（控制理论与控制工程专业论文）酱料包在线测量与控制系统设计研究.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的学位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。据我所知，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，也不包含为获得重麽邙电太堂或其他教育机构 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谢意。 学位论文作者签 签字日期口莎年6 月j d 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 重麽蜜e 鱼太堂有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅 和借阅。本人授权 重迭邮电太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 导师签名： 昆索讨 签字日期：矽5 年6 月r o 日 重庆邮电大学硕士论文摘要 摘要 方便面等的酱料包生产虽然实现了较高程度的自动化生产，但由于酱料包生产 后为链状的特点，目前重量检测仍采用人工剪下称量的方法。人工称量间隔时间长， 使调节的实效性差，可能造成包重持续不足或超量；剪下的酱包要粘贴回酱料包链 上去；加减酱的调节要暂停酱包机造成生产的暂时中断。目前的测控方式对生产造 成了很大影响，急需改进。 为解决酱料包生产过程中的重量在线监控问题，系统综合运用激光传感器完成 位置检测、机械执行机构完成料包传动，气压定位装置实现料包姿态控制，采用高 精度电子天平获取重量信息，根据酱包实际重量完成数据拟合处理，获取单袋称量 重量，完成在线袋重称量，并根据设定值进行加减酱控制，控制信息经a 蝌总线 传输给单片机控制的步进电机调节装置，实现加减酱调节。系统采用a 眦l 公司 的a = r 9 1 s a m 9 2 6 1 处理器，并移植了1 i 1 1 _ u ) 【操作系统，编写了1 i n ：1 1 x 下的驱动和控制 程序。 本系统解决了当前被称量物在相邻物较强作用下的测量问题，使整个监控过程 不再需要人工将链状连接的料包剪断而可以在线连续进行，提高了监测的时效性和 监测精度，降低了生产超耗，极大的提高了生产效率。本系统能实现对非匀质的粘 稠酱料酱料包链状连接状态下的在线称量控制，对于方便面类酱料包的生产质量控 制有着重要意义，是他们当前生产中急需要解决的难题。 关键词：在线监控，姿态调整，重量称量，酱料包 重庆邮电大学硕士论文摘要 a b s t r a c t l o u 曲s a u c e sp a c k a 咎so f 灿枷h a d b e e l lp m d u c e dr e l 撕v e l ya u t ( ) m a 蛞c a l l y m e w e i g 陆唱m e m o ds t i u1 l s e dm 哪u a ls h e a e dm o d eb e c a u s em es a u c e sp ac _ k a g e sa r e 础砌1 i l ( ec h a i l l t h e 锄砑v a l 石i n eo f m 锄u a lw e i g h i l 培i ss ol o n g 1 a tr e a lm m e 喇删n ge 伍c a c yi sp o o r w i l i c hm a yr e s u hi np a c k a g e sc o m m 1 的u si 1 1 l a d e q u a c yo r o v e r 、e i g h t s ow eh a v et os t 叩n ( 删叩硎o n t o 砌蜮n l e s a u c e sq u a n t i 坝i tc a l lc a u s e 姗c t i o nd i s c o n t i l 俩i 墩锄dm es h e a r e dp a c ：k a g e ss h o u 埘b ep a s t e dt 0 1 e ns a u c e s p a c k a g e s a tp r e s 毗m em e 嬲u r e m e n t 锄d 1 1 1 仃0 1m 劬o d sa r eu 曙e dt 0i 1 1 1 p r o v eb e c a l l s e o f i t s 鼬啪gi i l n u e n c eo nt h em 锄u 白c t u r ep r o c e s s t br e s o l v e l e 椰b l e mo fn l e0 n 一1 i n ew e i g h i i l gm o