（机械设计及理论专业论文）全悬浮式散科电子皮带秤研究与应用.pdf

昆明理工大学硕士学位论文摘要 摘要 电子称重控制技术即以散料电子皮带秤为代表的称重控制技术发展 迅速，在现代工业生产中应用越来越广泛。从5 0 年代以前的机械式皮带 秤，到现代的双托辊式电子皮带秤及多托辊式电子皮带秤，称重控制技 术得到了很大的提高，但其中也存在着一些问题。主要是有两个问题是： 1 计量精度一直维持在0 5 级，继续提高的难度很大；2 控制精度很难在 物料物理性质发生变化时保持稳定。 本文分析各种秤重皮带秤的基础上提出了全悬浮式电子皮带秤控制技 术。由于传统的电子皮带秤受机械结构的限制，影响了计量和控制精度 的继续提高。本文结合全悬浮式电子皮带秤本身的机械结构的优点，提 出了一种适合多种场合应用的堆栈式计量算法，它不但适合单纯计量和 流量控制，还适合定量包装等方面的应用。本文以全悬浮式电子皮带秤 在复烤线上的应用为例，着重阐述了全悬浮式电子皮带秤在新的堆栈式 算法基础上的软件及硬件的实现。 关键词：电子称重技术全悬浮式堆栈算法 昆明理工大学硕士学位论文 摘要 b s t r a c t e l e c t r i cb e l tb a l a n c ec o n t r o lt e c h n o l o g yi sd e v e l o p e dq u i c k l ya n dn s e d m o e ea n dm o r e w i d e l y i nt h e i n d u s t r yp r o d u c i n g f r o mm e c h a n i cb e l t b a l a n c ei n5 0 st ot h ed o u b l eb r a c k e te l e c t r i cb e l tb a t a n c ea n dt h em a j o r i t y b r a c k e te l e c t r i cb e l tb a l a n c e ，t h em e a s u r ec o n t r o lt e c h n o l o g yi sd e v e l o p e d v e r ys o o n b u tt h e r ea r es o m ed i f f i c u l t i e si nt h et e c h n o l o g ye x is t i n gn o w t h e r ea r et w om a i n q u e s t i o n si n t h ed i f f i c u l t i e s o n ei st h em e a s u r e p r e c i s i o na l w a y sm a i n t a i n i n gi n 0 5 g r a d e i t sv e r yd i f f i c u l t y t o d e v e l o p t h eg r a d e t h es e c o n dq u e s t i o ni sh a r dt oc o n t r o lt h ep r e c i s i o nm e a n w h i l e k e e p i n gt h em a t e r i a l s c h a r a c t e r ss t a b l y a f t e ra n a l y z e ds o m ek i n d so fp r e c i o u sb e l tb a l a n c et h isp a p e rp r e s e n t t h ew h o l es u s p e n s i o ne l e c t r i cb e l tb a l a n c ec o n t r o lt e c h n o l o g y t h ep r e c i o u s e l e c t r i cb e l tb a l a n c ei sl i m i t e db yi t sm e c h a n i c a ls t r u c t u r e t h i sa l s o i n f l u e n c e st h ep r e c i o uso fc o n t r o la n dm e a s u r et o d e v e l o p t h i sp a p e r p r e s e n t sas t a c ka l g o r i t h m ，w h i c hc a nu s ei nm a n ys i t u a t i o n s t h i sw a y c o m b i n e dw i t ht h em e c h a n i cs t r u c t u r eo ft h ew h o l es u s p e n s i o n e l e c t r i c 、 b e l tb a l a n c e i ti su s e dn o to n l yi np u r em e a s u r ea n df l o wc o n t r o l ，b u ta l s o i nt