展以及一些新技术的应用，人们为了解决因动态定量 称重而带来的精度问题相应的定量称重设备也在不断地研究改进中口j 。目前市场 上典型的定量称重设备按工作原理分主要有电子皮带秤、失重秤、电脑组合秤、 定量自动秤，下面我们将对这四种类型作具体介绍： ， 电子皮带秤 电子皮带秤的大体结构如图1 1 所示，主要是由传送带、电辊筒、重力传感 器、料斗等设备组成。为了提高称重配料的精度，电子皮带秤一般采用全悬浮式 结构，以消除皮带张力变化的影响。作为动力的电辊筒采用变频调速，具有调速 平滑、体积小、重量轻、易调整易保养的特点。 图i - i电子皮带秤的结构图 2 第一章绪论 电子皮带秤一般的控制原理：在皮带输送机自动输送散装物料的过程中，皮 带秤通过传感器将单位面积( 称重段) 上受到的负荷信号与变化速度( 皮带转速) 信 号传送给控制器，控制器对其进行积分运算得出瞬时流量值，同时将瞬时流量值 以4 2 0 m a 模拟电流形式送往p i d 调节器，调节器根据测量值与设定值的偏差 通过变频器去调整皮带秤驱动电机的转速，使之精确地以用户设定的给料流量给 料，从而达到定量给料的目的。 目前，电子皮带秤在欧洲是能够做到较高精度的，例如德国申克( s c h e n c k ) 的皮带配料秤，动态配料精度可达到2 。而我国由于受到机械制造及材料等基 础工业的制约，皮带秤计量精度一般只能达到5 左右，与容积计量相差无几， 长期稳定性较差，特别是皮带秤上的皮带就很容易损坏，需要经常更换皮带，这 既增加了维护费用，也增加了工人的劳动强度，更主要的是影响了生产州。 失重秤 7 j ，。- _ 一、 失重秤( 英文l o s s i n w e i g h t ) 又名差分减料秤，是九十年代开始应用于工业过 程称重连续计量的。它的主要结构如图1 2 所示，秤体是基于斗式秤的结构，能 直接进行砝码标定，机械故障率低，维护也比皮带秤容易得多。 胀料仓 r 均匀 计量控制仪 图1 2 失重秤的结构图 它的工作原理如下：开机后计量控制仪控制原料仓闸门打开，原料仓的物料 进入计量斗内，当计量斗物料到达一定重量后，即停止加料，此时计量控制仪精 确称量，并根据预置流量开启振动排料器排料。在物料的不断排出的同时，计量 控制仪定时检测计量斗的重量物料而投下的物料重量就是它和开始时物料总重 量的差值。 第章绪论 由于失重秤不受物料冲击力、秤体皮重变化的影响，配料精度较高，尤其是 用于小流量物料时，容易获得较高的计量精度。因此在国内许多行业都得到了广 泛的应用。国外发达国家这一产品已经非常成熟如德国申克公司，布达本拉 ( b r a b e n d e r ) ，瑞士开创( k t r o n ) 公司，技术处于国际最领先地位。其中开创公 司由于采取了数字传感器技术动态精度可达0 2 5 ，以工业过程称重而言，基本 和静态秤的精度不相上下1 7 】。 电脑组合秤 电脑组合秤又称选择组合衡器，是衡器行业中新近发展起来的一种智能组合 型定量自动包装衡器。它是由多个具有独立的进料出料结构的称重单元组成，一 般电脑组合秤由8 3 2 个称重单元组成。电脑利用排列组合原理将各称重单元的 载荷量进行自动优选组合计算，得出最佳、最接近定量值的组合进行包装。 兰= = = ：墨 圈 1 2 0 1 图1 3电脑组合秤的结构图 如图1 3 所示，一开始物料通过提升式输送机或斗式升降机送到暂存斗，当 物料加到预先设置的水平位置时，置于暂存斗上方的水平光电检测器通过检测发 出信号，使提升输送机构停止进料。进入暂存斗的物料由线振盘送到缓冲料斗， 再由缓冲料斗送至称重料斗进行称量。这些称量斗称量之后把各自的重量数据输 入电脑，由电脑进行巡回检测组合，并根据这些组合电脑从中选出最接近目标重 量值的组合。选中组合的称重料斗内物料由控制机构打开，物料卸下，并通过集 合滑槽到达集料斗，再进入到下面的自动包装机中。这样上述工作反复进行，从 而达到高速、高准确度的定量称重。 