i l i 蜘n gi n l es a u c e sp a c k a g e s m a i m f a 咖血gp r o c e s s ，w ed l w e l 叩e d 廿1 es y s t e i n 锄p l o y i n gl a s e rs e i l s i d rf o rp o s i t i o n 出淮她a n d 如a c 城n es ) r s t 锄断p a c k l g e 缸跚s i ：n i _ t t i n g ，缸l dp i l e l 叨均：氐p o s i t i 咄d 删记e f 砸c a l n 仃0 1 1 i n g 弘出g es i n i a 虹o n w b c a na c q 毗 w e i g h t i n 内衄哦i o nw i m m e 1 1 i g h 伽i s i o nd e 曲r o i l i c sw e i g 血gs c a l e ，锄d 唧l e t ed a 土a 丘t t i i 培a 1 9 0 t 0g e tm e s i l l 砻ep a c k a g ew e i g h to nn l eb a s i so f 廿l er e m 、) l ，e i g mo fp a c l ( a g e s t h e nw e 印p l y e d c o 玎血o la l g 嘶吼t og e t 1 ei i l c r e a s eo rd e c r e a s es a u c e s ，a n dn l ec o 曲的li i l f 0 1 m 撕o n t 1 1 r o u g hm ec a n b l l sw a s 扛：娜r t e dt 0m e 曲币m 咖ra d j l l s t i r 唱d e v i c ew i l i c hc 0 眦l l e d b yl n i c 0 _ c o n n i o l l s o i tc a nr e a l i z es a = u c ea 两l l s 血g 1 ks y s 衄na d 叩t s 吐l e 瑚m 也l c 伽叩a n y sa r 9 1s 气m 9 2 61p r o c e s s o r ，a n d 衄l s p l a n t sn l ei j n l l ) ( 0 p e r a 血gs y s t e 驰u 1 1 d e r w l l i c hw ec 伽p i l e d 廿l e 血v e 砸1 dc 0 i n 的lp r o 毋a m t h es y s t e ms 0 1 v e d 廿1 ew e i g h tm e a l s u 血培p r o b l 锄o f 也ep r e s e mw e i g h t e d 鼢u c e s p a c k a g e a f 诧c t e db y 砌a c e ms a u c ep a c k a g e i tc a ni 1 1 s u r em em a c l l i n ew o r ka l l t ( 删c a l l y 诋u tm a r l u a ls h e 卸e dm ep a c k a g e sc h a i l li n 也ew 】吣l em 砌咄p r o c e s s ，孤di t n e e d l l ts t 叩s a u c c sp a c i ：唱e sm a c l l i n ef 0 r 砌咖e i i t s ，廿】_ u sm o l l i t o r i i 培廿m e l i i l e s s 锄d a c c i i 瑚叼，i sj 1 1 删e 也m ep r o d l 珧r ee 伍c a c l yi si 1 1 c r e 嬲e d 伊e a n y ，孤1 dm ep r o d i 枷v e o v e 印e n d i i 培i sd e c r e a s e da tm es a i n e 血a n0 n l i l l em i d n i t o 血gs y s t e i n 1 i sp 蛔e c t d e v e l 叩c dc a l lr e a l 娩eo i l l i n ew e i 曲- i n gc o n 舡d 1o f 廿l en o n - a b s o i b e d 、，i s c o i l ss a u c e so n c 蛐趵| t i 峪，w 1 1 i c hl l a sa ni n l p o r 锄ts i g i l i 丘c a n c ei i l 戗1 eq 砌i 够c o n t r 0 1o ff 的d s t u 行s a u c e s a 1 1 ds l o v e m ep i _ o b l e i i l i l lc i m - e n tp 1 0 d l 枷o n k e yw o r d s ：o n 一1 i i l em 伽j 锄j j l g ，p a c k a g es i t u 撕0 nc o n 仃0 1 ，w e i g 眠c a t s u p - p a c k a g e i i 重庆邮电大学硕士论文 目录 目录 摘j 要i a b 渤c t 。 