h ef i x e dq u a n t i t yp a c k a g e t h ew h o l es u s p e n s i o ne l e c t r i cb e l tb a l a n c ei s u s e di nt h ec o a s t i n gl i n e t h i si sa ne x a m p l e ，w h i c hr e a l i z e dt h ea p p l i c a t i o n o ft h ew h o l es us p e n s i o ne l e c t r i cb e l tb a l a n c ea n db a s e do nt h en e ws t a c k a l g o r i t h mu s i n gi nt h es o f t w a r ea n dh a r d w a r e ， k e y w o r d s ：e l e c t r i cb a l a n c e t e c h n o l o g y w h o l e s u s p e n s i o n s t a c k a l g o r i t h m v 昆明理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下( 或 我个人) 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内 容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成 果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：蠡1 亚荑站 日 期：a - , , * j - 年多月2 墨日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解昆明理工大学有关保留、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，学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印或其他复制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守) 导师签名 昆明理工大学硕士学位论文第一章 第一章前言 1 1 电子动态称重控制技术概述”。4 1 电子动态称重控制技术是自动化称重控制和贸易计量的重要手段，对加强企业管理、 严格生产、贸易结算、交通运输、港e l 计量和科学研究都起到了重要作用。电子衡器具有 反应速度快，测景范围广、应用面广、结构简单、使用操作方便、信号远传、便于计算机 控制等特点1 1 。被广泛应用于煤炭、石油、化工、电力、轻工、冶金、矿山、交通运输、 港口、建筑、机械制造和国防等各个领域。 5 0 年代中期电子技术的渗入推动了衡器制造业的发展。6 0 年代初期出现机电结合式 电子衡器以来，经过4 0 多年的不断改进与完善，我国电子衡器从最初的机电结合型发展 到现在的全电子型和数字智能型。我国电子衡器的技术装备和检测试验手段基本达到国际 9 0 年代中期的水平2 。3 】。电子衡器制造技术及应用得到了新发展。电子称重技术从静态称 重向动态称重发展：计量方法从模拟测量向数字测量发展；测量特点从单参数测量向多参 数测量发展，特别是对快速称重和动态称重的研究与应用。但就总体而言，我国电子衡器 产品的数量和质量与工业发达国家相比还有较大差距，其主要差距是技术与工艺不够先 进、工艺装备与测试仪表老化、开发能力不足、产品的品种规格较少、功能不全、稳定性 和可靠性较差等。 通过分析近年来电子衡器产品的发展情况及国内外市场的需求，电子衡器总的发展趋 势是小型化、模块化、智能化；其技术性能趋向是速率高、准确度高、稳定性高、可靠性 高；其功能趋向是称重计量的控制信息和非控制信息并重的“智能化”功能：其应用性能趋 向于综合性和组合性。 a 小型化 体积小、高度低、重量轻，即小、薄、轻。近几年新研制的电子平台秤结构充分体现 了小薄轻的发展方向。对于低容量的电子平台秤和电子轮轴秤，采用将薄型或超薄型的圆 形称重传感器，直接嵌入钢板或铝板底面与称重传感器外径相同的盲孔内，形成低外形的 秤体结构，称重传感器的数量和位置由秤的额定载荷和力学要求计算决定。钢板或铝板就 是秤体的台面，称重传感器既是传感元件，又是承力支点，极大地减化了秤体结构，减少 了活动连接环节，不但降低了成本，而且提高了稳定性和可靠性。对中等或较大容量的电 子平台秤、电子地上衡，已经出现了采用方形或长方形闭合截面的薄壁型钢，并联排列焊 接成一个整体的竹排式结构的秤体，4 个称重传感器分别安装在最外边两根薄壁型钢两端 1 昆明理工大学硕士学位论文 第一章 的切口内，安装在称重传感器承力点上的固定支承就是秤体的承力支点，既减化了承力传 力机构，又节省了秤体高度，这是一种很有发展前途的秤体结构。对于大型电子平台秤， 可利用有限单元法进行等强度和刚度计算。采用抗弯刚度大的型材和轻型波纹夹心钢板 等。 