（机械制造及其自动化专业论文）灌装机在线称量的技术研究.pdf

摘要 随着现代化工业的发展，称量技术经历了一个漫长的发展过程，由一个简 单的计量器具逐渐发展为能够调节和控制工业生产过程的设备装置。在线称量 系统在国外就较早地应用于食品、制药、化工、机械工业以及农副产品等领域， 大大提高了生产能力和产品质量。在线称量的发展在全球制药行业也越来越受 重视，而目前国内在线称量系统大部分依赖进口，本文在参照国外在线称量系 统的基础上，结合国内液体灌装机的实际情况，独立开发设计并制造了一种灌装 机在线称量系统，其性能完全可以代替进口同类产品，具有良好的性价比，能 够满足企业的要求，在医药业、保健品业、酒类等诸多行业具有广阔的应用前 景。本文结构如下： 首先，概述论文的研究背景和意义，介绍了在线称量有关的国内外研究现 状，并针对在线称量技术的特点，分析了在线称量技术的研究现状及发展趋势， 并简述了在线称量技术在各行业的应用现状。 其次，简单概述了灌装机在线称量的基本原理。结合企业实际需求，分析 了在线称量的结构，介绍了质量检测装置的基本结构及在线称量校准控制器的 结构。重点研究了在线称量的工作原理及在线称量控制的整体方案。 再次，本文对系统硬件进行设计。主要包括确定在线称量的工艺要求，了 解在线称量设备状况和统计系统i o 点数和种类。然后进行系统硬件配置，进 行可编程控制器选型、i o 点定义及主要元器件的选型与布置。并通过对系统 控制过程分析，进行系统程序设计，编制相应的系统软件实现在线称量的控制 流程。 最后，本文在系统软硬件设汁的基础上，对在线称量控制系统进行控制理 论的分析，并就系统所采用的控制方式进行了简要的论述。根据控制系统建立 数学模型及传递函数分析，并对奉课题所采用的系统模型得出仿真曲线和相关 数据验证系统具有良好的稳定性，达至0 了预期的设计目的，实现了在线称量的 控制功能。 本系统达到了预定的设计要求，有望获得工业运行。 关键词：灌装机，在线称量，p l c ，传感器 a b s t r a c t a c c o m p a n y i n gt h ed e v e l o p m e n t o fm o d e r ni n d u s t r y , al o n gh i s t o r ya p p e a r 瞰m m e 舳o fw e i g h i n gt e c h n o l o g yw h i c h w a sp r o g r e s s i v e l yd e v e l o p e d 的mo n e l 【i n d o fs i m p l em e a s u r i n gi n s t r u m e n ti n t ot h ei n s t a l l a t i o nw i t ht h ec a p a b i l i t y t oc o n 们i a n da d i u s ti n d u s t r i a lp r o d u c t i o np r o c e s s t h eo n l i n ew e i g h i n gs y s t e mw a s e a r l l 贫 a p p l i e da b r o a di ns o m ef i e l d ss u c ha sf o o d , p h a r m a c e u t i c a l ，c h e m i c a l ，m a c h i n e r y i n d u s t r ya i l df - 踟i n s i d e - l i n ep r o d u c t i o n ，w h i c hg r e a t l yi m p r o v e d t h ep r o d u c t i v i t y a n dp r o d u c tq u a l i t y t h e 西o b a lp h a r m a c e u t i c a li n d u s t r yp a i di n c r e a s i n g l y a t t e n t i o n t 0t 1 1 ed e v e l o p m 铋to fo n l i n ew e i g h i n gt e c h n o l o g yw h i c hm a i n l yi sd e p e n d e n t o n i m p o r tc u r r e n t l yi n 呲c o u n 略 b a s e do nt h er c f 打e n c eo fa b o a r do n l i n ew e i g h i n gs y s t e ma n dt h ed o m e s t l c b a c k 灯o u n do fl i q u i df i l l i n gm a c h i n e s ，o n ek i n do ff i l l i n gm a c h i n e w l t ho n l l n e w e i g h i n gs y s t e mi si n d e p e n d e n t l yd