第一章绪论1 1 1 选题的背景、目的及意义1 1 2国内外研究现状1 1 3 本文的研究方法及内容安排2 14 本章小结3 第二章自动监控系统模型分析与方案设计4 2 1自动监控系统模型分析4 2 l1 生产现场简介4 2 1 2 自动监控系统模型分析5 2 2自动监控系统方案设计7 2 2 1 自动监控系统功能要求7 2 2 2 硬件系统设计方案8 2 2 4 软件系统设计方案15 2 3 本章小结1 5 第三章硬件设计16 3 1 设计概述1 6 3 2 机械系统设计1 6 3 2 1 酱料包压紧固定设计17 3 2 2 酱料包压紧传动设计1 8 3 2 3 姿态调整和电子天平位置调节设计1 9 3 2 4 加减酱调节部分设计2 0 3 3 电控系统设计2 1 3 3 1 电源模块设计2 l 3 3 2 主要传感器介绍2 2 3 3 3 主控电路设计2 3 3 3 4 酱料调节部分电控设计3 1 i i i 重庆邮电大学硕士论文 目录 3 4 系统可靠性设计3 3 3 4 1 光电隔离3 4 3 4 2 多电源设计3 4 3 4 3 电磁兼容设计3 4 3 4 4 保证姿态调整可靠性的措施3 5 3 5 本章小结3 5 第四章软件设计3 6 4 1 软件系统的设计3 6 4 2 嵌入式系统软件设计3 6 4 2 11 i n u x 系统简介：3 6 4 2 2 人机交互软件的主要功能3 7 4 2 3 数据处理与算法的设计3 9 4 2 4 设备驱动程序的开发一：4 2 4 3 单片机控制的酱料调节部分软件设计4 5 4 4 本章小结4 7 第五章系统的运行与调试4 8 5 1 系统的现场装配连接4 8 5 2 试验运行结果分析：4 9 5 3 本章小结5 2 第六章总结与展望5 3 6 1 总结5 3 6 2 展望5 3 致谢一5 4 攻读硕士学位期间从事的科研工作及获奖情况5 5 参考文献5 6 附录5 9 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 选题的背景、目的及意义 随着科学技术的发展，各种自动监测控制技术几乎遍布每个工农业生产的部门， 成为提高生产效率和产品质量，提高产品市场竞争力的重要手段，各种自动化生产流 水线代替了成百上千工人的繁重劳动，甚至出现了众多的无人值守生产线，使生产规 模的迅速扩大成为可能。 然而在调查中我们发现，方便面等酱料包生产虽然实现了较高程度的自动化生 产，但其酱料包重量控制由于其精度高、重量小、酱料非匀质、酱包生产后为链状连 接等特点使得在线称重存在技术困难，至今未实现酱料包在线自动称量监测。酱料包 的重量控制一直采取人工方式，由工人剪取一定数量的酱料包，通常为十袋，称取重 量，称量结束后再将酱料袋粘贴回原来的位置以恢复酱料包链，然后根据酱料包的标 准重量适当调节加减酱控制丝杆，再跟踪检测，重复一次以上过程。人工称量剪取酱 料包时要暂停叠包机的工作，在调整加减酱控制丝杆时要暂停酱包机的运行，暂停酱 包机会造成包装袋和酱料浪费。人工称量时效性差，不利于酱料重量的适时调节，影 响酱料包产品的质量。 为了解决酱料包生产中的重量控制问题，完成酱料包链状连接状态下的单包重量 在线称重，即相邻被称量物对当前被称量物有影响条件下的酱包重量在线称量，完成 酱料包自动加减酱控制，减少生产超耗，提高酱包生产的生产效率和产品质量，我们 研究设计了本套系统。 本系统的研发起因于企业需求，在我们扩大范围进一步调查后得之，此类产品 的空缺是一个普遍现象。酱料包生产由于其测量特殊性困难带来的技术及设备空缺 成为制约酱料包提高生产效率和产品质量的重要因素。研发或引进酱料包在线监控 设备成为本类企业的迫切要求，众多的酱料包生产企业为本项目提供了广阔的市场 前景。 1 2 国内外研究现状 产品的重量是生产中的重要控制量，国内外的企业和研究院所进行了众多的研 究。江苏大学机械工程学院的纪开荣等研制的自动称重选别系统是针对单个产品的在 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 线重装设备；吉林工业大学的赵继印等研制的新型线材在线自动称重仪乜1 ，是对线 材类产品实现在线精确称重，称重原理为采用体积密度方法间接测量重量；上海人和 衡器有限公司的陈日兴介绍了最新的分选秤产品已朝智能化方向发展，针对不同的被 检物品的大小和计量速度，可自动决定最合适的筛选及计量时间；燕山大学电气工程 学院的胡春海等人针对淀粉物料的特点设计了一种称重包装控制器口1 ，分别利用了 p l c 和单片机的系统，给出了系统的使用特点，如系统参数的三级存取。