b 模块化 对于大型或超大型的承载器结构，如大型静动态电子汽车衡等，已开始采用几种长度 的标准结构的模块，经过分体组合，而产生新的品种和规格。以( 5 、6 、7 ) m 长的同宽度 3 种标准模块为例，由单块、二块、三块到四块分体组合，可以组合成长度为( 5 2 8 ) m 的2 2 种规格的分体式秤体结构。当然在实际应用中，根据各行业用户的需要，选择其中 1 0 余种常用的标准规格即可。这种模块化的分体式秤体结构，不仅提高了产品的通用性、 互换性和可靠性，而且也大大地提高了生产效率和产品质量。同时还降低了成本，增强了 企业的市场竞争能力。 c 智能化 电子衡器的称重显示控制器与电子计算机组合，利用电子计算机的智能来增加称重显 示控制器的功能。使电子衡器在原有功能的基础上，增加推理、判断、自诊断、自适应、 自组织等功能，这就是当今市场上采用微机化称重显示控制器的电子衡器与采用智能化称 重显示控制器的电子衡器的根本区别。 d 综合性 电子称重技术的发展规律就是不斯的加强基础研究并扩大应用，扩展新技术领域，向 相邻学科和行业渗透，综合各种技术去解决称重计量、自动控制、信息处理等问题。例如 在流量计量，如果按照传统的理论和方法建造一套标准大流量测量系统，价格相当昂贵。 如果采用称重法即质量流量法，只要将重量和时间测量准确，大流量的测量问题就迎刃而 解了。对某些商用电子计价秤而言，只具备称重、计价、显示、打印功能还远远不够，现 代商业系统还要求它能提供各种销售信息，把称重与管理自动化紧密结台，使称重、计价、 进库、销售管理一体化，实现管理自动化。这就要求电孑计价秤能与电子计算机联网，把 称重系统与计算机系统组成一个完整的综合控制系统。 e 组合性 在工业称重计量过程或工艺流程中，不少称重计量系统还要求具有可组合性，即测量 范围等可以任意设定；硬件能够依据一定的工作条件和环境作某些调整，硬件功能向软件 方向发展；软件能按一定的程序进行修改和扩展；输入输出数据与指令可以使用不同的语 言和条形码，并能与外部的控制和数据处理设备进行通信。 昆明理工大学硕士学位论文 第一章 1 2 散料电子皮带秤动态称重控制技术概述口1 】 皮带秤起源于1 9 世纪末、西方工业发展时期。它的称重原理最早来源于斗式输送机对 散料连续自动称重的装置。这种装置于1 8 8 0 年获得了计量许可。1 9 0 8 年在英国公布了第一 个皮带秤的专利。1 9 7 0 年由英国制订了一个自动秤的检定规程。二次大战后，尤其是近三 十年来，由于传感器制造工艺和电子技术的飞速发展，给整个称重技术注入了新的血液， 激发了活力，为提高皮带秤的计量性能创造了有利条件。 皮带秤的发展大致经过了以下四个阶段： 第一代产品是纯机械式皮带秤，一般采用增量式编码器，机械式或光电式扫描码盘等， 使皮带秤的机械杠杆具有平衡条件，识别记数和启动功能。 第二代是传感器电子仪表皮带秤，检测部分一般有光电脉冲或磁脉冲变送器测速，二 次仪表用模拟积分放大电路或数字系统积分电路来实现动态称重过程的平衡、识别和累积 计算功能。这两代皮带秤只能测量、累积计算，对运行中计量性能的变化不能控制，因此 动态计量准确度较低，稳定性差在用户中信誉不佳，逐渐被第三代、第四代皮带秤取代。 第三代、第四代是传感器微机式皮带秤和微机智能化的皮带秤。微处理机引入皮带秤使电 子元器件结构、内容和集成化程度大大提高。生产厂家可以根据现场使用条件去满足用户 的愿望。 散料皮带秤的结构形式、种类较多，分类的方法多种多样，至今仍不统一。以称重传 感器的工作原理进行分类的有：电阻应变式皮带秤：差动变压器式皮带秤：压磁式皮带秤： 核子式皮带秤和陀螺式皮带秤等。其中以电阻应变式的产品最多。以秤架结构形式进行分 类的有：单托辊式皮带秤：多托辊式皮带秤：平行板簧式皮带秤和悬臂式皮带秤等。在烟草 行业中，以用途进行分类的有： a ) 计量型电子皮带秤： b ) 控制型电子皮带秤： c ) 配比型电子皮带秤： d ) 定量型电子皮带秤： 1 3 散料电子动态称重技术及国内外发展情况陆4 】 散料电子动态称重技术早已引起一些技术先进国家的有关机构和科技工作者的重视。 这些国家多数建立了皮带秤的专门研究试验基地，从事这方面开发研究的学者和科技人员 也愈来愈多。据不完全统计，从1 9 8 0 年至9 0 年代，国外有关皮带秤的专利就有7 0 多项，其 昆明理工大学硕士学位论文第一章 中苏联最多，其次是日本，这些专利大多数是提高动态称量准确度和改善检测方法的技术。 由于广大科技工作者的共同努力，目前皮带秤的计量准确度和现场使用的稳定性有了很大 的提高。 1 3 1 国外动态 美国设置有专门从事散料称重和控制的技术服务公司，有偿地为工矿企业中的皮带秤 进行各种咨询和技术服务，确保了这种秤在现场使用中的计量性能。荷兰菲利普( p h i l i p s ) 公司的专家从1 9 6 6 年开始在该公司的试验装置上经过反复试验研究，提出了多托辊皮带 秤的计量性能优于单托辊的理论，成了高精度皮带秤在机械秤架设计方面的一个新起点， 6 0 年代初美国t h a g e r 衡器公司的f ”h y e r 博士用应交能法建立了皮带秤称重力测量的数学 模型，为皮带秤动态定量误差分析提供了可行的途径。北欧的瑞典、挪威在皮带秤的现场 维护技术上有出色的成就，这些国家早就把皮带秤做为散料进出口贸易结算的公证秤，使 用中的计量准确度为( 0 2 1 3 2 国内进展情况 国内从5 0 年代开始设计、制造了滚轮式机械皮带秤。