e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e di n t h i sr e s e a r c h t h l s m a c h i n ee x h i b i t st h eh i g t ip e r f o r m a n c e a n dc o s t e f f e c t i v e n e s ss ot h a ti tc a l ls u b s t i t u e m ei m p o r t e dp r o d u c t sa n dm e e tt h ed e m a n d si n b u s i n e s ss u c ha sp h a 咖a c e u t l c a l ， h e a l t h c a r e ，w i n ei n d u s t r i e s p r e s e n tr e s e a r c hm a i n l yc o n s i s t so ff o l l o w i n g s e c t i o n s ： f i r s t l v t h es i g n i f i c a n c e a n dt h eb a c k g r o u n do ft h er e s e a r c h a r cs 姗p l y i n t r o d u c e di n c l u d i n gt h ep r e s e n ts t a t u so fo n l i n ew e i g h i n gt e c h n o l o g y b a s e d o nt h e f e a m r eo ft h i st e c h n 0 1 0 烈t h e r e s e a r c hs i t u a t i o na n dd e v e l o p m e n tt r e n da r e 粕a l y s e d m o r e o v 瓯t h ea p p l i c a t i o nc o n d i t i o no fo n l i n ew e i g h i n gt e c h n o l o g y l si n t r o d u c 。dl n b r i e fa tt h es a m et i m e 。 s e c o n d l y ，t h eb a s i cp r i n c i p l eo fo n l i n ew e i g h i n go ft h e f i l l i n gm a c h m el s i n t r o d u c e ds i m p l y c o n s i d e r i n gt h er e a ld e m a n di n b u s i n e s s ，t h em a t h 打a m eo f o n l i n ew e i g h i n gt e c h n o l o g yi ss u g g e s t e di n c l u d i n gt h ef u n d a m e n t a l s t m c t u r eo f q u a l i t yd e t e c t i o nd e v i c e a n da d j u s t i n gc o n t r o l l e ro fo n l i n ew e i g h i n gs y s t 锄 f u r t h e r m o r e ，t h er e s e a r c hm a i n l yf o c u s e so nt h eo p e r a t i o n a lp r i n c i p l e o ft h es y s t 啪 a n dg e n e r a lc o n c e p to fo n l i n ew e i g h i n gc o n t r o l n e x t ，t h eh 捌w a r eo ft h es y s t e mi sd e i g n e di n t h i sr e s e a r c hm a i n l y1 n c i u d l n g t h ep r o c e s sr e q u i r e m e n t so fo n l i n ew e i g h i n gt e c h n o l o g y , e q u i p m e n t s s t a t e ，v on o d e s h a n dt y p e so fs t a t i s t i c a ls y s t e m a n dt h e n ，h a r d w a r ec o n f i g u r a t i o no ft h es y s t e m ，p l c t y p ea n do t h e rm a i nd e v i c e sa r es e l e c t e da n dl a i do u t i 0n o d e sa r ed e f i n e d b a s e d o nt h ea n a