在火车称重 方面采用轨道衡计量车厢重量，电子轨道衡一般由机械台面( 或传力机构) 、传感器、 二次仪表和计算机( 显示装置) 四部分组成，实现了火车在轨动态称重，火车车厢计量 为相互连接状况下的在线检测乱。 根据检索和查新资料结果分析国内外已有的称量、监控、筛选设备大部分是被称 量物在分离的状态下进行的，其称量结果可直接获得_ 6 卜n ”；对于匀质线材或棒材较多 采用体积密度方法测量；火车在轨计量方式与酱料包称量有一定类似性；未见有用于 酱料包链的监控设备。 1 3 本文的研究方法及内容安排 项目研究采用理论和实践相结合的方法，首先针对企业存在的问题研究分析， 对国内外现存的相关技术设备和本产品的市场前景展开调研。研究发现研发对链状 酱料包进行重量监控系统为企业急需并且是同类企业广泛存在的问题。对实际生产 中的应用要求进行综合分析，在此基础上，确定项目的主要内容和本产品的功能、 技术性能指标及市场定位。为实现产品的功能要求，综合利用各种方法进行了大量 的基础实验，论证了项目的技术可行性，然后充分利用气压姿态调整，机械传动， 透射式激光检测，计量称重，自动控制等相关技术完成了系统的方案设计，在此基 础上，完成机械部分设计与加工，电控部分设计与制作以及系统软件编制，建立一 个初步的试验样机，并先后十几次到重庆康师傅进行实地实验测试，对系统的机构， 定位方式进行了反复的修改，并对产品的技术参数、性能指标、稳定性能等进行综 合测试，修正设计参数，改进设计，直至形成一个能够实际应用的样机。 本研究的技术难点在于较高精度下去除邻近酱料包对被称量酱包的拉扯作用带 来的误差，即在相邻被称量物对当前被称量物有影响条件下，得出被称量酱包的自 身重量，结合设定标准值通过一系列控制算法输出控制信息，完成在线重量控制。 其技术关键如下： 1 ) 称量结果的重复一致性； 2 ) 在线称量结果的数据误差处理； 3 ) 机械传送系统的精确定位； 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 4 ) 透射式激光监测系统的稳定计数； 5 ) 整机运行的可靠性，稳定性。 本文的内容安排： 第一章绪论 第二章介绍自动控制系统的模型分析和方案设计，对系统模型进行了简要分析， 并根据系统的特点确定了系统软硬件主要部分的方案。 第三章详细介绍了系统硬件部分的设计，本章分别从机械结构和电控系统两个 部分对系统的硬件部分做了具体的说明，并对设计中的可靠性设计做了说明。 第四章为系统的软件设计，从功能上将软件划分为嵌入式控制系统和酱料包加 减模块两部分，并着重介绍了系统软件实现的主要功能、底层驱动程序和使用到的 处理算法。 第五章介绍了现场的运行及调试，并对现场数据进行了分析说明。 第六章为对系统总结和展望。 1 4 本章小结 本章是本论文的绪论部分，主要论述了酱料包在线监控系统的发展状况，指出 随着科学技术的发展，对生产过程的监控技术要求越来越高，本文正是为了实现酱 料包的在线自动监控寻找可行的方式，完成自动控制功能。本章还分析了课题研究 的目的和意义，阐述了研究的内容和预期目标。 重庆邮电大学硕士论文第二章自动监控系统模型分析与方案设计 第二章自动监控系统模型分析与方案设计 2 1自动监控系统模型分析 2 1 1 生产现场简介 酱料包生产现场设备主要分为两部分：酱包机和叠包机。酱包机将由管道输送 来的酱料包装到塑料袋中，包装后的酱料包连在一起形成链状形式。刚包装好的酱 料包暂存在中间收集箱中，收集箱中有酱料包检测信号( 点动开关) ，此信号为叠 包机提供条件信号，当条件信号有效时叠包机将酱料包链传送到纸箱中包装。酱料 包的生产速度约为1 1 0 袋每分钟，叠包机的装箱最大速度约为2 0 0 包每分钟。 图2 1 酱料包生产现场示意图 酱料包包装量计量是采用体积计量法，每次泵出一定体积的酱料进行包装，由 于在运行中泵的机械构件的相对位置会发生蠕动，使酱料泵出量发生变化；其次， 同种酱料在不同次熬制中会产生差异，导致每次生产的酱料密度会发生变化；酱料 本身为油、酱的非匀质混合物，酱料的非匀质也会导致泵出酱料量发生变化，因此 在酱料包的生产过程中需要对酱料包重量进行检测。目前酱料包重量检测是由人工 剪下十袋测量，测量好后再将酱料包粘贴上去以恢复酱料包链。只有酱料包呈链状 才能符合与面饼一起包装时的工序要求。 4 至夔塑皇盔塑主迨銮 第二章 自动监控系统模型分析与方案设计 2 1 2 自动监控系统模型分析 图2 2 自动监控系统结构示意图 对酱料包的生产进行监控需要设计监测和控制装置，根据实际生产设备的状况 可以得出系统基本模型如图2 2 所示，主要包括重量获取及其辅助装置、控制器、 调节执行装置等。