（测试计量技术及仪器专业论文）小型高速混合制粒机优化研究.pdf

摘要 本文研究了湿法制粒领域近年来发展很快，应用价值很高的小型高速混合制 粒机的功能要求，并以此为出发点，对实验室原有样机进行了改进与优化。通过 理论研究与实验考察相结合的方式，改进了原有机械结构，使其更合理。设计了 加热方案，将制粒机的应用范围拓展到非常温下制粒物系。实现了按键控制、人 机交互界面等功能，极大的提高了设备的自动化与智能化程度。通过大量的实验， 对优化后的制粒机性能进行了整体调试，同时获取了大量制粒工艺方面有价值的 数据，优化了制粒工序。此外，本文利用物质结构研究的新手段太赫兹时域光谱 技术对不同粒径颗粒的透射谱进行了考察，为进一步的研究开拓了思路。这些工 作使制粒机从实验室样机向实际应用迈进了一大步。从实验室角度看，优化后的 小型高速混合制粒机填补了国内在小批量制粒设备方面的空缺，是测控技术与化 学工程新工艺研究的良好结合。 主要研究内容如下： 1 、制粒机机械结构的优化设计：参考制粒设备理论要求，通过实验观察， 对制粒机关键尺寸参数进行了改进设计与加工，以滑扣加销锁定的固定方式改变 了原有设备繁琐的安装模式并改变了反应釜材质。 2 、开发了制粒机加热功能：选择与设计了镀膜直接加热法，通过理论计算 与硬件电路设计完成了反应釜自动加热系统的控制方案。 3 、对控制电路进行了优化设计：实现了按键功能，即电机转速值、运行时 间的设定与显示；修改了原有电路结构。 4 、实现了串口通讯：用l a b v i e w 编写了人机交互界面实现了搅拌电机与剪 切电机转速的设定、实时显示与存储，提高了设备的智能化程度。 5 、进行了大量而复杂的制粒实验与制粒样品数据分析，对优化后的制粒机 性能进行了整体调试，获取了大量制粒工艺方面有价值的数据，优化了制粒工序。 关键词：小型高速混合制粒机优化加热按键控制人机交互界面制粒实验 a b s t r a c t e x p e r i m e n t a lm i n i a t u r eh i g hs h e a rg r a n u l a t o rm o d e lh a sb e e ni m p r o v e da n d o p t i m i z e da c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o nr e q u e s to fw e tg r a n u l a t i o n t om a k ei t m o r e r e a s o n a b l e ，t h eo r i g i n a lm e c h a n i cs t r u c t u r eh a sb e e nm o d i f i e du n d e rt h e o r e t i c a ls t u d y a n de x p e r i m e n t s c a l e f a c t i o ns c h e m eh a sb e e nc o n t r i v e df o re x t e n d i n gt h er e a l mo f a p p l i c a t i o n t h ek e yc o n t r o la n dt h ei n t e r f a c eb e t w e e nh u m a na n dc o m p u t e rf u n c t i o n h a v eb e e na d d e dt oi m p r o v et h el e v e lo fa u t o m a t i o na n di n t e l l i g e n c e a c c o r d i n gt o l a r g es u m so fe x p e r i m e n t s ，t h ep e r f o r m a n c eo f t h em i n i a t u r eh i g hs h e a rg r a n u l a t o rh a s b e e ns t u d i e da n dm a n yv a l u a b l ed a t ao fw e tg r a n u l a t o rh a sb e e no b t a i n e da tt h es a m e t i m e b e s i d e s ，t h zt i m e d o m a i ns p e c t r o s c o p yh a sb e e na p p l i e di nt h i sw o r kt oi n s p e c t t h et r a n s m i t t e di n t e n s i t yo fg r a n u l e so fd i f f e r e n td i m e n s i o n ，w h i c hf i n d san e ww a y f o rt h ef u r t h e rr e s e a r c h t h ew o r kl a r g e l yr e d u c e st h ed i s t a n c