n 6 0 年代后期传感器电子仪表式 皮带秤开始与用户见面，直到7 0 年代末。这种秤限于当时国内传感器制造工艺和电子技术 的水平，其使用中的准确度和稳定性较差，在用户中的信誉不佳。1 9 7 9 年国内第一台多托 辊皮带秤在湖南湘潭钢铁厂投入使用之后，从事皮带秤研究制造的单位愈来愈多。8 0 年代 随着改革开放，又从美国、日本、德国等国家引入了皮带秤的设计制造和计量检测技术， 使我国皮带秤技术有了较大的发展。其主要标志如下： ( 1 ) 十年中国产皮带秤的技术指标提高了一个数量级，有几个厂家的产 品其检定精度达到了士0 2 ，获得了用户的信任，进入了国外同类产品的先进行列。 ( 2 ) 皮带的速度检测和动态参数跟踪自校，这两项应用技术有了突破性创造，获得了国 家技术专利。 ( 3 ) 建立了多套皮带秤试验装置，为新产品开发和计量性能的检测提供了试验研究条件。 ( 4 ) 开发出一批性能良好的皮带秤专用二次仪表尤其是微机智能化仪表己投入现场使用。 ( 5 ) 一种单弹性无杠杆的平行簧板式教料称重装置研制成功，为工艺秤的更新换代开创 了一种新途径。 皮带秤国家标准和检定规程的发布，使皮带秤产品规范化有了依据。皮带秤的检测技 4 昆明理工大学硕士学位论文第一章 术受到广泛的重视。 1 4 国内烟草企业概况 8 0 年代，电子皮带秤随着烟草制丝线的引进，才开始有规模地在国内使用：在随后的 的技术发展过程中。主要是国外推出的新产品国内测绘、仿制，到了9 0 年代，国内的新 产品开始不断推出，在机械输送机部分和电控部分都有创新，但真正具有国内自主产权应 用于烟草行业的电子皮带秤直到9 0 年代未才出现。如：现在熠厂使用的进口的电子皮带秤， 有h a u n i 公司的刀口刀承式皮带秤，c o m a s 公司的十字簧片式电子秤，g a r b u i 公司的平行簧 板式皮带秤，l e e g 公司的内十字簧片式皮带秤，这些皮带秤，代表了国外电子秤的最新技 术水平，其中，h a u n i 公司的秤和c o m a s 公司的秤在国内用量较大，最近，这两种秤都有了 许多改进，但大的结构末改，计量精度仍是0 5 。烟厂使用的国内主要是云南昆船电子公 司的双杠杆双托辊电子皮带秤。 1 5 课题背景 某复烤有限公司现有两条1 2 0 0 0 k g h 的打叶复烤线，年复烤烟叶约1 2 0 万担。建成投 产以来，技术和管理水平不断进步，生产质量及产量一直稳步提高。仍有较大的生产潜力 可挖。如直接影响烟叶质量的流量、温度、水份三要素均未能得到有效的控制，特别是进 入一润、二润及烤片机的烟叶流量完全处于手工操作状态，人工操作不易及时准确地判断 与调整流量参数，加之人工经验和责任心的不同，就更难保障烟叶流量稳定在较好状态上， 致使烟叶质量、产量及设各运行效率的提高受到严重制约。 具体表现在： ( 1 ) 、润叶机负荷难以稳定在一个较好的状态，流量的变化造成润叶机内负荷波动， 从而造成温度、水份及烟叶充填率的变化，人工操作时难于跟踪这些变化，致使烟叶水份、 温度、润透率大幅波动，造成打叶过程中烟叶造碎率增加。 ( 2 ) 、由于烟叶流量的变化，人工操作不易跟踪这种变化并及时调整蒸汽流量，从而 造成烤片温度及烟叶水份的较大波动，直接影响片烟质量。 ( 3 ) 、流量的波动，常易造成打叶复烤线设备的欠载或超载，空料、堵料，增加能耗 及成本，降低了设备的运行效率。 针对以上问题，如何准确实时地检测、控制打叶复烤线上各生产环节的烟叶流量，是 进一步提升复烤片烟产品质量，降低烟叶造碎率，增加尚片率的关键问题。 进一步提升复烤片烟产品质量，降低烟叶造碎率，增加出片率的关键问题。 昆明理工大学硕士学位论文第一章 1 6 课题需要解决的问题 目前，在国内复烤企业中，由于烟叶的物理特性( 流动性、粘连性等) 极易造成堵料、 空料，因此实现烟叶流量控制长期以来一直是个技术难题，即使有的实现流量控制也是采 用秤桥张力型电子皮带秤完成的，其控制精度及稳定性较差，也就是说，长期以来，打叶 复烤线上烟叶流量控制一直未能得到根本性的解决，这种结果客观上是由把烟及片烟物理 性质及流量偏大造成的，本质上还是没有研制出一种适应把烟、片烟的计量控制技术与设 备。 传统解决烟叶、烟丝流量计量控制的技术有两种，一种是秤桥张力型电子皮带秤的计 量控制技术( 如豪尼秤、昆船秤、c o m a s 秤) ，另一种是核子放射型电子皮带秤计量控制技 术。由于秤桥张力型电子皮带秤的计量原理是通过检测皮带张力间接转化为物料的重量， 其结构易受皮带跑偏、机械磨损等因素的影响，其准确性、可靠性、稳定性、可维护性都 难于满足烟叶流量控制的要求。核子皮带秤因其受物料性质及水份的影响难于适应烟丝性 质频繁变化。 对于打叶复烤线而言，急需一种新型电子皮带秤及流量控制技术，以弥补以上两种电 子皮带秤的不足，彻底解决打叶复烤烟叶流量控制问题。 1 7 课题所要达到的技术指标及功能 流量控制指标 a 、计量精度：0 5 b 、流量控制精度：2 6 昆明理工大学硕士学位论文 第二章 第二章电子皮带秤原理分析 2 1 常规托辊电子皮带称的结构“1 皮带秤一般由六大部件组成( 图2 1 ) 1 称架2 称重传感器3 测速传感器4 现场放大器5 工控计算机6 显示器 图2 1 皮带秤结构示意图 物料在输送状态下，皮带秤的称重是利用称重传感器和测速传感把 皮带上通过的物料重量与皮带速度转换成电信号。