称量过程中需要使酱料包链达到稳定的状态，并停止叠包机工作 以配合称量过程。 图2 3 控制系统方块图 如图2 3 是控制系统方块图。图中酱包机为被控对象，其输出为被控参数酱料 包重量值，作用于酱包机上的扰动为酱包机参数蠕动、酱料的密度变化等对酱包包 装量带来的内外扰动。测量变送器对酱料包的重量进行检测将测量数据与设定值比 较，将比较值送控制器通过控制运算后获得调整值，调整值由加减酱调节器调节酱 包机相应部分完成一次调节。 将系统细化得到如下的方块图： 重庆邮电大学硕士论文第二章自动监控系统模型分析与方案设计 图2 4 控制系统方块图 其中步进电机的传递函数为n 羽： g 1 ( s ) = 三艺2 2 2 ( 2 妇2 + 2 胁+ 三乞之2 ) ( 2 1 ) 其中l ，i 8 ，z ，j ，d 分别为步进电机的绕组自感，相电流，转子齿数，转子转 动惯量和粘滞摩擦系数；由于j 相对较小( j - 2 8 宰1 咐m 2 ，d = o 0 3 ) 所以可以将 传递函数简化为一阶惯性环节：g 1 ( s ) = 露+ 1 ) ； ( 2 2 ) 齿轮的传递函数为“钔： g ( j ) = 1 f i 为齿轮系速比；( 2 3 ) 丝杆的传动函数为n 帕： g 3 0 ) = 三2 万 ( 2 4 ) 凸轮、摇杆机构及取酱泵传递函数： o 图2 5 凸轮、摇杆及取酱泵机构运动示意图 在凸轮运动过程中，凸轮上的连杆带动摇杆往复摆动，摇杆带动活塞芯往复运 动实现泵取酱料，活塞芯的面积与其运动行程的乘积为每次取的酱料量( 忽略泵泄 漏) ，酱料量与运动行程成正比。活塞芯运动行程取决于：摇杆的摆动幅度；与活 塞芯相连的连杆在摇杆上的固定位置。摇杆摆动幅度由凸轮决定，在此为定量( 每 台机器上的凸轮已确定) 。若步进电机输出使丝杆转动，使连杆由c 运动到c ”点， 由摇杆摆动的原理可以知道o a 旬b = o c ，伽= _ d c - ，伽”= ”= 0 c ”， 且d c t d c 哇彳口t 彳”b ”，若与活塞芯相连接的连杆长度远大于彳”b ”那么我们可 以将彳”b “和彳口近似作为活塞芯的运动行程，此时步进电机的输出与取酱泵泵出 量成线性比例关系，可以设其传递函数为： 6 重庆邮电大学硕士论文第二章自动监控系统模型分析与方案设计 g 4 ( s ) = k ( 2 5 ) 电子天平输入为压力信号，输出为数字量，输入输出可以近似看为比例环节， 其传递函数为： g 5 ( j ) = 从生产到测量的迟延可以看做纯延迟环节，其传递函数为： g 6 ( j ) = p 响 系统的传递函数为：g ( s ) = g 1 g 2 g 3 g 4 g 6 ( 1 + g 1 g 2 g 3 g 4 g 5 ) 整理可得系统为带有延迟的一阶惯性环节： ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) 郦，= 去e 响 c 2 根据分析可以看出系统存在延迟环节对系统稳定不利，在控制算法中采用死区 环节加以限制。 2 2自动监控系统方案设计 系统的设计应使系统具有稳定性、快速灵活性、优秀可操作性并使系统控制具 有较高的精度，在完成相关功能的基础上应采用较为节省的方案等。系统的稳定性 是指系统的软硬件工作稳定，差错率低。要达到系统稳定性就需要提高系统鲁棒性， 同时充分考虑各个部件的兼容性。对实际酱料包测量的一致性和测控的准确度是仪 器优劣的最直接评判标准。 2 2 1 自动监控系统功能要求 本系统要求实现方便面酱料包重量的在线检测与自动加减酱控制，避免剪断酱 料包链对后续操作带来的不良影响；系统实现与叠包机的连动；实现自动控制和手 动控制；实现手动加减酱操作，加、减酱操作采用点动方式实现；实现酱料包标准 重量、公差、酱包类型、称量间隔时间( 自动称量模式) 等的设置。可实现自动标 定功能，方便新产品的称量。称量过程如须中止，可按键实现，取消当前称量。 主要技术指标： 1 、总重量的测量范围不小于5 0 0 9 ； 2 、取样的间隔时间应可调，重量的标准值、公差范围可设定； 3 、测量、控制误差在0 2 克左右； 4 、产品重量公差o 7 克左右。 重庆邮电大学硕士论文第二章自动监控系统模型分析与方案设计 2 2 2 硬件系统设计方案 1 ) 机械系统设计 检测方案比较 a 分离状态测量方案 分离测量的方法需要剪断酱料包，此方案包括酱包链位置检测装置、固定装置、 剪断装置、称量装置、酱料包粘合装置。采用此方案优点是能够直接得到被称量酱 料包的精确重量值。但此方案的缺点是剪断酱料包会破坏酱料包的完整性，此外剪 断酱料包称量后需要再粘贴上去，在酱料包与面饼进行分带包装时需要取下粘贴胶 带，会增加后续分袋包装时的工作量。粘贴机构的设计也较为复杂。 b 链状条件下单包测量方案 火车称重系统跟本系统的单包称量有一定的相似性，都存在相邻物体对当前称 量物体有较强的相互作用。 