eb e t w e e ne x p e r i m e n t a l m i n i a t u r eh i g hs h e a rg r a n u l a t o rm o d e la n dp r a c t i c a la p p l i c a t i o n ，a n df i l l e du pt h e v a c a n c yo fd o m e s t i cm i n i a t u r eg r a n u l a t o r i n l a b o r a t o r y a s p e c t i t i sag r e a t c o m b i n a t i o no fm e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n ge n g i n e e r i n ga n dc h e m i c a le n g i n e e r i n g t h e p a p e r sc o n t e n ti n c l u d e sf i v ea s p e c t s a sf o l l o w s ： 1 o p t i m i z a t i o no ft h em e c h a n i cs t r u c t u r e ：a c c o r d i n gt ot h e o r e t i c a ls t u d ya n d e x p e r i m e n t s ，k e yp a r a m e t e r so ft h eg r a n u h t o rh a v eb e e nm o d i f i e d an e wf i x a t i o n m e t h o dh a sb e e nd e s i g n e dt or e p l a c et h eo r i g i n a li n c o n v e n i e n tw a ya n dt h ev e s s e l m a t e r i a li sc h a n g e d 2 e x t e n d i n gt h ea p p l i e df i e l d ：c h o o s i n gp l a t i n gm e t h o dt oh e a tu pt h ev e s s e l t h e c a l e f a c t i o ns c h e m eh a sb e e nc o n t r i v e du n d e rt h e o r e t i c a lr e c k o na n dc k c u i td e s i g n 3 o p t i m i z a t i o no ft h ec o n t r o ic i r c u i t ：t h ek e yc o n t r o lf u n c t i o n , w h i c hi n c l u d e st h e s e ta n dd i s p l a yo ft h em o t o rs p e e d ，h a sb e e na c h i e v e di n t h i sw o r k t h eo r i g i n a l c k c u i th a sb e e nm o d i f i e d 4 r e a l i z a t i o no ft h eu s a r tc o m m u n i c a t i o n ：t h ei n t e r f a c eb e t w e e nh u m a na n d c o m p u t e rf u n c t i o nh a v eb e e nc o m p i l e di nl a b v i e w , w h i c hm a k ei ti m p o s s i b l et os e t t h es p e e do ft h et w om o t o r s ，d i s p l a yt h ec o n d i t i o na n dr e c o r dt h ed a t ai nt h ew o r k i n g p r o c e s s t h u s ，i m p r o v et h el e v e lo fa u t o m a t i o na n di n t e l l i g e n c e 5 a c c o r d i n gt ol a r g es u m so fc o m p l e xe x p e r i m e n t sa n dd a t aa n a l y s e s ，t h e p e r f o r m a n c eo ft h em i n i a t u r eh i g hs h e a rg r a n u l a t o rh a sb e e ns t u d i e da n dm a n y v a l u a b l ed a t ao fw e tg r a n u l a t o rh a sb e