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0引言
近年來,科技的飛速發(fā)展帶動了工業(yè)生產(chǎn)的快速發(fā)展,中小定量包裝等食品行業(yè)對組合秤稱重系統(tǒng)的需求量越來越大[1]。傳統(tǒng)的單體稱量包裝秤存在抗干擾能力差、包裝速度慢、包裝計量精度不高、功耗大等弊病[2-3],而且對于單重不一或者不均勻物料時,單體稱量包裝秤不能精確測量物料的質(zhì)量,造成不合格率的升高。隨著計算機技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展,關(guān)于這方面的稱重系統(tǒng)的研究越來越多,而具有配料精確、可靠性強、抗干擾能力強的自動稱重系統(tǒng)能更好地解決這些問題,并明顯提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益。
1系統(tǒng)設(shè)計
稱重系統(tǒng)硬件由中央處理單元、振動控制、氣缸控制、數(shù)據(jù)采集和人機界面五部分組成。其中,數(shù)據(jù)采集部分包括信號調(diào)理部分和A/D轉(zhuǎn)換部分;氣缸調(diào)節(jié)控制部分由調(diào)節(jié)控制電路和氣缸電動閥組成。稱重系統(tǒng)

硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1稱重系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖
Fig.1Hardwarestructureoftheweighingsystem
1.1    中央處理單元
中央處理單元采用32位ARM處理器,是整個稱重系統(tǒng)的控制和數(shù)據(jù)采集中樞。中央處理單元通過與各個檢測部分和執(zhí)行機構(gòu)的信息交互,以及人機界面的通信程序,振動電機采用PWM控制程序、氣缸調(diào)節(jié)控制程序、A/D轉(zhuǎn)換及計算程序,實現(xiàn)了整個稱重系統(tǒng)的智能控制。中央處理單元通過對光電開關(guān)的檢測,實時監(jiān)測物料的情況,并根據(jù)振動電機的幅度調(diào)節(jié),保證備料斗的物料充足;通過稱重傳感器轉(zhuǎn)換質(zhì)量,由信號調(diào)理及A/D轉(zhuǎn)換成電壓信號;電壓信號經(jīng)中央處理單元計算,轉(zhuǎn)換成數(shù)字量,最后顯示在人機界面上。

1.2    振動控制
系統(tǒng)采用了無觸點的光電檢測開關(guān)來控制振動給料器。當(dāng)光電檢測開關(guān)檢測到線振盤里物料沒有或不夠時,向中央處理單元發(fā)出加料信號,中央處理單元向物料輸送機發(fā)出加料信號,直到光電檢測開關(guān)測出有物料為止。然后啟動振動電機,調(diào)節(jié)合適的振幅和振動時間,將物料送到每個備料斗中。
1.3    氣缸控制
氣缸控制部分實現(xiàn)氣動伸縮氣桿工作。打開備料斗斗門,將物料送到稱重斗中,由中央處理單元實現(xiàn)智能控制,完成何時需要打開或者關(guān)閉氣缸電動閥,使系統(tǒng)精確地完成一次稱重過程。
當(dāng)稱重斗沒有物料或者物料不夠時,中央處理單元發(fā)出添加物料的信號,這時控制電路會一邊打開氣缸電動閥,一邊接收電動閥反饋回來的開度信號。中央處理單元也一直檢測稱重斗中的物料質(zhì)量,避免物料過多而導(dǎo)致質(zhì)量超過所需要的數(shù)值。
1.4    數(shù)據(jù)采集
在稱重斗中,物料通過稱重傳感器產(chǎn)生質(zhì)量信號,再通過引線傳送到控制設(shè)備的主板上。中央處理單元讀取并記錄每個稱重斗的質(zhì)量,再通過計算、分析、組合,篩選出最接近目標(biāo)質(zhì)量的組合稱重斗。當(dāng)接收到包裝機發(fā)送的請求放料信號時,中央處理單元發(fā)出信號,啟動稱重斗電機驅(qū)動器,打開被選中的稱重斗,把產(chǎn)品卸到卸料斗中,從而進入包裝機。
考慮到電磁振動器線圈產(chǎn)生的電磁場會對A/D采樣有影響,當(dāng)稱重傳感器把物料質(zhì)量傳送到信號調(diào)理電路中時,對A/D采樣模塊增加屏蔽體進行磁場屏蔽[4]。之后經(jīng)過放大、濾波等一系列程序,再由A/D轉(zhuǎn)換成中央處理單元可識別的數(shù)字量,由處理單元進行中位值平均濾波法[5],剔除最大值和最小值,最后求出平均值作為最終采樣值。數(shù)據(jù)采集流程圖如圖2所示。