火车车厢间通过挂钩相连接，在静止或匀速运动中完成在线称重的计量，其称 量轨道衡系统如下图所示： j 火车车厢 口 g _ j 书g l o 卜。：卜- 。，二o ：旨渊 o ? ：，! ：j - ：。：! j ：。- ”_ ，r 。、二j - 一。- ：。，i 。 称重机构称重传感器 图2 6 火车轨道衡系统构成示意图 火车轨道衡称量过程中影响火车单节车厢对轨道压力的因素主要来自车厢连接 处的垂直方向的摩擦力。称量轨道衡跟普通轨道没有明显的高低差别，所以这种摩 擦力相对车厢重量要显得很小。对实际测量带来误差的影响因素除摩擦力外，另一 个重要因素来自轨道衡周围物体对轨道衡的作用力。类似火车称重的装置，设计对 单袋酱料包重量的检测基本测量机构如下图所示： 重庆邮电大学硕士论文 第二章 自动监控系统模型分析与方案设计 捌奠霹q 蕊茳么二二。= = = 3 3 莉一。 y v j ， 1 捕湘革冒”吲相里1 车 殴需 、。瞠侧，币且 图2 7 链状条件下单包测量装置示意图 称量装置外侧的酱料包链会对测量台上的链有张力作用，这种张力根据酱料包链 的状态会不同，为稳定作用力需要加固定装置；与火车不同，酱料包的包装膜为一 体的，邻近包对被称量包的拉扯力较大，其作用了往往大于一袋酱料包的重量，误 差较大。 c 链状条件下多包测量方案 多包称量装置跟单包相近，如下图所示，多包称量可以将误差均分到多袋酱料 包中，从而减小了单袋误差。然而此方案仍存在酱料包链对当前称量酱料包水平方 向的较大作用力问题，而且这种方式难以预知的因素在于：固定装置压下前的酱料 包链张力不稳定，数据处理困难。此外这种方式的另外问题就是占用较大空间。 il j n 一z y ，、 w 吣选廿一一- 一冉恤 图2 8 链状条件下多包测量装置示意图 9 重庆邮电大学硕士论文第二章 自动监控系统模型分析与方案设计 d 链状条件下多包折叠测量方案 薯 多包折叠方案测量的装置示意图如下图所示： 图2 9 链状条件下多包折叠测量装置示意图 本方案主要组成部分有酱料包位置检测装置、传动装置、姿态调整装置、称重 传感器、固定装置等。姿态调整装置保证酱料包有良好状态稳定作用力。位置检测 装置保证酱料包传动开始和结束的位置一致，并配合传动装置和姿态调整装置使酱 料包有序叠放。此方案的优点是大幅减少了料包链的随机拉力，使通过数据处理获 得酱料包单包重量成为可能，缺点是结构复杂，控制要求高。 由于在酱料包相互连接的方式下没有直接的途径可以准确获得酱料包的实际重 量，系统的方案设计是寻找一种方法以间接方式获得要求称量的酱料包的重量值， 由于酱料包包装过程中酱料的非匀质特点和系统参数缓慢变化造成了前后生产的酱 料包重量会有一定的差异，对某一包的称量并不能很好的反映当前生产状况，现在 通行的做法是剪下十袋料包称量取平均值，所以我们依旧采取每一次称量十袋，这 样做即符合通行做法又可以使称量误差分摊到十袋中去，减少每袋误差占的比重。 通过以上分析选取d 方案能够较好的实现重量检测。 1 0 重庆邮电大学硕士论文 第二章自动监控系统模型分析与方案设计 酱料调节方案比较 图2 1 0 凸轮、丝杆调节方式图2 1 1 摇杆、丝杆调节方式 a 凸轮、丝杆调节方式 凸轮、丝杆调节方式装置如上图2 1 0 所示，此方式的主要由电机、齿轮组、丝 杆、凸轮组成。加减酱调节时电机带动丝杆转动使连杆固定端相对凸轮运动中心具 距离发生改变，从而改变连杆运动行程实现酱料调节。运行时电机及丝杆随凸轮旋 转。此方式简单直接，只需要在原有机构上添加电机就可以。但是电机等机构整体 不停旋转对机构长时间稳定不利。 b 摇杆、丝杆调节方式 摇杆、丝杆调节方式装置如图2 1 1 所示，此方式由摇杆、凸轮、电机、连杆、 齿轮等装置组成。运行时凸轮带动摇杆摆动，摇杆上固定连杆，连杆往复运动实现 酱料泵取。加减酱调节时电机带动丝杆转动使连杆固定端相对摇杆固定端距离发生 改变，从而改变连杆运动行程实现酱料调节。运行时电机及丝杆随摇杆往复摆动。 比较以上两种方案，选取b 方案更利于调节机构稳定和电机运行过程的查看。 机械结构设计方案 系统工作的状态分为两种：称量状态和称量间歇状态。在称量间歇状态，本系 统不动作，只须保证链状酱料包平滑的通过本系统即可。为此系统酱料包通道设计 为平滑流线型结构，通道上下侧为轴承滚柱结构，以减少运动中的阻力；在称量状 态，系统控制机械机构压紧酱料包，电机传动装置传送酱料包，激光传感器对酱料 包检测计数并实现反馈，当传送完毕电子天平读取重量数据，数据采集结束释放所 有固定压紧结构。考虑到放置仪器所占用的空间有限( 生产现场局限性) ，根据检 测方案d 采取将酱料包折叠的方式进行。为使称量时被称量酱料包有一个稳定的状 态，在被称量酱料包链两端设计固定装置。为使使酱料包能稳定的折叠起来，而且 重庆邮电大学硕士论文第二章 自动监控系统模型分析与方案设计 各次折叠状态有良好的一致性，结合酱料包链本身的特点：在相邻两个装盛酱料包 空间的中间有较软的连接段，这一连接段比盛酱料的袋囊部分容易折弯，所以应使 酱料包在连接段折叠。