e no b t a i n e da tt h es a m et i m e k e yw o r d s ：m i n i a t u r eh i g hs h e a rg r a n u l a t o r , o p t i m i z a t i o n , c a l e f a c t i o n , k e y c o n t r o l ，t h ei n t e r f a c eb e t w e e nh u m a na n dc o m p u t e r , g r a n u l a t i o ne x p e r i m e n t s 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞鲞盘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了谢意。 学位论文作者签名：奎违甬 签字日期：毋年6 月易。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁盗叁堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗盘鲎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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：舭龠 新躲侈以霞 签字日期： 年月。 ，日 _ ： 签字日期：现叼年尸月乏阳 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 在现代制药工艺中，混合与制粒是决定压片或胶囊质量好坏的关键，从某种 意义上说，制粒又是其关键的基础。因此，具有一定智能化程度、可自动控制的 制粒设备便逐渐成为研究的热点【l 捌。湿法制粒是医药工业中应用最为广泛的制 粒方法。它是一种在药物粉末中加入粘合剂，靠粘合剂的粘结作用使粉末聚结在 一起，然后在液体架桥与外加机械力作用下制成一定形状和大小的颗粒的方法 【3 1 。图1 1 为湿法制粒的工艺流程。此法制成的颗粒表面经过润湿，具有外形美 观、流动性好、耐磨性强、压缩成形性好等优点。 粘合剂 润滑剂 图1 1 湿法制粒工艺流程图 本文的研究对象高速混合制粒机是近年来发展较快、应用最多的基于湿 法制粒原理的设备。其制粒过程是：将药物粉末和辅料加入高速混合搅拌制粒机 的容器内，搅拌均匀后加入粘合剂高速切割制粒。由于设备运行时桨叶和制粒刀 同时旋转，形成三向搅拌同时切割制粒，故物料混合非常均匀，不存在结块现象。 高速混合制粒机把混合与制粒工艺合在一起，并在全封闭的容器内进行，既节约 了时间又满足了g m p 要求【2 1 ，与传统的实验室手动设备相比，具有省工序、操 作简单、制粒效率高、颗粒均匀等优点，从整体上提高了生产水平及生产效率， 确保了固体片剂的质量，为制药现代化奠定了坚实的基础，有着非常好的应用前 景。 目前，国外的高速混合制粒机产品主要有比利时c o l l e t t e 公司生产的g r a i 和英国h a m i l t e n 公司生产的d i o s n a 等型号。我国的一些制药机械厂也相继研制 出了多种规格的高速混合制粒机，但从制备颗粒量多少和自动控制体系来说，国 内制粒机的水平与国际先进水平存在一定的差距：缺乏小型且控制系统优良的混 合造粒设备，不利于研发和对有毒、微量药物的片剂制备。国内目前市售设备最 第一章绪论 小容积为1 0 l ，批次处理量大( 3 - 5 k g ) ，且没有粘合剂加入量控制、制粒终点控 制等功能 4 1 。 1 2 实验室样机研制现状 针对这一情况，本人所在实验室开展了对小型制粒设备的开发，完成了实验 室样机研制工作，搭建了设备框架并实现了部分设计功能，如图i - 2 所示。优化 前样机的基本情况为： 1 、机械结构：框架加工组装完毕。 2 、控制电路：控制系统结构如图1 3 所示。单 片机发出的数字信号通过d a 芯片m a x 5 3 1 2 转换为 0 - 1 0 v 模拟信号驱动电机运转，实现搅拌桨与剪切桨 在各阶段的转速控制。单片机实时采集温度传感器 测量到的反应釜温度信号并将时间值、温度值、电 机转速值传送至数码管显示。 3 、进行了初步的实验探索：制粒机混舍容器内 最高温度不超过5 0 ，电机工作正常，证实了上述 设计方案的可行性与正确性。 图1 之实验室样机 图1 - 3 测控系统的硬件结构框图 1 3 本文主要工作及意义 从上文可知，前人完成了原理性探索与系统的初步设计，但设计功能尚未实 第一章绪论 现，制粒机结构也存在很多不合理部分。本文在继承前人研究的基础上，从制粒 机的功能要求出发，分析现有问题，采用理论研究与实验观察相结合的方式，对 实验样机的机械结构、控制电路进行了改进与优化，增加了人机交互及加热功能。 通过大量制粒实验与制粒样品的分析，对设备的性能进行整体调试，对制粒机的 控制参数进行了优化。本文主要工作如下： 1 、参考制粒装置设计理论要求，通过实验反复观察，对搅拌桨的尺寸，剪 切桨位置、安装等部分进行了改进设计与加工，优化了制粒机的机械结构。 