l y s i so fc o n t r o lp r o c e s s ，s y s t e mp r o g r a m m i n gi sc a r d e do u t r e l e v a n t s o f t w a r ei sp r o g r a m m e di no r d e rt oa c h i e v et h ea c c o r d a n c ew i t ht h ec o n t r o l l i n gf l o w o fo n l i n ew e i g h i n gs y s t e m a tl a s t , a f t e rf i n i s h i n gt h ed e s i g no fh a r d w a r ea n ds 0 1 a r eo ft h es y s t e m ，t h e c o n t r o lt h e o r yi sd i s c u s s e df o rt h eo n l i n ew e i g h i n go p e r a t i n gs y s t e m ，a n dt h ec o n t r o l m e t h o d so ft h es y s t e ma r ec o n s e q u e n t l yi n t r o d u c e d m a t h e m a t i c sm o d a li sb u i l ta n d t r a n s f e rf u n c t i o n sa r ed i s c u s s e da c c o r d i n gt ot h ec o n t r o ls y s t e m t h es i m u l a t i o n r e s u l t se x h i b i tt h ed o s ea g r e e m e n tw i t hr e l e v a n te x p e r i m e n t a ld a t a , w h i c hp r o v e s t h a tt h i ss y s t e mh a st h ec o n t r o lf u n c t i o no fo n l i n ew e i g h i n gw i t hg o o ds t a b i l i t ya n d a c h i e v e st h ep r o s p e c t i v eo b j e c t i v eo ft h ed e s i g n t h eo n l i n ew e i g h i n gs y s t e mi nt h i sr e s e a r c hm e e t st h ep r o j e c t e dd e s i g nd e m a n d a n di sp o s s i b l et ob ea p p l i e di nb u s i n e s s k e yw o r d s ：f i l l i n gm a c h i n e ，s e r v om o t o rc o n t r o l ，p l c ，o n l i n ew e i g h i n g 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 ，叫 签名：叠_日期：国丛旷 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复 制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) c ：丁萄翩c ：w 够帐帅， 武汉理i ：人学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景、目的和意义 物体的质量计量渗透在生活的方方面面中，其发展也经过了很长的时间。公 元前约2 5 0 0 年埃及所使用的天平是在文献【1 】中提到的最早发明的天平，而将 计量器具天平作为科学研究的工具，则是十八世纪以后的事。 随着现代化工业的发展，称重技术同时经历了一个极大的发展过程，它已经 不仅仅是一个单件的计量器具，更多的则是在工业生产中起着调节和控制的作 用。流水化生产线出现在工厂时，生产线上的物料质量或者产品的重量都由人工 控制，工人师傅定时从生产线上抽取产品进行称重。但是这种停顿状态下的抽查 方式，大大阻碍了高速生产的发展，成为质量管理的瓶颈。可是一个实时的在线 称重系统可以在生产过程中快速地在线称重，不仅省去了人力，也还能对数据进 行统计、分析与处理。比如能够输出实时的重量的曲线波形图、直方图、重量的 标准偏差、平均值等，还有相关的参数报告、统计报告以及按时1 日j 、数量或者重 量分类的间隔报告等1 2 j 。， 在线称量技术在国外较早地被应用于食品、化工、制药、机械工业以及农副 产品等领域。国内起步较晚，但是近几年，国内的相关行业也将这些因外的设备 应用到了这些领域，大大提高了生产能力和生产质量。