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1緒論
1.1研究目的和意義
目前自動定量包裝機在糧食、食品、化工、化肥、建材、農藥等行業(yè)中作為關鍵設備得到廣泛的應用，它對于提高工業(yè)計量領域的自動化水平，提高產品的質量有著重要意義。近代，隨著科學技術水平的提高，電子技術和計算機技術得到快速發(fā)展，促使衡器技術也有了突飛猛進的發(fā)展，定量包裝技術中物料的稱量也從最原始的手工稱量發(fā)展為電子自動稱量。電子稱重技術是從50年代中期電子技術深入到衡器的輔助測量技術，從60年代初出現(xiàn)了機電結合電子衡器開始，迅速發(fā)展成為一門新興技術，它是集傳感器技術、微電子技術、計算機控制及測試技術、機械制造自動化技術、物料輸送和管理技術為一體的綜合技術，是現(xiàn)代稱重計量和控制系統(tǒng)工程的重要技術基礎。應用電子稱重技術開發(fā)的電子稱重系統(tǒng)，具有廣闊的應用領域和較強的滲透性、同其它高技術產業(yè)一樣，電子衡器產業(yè)也是國家經濟和科學競爭的重要陣地⑴。
自動定量包裝機是電子稱重技術在定量系統(tǒng)中的具體應用。它是一種按照事先設計的方法和程序，以自動稱量的方式將大宗物料分成預定質量的小份載荷形式的自動稱量裝置。它是一種新型的稱重控制系統(tǒng)，是在非自動衡器的基礎上，充分利用電子、自動控制、微機等技術發(fā)展起來的，被廣泛應用于港口碼頭、商品貿易、化工原料、糧食加工、食品包裝、醫(yī)藥配置、鋼鐵冶煉、水泥生產、玻璃制造等領域進行稱量和配料。通過定量稱重，控制產品質量、核算成本、管理企業(yè)，從而獲得最佳經濟效益。現(xiàn)在世界各國都在積極的開發(fā)適合于不同領域的先進定量包裝設備。以提高工業(yè)計量領域的自動化水平⑵⑶。
但現(xiàn)在大多數(shù)定量包裝機在應用于流動性差的物料時，受物料性質的影響，物料的包裝精度不太容易控制；同時控制系統(tǒng)仍然使用稱重儀表控制，控制不方便、缺少一定的靈活性。由于控制系統(tǒng)和一些機械系統(tǒng)的影響，使得物料的包裝精度不夠高，很難適應當前社會發(fā)展對物料的包裝的要求，并且對企業(yè)造成了一定的原料浪費。正是針對這種現(xiàn)狀，本課題對應用于流動性差的物料的強制給料定量包裝機進行了設計研究，對稱量精度進行了分析，研究了智能控制算法，提高了稱量精度，以滿足企業(yè)生產需求。
本課題研究促進了定量包裝機在流動性差的物料定量包裝和配料中的應用，促進定量包裝機的應用范圍。強制給料定量包裝機的研制不僅提高了工人的勞動效率，改善勞動強度，而且對于提高自動稱量領域的自動化水平有著十分重要的意義。
1.2包裝機械的發(fā)展動態(tài)
1.2.1國外包裝機械現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢
上一世紀50至70年代，電子技術和合成化工的迅速發(fā)展，對包裝機械產生了很大的影響，出現(xiàn)了一系列以釆用合成材料為包裝材料的新包裝工藝及設備。如機電密
切結合的高速化自動包裝機，調整操作方便的多功能包裝機和勞動生產率極高的自動包裝線的大量出現(xiàn)，使包裝機械在生產業(yè)機械中成為矚目的一個領域［引。
1）    美國