2 、为了拓展制粒机的应用范围，适用于非常温下制粒的需求，开发了制粒 机加热功能，选择与设计了镀膜直接加热方案，完成了反应釜自动加热系统的设 计。 3 、针对原有控制电路存在的问题，重新设计制作了控制电路板，实现了按 键功能，解决了原有电路较为严重的电磁干扰问题，提高了电路的稳定性。修改 编写了控制软件，很好地实现了样机所要求的功能。 4 、以串口通讯为基础，编写了基于l a b v i e w 的人机交互界面，改进了单 独依赖按键控制和数码管显示的缺陷，实现了对搅拌电机和剪切电机转速的无级 控制和对温度、两电机转速值的实时显示与存储。该部分工作是本文的主要任务 之一。 5 、与项目合作者一起利用优化后的小型高速混合制粒机，进行了大量复杂 的制粒实验与制粒样品数据分析。对所研制的制粒机的性能进行整体调试，确定 了设备的工作参数及制粒机控制数据的优化。获取了大量制粒工艺方面有价值的 数据，优化了制粒工序。此外，本文利用物质结构研究的新手段太赫兹时域光谱 技术对不同粒径颗粒的透射谱进行了考察。该部分为实验样机定型奠定了良好的 基础，也是论文最有价值的工作。 通过上述工作，对实验样机进行了改进与优化，实现了样机设计功能并拓展 了其应用领域。这些工作使制粒机从实验室样机向实际应用迈进了一大步。从实 验室角度来说，优化后的制粒机填补了国内在小批量制粒设备方面的空缺，是测 控技术与化学工程新工艺研究的良好结合。此外，本文第六章实验部分，不但完 成了设备的整机调试，而且为化工制粒工艺方面提供了许多有价值的信息，为进 一步研究指出了方向和方法。 第二章机机械结构的定型 第二章机械结构的优化 实验样机的机械结构如图2 1 和图2 2 所示。样机研制阶段部分结构经过理 论计算设计完成，部分结构自行设计摸索，故需对样机性能进行考察。本章从整 体结构和具体尺寸位置参数、操作便利等方面设计并进行了实验，对不合理部分 进行了重新设计与修改。 l = = 一 j = = ；2 = 当 图2 - 2 制粒机关键部分机械图 本文依据制粒原理，分析了制粒效果和制粒过程工艺要求，对机械结构设计 进行了研究。 2 1 1 制粒原理 小型高速混合制粒机的工作过程为：将放有固体物料( 辅料) 的容器提升密 闭，开启搅拌桨并使其以一定的速度转动，使物料从盛器的底部沿壁抛起旋转的 口 丽 第二章机机械结构的定型 波浪将不同物料混合在一起。待混合均匀后加入粘合剂进入湿混阶段。湿混完成 后进入关键性的第三阶段制粒，物料在搅拌桨的作用下得到强大的挤压与滚 动，形成致密且均匀的颗粒，同时搅拌桨将物料抛撒至高速旋转的剪切桨处，大 块颗粒在剪切桨的作用下被绞碎、切割成带一定菱角的小块，小块间相互摩擦， 最后形成球状颗剐2 1 。具体流程如下图所示： 图2 3小型高速混合制粒机工作流程图 2 1 2 制粒要求及理论依据 一、干混与湿混阶段 第一、二阶段的目标是物料混合均匀，这就需要在机械结构设计上避免混合 死角。具体方法是：使搅拌桨的直径与混合容器的直径相当，即保持1 - 2 r a m 的 间距，形状相似，即二者弧度相似。搅拌桨与反应釜底保持最小的间隙( 。 锚型桨叶的底面与容器平底之间的夹角1 3 5 0 ，前角a 1 0 0 0 ，因此，当桨叶旋转 时依靠此刃口对底部积存的物料起“刮铲”的作用【5 】。 二、制粒阶段要求及设计依据 第三阶段的设计要求较复杂。制粒流场分析表明，混合制粒时物料被集中抛 撒至近容器壁处，形成主要的“混合制粒区”，其中心部分便形成“空料区，【6 1 。 1 、搅拌桨的设计依据：搅拌桨的结构要满足可以将物料抛撒至剪切桨所在 高度处。设计要求如下：锚桨的斜面区应保持5 5 0 左右的斜角；为了把作用于锚 型桨叶上的物料推向周边“混合制粒区”，需设计“偏心”分布的斜锚【j 7 1 ，若斜 锚为径向分布，则物料被推向周边的倾向大为减弱；偏心圆的直径应与“空料区 的圆筒状直径( 2 r ) 相当。当转速不变时，斜锚的倾角和偏心圆直径直接影响着 物料的抛撒高度。如果桨叶的斜角偏小，偏心圆直径过大，料面在工作时将难以 上升至足够的高度。具体结构如图2 4 所示： 第二章机机械结构的定型 胪心a - - r 髓如 图2 4 搅拌桨结构( 三叶偏心斜锚式) 1 偏心圆2 桨毂3 桨叶 2 、剪切桨的设计依据：当搅拌桨工作时，物料表面明显上升，并呈现上下 起伏的翻腾脉动状态，这时物料主要集中在“混合制粒区 ，并与剪切桨撞击； 而在“空料区”中则不断翻腾回落。因此，剪切桨在设计时要保证其剪切范围在 混合制粒区内，安装高度应使物料到达最高点时恰将其刀片掩埋在内。 如图2 5 所示，若混合容器内径为r ，混合物料时形成半径为r 的“空料区” 与半径为( r - r ) 的“混合制粒区”，两者基本上呈同心圆柱形。原始物料表面高 度为h t ，搅拌桨旋转将物料抛撒至h 2 ，不计搅拌桨本体的体积，有如下关系： ( 1 - s 0 ) 三r 2 啊5i y ( r 2 一r 2 ) h 2 ( 1 十s ：) f 2 1 ) 式中8o 、e2 分别为原始空隙率和工作平均空隙率。r 值主要由搅拌桨形状、 物料性质和转速决定，而此时h 2 是剪切桨的最大安装高度，即物料上升的最高 点。