现场放大器对两组信 号进行适当处理，输送给主控制计算机进行积算、调节、控制等。最后 从显示器给出称重累计结果。这是皮带秤自动、连续累计称重的过程， 方框图见图2 2 。 图2 2 皮带秤电气原理图 7 昆明理工大学硕士学位论文 第= 章 2 2 常规托辊电子皮带称计量工作原理1 一般情况下，只要知道某段皮带长度上物料的瞬时重量及同一时刻的 皮带行程或皮带速度，就可以得到皮带输送机所输送物料的流量。 为了测量某段皮带长度上物料的瞬时重量，可以通过测量某一托辊或 几个托辊上所承受物料的重量，测量方式可以连续采样也可以周期采样。 所测得的物料瞬时重量再与皮带速度或皮带行程进行运算，得出物料流 量和累计重量。这里物料流景的概念通常指的是某一瞬间物料的通过量， 而累计重量是指一段时间内物料的通过量。 ( a ) 积分法 当皮带输送机输送物料时，连续测量称重托辊上单位长度上的荷重 值q ( 千克米) ，并与同一时刻的皮带速度值u ( 米秒) 相乘，则所得 的乘积等于物料的瞬时流量： w ( t ) = q u ( 3 一1 ) w ( t ) 物料的瞬时流量，千克秒 上式中算出的瞬时流量是整个秤台的平均瞬时流量。 由于皮带上的物料量不均匀和皮带速度的变化，所以 积流量w 应该是瞬时流量w ( t ) 对时间的积分值，即： 一 玎 w 2 w ( t ) c t t 。j oq ( t ) u ( t ) d t 式中：q ( t ) 一瞬时荷重值； u ( t ) 一瞬时皮带速度。 电子皮带秤的速度u 可由下式求得： u ：鱼( m s ) t 式中：t 一走过j l 长度所需的时间 j l 一采样间隔 ( b ) 累加法 t 时间内的累 ( 3 2 ) ( 3 3 ) 昆明理工大学硕士学位论文第二章 图2 3 累计量w 的计算：当皮带机运行时，每当皮带移动一段行程s 时就 测量整个秤台上的重量一次( 此时算出的重量是经过加权算法算出的秤 台重量，这个整个秤台的实际重量值可能存在偏差。) ，之后算出s 段的 重量值去q ；。当某段时间内皮带移动的形成为n s 时，可以把n 次所测量 出来的重量值相加，得出这段时间内累计重量值，如图2 3 所示。 w = ( q 1 + q 2 + 9 3 + + 口。) ( 3 - 4 ) f 1 1 将累计量对时间的微分，可以求出瞬时流量。 w = 警 2 3 主要执行传感器的分析邛“叫 2 3 1 称重传感器 ( 3 5 ) 称重传感器是皮带秤力与电转换的核心部件，称重传感器按变换原 理分类。主要有：电阻应变片式、差动变压器式、电容式、压磁式、压电 式等。目前国内已能生产0 0 2 一0 0 5 f s 的电阻应变式传感器，国外技术 水平在0 0 1 一0 0 2 f s 之间，因此，目前使用的皮带秤中，绝大多数采 用了电阻应变片式称重传感器。本节以电阻应变片式传感器为代表来论 述其特性参数、结构特点及秤架的联接方式。在烟草行业中，目前在使 用的皮带秤中，绝大多数采用德国h b m 的波纹管电阻应变式传感器：最近， 美国托力多公司的波纹管电阻应变式传感器，以及西班牙的传感器都有 使用。 9 昆明理工大学硕士学位论文第二章 2 3 1 1 称重传感器的特性参数 称重传感器是电子皮带秤的关键部件，它的性能指标在很大程度上 决定了电子皮带秤的精度和稳定性。因此，当我们设计电子皮带秤时， 应对称重传感器的基本特性有充分的认识。称重传感器性能参数，除零 点不平衡输出外，对皮带秤的计量性能都有程度不同的影响。 皮带秤是一动态计量器具，在运行中受皮带运输系统中多种因素的影 响，所以在选用称重传感器时比其它种类的电子秤对称重传感器有更多 的考虑。 2 3 1 2 秤重传感器的结构形式 称重传感器的结构形式较多，主要根据用途和传感器与秤架的联接 方式来定。 2 3 1 3 传感器与秤架的联接 在这个问题上，有许多的经验和教训，传感器的联接装置，在皮带 秤整个称重系统中占有相当重要的地位。在皮带秤动态计量时，如何克 服振动，偏载等多种因素的影响，将重力准确地传递到传感器是一个不 可忽视的环节。如果没有合理地安装称重传感器以及没有性能良好的联 接装置，即皮带秤秤架设计得再好，传感器准确度再高，也不能得到很 高的系统准确度及其长期稳定性。对于同一个称重传感器，由于采用不 同的联接器，其效果是大不一致的。甚至于采用同一种类型传感器而仅 仅是联接器韵加工和安装的准确度不致时，可使准确度从0 0 1 一0 0 2 降为0 0 5 一一0 1 。理论和实验表明，联接装置必须能将重力准确地传递 到称重传感器上，其作用力必须通过传感器的轴心( 如图2 4 所示) 。图2 5 显示了在f v 未通过传感器的轴心，所产生的分力时情况，分力f 造成了系 统准确度的降低。 i o 昆明理工大学硕士学位论文第二章 圈2 4 力通过轴 图2 5 力未通过 对于皮带秤的传感器联接装置不仅在理论上需要有消除测向力的结 构设计，而且在传感器联接器的加工和安装也要保证一定的精度。