圖2數(shù)據(jù)采集流程圖
Fig.2Flowchartofdataacquisition
1.5    人機界面
本稱重系統(tǒng)采用帶觸摸的液晶屏,用自帶軟件開發(fā)了人性化的操作界面。通過觸摸屏幕能夠?qū)崿F(xiàn)對稱重系統(tǒng)所有功能的操作以及振動電機的幅度調(diào)試。通過觸摸屏幕,操作人員可在信息欄上看到每次稱重的時間和質(zhì)量,操作簡便。
受外界環(huán)境影響以及自身條件限制,系統(tǒng)采用的應(yīng)變式稱重傳感器的輸入-輸出呈現(xiàn)非線性[6],因此需要對傳感器進行標(biāo)定及校正。在傳感器托盤上依次放上標(biāo)定質(zhì)量值的砝碼,同時質(zhì)量顯示在屏幕的信息欄。根據(jù)與標(biāo)定質(zhì)量值的偏差,將偏差值輸入到初始標(biāo)定對應(yīng)的文本欄里,經(jīng)過逆模型校正后,系統(tǒng)進行校正換算,完成標(biāo)定過程。
2稱重系統(tǒng)的外觀結(jié)構(gòu)
智能稱重系統(tǒng)采用振動給料式設(shè)計[7],具備大儲料斗、組合秤、振動機構(gòu)、光電檢測的特點,能夠?qū)崿F(xiàn)各種物料大小不均勻的稱重方式,并具有精準(zhǔn)的稱重效果。該稱重系統(tǒng)長84cm,高124cm,寬65cm;采用的是光電檢測物料;下面裝有帶振動電機的振動盤,兩邊設(shè)計有防護欄,防止物料掉出去;中部采用的是四頭組合秤的原理,每頭秤的量程為2kg;安放了4個備料斗。物料經(jīng)過備料斗流向4個秤盤,進行精準(zhǔn)計算,經(jīng)過卸料氣桿,將物料推到卸料斗,最后進行打包。
2.1    振動系統(tǒng)
振動部分實現(xiàn)稱重系統(tǒng)的振動機能,由中央處理單元實現(xiàn)智能控制,完成稱重系統(tǒng)的給料功能。振動機結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3振動機結(jié)構(gòu)圖
Fig.3Structureofthevibrationmachine
此振動系統(tǒng)是在電動機的轉(zhuǎn)軸上裝上一個助鍵,在電機快速轉(zhuǎn)動下,引起強烈振動。振動電機裝置托盤與振動給料盤采用焊接方式固定。在彈簧塑料軟套筒內(nèi)裝彈簧,既可以支撐振動盤,也可以加強振動效果。
2.2    備料與稱重機構(gòu)
物料由振動盤進入備料斗,在秤盤空閑的情況下,備料斗閥門氣桿打開備料斗閥門[8],物料放進4個秤盤進行稱重,信號傳輸?shù)街醒胩幚韱卧M行計算、組合。待組合完成后,卸料氣桿將物料推進卸料斗內(nèi),完成一回程序。在稱重過程中,啟動振動機構(gòu),將物料送到備料斗,等待下一次循環(huán),加快速度。為防止物料超出壓力傳感器的量程,在秤盤上裝加秤盤防過壓腳[9-10],保護壓力傳感器。
3試驗結(jié)果
通過對組合秤稱重系統(tǒng)的不均勻稱重數(shù)據(jù)的測量與分析,采集稱重單元的實際質(zhì)量并利用Matlab對數(shù)據(jù)進行仿真,精確度均為0.5‰。稱重試驗的標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量和對應(yīng)的實際稱量結(jié)果如表1所示。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)建立一種合適的標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量與實際稱重質(zhì)量的關(guān)系,得到兩者之間的擬合曲線,從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的標(biāo)定變換。通過測試,無論在均勻的物料還是不均勻的物料中,標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量與實際稱重質(zhì)量都具有很好的線性關(guān)系。

4結(jié)束語
經(jīng)試驗測試,該稱重系統(tǒng)計量準(zhǔn)確,光電檢測物料靈敏,下料量振動調(diào)節(jié)反應(yīng)速度快,稱重精度達到預(yù)期要求。該稱重系統(tǒng)可以提高小型食品包裝廠家生產(chǎn)效率,提升經(jīng)濟效益;對于一些稱重不均勻、速率慢等領(lǐng)域的自動化稱重系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計具有參考價值。
 

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