剪切桨的层数可依据物料容积大小来选择，实验样机设计为4 层。 图2 5 混合制粒区与空料区示意图 6 第二章机机械结构的定型 2 2 尺寸位置的优化 为了考察前期样机设计是否满足上述要求，如是否存在搅拌死角，混合是否 均匀，搅拌桨、剪切桨关键设计参数是否合理，本文设计并完成了下述实验： 一、实验目的 考察样机是否满足使用要求，定量考察其关键设计参数搅拌桨与剪切桨的相 对位置是否达到设计要求，定性考察设备混合均匀度情况。 二、实验器材与材料 小型制粒机样机、实验药品( 甲硝唑、羟丙基甲基纤维素和乳糖) 、红色纸 末、游标卡尺、蒸馏水 三、实验步骤 1 、称量出6 0 9 药品备用( 实际使用时的基本用药量) 。 2 、将适量示踪红色纸末放入反应釜底，以观察混合效果。 3 、将物料放入反应釜内，测量药品高度为3 0 m m ，占整个反应釜体积的五 分之一。 4 、将反应釜与样机固定，启动控制电路，开始工作并观察实验现象。 5 、搅拌结束，取下反应釜，观察物料混合情况。 四、实验现象及分析 1 、搅拌电机运转平稳，当其以3 0 0 r r a i n 运转时观察到搅拌桨可将底部与侧 壁的物料搅起，无搅拌死角。物料表明略有上升，有脉动现象出现。说明搅拌桨 设计安装符合设计要求。当搅拌电机转速达到8 0 0 r m i n 时，物料翻腾、抛洒至 反应釜二分之一处，能达到预设定的高度，有明显的脉动现象。说明搅拌桨的角 度、直径设计满足功能要求。 2 、干混湿混阶段，物料堆积在剪切桨上形成混合死角不符合要求，经测试 得到剪切桨速度在5 0 0 r m i n 可避免混合死区。 3 、制粒阶段，由文献知物料的上边缘恰好覆盖剪切桨的上边缘可以达到最 佳制粒效果，但搅拌桨达到最高制粒转速时物料高度已经超过这一限制。由于改 变剪切桨的位置会减少制粒区的长度，所以采用增加剪切桨片的方式，剪切叶片 由原来的4 片向上增加至6 片。表2 1 从实验参数、实验现象、工艺要求三方面 出发，对实验结果进行分析，最终确定了改进方案。 4 、当搅拌结束后，可观察到药物粉末与红色纸末混合均匀。 第二章机机械结构的定型 五、实验结论 该部分实验证明设备设计方案可行，加工安装基本符合要求，除剪切桨外无 混合死角，剪切桨选择低速运转即可解决这一问题。设备运转后，物料被抛撒与 翻腾，表面有脉动现象出现，与参考文献描述相符，但搅拌桨与剪切桨的相对位 置需要调整，本文选择的是增加剪切桨层数。从定性观测角度，制粒机的混合效 果很好。 2 3 安装固定方式的改进 最初的设计考虑较为简单，如图2 - 6 、图2 7 所示。反应釜卧在有机玻璃制 成的法兰结构中，法兰上均匀分布6 个通孔，对应于安装面板上的6 个通孔，采 用螺栓安装固定。加工完成后发现操作繁琐，需要一人固定反应釜，一人固定螺 8 第二章机机械结构的定型 栓，无法实现单人操作，给实验造成了很大的不便。平均每次拆装反应釜需要 1 0 分钟左右，所以对安装方式的修改是非常必要的。 图2 - 8 改进后的同定面板图2 - 9 改进后的固定面板实物图 2 4 反应釜的改进 实验室样机使用的是由普通玻璃加工而成的反应釜。由于样机研制阶段需要 的反应釜数量少，只能采用人工吹制的方法以节约成本，这就极大地影响了加工 精度，且批次间差异很大。目前使用的反应釜存在两个问题：首先反应釜与搅 拌桨所要求的配台精度很高，要控制在毫米级，一旦超出这个范围，制粒时会出 第二章机机械结构的定型 现混合死区，对制粒造成很大影响，目前加工出的反应釜合格率很低；其扶，反 应釜批次间差异大，造成设备的标准化与稳定性的降低。所以，我们将玻璃材料 更换为有机玻璃m 】，通过机床的加工，很完满的解决了配合精度和批次稳定性差 的问题。前期之所以不采用有机玻璃，是考虑到其表面光滑度比较差，会起静电， 将物料吸附在其表面，且有机玻璃的耐温比较低( 1 0 0 c 左右) 。但实验表明，其 表面光滑度完全满足试验要求，且干粉实验的物料温度在其可承受范围之内。实 物见下图： 2 5 本章小结 图2 i o 改进后的反应釜实物图 本章采用理论分析与实验设计相结合的方式对样机的性能进行了测试。对不 合理的结构，如搅拌桨与剪切桨的相对位置进行了定量的修改与完善。解决了设 备运行中存在的物料积存现象。通过改进反应釜的材料和安装固定方法完成了样 机机械结构的优化。 第三章加热装置的设计 第三章加热装置的设计 本机最初设定的应用领域为常温态的干粉混合与制粒。而制粒工艺涉及的物 系很多，有些物系需要在非常温状态下进行制粒，如粘合剂为p e 剂的制粒过程 需要在第二阶段湿混时对物料进行加热。这一应用领域对设备提出了新的要求： 增加加热装置，扩展使用范围。加热要求如下： 加热范围：6 0 9 0 ； 最佳温度：8 0 ； 误差：1 ； 升温时间：小于等于5 分钟。 基于以上要求，本章节对加热领域进行了研究，通过实验考察，确定了加热 方式并制定出了加热方案。 3 1 加热方式的比较 加热从能量传递方式上可分为热传导、热对流和热辐射三种。热传导是固体 中热传递的主要方式。对流靠液体或气体的流动来传热，是液体和气体中热传递 的主要方式。热量由物体沿直线向外射出，叫做热辐射 9 1 。 从加热对象的特点出发首先排除热对流。