这是 因为皮带秤是动态计量器具，在计量时，图2 - 4 中的倾角是不断地抖动， 变大或变小，重力的作用点在传感器轴线的四周一定的范围内游移，其 分布规律里正态分特性。正常工作时，如果重力的作用点能在传感器轴 线周围和某点周围自如地游移，并不影响皮带秤的准确度。但假若重力 作用点产生了较大偏移，从某一点偏移到另一点而不能自如地游移，即 正态分布的均值发生了变化x 。平均值x 。平均值，那么就造成了系统的误差 ( 如图2 6 所示) 。 图2 6 系统误差 所以，如何保证联接装置的加工和安装精度也是一个关键点，特别 对于小量程的皮带秤来说，皮带秤的振动常使作用点产生偏移，在皮带 秤动态计量过程中，从某点偏移到另一点，造成了系统误差。通常要求 传感器的连接有如下要求： 昆明理工大学硕士学位论文 第二章 ( i ) 能有效消除测向力的影响； ( 2 ) 在动态过程中，重力作用点不允许产生偏移只允许围绕某点产生星 正态分布规律的游移。 ( 3 ) 便于安装、维修： ( 4 ) 标准化、系列化和整体性好： ( 5 ) 成本低、加工简单。 2 3 2 测速传惑器 测速传感器也是皮带秤称重系统中的一个重要环节。皮带秤称重系 统，主要是检测两个物理量，一个由称重传感器拾取重力信号，另一个 检测皮带的线速度，然后将这两个量进行积算。速度检测的准确程度， 直接影响到皮带秤的准确度。测速传感器主要分数字式和模拟式两种。 当前国内外普遍使用数字式测速传感器。过去使用的模拟式测速传感器 来检测发电机输出电压的方式不再使用。在此不作讨论。 数字式测速传感器按拾取速度信号的方式分类，分为接触式和非接 触式。从测量原理上来分类有：测脉冲频率式( 测频式) 邪测脉冲周期式 ( 测宽式) 。按信号转换方式上可分为：磁一电式和光一电式。接触式测速传 感器的磨擦轮又分窄式和宽式，按测量磨擦轮的宽、窄的种种组合，形 成了各式各样的测速传感器。国外有的厂家甚至采用“多谱勒”原理测 速。国内已经在开发“多谱勒”原理的测速装置。现在比较常用的测速 传感器有： 1 接触式测速传感器 接触式测速传感器是目前最为流行的测速方式。基本方法是由一磨 擦轮接触运输带。当运输带运动时，测速传感器的转轮依靠和运输带之 问磨擦力转动，带动测速发电机或光一电转换装置，进行测速。这种测 速方法的优点是结构简单易行。缺点是磨擦轮不能准确地反映皮带线速 度。造成测速误差大。 2 非接触式测速传感器 非接触式测速传感器，无机械装置和运输带接触。工作方法为光一电 式和磁一电式两种。 1 ) 光一电式测速传感器 昆明理工大学硕士学位论文 第二章 光一电式的基本方法是在运输带表面嵌入许多光亮的金属薄片，当 该金属薄片通过光源时，产生一个光的反射信号给光敏管或光电池，通 过检测单位时间内反射信号的个数，或者测量两个信号之间的时间间隔， 便求得运输带的实际线速度。实际应用问题表明，非接触光一电式测速 方法。只能应用在特定的环境条件下，使用的局限性很小，所以在普通 的皮带秤上很少采用。但可以应用在食品、商品等环境条件较好的皮带 运输计量上。 2 ) 磁一电式测速传感器 非接触传感器中的磁一电式测速原理和光一电式测速传感器的测量 原理相同，在理论上可以直接测出运输带的线速度，而且，相对光一电 式非接触测速传感器具有一定的实用性。这种方法的缺点是：运输带在行 进中不是平衡行进，一旦运输带发生跳动，磁接收器便不能正常工作， 易遗失信号。 通过对光一电式和磁一电式非接触式传感器的分析，可以认为，非接触 式测速传感器在理论上是正确可行的，可以消除“打滑”等接触式测速 传感器无法克服的问题。能达到直接检测运输带线速度的目的。但在实 际使用时仍存在许多实际问题，有待于进一步解决研究开发更具有实用 性的非接触式测速传感器。到目前为止，在国内、外非接触式测速传感 器尚未广泛应用。 2 3 2 测速信号的处理方法 测速传感器对检测到的信号处理方法有两种。一种是检测单位时间 内脉冲个数，称测频式。一种是接触式测速传感器为例说明测频和测宽 方式的基本原理。 1 ) 测频法 运行中的输送带通过和测速传感器的磨擦转轮之间的磨擦作用，使 其磨擦旋转，磨擦轮的旋转又拖动一个带有小孑l 的圆盘同步转动。光在 圆盘转动时，间断地阻挡光敏元件接收光线，光敏元件的输出端输出脉 冲信号。当运输带线速度越高，圆盘旋转也越快，光敏元件输出端的脉 冲宽度变的越窄，换言之，单位时间内脉冲个数也越多，反之就越少。 采用测频法，可以直接计取单位时间内的脉冲数来表示速度值，但是由 昆明理工大学硕士学位论文 第二章 于机械加工的困难，很难在一个有限直径的圆盘上加工很多孔，加工出 1 0 0 2 0 0 个孔己是比较困难了，采用磁一电转换同样也很难在有限的周长 下发出1 0 0 0 个以上的脉冲。所以，通常的接触式测速传感器其分辩率小 于0 0 2 ，可见要提高测速准确度是十分困难的。 2 ) 测宽法 在采用电脑来处理测速信号后，出现了一种新的测速方法，即测宽 法，在使用同样的测速装置，加上适当的硬件和软件便可大幅度提高测 速的分辩率。这种测宽法的测速传感器，分辨率可达0 0 0 5 一0 0 1 。 2 4 几种常见的称重装置( 秤架) 分析n q 皮带秤的称重装置是指皮带秤的负荷承受部分，简称为秤架。秤架 装在皮带输送机上，皮带上通过的物料重量由称重传感器和测速传感器 进行迅号转换。