折弯在电机传动时一段段的进行，虽然在机械传动过程中酱 料包会由于重力的作用自动折叠，但这种折叠并不可靠。为了实现可靠的酱料包折 叠，综合机械和气动的姿态调整控制装置的特点，我们搭建了气动姿态调节的实验 平台，通过试验来考查姿态调整的效果。电子天平的结果表明气动姿态调整装置的 方法具有可行性。 从厂家提供的酱料包类型数据显示不同酱料包的尺寸有较大的差异，每袋差异 最大可达3 厘米，这对制作通用的机械模型带来了很大困难，对此我们采取调节电 子天平高度的方式来解决不同料包尺寸间装置不通用的问题。 在称量过程中应能实现酱料包的固定、传动、酱料包姿态调整、电子天平的位 置可调等机械结构部分方案基本确定。 2 ) 电控系统设计 电控部分方案比较 根据现有控制系统的情况，电控部分的设计通常可有三种控制方案可供选择， 分别是基于单片机，p c 控制和嵌入式的控制系统方案。由于系统设计方案直接决定 着系统性能、价格以及软件系统的设计方案，首先对这几种控制方案进行分析。 a 基于单片机的控制系统设计方案 、单片机系统就是采用单片机c p u 配合其它外围接口芯片，根据不同需求设计控 制电路板，最终设计成一个完成一定功能要求的控制系统，并在此基础上设计程序 以达到所要求的控制功能。 本系统要完成对酱料包的在线重量监控，就需要实现以下功能： 1 对数据信息进行采集包括重量信号、各种位置监测信号等； 2 时钟系统要完成对在一定时间间隔内的自动称量需要时间信息； 3 隔离系统为保证系统稳定运行需要采取光电隔离； 4 人机交互界面作为人机交互界面的媒介键盘显示系统必不可少； 5 其他包括其他单片机的通用外围电路如电源、数据程序存储、看门狗、控 制量输出等电路。 基本的结构框图如下： 1 2 第二章 自动监控系统模型分析与方案设计 图2 1 2 单片机结构框图 单片机系统具有开发周期短、体积小、功耗低、价格低、易于推广应用等优点 在工业控制中应用广泛。但由于单片机资源的限制，单片机在数据存储、数据处理、 人机交互等方面性能较差。 b 基于p c 机的控制系统设计方案 基于p c 的控制系统的优点是可靠性、精确度高，软件设计灵活，可提供良好 的操作规程和人机界面，方便用户的操作。缺点是成本较高，体积较大不易集成到 小的设各中去。 图2 1 3 控制系统原理框图 重庆邮电大学硕士论文第二章自动监控系统模型分析与方案设计 本系统采用p c 机可较为简单的实现运算、控制，数据设定、采集、记录，时 间控制等功能。 c 嵌入式系统设计方案 为实现系统设计的模块化及为系统升级留有必要空间，我们把系统总体上划分 为嵌入式控制部分和加减酱调节模块两部分，控制部分与调节模块间的通讯采用 c 舢、j b u s 现场总线系统，c a n b u s 现场总线系统也是考虑到后续为系统联网实现 企业所需的数据报表等功能而预留。采用嵌入式系统实现数据采集处理和除酱料调 节以外的其他功能控制，加减酱调节模块采用单片机系统实现。 嵌入式系统采用高性能的a r m 9 处理器实现对数据处理和通过对控制端口的 控制实现各种要求的动作。主控c p u 配合其它外围接口芯片，完成对酱料包的在线 重量监控，实现对数据信息进行采集，实现控制信号隔离保证系统稳定运行，外围 电路还包括时钟系统，人机交互，电源、数据程序存储、通讯等电路。单片机系统 根据接收数据结果控制步进电机传动机构完成加减酱。 整个系统的基本机构图如下图所示： 电源模块 图2 1 4 嵌入式系统总体原理框图 电控部分设计方案 为完成对酱包机的在线监控，在不损伤酱料包链的条件下，采取间接称量的方 式获取酱料包的重量将会使用较为复杂的数据处理方法，综合以上各种方案，采用 嵌入式系统设计方案具有较强的优势，所以采用第四种方案进行软硬件设计。考虑 到以后为企业构建整个生产现场的数据报表系统，为企业管理提供第一手资料，在 系统中采用c 6 岫u s 现场总线技术实现数据通讯；考虑到系统研发不可能一蹴而 就，将各个部分采取模块化设计的方法更易于方案的调整和缩短开发时间，所以加 减酱调节部分设计为独立的系统模块，并作为c a n 总线的一个节点，可以在完成 称量功能并获得可靠称量数据后添加加减酱控制部分。 生产车间整体规划 在完成本系统的设计研发后，为提高现代化生产管理状况，提供用于生产决策 的现场生产情况信息，可将各台酱包机监控系统组网并配置上位p c 机，在上位机 1 4 重庆邮电大学硕士论文 第二章 自动监控系统模型分析与方案设计 上可实现适时信息显示并生成各种报表。组网结构图如下： i 占万 厨赢 图2 15 生产车间整体网络设计示意图 2 2 4 软件系统设计方案 为实现系统对酱料包的在线重量监控功能，系统应能完成酱料包在线自动称重、 手动称重及以参数设置等主要任务。