在热传导的范围里可以考虑的加热 方式有水域加热、金属直接加热。热辐射范围内主要选取远红外加热方式进行研 究。现将这几个方案进行探讨与比较。 3 1 1 水域加热 水域加热的优点在于：水域比热容大，温度较易控制，相对油域更加清洁环 保，因此在化工领域被广泛采用，唯一的顾虑是其加热速度是否符合要求，故设 计了模拟实验进行考察。在3 0 。c 室温下，将反应釜置于1 0 0 c 水域中，水域烧杯 、底部持续供热，模拟水域加热装置，如图3 1 所示。设备原有的远红外测温系统 进行温度的测量【1 0 】。实验结果如图3 - 2 所示。 第三章加热装置的设计 7 5 7 0 6 5 6 0 p5 5 吾5 0 赠4 5 4 0 3 5 3 0 图3 1加热实验装置图图3 2 水域加热实验温度时间曲线图 从图3 2 可得，水域加热升温速度较慢，到达6 0 。c 用时5 分钟，且升温速度 逐渐减慢，当温度升到7 0 。c 时温度基本维持恒定，说明此时q 吸等于q 放，温度 很难上升，这与9 0 c 的温度要求相差甚远，放弃该方案。 3 1 2 金属加热器直接加热 与水域加热相比，金属加热器直接加热的优势在于温度上限高，升温快。但 相应的，温度控制难度大，精度差。本课题也做了模拟实验对其加热效果进行考 察。实验过程基本同上，不同的是将水域加热换成金属加热器，将加热器置于距 反应釜底5 c m 的位置对反应釜直接加热。由图3 3 可得，其升温速度很快，到达 1 0 0 用时不到4 分钟。在实验范围内，升温速度逐渐变大，加大了控温的难度。 实验时用手工断电的方式粗糙模拟了温控装置，实验表明当温度上升至6 0 时 停止加热，温度持续上升至“方出现回落现象，采用自然冷却的方式降温至 6 0 耗时约5 分钟。若要采用该方案需配合高精度温控装置或增加冷却装置。 第三章加热装置的设计 p v 蜊 日 3 1 3 远红外加热 图3 3 电炉丝加热实验温度时问曲线圈 远红外加热是一种以辐射为主的加热方式。利用加热元件所发出来的红外线 照射到被加热物体上，其热能以电磁波的形式被物体分子均匀吸收，从而引起物 质分子的激烈共振产生热量。当表面分子吸收辐射发生振动后，就会牵动着邻近 分子振动，形成热能的向内传递，从而达到加热的目的。远红外加热的优点是： l 、加热均匀、快速高效：辐射能穿透表层物料，使内外同时加热。 2 、节约能源：远红外加热方式是利用热的辐射，中间无需媒质传播，因此 被列为无热媒体的直接加热法。 3 、控温优赵：依靠电能，无延迟i ”】。 但考虑到目前市面上成型的远红外加热器价格偏高( 2 0 0 0 元左右) ，加工机 构少，其优点在本课题中优势不十分明显等原因，放弃该方案。 3 2 加热方案的设计 综合阻上方案，最终确定采用金属直接加热的方式。目前市面上常见的金属 加热器有电炉丝、铸铝加热釜等，如下图所示： 图3 4 电炉丝加热器图3 5 铸铝加热釜 第三章加热装置的设计 电炉丝可采用等间距缠绕于反应釜上对 其进行加热，其优点为可视化程度高，缺点 是加热区热量分布不均匀：铸铝加热釜解决 了这一问题，但其可视化程度差。通过查找 资料。发现了一种新兴加热技术金属镀 膜加热，如图3 - 6 所示。在被加热器件表面 镀一层半透明金属膜，金属膜通过固定于加 热器件两端的电极被加热。该方法集上述两 方案优点于一身，既保证了可视化，加热区 热量分布也均匀，而且无需考虑安装问题。 32 1 加热功率计算 根据热力学公式可知 qb = q n q t = c m t q # = p t p - - u i 艇嚣 掣鼋l 黼， 图3 石金属膜加热镀层 ( 3 - 1 ) ( 3 2 ) ( 3 - 3 ) ( 3 - 4 ) 其中，q t 为反应釜所需的能量；q t 为加热装置释放出的能量，1 1 为有效能 量系数( 一般取6 7 ) c 为混合物料的比热容( 以各成分所占百分比计算) ，m 为混台物料的质量，t 为温度变化量，p 为加热器的功率，t 为温度上升时间， u 为两电极闻所通电压值，i 为流经金属膜的电流值。根据此式可粗略算出加热 器的功率p 和电流i ： p = c x m x a t ( 3 5 ) ”r i ：兰( 3 6 ) u 3 2 2 电路控制方式 在控制板原有基础上增加加热控制部分，方案如f ：远红外温度传感器将 测量到的温度信号经单片机a d 转换后得到反映温度的数字信号，与单片 机内部设定的温度值进行比较后，向i o 口发出控制信号，信号通过控制电路 驱动加热元件，实现对反应釜温度参数的控制e 1 2 1 3 】。 第三章加热装置的设计 测控单元控制执行部分的结构框图如图3 7 所示： t 日窿仕成舆lba d l 皿肛己。i 写：銎石斤 = = 冷 同态继电器= = 冷电热管 a t m e g a 3 2 m c l 4 1 3 i i o = 刮蜂鸣器 图3 7 控制执行部分的结构框图 由于电热器为交流负载，因此选用了固态继电器对其进行控制驱动。 固态继电器( s o l i ds t a t er e l a y ，简称s s r ) 为四端有源器件，是一种无触 点通断电子开关。其中两个端子为输入控制端，另外两端为输出受控端，中间 采用光电隔离，作为输入输出之间的电气隔离。