在转化过程中，由于“皮带效应”对秤重结果的影响甚 大，为了减轻这种影响，人们研制了各种各样的称架。几种典型的秤粲 结构形式介绍如下。 2 4 1 单托辊秤架 2 。4 1 1 单托辊秤架基本结构 单托辊秤架是指皮带输送机上只有一组托辊对物料重量进行力电转 换，我们称这组托辊为称重托辊。与他相邻的前后一组固定托辊称为过 渡托辊。具体结构有直接支撑和杠杆式两种类型。在杠杆式中又分为带 韶置平衡重物和不配平衡重物两种。图2 7 是带配置平衡重勃的杠杆式单 托辊称架示意图。 1 4 昆明理工大学硕士学位论文 箱二章 1 输送带；2 平衡重物；3 支撑架：4 杠杆：5 称重传感器 图2 7 带平衡重物的杠杆式单托辊称架示意图 从上图中看出，用移动平衡重物的方法可使空皮带机施加在称重传感 器的预制力调到适当数值然后电路调零，确保物料的实际称量量程。 2 4 1 2 单托辊秤架秤架受力析 单托辊秤架的受力状况如图2 8 的箭头线所示。 - 、 1 图2 8 单托辊秤架的受力图 称重托辊的运行状态所受的力f ，可分解成垂直分力n 和水平分力 h 。e 是杠杆支点到称重托辊中心的距离。称重传感器上的压力p 可由 力矩方程式导出。即： p x f 2 = n x l l + h p p = n + k 2 h 式中，力h 是“皮带效应”引起的对称重结果有害的水平力。这是 昆明理工大学硕士学位论文第= 章 单托辊皮带秤计量准确度不高、稳定性差的主要原因。 2 4 2 多托辊双杆杆秤架 由两组或两组以上称重托辊组成的秤架叫多托辊秤架，具体结构又分 为双杠杆和悬浮式两种类型。与单托辊秤架一样，这两种类型的多托辊 秤架，每一类型都有配置平衡重物和不配置平衡重物的两种型式。 图2 9 是两组对称杠杆分别支承一组到四组称重托辊的结构。 弋 ， 二。、 罗j e 。、 。 1弋夕 1 门 f | | ih 夕n t h 2 5 l 图2 9 双杆秆秤聚不葸图 这种秤架的两组对称杠杆一般装在输送机纵梁的内侧。两杠杆的终端 用簧片支点支承在输送机纵梁上，起始端通过吊挂系统与称重传感器一 端连在一起。秤架中间，有一个和机架连在一起的龙门框架，框架上配 置有平衡机构，与传感器另一端连接。或者有一根横向装在输送机纵梁 上的支撑梁和传感器另一端连接，使对称杠杆机构( 通过称重托辊) 把 承受物料的重力传递给称重传感器。称重传感器装在输送机上方，维护 昆明理工大学硕士学位论文第二章 方便。 双杠杆多托辊秤架秤架受力分析：双杠杆多托辊秤架，同样因“皮带 效应”产生水平分力而影响称重结果。但由于这两组杠杆对称，可以使 水平分力h 对称重结果的影响大小减小。理论分析如下： 在图2 - 9 中，设n ，= n2 = n 。= n 。= n ( 均匀分布的载荷) 贝帅1 = h2 = h3 = h = h 现在分别对弹簧片支点取矩则 9 t 5 西厂 6 z p 1 + p 2 2 西 3 7 一3 m 9 ：2 j j 广 式中n 一称重托辊的正压力： h 一称重托辊上的水平分力； e 一簧片支点中心到h 力作用线的距离： l 一称重托辊间距： p 一传感器所受的拉力； 从受力图2 8 可知： ( 1 ) 当水平力h 作用线与簧片支点中心在一条水平线上时，e = o 。 即使秤架两边负荷不均匀，水平力矩h e = 0 ，对称重结果没有影响。 ( 2 ) 当秤架两边载荷均匀分布，称重托辊组装对称，水平力h 作用线 与簧片支点中心不在一条水平线上，e 转0 。秤架左i 右力矩也相等， 且方向相反，合力矩仍然等于零。对称重结果没有影响。 ( 3 ) 当称架两边载荷不均匀分布，称重托辊组装不对称，水平力h 作 用线与簧片支点中心不在一条水平线上。在这种情况下，虽然秤架两边 左、右矩不相等，但方向仍相反，大部分有害称重结果的力矩被抵消， 对称重结果的影响大大减小。 这是多托辊双杠杆秤架结构的计量险能优于单托辊秤架结构的理论依 据。 昆明理工大学硕士学位论文第二章 2 4 3 悬臂式秤架 i 杠杆 2 支撑架：3 传感器；4 平衡物；5 布料器；6 料斗：7 输送带 图2 1 0 悬臂式秤架示意图 从图2 1 0 中调节前端的平衡物4 ，使输送机空载运转时，称重传感 器承受适量的预置力，然后电路调零。此时当皮带上通过物料时，称重 传感器以悬臂方式承受物料的重力。这种秤架的计量性能与输送机设计 结构关系很大，一般应做到： 物料的下料点应在支承点2 的上方，熬机运转过程中下料点。的位 置变化要小：在现场安装位置允许的条件下，力臂设计尽可能长一点电 机和滚筒在输送物料时的振动要小：张力调整时不改变支点位置和力臂 2 4 4 悬浮式秤架 图2 1 l 是云南昆明船舶电子有限公司设计和生产出的样机。悬浮式 秤架与非自动平台秤相类似，称重平台由称重传感器支承，称重托辊装 昆明理工大学硕士学位论文第二章 在平台上。悬浮式秤也有配置平衡重物和不配置平衡重物两种结构。 己34 图2 1 1 双杠杆秤架示意 在图2 11 中去掉平衡杠杆，把称重传感器直接支承在悬浮平台的两 端，就成了不带平衡重物的悬浮式秤架结构。一般簧片支点高度选在略 高于水平托辊中心线的位置较好。 2 4 4 秤架结构优越性对比 a ) 单托辊秤架有结构简单、造价低的优点，但计量准确度较低，运 行稳定性较差。