例如中国电池行业的知名 企业，宁波豹王电池和福建南平南孚电池均采用在电池生产线上配置梅特勒托 利多仪器有限公司的s 2 自动检重秤来控制电池正负极的填料量。中央电视台曾 经有一一段视频播放了扬子江药业是如何立足于本国并与国际接轨。他们采用的就 是先进的生产及包装设备，从而实现全自动和规模化生产。值得一提的是，其中 采用的先进的产品检测设备就是梅特勒托利多g a r v e n s 的s 系列f j 动枪重 秤，其高精度能够保证检测到比说明。f 弓缺少1 2 9 的药盒，并且能够从尘产线上 自动剔除掉。还有蒙牛集团，其液念奶利乐枕自动灌装线若干条，天天给r i 场提 供大量的新鲜牛奶，而牛奶灌装量的检验和控制一真是生产l 二一个棘手的难题。 蒙牛集团采用的是德国碧彩公司提供的技术，通过对灌装机调节装置的优化和改 进，并配合利用其c w m 7 5 0 自动检。重和反馈控制系统，有效控制了灌装精度， 降低了企业成本【3 】【4 】。但是令人遗憾的足，上述食业采用的自动在线称重系统无 一例外的均为国外产品，我国自主研发的在线称重系统较少，在精度和速度一t - 也 难以满足用户的需求。 武汉理工大学硕士学位论文 到目前为止，我国生产制药装备的企业已发展到8 0 0 余家，产品品种规格超 过3 0 0 0 种，据不完全统计，年产值约1 5 0 亿元人民币，产品除充分满足国内中 西药厂、动物药厂及保健品厂需求外，还远销6 0 多个国家和地区。 在化工、食品、医药等工业中，有许多呈液体状态的产品以瓶( 桶) 装形式出厂， 通常采用液体灌装机进行自动化灌装目前，国内大部分企业靠进口灌装机来满足 对设备的需求，但其价格昂贵，一般是国内同类产品的3 4 倍左右【5 1 。 我国是从上世纪六十年代中期才开始研制和生产电子称重装置的，最初为模 拟指针式，后来才渐渐发展成为数字式。由于早期技术条件的限制，产品的产品 准确率和可靠性较低，同时适应工厂环境的能力也差，并且故障率和损坏率也一 直高居不下。直到八十年代，我国开始引进国外的先进技术，并于国外展开技术 交流和合作，引进了一大批先进的样机、生产技术以及加工测试设备，再通过国 内的消化、吸收和改造，电子称重装置的综合水平得以大幅度提高【6 1 。从二十世 纪八十年代初开始，我国先后有二十多家称重传感器企业相继从美国、r 本、德 国、瑞士等国引进先进的设计与制造技术，进行小批量生产。现在，我国传感器 行业已经初具规模，并且进入快速发展时期。 在现有技术中，多是采用定量填充凸轮或定量填充泵等结构实现填充量的确 定，但这种定量方式依赖于传统的机械结构精度，定量的精度太差，填充合格率 较低，对液态填充物的浪费极大【7 】。目前，也有出现了计量系统控制液态产品的 填充，采用的多为在填充过程中计量系统检测填充至已设定的填充量后，立即停 止填充的方法，但此类定量方式保证液态填充产品及其填充容器的整体重量的精 度，却无法精确液态产品的净重，而填充容器质量的精确性也影响了液态产品填 充的精确性。所以目前国内亟需要研制出一套属于自己的能够满足用户需求的自 动在线称重系统。 传感器是在线称量技术的核心部件，被誉为“信息装备的特种_ 7 己件”，是信 息技术的三大产业支柱之一，并且是一项适应我国先进生产力发展要求的高技 术，是目前我国信息产业发展的重点基础类新型的产业。但是我囤f 1f j ，j 的传感技 术产业现状远远不能满足国内市场的需要。掘统计，2 0 0 3 年我幽j 1 j 的2 7 0 力台 套压力传感器中，进口的传感器约占了7 0 ，用汇额约3 0 亿美元以上。国产化 的压力传感器仅占2 0 ，而全部采用国内技术生产的传感器却只占了极少的1 0 的风份额。我国在环境保护中使用的毒性气体传感器有2 0 力套左右，洲样令人 遗憾的是进口产品占7 8 ；还有农业及工业用二氧化碳传感器几乎全部依靠进 口；而汽车电子用传感器就跟不用说了，除低档车用一些温度、转速、位置、压 力传感器国产外，其余的全部靠引进，占到市场总额的9 0 t 8 】【9 】。 针对现有技术存在的不足，本文提供一种利用两套相同的全伺服运动控制质 2 武汉理工大学硕士学位论文 量检测装置先后检测液态产品填充前容器质量以及填充后的质量，从而得到实际 液态产品填充净重及填充误差，作为填充定量系统反馈信息对其进行在线质量校 准的一种高效、精确的在线质量校准系统的技术方案。 1 2 本课题有关的国内外研究现状 在电子称重装置的研制和开发上，日本、德国及瑞士等国家起步较早。早在 上世纪八十年代初，他们就已经能够批量生产电子天平了，而今其年产量有几百 万台以上，占全世界电子天平产量的百分之九十以上，并且他们电子天平技术处 于国际领先地位。文献【1 0 】介绍了法国灌装设备制造公司p b k 日前开发了c o s m o 化妆品旋转灌装机。p b k 公司采取的是在c o s m o 机器上连通产品源直接灌装，以 便满足不同灌装速度的要求。同时p b k 在灌装机上串联安装的1 6 只陶瓷泵，直 接连接在膜片式阀门上，不仅使卫生程度得到很大提高，也可使设备的清晰度达 到最高。这样的优点是无中间结点，无滞留区。c o s m o 化妆品旋转灌装机可在灌 装的同时封堵容器，用于包装所有液体和半液体的美容化妆产品。