美國是世界上包裝機械發(fā)展歷史較長的國家，早已形成了獨立完整的包裝機械體系，其品種和產量均居世界之首。其產品以高、大、精、尖產品居多。新型包裝機械產品中以成型、填充、封口三種機械的增長最快。美國的包裝機械與計算機緊密結合,實現(xiàn)了機電一體化控制⑶。從上世紀90年代初以來，美國包裝機械業(yè)一直保持著良好的發(fā)展勢頭。
2）    日本
日本與美國、德國相比，起步較晚。日本的包裝機械以中小型單機為多，具有體積小、精密度高、易安裝、操作方便、自動化程度高等優(yōu)點。上世紀60年代以前，包裝機械廠家不足60家，只能包裝糖果、香煙等060-70年代，是日本包裝機械業(yè)起步階段，產值增長速度很快。70?80年代，增長速度雖不如上一階段那么高，但年增長率仍達13%。80-90年代是穩(wěn)定增長階段，將微電子技術成功地應用于包裝機械的控制，以后又將光導纖維技術、工業(yè)機器人技術、模塊化技術應用于包裝機械，達到安全性高、無人操作、高生產率的水平，大大提高了其國際市場競爭力図。
日本的包裝機械制造廠以中小企業(yè)為主，包裝機械的品種齊全，產品品種近500種，規(guī)格有700多個。90年代以來，已將變頻調整、光電追蹤、無觸點電子開關、動態(tài)數(shù)據(jù)顯示等技術運用在包裝機械中。日本包裝機械的很大一部分用于食品包裝領域，食品包裝機械產值占包裝機械總產值的一半以上。
3）    德國
德國的包裝設備在計量、制造、技術性能等方面居領先地位，特別是啤酒、飲料灌裝設備具有高速、成套、自動化程度高、可靠性好等特點，享譽全球。包裝機集機一電一液及微機控制于一體采用光電感應，靠光標控制袋長，并配有防靜電裝置。其中袋包裝機能集制袋、稱重、充填、抽真空、封口等工序于一臺單機上完成。已生產出世界上最高速的茶葉包裝機，速度達350袋/分
上述幾個國家在包裝機械的發(fā)展上起著很重要的作用。包裝機械的發(fā)展趨勢，大概有如下幾個方面同：
1）    向多功能、高效、低耗的方向發(fā)展。許多加工設備，已經越來越被用戶要求向著多功能方向發(fā)展。比如一套設備可以生產兩種以上的不同型號產品，因此包裝機械也必須向多功能方向發(fā)展。同時，要求設備提高效率，降低消耗，以降低成本，找尋市場。
2）    要求包裝機械向靈活性、變化性即柔軟性方向發(fā)展。對于同一種設備，每一個用戶都有不同的要求，因為其產品各有特色，這就要求包裝機械，根據(jù)用戶要求的不同而設計、變化。
3）    穩(wěn)定性、可靠性方面的要求越來越高，特別是生產一旦停產就會造成生產浪費、保質期也會受影響。因此包裝機的穩(wěn)定性、可靠性是關鍵的。
4）    在釆用技術上，越來越多地向高科技方向發(fā)展。包裝機械己越來越多地釆用了機、電、光、氣、聲、磁、化、生等技術，使其越來越適合于用戶的要求。采用高新技術，操作方便，維修簡單，穩(wěn)定性好，壽命長，同時給生產管理上帶來很大益處。
5）    包裝機械越來越多地體現(xiàn)出其社會性。如其對環(huán)境保護、使用安全等方面的考慮，體現(xiàn)得越來越多。
1.2.2我國包裝機械現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢
我國早在上一世紀50年代中期就有少數(shù)工廠生產包裝機械，但水平很低。改革開放初期，引進了一批食品機械和包裝機械，具有一定的促進作用。上世紀80年代后期，隨著國民經濟的突飛猛進，市場對包裝機械的需求日趨擴大。此期間我國的一大批生產機床、通用機械、農業(yè)機械的企業(yè)開始轉產從事包裝機械的生產。1997年底，全國增加至1600余家從事包裝機械的生產廠家；同時，從事包裝機械研究及開發(fā)的科研院所達75個，目前約有60多所高等院校從事包裝機械專業(yè)的教學和科研工作。