电脑组合秤完全不同于只有一个称重斗称重的传统式定量包装秤系统，机构 4 第一章绪论 更为复杂，但它称重速度快、精度高，在欧美国家的市场占有率正在逐年上升。 目前我国该类产品一般主要以进口或外资企业生产为主，价格较为昂贵，用户也 是具有较大生产规模的定量包装企业，未得到广泛普及与应用隅j 。 定量自动秤 定量自动秤是传统的自动定量称重设备，在结构上主要是由称量料斗、称重 传感器、供料输送装置以及称重显示控制器等组成。它的一般工作原理为：首先 由供料输送装置将大批散状物料连续地输向称量料斗里，同时称量料斗把当前所 受到的重量信息传递给称重传感器，然后称重传感器将输出信号由称重显示控制 器进行信号测量和处理，然后再反过来控制输送装置，从而形成一个闭环测控系 统，以达到准确的定量称重的目的。定量自动秤一般价格比较便宜、机构简单、 易于维修，目前在我国应用最为广泛。 综合以上分析，考虑到电子皮带秤有难以提高的精度问题；而失重秤一般体 积较大，要求安装高度较高，且速度上难以提高；电脑组合秤又有价格因素在里 面。因此，本文主要针对定量自动秤的定量称重过程控制进行研究。这种装置的 缺点就是在速度提高的情况下精度难以得到保证，这也是本文所要解决的问题的 关键所在。 1 3 国内物料称重机械的应用现状及发展方向 尽管近年来我国食品的定量称重包装机械行业的自动化水平有了明显的提 高，但是由于在我国此行业的形成仅经过了2 0 年时间，而这2 0 年又是世界先进 技术发展最快的时期，国外已将很多先进技术应用在定量称重包装机械上，如远 距离遥控技术( 包括监控) 、自适应误差补偿技术、信息处理技术咿1 等。 再者，我国食品和包装机械行业不顾行业发展要求，重复生产那些成本低、 工艺水平比较落后、易于制造的机械产品的现象十分普遍【】。这种低水平重复 现象如果不加以控制，会造成低水平、低档次的产品不断生产出来，对资源造成 极大浪费；同时大量这类产品充斥市场，供大于求，造成机械市场的混乱，使合 法的知识产权得不到有效的保护，阻碍行业产品的不断升级换代和创新，最终阻 碍社会经济向前发展。 此外，根据不完全统计，以巧克力糖果为例，如果按1 5 0 9 袋，售价1 5 刃 袋来计。为了保障消费者的合法权益，企业用车间工人人工包装的话平均每袋会 多装2 9 ，而用进口的包装机械则只会多装o 8 9 ，那么每袋就节省1 2 9 ，从而节 省金额0 1 2 元。一台进口的包装机械的包装速度一般可达7 0 袋，分，假如一天开 8 小时，一年有3 0 0 天在运做，那么年产量就为1 0 0 8 万袋，通过计算光原料即 可节省1 2 0 9 6 万元年。如果以节省劳动力计算，节省的成本就更加可观了i l ”。 第一章绪论 而目前我国许多中小企业却还在用人工称重、人工包装，或是自动称重后再人工 包装，这大大制约了现阶段我国社会劳动生产率的提高，造成了人力和物力资源 的巨大浪费。出现这类情况的主要原因是现有的定量称重包装设备要么称重过程 的速度慢( 国内制造) ，要么就是价格高( 国外制造) 。“速度慢”不能满足一些 企业的生产要求，而价格高又使这些中小企业无力购买。当前我国劳动力成本低 使得这些企业暂时得到了一些生存的空间，但从长远来看，这种状况的存在必然 会制约了我国产业的结构升级和技术进步。同时劳动者所得太低，必然导致整个 社会收入结构不合理，进而导致市场和生产结构的扭曲和畸形化，使社会生产资 源得不到合理有效的分配。 随着我国加入wt0 步伐的加快，投资和贸易环境不断改善，一个必然趋势 是国际知名称重包装企业将进一步加大在华的投资和生产力度，对我国国内的企 业势必带来一定的冲击，因此全面提升我国称重包装制造业的技术含量刻不容 缓。鉴于我国的现状以及考虑到目前出口的对象主要是东南亚、中东及非洲市场， 在未来一段时间里我国定量包装机械制造业应以注重开发快速、成本较低的包装 设备为主，使设备往更小型、更灵活机动、多用途、高效率发展【l ”。 