p b k 目自订还开 发了一种r o b o 型半自动灌装封装机，这种产品的特点是在灌装产品的同时，可 将拧盖、镶接、压装等动作一气呵成，这样就省却人工给灌装机喂送瓶子和瓶 盖的时问和劳动力。而且其传送装置是往复式的，上面配置了压装模，以便在生 产大批量的产品时加快灌装速度，进行自动化灌装。这种机器特别适用于以来料 加工的方式灌装的各种产品，也可以用于香水业和美容化妆品领域，因为这个领 域的产品需要经常更换包装规格。 目前，在食品、药品、化工、机械及农副产品等多个行业中，国内有几家企 业也掌握了传感器的称重技术。但是在在线称量方面却大部分用的是国外的进口 设备。引进的有g a r v e n s 公司( 隶属于瑞士m e t t l e r - t o l e d o 集团) 的产品，g a r v e n s 公司曾研发推出了一系列高精度和高速度的在线称量设备，其中有s 系列自动 检重秤，它具有多种不同的量程和精度范刚，可以说是最新动态称重技术的经典 之作，主要刷于制药、食品、同化、电池等行业；还有e 系列自动检重秤，它 经济实用；还有i d lp l u s 系列，它主要是对人件产品进行在线检重的；更有 c o m b i c h e c k e r 金检重检一体机，它是将s a f e l i n e 金属检测器和o a r v e n s 自动 检重秤合二为一的金属异物检测器，等等【l 。困内的企业还引进德圈赛托利斯旗 下的自动检重设备，比如s y n u s 系列和b o e k e l se w k 系列，这两个系列的 产品因为采用了超级瞥体电磁力传感器( 专为动态检重秤丌发的) ，所以精度极 高、稳定时间迅速、极高的稳定性和稳固的1 业结构。 国内目前对灌装机、在线称重以及p l c 等技术问题的研究也比较多。文献 f 1 2 1 介绍了灌装机的基本组成和工作原理，阐释西门子s i m a t i c s 7 3 0 0 p l c 的硬 武汉理1 ：大学硕士学位论文 件模块以及程序软件s t e p 7 v 5 3 的系统组态及在线调试，最后介绍了系统实现的 功能和系统容易产生故障的原因及排除方法。文献【1 3 】叙述了回转式灌装机电气 控制的组成，绝对零位和设备零位的概念，探讨了称重控制的方法，全面论述了通 过控制器进行称重控制的原理和解决办法。文献 1 4 】以交流永磁伺服电动机为 例，较全面的介绍了现代交流伺服系统的基本原理和组成，介绍了位置和速度传 感器的基本原理，阐述了控制回路和伺服控制器的设计，并总结了交流伺服系统 的控制特点和各种控制策略，给出了交流伺服电动机和伺服放大器的选择原则和 维护措施，同时列举了交流伺服系统的一些典型应用实例。文献【1 5 】以同本三菱 公司的f x 2 系列可编程控制器为蓝本，简要介绍了f x 2 系列可编程控制器的指 令系统、编程方法及常用的子程序；详细介绍了电动机基本控制线路p l c 程序 设计、机床控制线路改造p l c 程序设计及其它p l c 实际应用程序设计等程序设 计方法，最后介绍了三菱f x 2 系列可编程控制器的电脑编程操作。文献【1 6 】在确 定葡萄酒灌装机的总体结构和功能要求的基础上，利用逆向设计思路和p r o e 的三维造型，对葡萄酒灌装机进行模型设计；对各种零件进行模拟装配及运动分 析，检查机械各构件运动是否发生干涉；再运用p r o m e c h a n i s m 模块进行有限 元分析，对灌装机构进行力学计算。通过模仿真实环境下的工作并改正设计上的 问题，最终完成盒装袋葡萄酒灌装机的设计与制。文献 1 7 】分析了在全自动半流 体包装机设计中，核心问题是自动计量灌装装置设计，而灌装装置中的关键部分是 控制定量灌装的凸轮一连杆机构设计问题。本灌装控制机构由两个四连杆机构和 一个凸轮机构所组成。怎样才能使设计出来机构简单紧凑而好用。本文重点介绍 了计理灌装装置设计，计量灌装机构运动分析。实践证明，通过计算机仿真设计确 定的尺寸合理而结构紧凑，定量准确，调节方便，且运动特性好，现已被生产厂家采 用。 到2 l 世纪，国内的制药装备企j 眦丌始从单纯生产仿制产品走向自主研发、 创新的产品道路。但是毕竟，赶超国际先进水平的路程还很遥远，必须加快研究 和探索的步伐，只有这样，才能有的放矢的去研究新产品新技术。 总之，现代称重技术的发展方向是智能化、自动化、多功能化的。灌装机是 使用最多的一种制药装备，国内的液体灌装机都是定最灌装机，而在线检测技术 目前在国内还足空白。进口的灌装机虽然含有这个技术，但价格昂贵。这次设计 的灌装机不仪有在线检测而且性价比很高，填补了幽内灌装机在线检测的空白。 1 3 本课题的来源及主要研究内容 本课题来源：横向课题“灌装机设计”。 本课题是与企业的实际需要紧密联系的。厂家拟丌发一款圆形瓶液体半加塞 4 武汉理一f 大学硕士学位论文 高速灌装机，但由于其国内灌装机在高速工况下不能进行稳定灌装，虽然厂家在 参照国外成熟产品德基础上，仿制出样品，但效果不理想离批量生产还有很长一 段距离。本文主要是对灌装机的在线检测及其控制技术进行设计分析，借助p l c 等先进控制技术实现灌装机的在线称重功能。 本文的研究内容有四点：一是说明灌装机在线检测的流程，确定在线检测控 制系统设计任务；二是对在线检测进行硬件配置，并划分软硬件功能，定义在线 检测i o ：三是用软件实现在线检测的性能；四是进行在线检测安装、调试。 