在输入端加上直流或脉冲信号， 输出端就能从关断状态转变成导通状态( 无信号时呈阻断状态) ，从而控制较大 负载。固态继电器按控制负载的性质分有直流和交流两种，在本设计中使用的 为交流固态继电器。交流固态继电器的基本原理如图3 8 所示，其中“1 ”、“2 ” 端子为输入控制端，“3 ”、“4 为输出受控端，驱动交流负载。 图3 8 交流固态继电器的原理图 固态继电器的整个器件无可动部件及触点，可实现常用的机械式电磁继电器 一样的功能。由于固态继电器是由固体元件组成的无触点开关元件，所以与电磁 继电器相比具有工作可靠、寿命长、对外界干扰小、能与逻辑电路兼容、抗干扰 能力强、开关速度快和使用方便等优点【1 4 】。 本文根据电热管和交流电磁阀的功率，选用的固态继电器的输出端工作电压 为3 8 0 v a c ( 2 2 0 v a c 可用) ，最大负载电流1 0 a ，输入控制电压2 4 v d c 。 a t m e g a 3 2 的i o 管脚的最大驱动电流为4 0 m a 1 5 j ，具备很强的驱动能力， 第三章加热装置的设计 但是固态继电器、蜂鸣器的工作电压均为2 4 v d c ，而且a t m e g a 3 2 是测控单元 主控电路板的核心智能元件，为了实现对外部执行元件的控制，同时又避免外部 执行元件干扰a t m e g a 3 2 ，在设计中采用了m c l 4 1 3 来实现驱动隔离的作用，该 芯片由7 个n p n 型达林顿晶体管构成，晶体管按照一定的方式排列，构成7 对 反相器，图3 - 9 和图3 1 0 分别为m c l 4 1 3 的电气原理图和内部晶体管的排列方 式图。 ( 1 1 6 ) p m 9 图3 9m c l 4 1 3 的电气原理图图3 1 0m c l 4 1 3 内部晶体管的排列方式 m c l 4 1 3 的p i n l p i n 7 为输入管脚，p i n l 0 p i n l 6 为输出管脚，驱动固态继电 器、蜂鸣器。当输入为高电平“+ 5 v ”时，达林顿晶体管导通，m c l 4 1 3 输出低 电平；当输入为低电平“0 v 时，达林顿晶体管截止，m c l 4 1 3 输出2 4 v d c 高 电平。如图3 1 l 所示，p i n l p i n 7 与a t m e g a 3 2 的i o1 2 1 相连接，p i n l 6 输出信 号用于驱动固态继电器j 1 和蜂鸣器r i n g ，实现了执行元件的控制。 r b 2l r b l2 r b o3 r d 74 麟5 r d 56 蹦7 8 烈l n 阮 d 3 3 4 5 d 弼 d 订 。嘎，朋 。凇 烈力3 o i 玎4 o u t 5 1 4 1 30 1 玎6 v i c l 4 1 3 0 1 肿 v d d z 1 2 广一 r 三1一10 _ _ - i l _ _ _ o _ _ c 1 圭_ 0 1 u r j 叁g d c 2 4 v + c 1 2 ：z 2 0 u 图3 1 1m c l 4 1 3 接口电路 1 6 第三章加热装置的设计 3 3 本章小结 本章对制粒机的应用领域进行了拓展。在对加热方法进行研究的基础上，进 行了实验考察，确定了加热方式并制定出了加热方案。工作内容总结如下： 1 、从加热方式着手，经过分析，选择了水域加热、金属直接加热和远红外 加热三种模式作了进一步研究。通过实验分析，选择了金属直接加热法中的镀金 属膜直接加热方式。 2 、通过理论计算与电路设计完成了加热方案的定型，为进一步工作打下了 很好的基础。 由于增加加热装置要求于课题后期才被提出，本设备的前期实验仅设计到常 温态的干粉混合与制粒，现装置正在加工中，设计方案有待进一步的实验与完善。 第四章控制电路功能的实现与优化 第四章控制电路功能的实现与优化 本章实现了按键控制，修改编写了控制软件并针对原有控制电路存在的问 题，重新设计制作了控制电路板，解决了原有电路较为严重的电磁干扰问题，提 高了电路的稳定性。 4 1 按键控制功能的设计 该部分工作对控制电路硬件部分进行了增补，编写了按键控制程序，并依此 对主程序重新进行了优化，实现了制粒关键参数如搅拌桨转速，剪切桨转速及各 阶段时间等参数的外部设置。 4 1 1 按键控制硬件电路 在原有实验室样机的设计方案中用到了z l g 7 2 9 0 ，但只开发了其显示功能。 本文对原有样机进行分析时发现，该芯片除了可以驱动数码管显示外，还可以通 过扫描的方式采样6 4 个按键。因此，本文围绕扫描按键管理功能对其原有功能 进行了开发，完成了按键部分的设计。 z l g 7 2 9 0 的管脚如图4 1 所示。其中1 1 0 、1 2 、1 3 、2 1 2 4 管脚被复用为控 制按键扫描与数码管显示功能。本文按键只用到3 ( d i g 3 k c 3 ) 、4 ( d i g 2 k c 2 ) 、 5 ( d l g l 依c 1 ) 、6 ( d i g 0 k c o ) 、2 1 ( d i g 5 k c 5 ) 五个管脚，分别实现了“参 数选择”、“数值加”、“数值减 、“设定”和“运行”五个功能。其硬件电路结构 简单，只要在按键与z l g 7 2 9 0 相应管脚之间增加限流电阻即可完成，如图4 2 所示。 