1 4 项目简介与设计思想概述 1 4 1 课题来源 本文研究的内容来源于浙江省科技厅的纵向项目。该项目要求设计并完成包 括物流自动上料、高速动态物流定量称重、物流自动下料包装在内的整个系统装 置；塑速定量穆重蕴围为j o g 2 k g ：称重误差要求小于0 5 f 。s 。物流定量称重 包装速度太王鲫一9 0 包分：系统工作环境温度i ：f o 珥o o e ? ，发表研究论文3 5 + 篇；给出系统的整套设计、制造的技术资料订亨案卞_ 系统的正常生产制造价格要 求小于1 0 万元。笔者主要进行该系统的硬件部分的设计与信号处理控制模块的 软件编程等。 1 4 2 课题研究的主要内容 本课题正是基于以上我国定量称重包装机械的市场情况和发展趋势所提出 的，它利用了数字信号处理器( d s p ) 其独特的结构和快速实现各种数字信号处 理算法的突出优点，对如何提高包装机的速度和精度提出了改进方案。本文为该 项目核心部分的工作，主要是定量称重平台的软硬件设计。其设计基本框架如下 图1 4 所示： 6 第一章绪论 图1 _ 4 系统的原理框图 如图所示，称料斗受到的力大小由称重传感器转换成与之相应的电压信号， 该电压信号经o p 0 7 放大器放大后再a d 转换成离散的数字信号，将此数字信号 送入d s p 进行处理并换算成一个判断值。把判断值和参考值做比较，当达到或 超过时，d s p 停止电磁振动给料器下料，触发料斗开门装置打开排料门卸料，物 料落入包装容器中，完成一个充填周期。 在硬件电路设计上，我查阅了相关电路的英文手册，完成对硬件电路部分的 调试工作，在设计调试过程中，要兼顾考虑温度和时间等因素变化引起的零漂、 温漂、时漂和失调电压，以及称重传感器、信号放大器和a d 转换器中任何一 个性能不佳对精度和速度产生的影响。因为本项目的称重信号是随时间变化而变 化的，属于动态称重过程。对于动态称重过程要想提高动态计量精度，必须首先 保证数据采集系统的静态精度和稳态性。此外，为了使整个系统具有一定的抗干 扰能力，对采样信号的软、硬件滤波也是一个必不可少的重要环节。 有了好的硬件平台之后，在经过对大量实验数据的分析，运用了数字信号处 理等相关理论，依据信号上升的斜率能对系统的动态误差进行补偿，从而对控制 开关的掐断点进行准确预测，来达到精确让量韵旦均，这一点也是本次研究工作 的难点以及创新点所在。 综上所述，本课题用d s p 作为动态重量计量的测控装置核心器件，为的是 希望通过在硬件和软件设计中采用了一些措施和动态控制方法，能较好地兼顾了 粉状物料重量计量精度和速度的矛盾，实现了粉状物料连续生产过程中动态计 量的包装要求，这对改进我国当前粉状物料称重技术，提高企业的生产率、降低 企业的生产成本有积极意义。 1 5 论文的主要工作 本课题是基于d s p 的动态粉状物料定量称重系统的研究，论文的后面主要 第一章绪论 章节安排如下： 第二章介绍了机械结构的设计过程，并分析和对比了目前市场上流行的几种 供料机构，阐述了选用电磁振动机构的原因。 第三章阐述了以d s p 为核心的测控系统的硬件电路部分设计，包括a d c 与 d s p 的接口连接和c p l d 完成的相关功能等细节。 第四章介绍了基于d s p 的测控系统的软件设计过程，并对测控系统采来的 数据做了初步的分析。 第五章通过对实验数据的分析，建立了系统的数学模型，详细分析了各种因 素对最后称重结果的影响，并提出了改进的算法，最后进行了实验结果分析。 第六章进行了全文的总结以及对不足之处的分析和下一步工作的探讨。 第二章定量称重系统机械结构的设计 第二章定量称重系统机械结构的设计 机械机构是定量称重系统的主要工作机构，其设计得当、性能优劣直接影响 到系统的成本、算法实现的难易以及最后的计量效果。它的主要任务是把待包装 的物料从存料器( 料箱) 中分离出来，按照一定的要求，定量、定向、快速地送 到称重位置l l ”。 