本文的研究方法是：针对灌装机的在线检测，从理论上分析原理，结合具体 的实现手段，借助相关软件，得出各种影响因素，最终设计出在线检测及其控制 技术。 本文的技术路线是：利用分析原理和实际得出的结论，通过p l c 获取称重 传感器对灌装量的检测数据，分析并计算灌装误差，并转换成运动控制信号传送 至运动执行机构，实现对灌装泵灌装量的精度控制，从而实现在线称重及其控制 技术的设计。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章在线称量的原理 灌装机的灌装机构前后分别设置有两套相同的在线称量机构，一是对传送机 构上灌装前的西林瓶进行抓取称重后放回，二是对传送机构上灌装后质量的西林 瓶进行抓取称重后放回。经过在线称量系统计算分析，并将灌装误差反馈至灌装 机构，进行在线质量校准。每套在线称量机构均由三台伺服电机驱动，分别完成 夹钳夹取灌装瓶、将灌装瓶传送到传送带上方及称量台上的回转及夹钳升降运 动。 2 1 在线称量的整体结构介绍 研究的灌装机的在线称量的结构主要有三部分组成：一是灌装前的质量检测 装置；二是灌装后质量的质量检测装置；三是在线质量校准控制器。 2 1 1 灌装前质量检测装置结构概述 灌装前质量检测装置的结构如图2 1 所示，由称重传感器、质量检测台、质量 检测装置支座，以及由伺服运动控制器控制的取瓶夹钳、取瓶旋转主轴和主轴升 降机构组成。 5 6 7 8 9 1 0 阁2 1 灌装前质量检测装置结构示意图 1 主轴升降机构电机：2 取瓶旋转主轴电机；3 墩瓶旋转士轴；4 传送带；5 取瓶夹钳电机； 6 填充前容器：7 墩瓶夹钳：8 称重传感器：9 质鼙检测台；1 0 空袈置支座。 6 武汉理：丁二大学硕士学位论文 2 1 2 灌装后质量检测装置的结构 灌装后质量检测装置的结构如图2 2 所示，同灌装前质量检测装置一样，由称 重传感器、质量检测台，质量检测装置支座以及由伺服运动控制器控制的取瓶夹 钳、取瓶旋转主轴和主轴升降机构组成。 1 4 1 3 1 2 1 l 图2 2 灌装后质量检测装置结构示意图 1 6 1 7 18 1 9 2 0 1 1 主轴升降机构电机；1 2 取瓶旋转主轴电机；1 3 取瓶旋转主轴；1 4 传送带；1 5 取瓶 夹钳电机；1 6 填充后容器；1 7 取瓶夹钳：1 8 称重传感器；1 9 质量检测台；2 0 装置支 座。 2 1 3 在线称量校准控制器结构 在线质量校准控制器由定位控制模块、丌关量输入模块、模拟量输入模 块和c p u 组成，各模块接l j 均通过基板与c p u 连接。本系统是由在线质量 校准控制器控制液态填充d 订后填充容器在质遂检测装置上进行自动称量，并 将实测填充前后的质量输入给c p u ，c p u 阿将由触摸屏输入的理论质量进 行比较，在c p u 内通过在线质量自动补偿模型进行计算，得出对定量修改 的填充机构填充信号输出控制填充量。可见本系统是通过检测填充前后填充 容器质量，并 _ i 质量转换成液态产品体积的一种质量控制定量的措施。因此， 本系统解决了液体状念产品填充的在线质量校准问题，系统校准周期可根据 生产效率自行设置，可在3 万瓶的高速填充生产时进行填充质量校准，其校 准精度可达o o l g ，故与现有技术相比，具有突出的高效性、精确性特点和 武汉理工大学硕士学位论文 显著的进步，其实施效果也是显而易见的。 在线称量校准控制器结构如图2 - 3 所示，其中c p u 为中央处理器。a - y 表 示的信号如下： a 为灌装前质量检测装置中主轴升降机构降到位信号； b 为灌装前质量检测装置中主轴升降机构升到位信号； c 为灌装前质量检测装置中取瓶夹钳夹紧到位信号； d 为灌装前质量检测装置中取瓶夹钳放松到位信号； e 为灌装前质量检测装置中取瓶旋转主轴转送至传送带到位信号； f 为灌装前质量检测装置中取瓶旋转主轴转送至质量检测台到位信号： g 为填充# i n 位检测信号； h 为填充后到位检测信号； i 为灌装后质量枪测装置中主轴升降机构降到位信号； j 为灌装后质量检测装置中主轴升降机构升到位信号； k 为灌装后质量检测装置中取瓶央钳央紧到位信号； l 为灌装后质量检测装置中取瓶央钳放松到位信号； m 为灌装后质最检测装置中取瓶旋转主轴转送至传送带到位信号； n 为灌装后质量检测装置中取瓶旋转主轴转送至质量检测台到位信号： 0 为填充前填充容器实测质量输入信号； p 为填充后填充容器实测质量输入信号； q 为理论质量输入信号； r 为实时检测质链信号； s 为填充误差输i f j 信号； t 为灌装前质毽检测装置中取瓶央钳的央取及松放填充容器的动作信 号： u 为灌装前质餐检测装置中主轴升降机构升、降信号； v 为灌装前质罐检测装置中取瓶旋转主轴转动信号； w 为灌装后质量检测装茕中取瓶央钳的央取及松放填充容器的动作信 8 武汉理工大学硕士学位论文 号； 4 3 x 为灌装后质量检测装置中主轴升降机构升、降信号； y 为灌装后质量检测装置中取瓶旋转主轴转动信号。 