s c l 3 匕k r ls b s d k r 3k r 0s a ) i g 3k c 3k ( 4d i g 4 3 i g 2k c 2k c 5d i g ! ) i ( 1 1 x c ls d a g o k c os c l s 三k r 40 s c 2 s f k r 5o s c l s g k r 6v ( c d p k r 7 趸费 g n di 盯一 d i g 西k c 6k c ? 埘o 了一 图4 1z l g 7 2 9 0 管脚图 1 8 第四章控制电路功能的实现与优化 图4 - 2 按键与数码显示部分电路原理图 z l g 7 2 9 0 扫描按键操作原理为：当任一按键被按下时，芯片的i n t 管脚会 产生一个低电平的中断请求信号。同时，在系统寄存器s y s t e m r e g 末位k e y a v i 寄存器中也会予以反映，k e y a v i 置1 时表示有效的按键动作。产生有效按键动 作后，键值寄存器k e y 存储被按下键的键值，通过查询该值，单片机执行相应 的操作。有效的按键动作消失后或读k e y 后中断信号就会自动撤销，k e y a v i 位 也会自动清0 t 1 6 1 。 4 1 2 按键控制软件 五个功能键分别对应五个中断子程序，任一键按下，通过查询功能执行对应 的中断程序。现将各中断子程序功能叙述如下：“参数选择”键按下时，进入选 择操作对象的中断程序。随着操作对象的转换，“9 9 9 ”的标志数字会在代表不同 操作对象的数码管间轮换出现，表示对当前参数进行操作。“数值加”和“数值 减”按键对选定的操作对象执行加减动作。当设定完成一个阶段的转速值、时间 值后按下“设定”键，将该阶段参数输入单片机。整个制粒阶段设置完毕后按下 “运行”键，设备按照设定的每阶段的转速值开始运行。在这里特别要指出的是 “参数选择”键的设计：由于加减操作的对象有3 个，每个执行加减操作的变化 量各不相同，时间值的变化量1 秒次，搅拌电机1 5 转次，剪切电机为3 0 转 次。这就需要在软件上对不同操作对象进行区分。本文采用了设定数字n ，让其 对3 取余数的方式，即每次“选择”键被按下，n 执行加l 的操作后取余，从而 通过n 的余数判断区分不同的操作对象，流程如图4 3 所示： 1 9 第四章控制电路功能的实现与优化 图禾3“选择”键程序流程图 本文采用创建数组的方式存储各阶段转速与运转时间的设定值以达到控制 的目的。以搅拌电机转速的控制为例：设定一个包含2 0 0 个数据的数组a d 2 0 0 ， 在这里2 0 0 代表整个制粒阶段总时间为2 0 0 秒，也可根据实际操作情况改变数组 容量。每按一次“设定键”，程序将当前的两电机转速值存储至数组中。第一次 对整个数组赋值，第二次从第n 个数据开始重新赋值至最后1 1 是由第一阶段 的时间值来确定的，在本文中通过调整延迟时间使程序运行时读取数组中单个数 据的时间恰好等于1 秒，因此1 1 将恰好等于第一阶段设定的时间值。其他阶段的 设定以此类推，即第三次设定是从第n + 1 个数据开始赋值，n + 1 为第二阶段设定 的时间值。整个设定完毕后，按下“运行键”，程序开始读取数组里的数据，并 将该数据送与d a 转换芯片驱动电机运转，同时将该数据送与显示电路，从而 实现了不同阶段电机转速的设定与显示【1 7 】。程序上的实现如下文所示： 第四章控制电路功能的实现与优化 v o i ds e t ( v o i d ) “设定”键对应的中断子程 s e t - s p e e d o 对设定转速子程的调用 t i m et o t a l + - - - t i m e ； t i m e = o ； z i 9 7 2 9 0 二j d 砷l a y _ 2 ( t i m e _ _ t o t a l ) ；总时间的显示 i f ( o - - - - n ) d 卸1 a y _ 1 ( 9 9 9 ) ；) e l s e d i s p l a y _ l ( 0 ) ； ) v o i ds e t _ s p e e d ( c h a n g e _ a c ，c h a n g e _ d c ，t i m e _ t o t a l ) 设定转速子程 i n t m ； f o r ( m - - t i m e _ t o t a l ；m ) v o i dm a i n ( v o i d ) f o r ( n = 0 ；n ) 此外，为了保护电机，防止其由高速运转状态直接降速为0 ，增加了最后1 0 秒的倒数减速程序，即对转速值进行递减运算，将处理后的值发送至d a 转换芯 2 l 第四章控制电路功能的实现与优化 片。 按键设定程序基于a t m e g a 3 2 的i n t 外部中断来实现 各阶段搅拌转速、剪切转速和时长的设置。重新优化后的主 程序流程如图4 4 所示，在按键按下前，主程序实时采集反 应釜当前温度值发送至数码管显示，按键按下时主程序进入 中断程序执行不同按键对应的中断子程，直至执行“运行” 键中断子程后，跳出中断，开始按照设定的程序控制电机转 速并将采集到的温度值、电机转速值在