本课题研究的称重对象是粉粒料，其机械结构如图2 1 所示，主要是由称量 料斗、重力传感器与供料输送装置组成。称料斗的容积为物料体积设定量的 1 3 1 4 倍。称重传感器安放在称料斗的下端，其中称料斗的排料门，是在舵机的 作用下打开为排料，关闭为进料和称量。下面将对以上各个部件做详细介绍，并 讨论供料系统设计与选择的实际问题。 图2 1 本项目设计的整体机械结构图 9 第二章定量称重系统机械结构的设计 2 1 料斗的设计 粉状物料的下落过程主要与料斗形状和倾斜角度有关，料斗形状一般设计成 圆锥形和锲形两大类，本项目所设计的是锲形料斗，其机械设计图见图2 2 。 图2 2 料斗机械设计图 对于倾斜角度的设计现分析如下： 如图2 3 ，设料斗斜面长度为l ，倾角为口，细颗粒的质量为珊，其重力为g 6 = m g ，细颗粒和料斗材料表面的摩擦系数为，则g 1 = g s i n 口，g 2 = g c o s t a 摩擦力f = 卢g 2 = 肛m g c o s 根据牛顿第二定律 g 1 一厂= m g s i n g 一a m g c o s = m a d = ( s i n a 一c o s 功g ( 2 - 1 ) ( 2 2 ) ( 2 - 3 ) 1 0 第二章定量称重系统机械结构的设计 得 图2 3 料斗斜面分析 式中，a 为细颗粒沿斜面下滑时的加速度。 若取v o = o ，则 l = l a t 2 = 1 ( s i n 口一c o s m 2 因为l = d c o s 6 r 则 d c o s 口= 去( s i n 口- f l c o s 盯) g t 2 f ：三生。一 ( s i n a c o s t z g c o s 2 口h g 设峪2 ，则c 。s 工2 雨1 4 1 + u ，s i n 工2 下4 1 + 冬“ ： z 式中，j 为细颗粒与料斗表面的摩擦角，代入上式化简 ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) ( 2 - 6 ) ( 2 - 7 ) t ：1 号l 一 ( 2 8 ) 一= 1 = = = = 一 z 一5 j 【1 + 2s i n ( 2 a 一工) 一】g 从d 、g 均为常量，要使f 很小，即下料很快，必须使s i n ( 2 a 一工) 极大，即 ( 2 口一工) = 9 0 。 ( 2 9 ) 第二章定量称重系统机械结构的设计 口：型兰：4 5 一+ 篓型( 2 1 0 ) 2 2 由此可见，为了使细颗粒能快速滑落至料斗底部，在设计时倾斜角口要大于 4 5 。；但是另一方面，口不能太大，太大则会使料斗容积变小，若要保持容积不 变，则需增加料斗高度或者进料口的入口面积。增加高度会使机器高度增加，会 加大给料阶段细颗粒冲力对料斗的影响，而加大进料口的面积会对控制粉尘飞扬 不利”4 1 。为此，按照一般经验来说取a ! 7 5 。较为适宜。综合考虑摩擦角，料斗 振动，加料方便等因素，取4 8 。 口 7 5 。均可满足要求，本项目取的是6 0 。 在实际加工过程中，若加工不当还是很麻烦的，就有可能使几何中心与重心 不重合，在使用过程中会导致称量斗产生偏移，形成单摆结构，致使负荷测量与 传递装置难以测出准确数据。 此外，在具体实验使用中我们发现设计出来的料斗在排料过程时有残余细料 堆积的现象，考虑到这会对最后的称量精度造成不必要的影响，我们在开料门对 应的固定料斗面上贴上了一层塑料胶来避免这种现象的产生。 2 2 供料装置的选择 2 2 i 粉粒料特性及其供料过程分析 生产中的粉粒料种类非常多，可按照粒度对其进行分类。例如面粉、奶粉、 洗衣粉等可称之为粉体；白糖、大米、绿豆、药丸、花生等等可称之为颗粒| 1 。 由于粉体在进料过程中具有飞扬性和吸湿性的特点，做到精确计量相对难度要比 颗粒大。