5678 图2 - 3 在线称量校准控制器结构 1 灌装前质量检测装置；2 灌装后质量检测装置；3 灌装前位置检测装置：4 灌装后位置检 测装置；5 在线质量校准控制器；6 模拟量输入模块；7 触摸屏；8 灌装定量系统：9 灌装前 质量检测装置中取瓶夹钳伺服运动控制器：1 0 灌装前质量检测装置中主轴升降机构伺服运 动控制器；11 灌装前质量检测装置中取瓶旋转主轴伺服运动控制器；1 2 灌装后质量检测装 置中取瓶夹钳伺服运动控制器；i 3 灌装后质量检测装置中主轴升降机构伺服运动控制器； 1 4 灌装后质鼙检测装置中取瓶旋转土轴伺服运动控制器：1 5 定位控制模块：1 6 开关量输 入模块。 在线质量校准控制器采用的是可编程逻辑控制器，它输出的实测质量信号及 误差信号由触摸屏显示。在c p u 中内存有在线质量自动补偿模型，并接收从触 摸屏发来的理论质量输入信号。 定位控制模块输出的信号有：控制灌装前质量检测装置中取瓶夹钳的夹取及 松放填充前容器的动作信号，控制灌装前质量检测装黄中取瓶旋转主轴将填充容 器在传送带与质量检测台之间的转送动作信号，控制灌装前质量检测装置中主轴 升降机构将填充容器的升降动作信号，控制灌装后质量检测装置中取瓶夹钳的夹 9 9 m n 论 坛 m 武汉理工大学硕士学位论文 取及松放填充后容器的动作信号，控制灌装后质量检测装置中取瓶旋转主轴将填 充容器在传送带与质量检测台之间的转送动作信号，以及控制灌装后质量检测装 置中主轴升降机构将填充容器的升降动作信号。 开关量输入模块接收的输入信号有：由灌装前位置检测装置来的灌装前容器 的到位检测信号，由灌装后位置检测装置来的灌装后容器的到位检测信号，由灌 装前质量检测装置来的灌装前质量检测装置中主轴升降机构降到位信号和升到 位信号，灌装前质量检测装置中取瓶夹钳夹紧到位信号和放松到位信号，灌装前 质量检测装置中取瓶旋转主轴转送至传送带到位信号和转送至质量检测台到位 信号，以及由灌装后质量检测装置来的灌装后质量检测装置中主轴升降机构降到 位信号和升到位信号，灌装后质量检测装置中取瓶夹钳夹紧到位信号和放松到位 信号，灌装后质量检测装置中取瓶旋转主轴转送至传送带到位信号和转送至质量 检测台到位信号。 模拟量输入模块接收的输入信号有：由两套质量检测装置来的检测质量信 号。 2 2 在线称重的流程 灌装机在线称量的工艺流程有两套相同的在线称量过程和在线质量校准过 程组成。两套相同的在线称量过程一是对传送机构上灌装前的西林瓶进行抓驭称 重后放回，二是对灌装后的西林瓶进行抓取称重后放回。经过在线称量系统计算 分析，并将灌装误差反馈至灌装机构，进行装量的在线调整。其工作原理如图 2 4 所示，共由3 6 个传感器，1 8 个电机共同完成这个过程。 在线称晕：l ( 电机l ：火紧松丌 电机2 ：卜升卜l ：晕 电机3 ：必取坡蚋转动， 灌装装置 ，建线称警2 ( 电机4 1 5 ： ( 机l6 ：夹紧松梦 灌装象) 电机1 7 ：j ：升f 降 图2 4 在线称量工作原理示意图 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 灌装前在线称量流程：当灌装前位置检测装置检测到灌装前西林瓶的到位检 测信号时，传送带传送暂停，主轴升降机构电机将取瓶旋转主轴降到位后，取瓶 夹钳夹紧灌装前西林瓶再升到位，传送带传送启动，取瓶旋转主轴转送灌装前西 林瓶至质量检测台上面，取瓶旋转主轴降到位，取瓶夹钳松放灌装前西林瓶到位 后，进行质量检测并输出灌装前西林瓶实测质量输入信号。接着取瓶夹钳夹紧灌 装前西林瓶，取瓶旋转主轴升到位，转动，转送灌装前西林瓶至传送带，传送带 传送暂停，取瓶旋转主轴降到位，取瓶夹钳松放灌装前西林瓶，取瓶旋转主轴升 起，传送带传送启动，完成一次灌装前质量检测动作，并如此反复。 灌装后在线称量流程：当灌装后位置检测装置检测到灌装后西林瓶的到位检 测信号时，传送带传送暂停，主轴升降机构电机将取瓶旋转主轴降到位后，取瓶 夹钳夹紧灌装后西林瓶再升到位，传送带传送启动。取瓶旋转主轴转送灌装后西 林瓶至质量检测台上面，取瓶旋转主轴降到位，取瓶夹钳松放灌装后西林瓶到位 后，进行质量检测并输出灌装后西林瓶实测质量输入信号。接着取瓶央钳央紧灌 装后西林瓶，取瓶旋转主轴升到位，转动，转送灌装后西林瓶至传送带，传送带 传送暂停，取瓶旋转主轴降到位，取瓶夹钳松放灌装后西林瓶，取瓶旋转主轴升 起，传送带传送启动，完成一次灌装后质量检测动作，并如此反复。 在线称量校准过程是：当灌装前位置检测装置检测到灌装西林瓶的到位检测 信号后，灌装前质量检测装置就对灌装前西林瓶自动完成一次质量检测动作，实 施质量检测并输出灌装前西林瓶的实测质量输入信号。灌装前西林瓶在传送带 上通过定量灌装系统同步灌装，待灌装后位置检测装置检测到灌装后两林瓶的到 位检测信号后，灌装后质量检测装置对灌装后西林瓶自动完成一次质量检测动 作，实施质量检测并输出灌装后西林瓶的实测质量输入信号。在线质量校准控制 器中的模拟量输入模块接收灌装前西林瓶的实测质量输入信号及灌装后西林瓶 实测质量输入信号后，将其转换成数字量信号输入给c p u 。c p u 再将其与理论 质量输入信号进行比较，在c p u 内通过在线质量自动补偿模型进行运算，得出 对定量灌装系统修改的灌装误差输出信号，并输出实时检测质量信号，实时检测 质量信号及灌装误差输出信号在触摸屏上显示，同时在线质量校准控制器将灌装 误差输出信号反馈给灌装定量系统进行液态产品灌装的在线质量校准。 