一般只适于准确度要求不高的配料控制计量。 b ) 多托n 辊秤架是高准确度皮带秤采用最多的一类结构，目前应用这 种秤架，配合先进的主控机，使皮带秤的计量检定最大允许误差为o 5 。 主要优点有： 计量性能稳定可靠，由于多托辊秤架使称重有效长度增长，称重托 辊的组数增多，秤架的整体性能比单托辊秤架大大改善。皮带在运行过 程中零点和示值的稳定性增强，置信度增高。 抗干扰能力强。通过试验，多托辊秤架物料流量变化的干扰、皮带 跑偏干扰、物料块度大小不均干扰等能力都比单托辊秤架要好。 这种秤架的缺点是结构设计比较复杂，造价较高。由于准确度高，现场 日常维护检测要求较严。 c ) 悬浮式皮带秤具有结构简单、造价低，且计量精度高，运行稳定 维护量小。 其结构优点有( 1 ) 刚性好、位移小、对称性好； ( 2 ) 消除了水平力对称重的影响； ( 3 ) 不需维护的无摩擦支点； 1 9 昆明理工丈学硕士学位论文第二章 2 5 本章小结 ( 4 ) 皮带跑偏的影响降至最小； ( 5 ) 垂直方向的表面积小，积灰减少 ( 6 ) 方便安装的组合式结构； ( 7 ) 结构简单，制作方便； ( 8 ) 称重传感器承受的物料荷重大； ( 9 ) 称重传感器承受的皮重最小。 本章系统阐述了常见的几种电子皮带秤的计量原理及电子秤的发展 情况和分类，详细说明了几种电子皮带秤的秤架结构并对几种秤架结构 的优缺点进行了对比。为提出新型的电子皮带秤奠定了基础。 2 0 昆明理工大学硕士学位论文第三童 第三章全悬浮电子皮带秤的研究与实现 3 1 烟叶复烤企业称重工作特点分析 1 连续工作时间长，复烤企业每天生产实践达到2 3 小时。所以对设备的连续工作能力要 求比较高。并且留给工人的维护时间短。 2 物料在各个工位的物料性质不一样，其表现在水分、温度、形状的不同。 3 对设备的自动化水平要求高，由于是连续作业，所以要求设备要有尽量少的操作步骤。 操作界面友好。 基于复烤企业的以上特点，在设计电子皮带秤是有以下几点基本要求： 1 ) 电子皮带秤的秤架要保证在长时间工作情况下不变形。 2 ) 电子皮带秤的电气部分的故障率降到最低。 3 ) 电子皮带秤的校验工作要简单。 4 ) 电子皮带秤的日常维护小。 3 2 全悬浮电子皮带秤与现有技术比较及先进性 目前在复烤企业常用的流量控制及计量方面的皮带秤有以下几种： l 、计量管控制 2 、张力型托辊式皮带秤流量控制 3 、核子秤流量控制方式 下面列举了全悬浮秤与以上几种控制秤的对比情况： 3 2 1 全悬浮电子皮带秤与张力型托辊称的秤架结构比较 由于全悬浮秤架的特点，使全悬浮电子皮带秤具有如下特点： a 、计量时不受皮带硬度、张力、跑偏、振动及惯性力等因素的影响； b 、计量时不受物料性质、物料偏载、水份变化的影响； c 、动态计量准确度高( 可达0 2 5 级) ，长期稳定性好； d 、只需砝码校秤，校秤过程为全自动； e 、计量精度，控制精度可自动测定，自动打印测试结果； f 、可靠性高，维修量少( 相当于一台普通带式输送机的维修量) ： g 、性能稳定：性能稳定是比精确度更重要的指标。如果一台秤的性能不稳定，零点、 昆明理工大学硕士学位论文第三章 满值经常都在变化，那么高精度的称重就无从谈起了。全悬浮电子皮带秤在现场 运行时，在不调零点、不调满值的情况下，往往可以在几个月内仍然能保证其称 重精确度； h 、环境适应性好：工业现场电子皮带秤的使用条件往往不理想，如环境多尘、物料 偏载、皮带跑偏、给料量不均匀等等，而全悬浮秤架对此适应性较强。 3 2 2 全悬浮电子皮带秤工作原理 3 2 2 1 全悬浮式电子皮带秤堆栈式计量模型 通过总结以前的悬浮式电子皮带秤在计量模型上的不足，在托辊式电子皮带秤的计量 模型的基础上结合全悬浮式皮带秤的结构优点建立一种新的计量模型。这种模型可以适合 各种用途的皮带秤，特别适合落料式电子皮带秤。图3 1 时全悬浮电子皮带秤示意图。 所谓落料式电子皮带秤就是计量物料落下秤台的重量，普通的皮带秤，由于受结构和 算法的限制计量的物料重量是落下秤台的重量与秤台上一部分重量之和。通过前面的分 析，普通皮带秤的瞬时流量其实是整个秤台的平均瞬时流量，而不是秤台落料口处的瞬时 流量，这对物料的配比影响比较大。基于以上原因提出了能适用各种场合的堆栈式计量模 犁。 图3 1 全悬浮电子皮带秤示意 累计量w 的计算：当皮带机运行时，当皮带移动一段行程s 时测量整个秤台上的重量 一次，之后算出s 段的重量值q ，。由于整个秤台的长度是固定的，可以用编码器的脉冲来 确定s 。段物料落下秤台时候进行累加。即把秤台上的n 段物料看成一个堆栈。 w = ( g l + 口3 + 日3 + + g 。) ( 3 一1 ) r = l 昆明理工大学硕士学位论文第三章 瞬时流量w ( t ) 的计算，如图所示，当s 段物料输送到出料口处时的皮带瞬时速度为1 1 ， 瞬时流量可由下式算出： w ( t ) ：旦塑 j 式中： 鼋f 一为s 段物料的重量 u 一为物料到处料口处的瞬时速度 s ，一为物料s 段的长度 3 2 2 2 流量控制原理 ( 3 2 ) p l c 装置将采集到的重量信号与速度信号进行乘积运算，得到瞬时流量q n ，瞬时流量 与远程流量设定信号进行比较，得到q = q