笔者做过实验，进料时是一层一层往下脱落的，要想较好地兼顾重量计 量精度和速度的矛盾以目前的实验条件是非常困难的。因此本文的实验先做颗粒 友亘塑婴究：主要以太迷为实验对象，为项目的进一步研究打下基础。 颗粒料在物化特性上在某些方面与液体料相似，例如有一定的流动性，但其 流动性、流速主要取决于粒度、颗粒形状等；此外，密度还是影响其定量准确度 的关键。 目前在市场上适合于颗粒料的供料装置有很多种，但出于成本和体积上考 虑，可供选择的供料装置大体上有以下三种：柱塞供料装置、螺旋供料装置、振 动供料装置，下面将对这些供料装置的特性做简要分析。 2 2 2 柱塞供料装置 如图2 4 所示，柱塞在连杆机构或气动液压缸为动力的推动下作直线往复运 第二章定量称重系统机械结构的设计 动，柱塞向前移动时，将容腔中充填的物料推向出料口，经出料1 2 1 卸入待装的 容器内，柱塞向后退至原位后，物料再由料斗流入容腔。容腔容积的大小可由 调节螺杆和调节活门得到阍。 7 图2 - 4柱塞供料装置 1 料斗2 柱塞3 连杆4 机体5 活门 6 调节螺杆7 出料口 其中生产率蟛为： q ：6 0 f s n f k ( 2 11 ) 一 1 0 0 0 式中，f 为柱塞容腔的横截面积，c f t l 2 ；s 为容腔长度，c m ；n 为每分钟 计量次数；p 为物料密度；k 为系数，一般k 为o 8 1 0 。 这种供料方法的优点是，结构简单，无污染，可进行小剂量包装，对流动性 差的物料也有较好的适应性。其缺点是，对比重变化范围大的物料不合适，尺寸 加工配合精度要求高，而且供料速度的规律具有间歇性，大大增加了控制的动态 算法的难度。 2 2 3 振动供料装置 1 、振动供料装置的结构组成 电磁振动供料装置的大体结构如图2 5 所示，主要由料槽，主振板弹簧、底 座、隔振橡胶和激振装置等组成。料槽同粉料直接接触，多用不锈钢板或铝合金 板制成，工作面平整光滑。横截面呈凹槽形，以承载物料和增加结构强度。在料 槽与底座之间装有两组或四组主振板弹簧，各片之间留有适当的间隙，起避免摩 1 3 第二章定量称重系统机械结构的设计 擦和噪声之用。弹簧板对底座的斜置角一般取1 5 。一3 0 。，要做到电磁力的激振 力作用线与板弹簧垂直交叉，且通过整个槽体的合成重心，以保证工作过程中不 扭振、不偏流。铁芯与衔铁的气隙大小适中，并能根据主振体振幅的变化作适当 调整。矩形铸铁底座的下部有4 块隔振橡胶，主要对机座起缓冲隔振作用。 它的供电电压一般为2 2 0 v 、5 0 h z 的交流电，通过配备的控制箱可以改变供 电电流进而在较宽范围内调节粉料的供送速度。 7 6 5 图2 5电磁振动供料装置 1 料斗2 料槽3 主振板弹簧4 底座5 隔振橡胶 6 铁芯线圈7 衔铁 2 、振动供料原理 在安放时一般要求料槽的开口处位置不低于料槽在料斗的下料侧位置，安放 妥当后接通电源，电磁力驱动槽体沿与弹簧板垂直方向作周期性的直线往复振 动，当槽体振动加速度的垂直分量大于物料自由下落的重力加速度时。物料与槽 体脱离接触，按抛物线的轨迹向前抛起，经过一定时间落下与槽体接触，然后又 抛起，又落下，如此不断反复进行。由于频率很高，振幅又小，所以物料抛起的 高度并不大，看起来物料只是不断地向前运动，从而将物料从料槽输送到给定位 置“7 1 。 这种供料方法没有转动零件、无润滑点、磨损小、供料速度易调节、通用性 大、供料范围广、结构简单而且成本低，足以满足本项目的需求。 2 2 4 螺旋供料装置 螺旋供料装置是靠螺杆旋转供送粉料，由于螺杆的每一螺距有一个理论容 1 4 第二章定量称重系统机械结构的设计 积，在每个装料循环中，只要精确控制螺杆的转数，就能得到正确的计量。螺杆 计量供送的理论容积应准确一致，因此螺杆螺旋必须经精确加工，见图2 - 6 ，螺 杆的螺旋常采用单头矩形截面螺旋，其计量容积按下式计算。 