根据系统任务和本系统的硬件结构，软件需要 完成数据通讯、传感器检测信息的读取、人机交互软件的设计、时钟芯片的设置和 时间信息读取、外围设备的控制、现场总线通讯、显示、加减酱控制等功能。 2 3 本章小结 本章探讨了酱包机自动加减酱在线监控系统的多种设计方案，根据设计需求， 分别确定了硬件系统和软件系统的设计方案。它将为后面详细的设计实现提供指导。 重庆邮电大学硕士论文第三章硬件设计 3 1 设计概述 第三章硬件设计 为实现对链状连接的成品酱料包在线重量监控，完成对称量过程中的姿态调整 和数据处理，系统的硬件主要由机械部分、电控系统部分组成。 3 2 机械系统设计 机械系统的总体机构分为酱料包压紧、传动装置，酱料包姿态调整和电子天平 位置调节。其中酱料包压紧、传动装置，酱料包姿态调整这三部分的设计是围绕着 取得能够获得可实现误差处理的酱料包称量值而设计的，此部分的设计为同一尺寸 类型酱料包称量提供一个相对稳定状态。电子天平上下位置的调节是为实现不同尺 寸类型的酱料包服务的，因为酱料包的不同尺寸必然带来酱料包处于压紧点到电子 天平的袋数多少不一，使称量姿态不一致，此部分设计可以较好的实现不同尺寸的 酱料包的姿态调整。 1 酱料包2 姿态调整喷气管3 电磁阀4 酱料包收集箱5 电子天平 图3 1 称重时的结构示意图 1 6 重庆邮电大学硕士论文 第三章硬件设计 3 2 1 酱料包压紧固定设计 酱料包压紧有两种不同的方式，在酱料包出口端采取的是压紧固定，而在入口 端则是压紧传送。压紧的直接动力采用气动，气压传动是柔性传动，不会有电机传 动等的堵转问题，而且可以调节气动速度实现来回程不同速度以提高运行速度，保 障仪器及酱料包不受损坏，从而使仪器更加持久耐用。 压紧固定是为在称量时出口端的酱料包链能处于统一的状态，从而能够使邻近 的酱料包对被称量的酱料包有较为稳定的作用，便于误差数据处理。为此要求每次 压紧时，压辊与被压酱料包的相对位置保持稳定，在同一类型批次产品中，酱料包 的尺寸是一致的，如果压紧的为统一位置就可以得到相邻酱料包对当前酱料包相对 稳定的作用力。为达到不同次固定压紧时压紧酱料包的位置的统一性，我们采用透 射式激光传感器对酱料包的运行位置进行监测，当需要称量时，通过激光传感器采 集到的酱料包位置信息，到酱料包经过设定位置时，压紧棍启动以固定酱料包。 左视图正视图 图3 2 固定压紧机械机构图 压紧的动力采用8 k c i n 2 的动力气压，压紧执行机构为气缸，气缸带动连杆动作， 连杆一端与气缸气动杆固定另一端与压辊固定。当气缸带动连杆动作，压辊随之压 紧酱料包。连杆嵌入到两个直线轴承中，直线轴承可实现内嵌轴在轴向自由滑动， 以此限定连杆的运动方向，防止连杆运动过程的摇摆，保证动作的稳定运行。直线 轴承同时可以减少连杆运动过程中的摩擦降低磨损。电气控制的电磁阀控制动力气 进入气缸的方向，实现气缸的伸缩动作，气缸的动作速度由电磁阀供气端的控制螺 栓控制，可以通过气压调节螺栓的开度实现较为合适的压辊运动速度，保证运行时 不压破酱料包。 重庆邮电大学硕士论文第三章硬件设计 3 2 2 酱料包压紧传动设计 压紧传送部分分为上下两部分，上部由固定板、气缸、从动轮组成，下部由直 流电机、齿轮变速器、主动轮及两个主动轮固定轴承组件构成。当需要压紧传动时， 系统发出指令信号，通过继电器吸合控制电磁阀，气缸动作带动从动轮组件下降， 将酱料包传动侧压在主动轮和从动轮中间，主动轮在电机带动下转动将会带动酱料 包向前运动。从动轮一侧安有导向杆，导向杆的另一端嵌入固定板中间的导向槽中， 从而可以保证从动轮运动的可靠性。压紧传送的气缸也带有气压调节螺栓，为保证 压紧及放开过程安全性和快速性，设定压紧过程气缸缓缓下降，以防冲击造成酱包 破裂，也减少对主动轮的冲击；放开过程气缸动作速度较快以使过程迅速完成。 酱料包的传动装置由直流电机带动，直流电机通过齿轮变速器带动主动轮转动， 主动轮轴的两端固定于轴承组件上，以减少摩擦保持长期运行的稳定性。主动轮和 被动轮的固定均采用两端固定以防止两端压紧时发生倾斜。酱料包传动时在设定的 通道中，通道上下侧布有滚动柱。滚动柱由中心轴、轴承、不锈钢管构成，轴承的 内环安装于中心轴上，外缘嵌入到不锈钢管中。酱料包传送通道中，上下滚动柱之 间、酱料包外侧设有各设有一挡板，以防止酱料包滑出主动轮和从动轮的范围之外。 挡板垂直于滚动柱，其靠近主动轮一侧的挡板固定，另一侧挡板可以在一定方位内 做滑动调节以适用不同宽度大小的酱料包。 1 滚动柱2 传感器支架3 从动轮4 主动轮5 气缸6 压辊7 气缸 图3 3 酱料包传动通道总体示意图 重庆邮电大学硕士论文第三章硬件设计 3 2 3 姿态调整和电子天平位置调节设计 姿态调整的效果直接影响到重量测量的准确与否，是决定能否准确实现在线称 量检测的关键因素。酱料包姿态除在酱料包检测设计中提到的与压辊和从动轮压下 的位置有关外，更取决于气压姿态调节装置对酱