2 3 在线称量的质量校准方案 药品是特殊商品，它剂量大小准确与否直接影响疗效，有的毒性药品，即 使相差零点几毫升，都可能危及生命，因此药品装量不足不行，装量超限也不行， 必须限定在规定的限度内。本课题中研究的灌装机装量误差允许范围为1 之 内，因此若检测灌装量超出此范围，在线称量系统将对灌装量进行质量校准。 武汉理工大学硕士学位论文 在线称量的质量校准算法如下： 灌装系统设置装量所= p v 。 其中，历为标准灌装量质量，单位g ； p 为灌装药液密度，单位g r r a ； ，为标准灌装体积，单位m l 。 灌装质量偏差埘= m ，一m 。 其中，m 。为一组中抽检的待灌瓶质量，单位g ； m ，为一组中被抽检的已灌瓶质量，单位g ； 埘为一组中抽检的实际灌装质量，单位g 。 装量误差万：a m 1 0 0 m 当例1 ，装量无无需校准，当l d l ，系统进行装量校准。 2 4 本章小结 本章主要介绍了灌装机在线称量的原理，分析了它的构造和流程。知道它有 两套相同的质量检测装置。每套质量检测装置均设有称重传感器、质量检测台， 以及由伺服运动控制器控制的取瓶央钳、取瓶旋转主轴和主轴升降机构；称重传 感器获得电信号后，输出给在线质量校准控制器，在线质量校准控制器输出实测 质量信号及误差信号，并对定量填充系统的填充量进行在线质鼍校准。这些内容 将为我们下一章的内容打下基础。 1 2 武汉理工大学硕十学位论文 第3 章在线称量的控制 上一章主要介绍了1 2 针拨块直线灌装机在线称量的结构和流程，至于怎么 实现在线称量的过程以及如何对其控制，是本章要研究的内容。本章对在线称量 的控制问题做出了详细的说明，并从硬件配置、软件实现和控制程序来阐述其可 行性。 3 1 在线称量控制的整体方案 1 2 针拨块直线灌装机的在线称量系统为了获得液体药品的净重，首先要选 择两个取瓶夹钳来完成夹取和放松西林瓶的动作。一个用来抓放灌装前的西林 瓶，一个用来抓放灌装后的西林瓶。而取瓶夹钳动作的实现则需要传感器来得以 实现。其次，当光纤传感器感应被检西林瓶存在时，向灌装设备发送信号以便机 构电机操作取瓶夹钳运动。也就是说取瓶央钳什么时候在什么地方进行上升、下 降、转动、夹取和放松西林瓶的动作完全根据传感器发来的信号。 图3 - 1 在线称量传感器分布图 整个在线称量控制的传感器构成有：光纤传感器、央取传感器、转动传感器、 称重传感器、上下位传感器和传送带组成。如图3 1 所示。 武汉理工大学硕十学位论文 由于取瓶夹钳的运动轨迹是个弧形的，考虑到其结构尺寸，在抓取某个西林 瓶时要在这个西林瓶两侧各留个空瓶位，用符号“0 1 0 表示；在夹头放回药 瓶的位置设置为三个空瓶位，表示为“0 0 0 ，“0 表示无瓶，“1 表示有瓶u 引。 两个在线称量装置各用一个传感器来检测空瓶位信息，作为控制系统的输入 信号，控制在线称量装置的动作。当左侧的传感器首次检测到0 1 0 信号，在线称 量l 动作，夹取空瓶进行称量，等到传感器检测到0 0 0 信号时，将瓶放回传送带 上的中间空瓶位置，继而产生了0 1 0 信号；被在线称量l 称重后的药瓶被灌液， 继续传送，右侧的传感器检测到0 1 0 信号，在线称量2 夹取该灌好液的药瓶进行 称量，等到传感器检测到0 0 0 信号时，将瓶放回传送带。一个瓶位的称重完成n 羽。 1 0 组1 0 组1 0 组1 0 组l o 组1 0 组 上i10ll 第三抓取点 土1 l 第- 二抓取点 上 第一抓取点 上 l - i i - - 1 1 0 1 0 , i i i - - i i , 1 11 11 , 11 0 0 0 1 1 , 1 1 1 1 0 1 , 0 11 - - 1 1 j l 在线称量1。在线称+ 抓取瓶抓取插 1rr1 图3 - 2 瓶位的分析和检奄 根据生产需求，需分别检查1 2 针下全部1 2 瓶位。为了实际生产过程，灌装 速度为每分钟5 0 0 针，所以瓶子位可以被划分成几个阶段进行检奁。为使1 2 个 瓶位上的药瓶都被称量，设置一个包括1 2 个部分的循环。也就是浼，每2 分钟 检测一次。从第一瓶位丌始，所有的瓶子以2 4 分钟为周期检测进入主传送带的 药瓶的进瓶顺序( 右边先进入) ，将上一个瓶位称重完成的药瓶，放在下个瓶 位开始称重的空瓶位置，以缩短循环时i 日j ，提高灌装精度n 引。 以第一和第二瓶位为例：w 1 在第一个位臀取瓶，称重和把瓶放到第二个位 置。然后，它在第三个位旨取瓶、称重和把瓶放到第四个位置。接着w l ，w 2 取 瓶留在第二的位置，重量( 完成第瓶位的检测) 和回到第三个位置和检查。然 后，取瓶、称重，第四位离丌瓶( 完成第二瓶位的检查) 和回瓶等等，如图3 2 所示2 。 1 4 武汉理1 ：人学硕七学位论文 3 2 硬件配置设计 3 2 1 传感器 无论是在小型的台秤还是大型的程序控制系统中，称重系统决定了这个程序 控制系统的准确性和可靠性，而整个称重系统的核心部件就是称重传感器。“称 重传感器如果按转换方法可分为光电式、液压式、电磁力式、电容式、振动式、 陀螺仪式、电阻应变片式