图2 - 6单头矩形截面螺旋 1 搅拌器2 料斗3 螺旋4 导管5 闸门6 出料e l 每一圈螺旋容积y 为 y：型艘羔：至s风f(212，422 十一， 式中，s 为螺旋螺距，c m ；d 量为螺旋中径，c m ；t 为螺旋深度，c m 。 螺旋每次定量的质量为 g = v p ( 2 1 3 ) 式中，p 为物料密度；为每次定量螺杆转数。 则生产能力q = 需( 2 - 1 4 ) 式中，n 为每分钟计量次数。 计量螺杆通常作垂直安装，为保证计量精度，螺杆制造都有较高的精度，螺 旋外径与导管的配合间隙适当，在导管内的螺旋扣数一般不少于5 扣。 这种供料方式调节供料量方便，供料和计量合为一体一次完成，并且可防止 粉尘飞扬，是当前定量自动秤系统的研究中用得比较多的装置。目前该装置在控 制算法上己基本成形，大都是把给料过程分为粗细给料两个阶段“8 1 ，放料机构 采用两个大小不同口径的螺旋进料器给料。前期给料时，粗细进料器同时运行， 2 3 1 5 6 第二章定量称重系统机械结构的设计 给料流率大，用较短时间加料到给定重量的9 0 9 5 ，侧重于缩短称重周期， 提高称量速度；后期给料时，由细进料器单独给料，给料流率小，用去整个进料 周期的l ，2 1 ，3 时间，仅加入给定重量的5 1 0 的物料，侧重于保证称量精 度。由于后期给料过程需要一点一点的追加，耗时较长，不可避免地影响了整体 称重的速度，而且这种装置还不适合比重变化大或吸湿性强的物料，价格也是电 磁振动给料机的5 - - 6 倍。 以上三种典型的供料装置中，由于柱塞供料装置供料时存在着间歇性，大大 增加了控制的动态算法的难度。而螺旋供料装置价格偏贵，又由于存在着两级进 料过程速度难以得到提高。因此，本文选择了电磁供料机构作为本项目的输送装 置。 _ _ _ _ - 、 1 6 第三章硬件电路设计 第三章硬件电路设计 机械结构确定完之后，接下来的工作是按功能的需要设计d s p ( 数字信号处 理) 硬件控制平台，设计总体框架如图3 1 。 图3 1 总体方案框图 由图可知，该平台主要由称重传感器模块、放大电路模块、a d c 信号粟劈 模块、数字信号处理d s p 模块、外部存储器模块、c p l d ( 可编程逻辑器件) 模块、 舵机控制模块等组成，下面将对以上各个模块作详细介绍。 3 1 传感器介绍 本课题选用的是普通的电阻应变式称重传感器，如图3 - 2 ，它是属于双孔蒙 结构，主要是弹性敏感元件、电阻应变片、检测电路三部分组成1 9 1 。 图3 - 2 传感器实物图 弹性敏感元件是一个有特殊形状的结构件，它的主要作用是将被测的重量转 第三章硬件电路设计 换为形变。而电阻应变片作为变换元件则将弹性体的形变同步转换为电阻值的变 化，且分别处于相反的应力区内，即当其中一对电阻的变形为拉伸时，另一对则 为压缩变形。检测电路的主要部件是惠斯登电桥，它可以比较方便地解决称重传 感器的补偿问题，并把电阻应变片的电阻变化转变为相应的电信号输出。 c a 图3 3 测量电桥原理图 它的工作原理比较简单。用以上四个处于相反的应力区内的等值应变电阻片 组成惠斯登电桥，如图3 3 所示。当不受压力作用时此时r l = b = r = 尼= r ， 电桥处于平衡状态，称重传感器的输出电压u = o m v 。当物料重量通过称量料 斗作用于称重传感器时，称重传感器的弹性敏感元件在外力作用下产生弹性变 形，使粘贴在它表面的电阻应变片也随同产生变形，电阻应变片变形后，它的阻 值将发生变化，并且各桥臂阻值变化相同，设变化量为尺，即：r 、凡分别减 小丝，b 、r 分别增大从时，可以推出传感器的输出电压为： 以= 从，r 。u ( 3 1 ) 以上可以看出，当对电桥任意对应的两端加一恒定电压，另外两端便输出对 应于压差的电压信号，从而达到测量重力的目的。 当传感器安放妥当后，对电桥两端加上电压，调好运放放大倍数，接下来的 要做的首要工作就是对其进行线性度检测，以查看传感器的安放是否合理。当料 斗受到不同负荷时传感器经过运放放大后输出的电压值见下表3 1 。 表3 1 重量电压对照表 重量( g ) 0 1 0 02 0 03 0 04 0 0 传感器输出( m v ) 8 7 19 7 31 0 6 21 1 7 01 2 7 6 重量( g ) 5 0 0 6 0 07 0 08 0 09 0 0 传感器输出( m v ) 1 3 8 01 4 7 01 5 8 01 6 8 01 7 8 3 用m a t l a b 对其以上各点进行最小二乘直线拟合的直线方程为 y = 1 0 1 5 x + 8 6 7 6 5 ( 3 2 ) 第三章硬件电路设计 式中，y 为传感器输出电压，m v ；x 为物料重量，g 。 通过计算可得以上各点线性度的最大偏差为8 6 9 7 m v ，并结合图3 4 可以看 出，系统输出的线性度还是接近理想状态的。 3 2 放大电路的设计 图3 4 重量电压曲线 由于本项目所选用的a d s 8 3 4 1 内部没有p g a ( 可编程增益放大器) ，所以 必须外接放大电路。我选用的放大电路如图3 5 ，此电路可以有效地抑制温漂、 抗干扰能力强2 ”。其中r 1 7 用于调整零点，r 2 0 用于调节放大增益。 1 9 第三章硬件电路设计 r i 砌8 o l f0 l 寸。 图3 5 放大电路 3 3a d c 采样模块的设计 a d c 模块是该测控系统的重要部分，它的选用是否合适直接影响到最后称 重的精度。基于课题结题的预期目标，称重误差要小于o 5 f s 以及物流定量 称重包装速度要不小于6 0 包，分。那么就要求系统的采样频率至少要大于2 0 0 h z ， 料斗从空负荷到满负荷所体现出来的分辨率如果不考虑成本因素的话当然是越 大越好。本项目所选用的采样芯片为a d s 8 3 4 1 ，它是由美国1 r i 公司生产的是一 种比较新的逐次逼近式a d 转换器| 2 驯。 3 3 1a d s 8 3 4 1 的主要性能 a d s 8 3 4 1 是工作方式为s p i 串行通讯的1 6 位的a d 转换器，它可以选择4 个单通道独立输入或者2 个差动通道的输入。它的供电方式是2 7 v 巧v 的单电 压供电。在最高采样速率1 0 0 k h z 的条件下典型功率损耗为8 m w 。参考电压v r 盯 可以在5 0 0 m v v c c 之间变化，相应的被转换电压的变化范围就控制在0 v v r 口 之间。在低功耗模式下，芯片的功耗可以控制在1 5 w 以下。 第三章硬件电路设计 3 3 2a d s 8 3 4 1 的内部结构及工作原理 a d s 8 3 4 1 是一种典型的逐次逼近式a d 转换器，它是基于电容充放电的原 理来实现采样保持功能的，在制作上用的是0 6 1 a m c m o s 工艺。它的内部结构如 图3 4 5 所示。 c h o c h c h 2 c h 3 c 洲 v f b 图3 - 6a d s 8 3 4 1 的内部结构 如图所示输入转换器的模拟信号首先要通过一个4 通道多路复用器，经过 相应寄存器的配置选择后进入转换过程。如果选择单通道模式，被选择的通道以 c o m 为基准进行信号采样。在差动模式下，由两个被选中的通道提供差动输入。 在转换过程中，采样时模拟输入的电流大小取决于设备的转换速率。因为在 采样开始时，采样电容进行充电，当电容充满电荷后，就不会再有更多的电流了。 所以转换速率越快，电容充放电越频繁，采样时的模拟输入电流就会越大。 在c u p 和转换器之间，如图3 - 7 所示，每次通讯都由8 个时钟周期组成。 一次完整的转换，至少需要三次串行通讯，也就是2 4 个时钟周期。最初的8 个 时钟周期必须由d i n 脚向转换器提供控制位，当转换器获得有关转换的信息后， 就会按指令设置多路复用器，并选择相应的采样模式，接下来的1 6 个时钟周期 完成a d 转换。 h 点 k _ 1 i ： 卜 -