稱量式充填設備的產品發(fā)展成為我國包裝機械業(yè)重要門類，要發(fā)展各種形式的稱量充填設備，著力提高速度和精度，以及穩(wěn)定性和可靠性，并與自動包裝設備相配套。
我國包裝機械與國際水平尚存在一定差距，過去長期處于一種生產力水平低下、主體技術不高、規(guī)模過小、游離分散生產、企業(yè)管理水平不高、國家投入不足的狀況,大部分企業(yè)仍然處于需要技術改造、技術創(chuàng)新提高產品質量、加強現(xiàn)代化管理以及體制轉軌的關鍵時期。我國包裝機械產品與發(fā)達國家相比，其差距主要表現(xiàn)在：控制技術和產品可靠性方面較差，且技術更新的速度太慢，新技術、新材料、新工藝推廣的范圍太窄。從整體水平上看，比發(fā)達國家要落后20年，現(xiàn)在我國包裝機械產品中僅有5%左右能夠達到發(fā)達國家的水平，還有20%的產品僅能和國外上一世紀90年代的產品相比，其余60%左右僅能達到國外上一世紀80年代的水平[⑵。
一個完整的機電一體化系統(tǒng)，將機械、微計算機、微電子、傳感器等多種學科的先進技術融為一體，給包裝機械在設計、制造和控制方面都帶來了深刻的變化，從根本上改變了包裝機械的面貌卩％我國包裝行業(yè)想在競爭中謀求發(fā)展，應努力提高包裝機械的總體技術水平，發(fā)展機電一體化技術，提高產品的可靠性和穩(wěn)定性，促進包裝工業(yè)向現(xiàn)代化發(fā)展。
1.3稱量技術的發(fā)展動態(tài)
1.3.1稱量的分類
按定量原將粉、粒狀物料的稱量方式有稱重式和容積式兩類。稱重式具有計量精度高、通用性好、對物料特性的變化不敏感等特點，但速度偏低卻是阻礙其發(fā)展的主要原因之一。容積式是靠盛裝物料的容器決定加料量，其計量精度主要取決于容器容
積的精度、物料的密度及物料流量的一致性，其速度快于稱量式，但誤差較大【均。
1.3.2稱量精度的定義
稱量精度實際上是對稱量結果與真值的接近程度的一種描述，也就是對稱量系統(tǒng)誤差與隨機誤差的一種綜合反映。它指的是秤斗中被稱物料的實際質量值與稱量系統(tǒng)中對該種物料所設定的理論質量值之間的差值。這兩者數(shù)值之間的差也就是生產實際中所指的稱量誤差。稱量誤差反映配料系統(tǒng)工作時的系統(tǒng)誤差與隨機誤差之和網(wǎng)。
精度是指在相同條件下多次測量結果互相吻合的程度，表現(xiàn)了測定結果的再現(xiàn)性。精度用偏差表示，偏差越小，測定結果的精度越高；反之，則測量結果的精度越低。
1.3.3我國電子稱重技術的現(xiàn)狀卩刀-㈣
電子衡器或稱重裝置是物料計量中不可缺少的裝置。我國從上一世紀六十年代中期開始研制和生產電子秤，初期為模擬指針式，后來發(fā)展成數(shù)字式，從最初的機電結合型發(fā)展到現(xiàn)在的全電子型和數(shù)字智能型。無論從產品品種還是從生產規(guī)模都取得了空前的發(fā)展和極大的提高。我國電子稱重技術裝備和檢測試驗手段基本達到國際上一世紀90年代中期的水平，并且在少量產品的技術上能達到國際先進水平，如自動軌道衡開發(fā)的幾項新技術無開關判別車輛、淺基坑整體秤臺和無基坑結構、以及曲線段安裝軌道衡?，F(xiàn)在電子衡器制造技術及應用得到了新發(fā)展，但就總體而言，我國電子衡器產品的數(shù)量和質量與工業(yè)發(fā)達國家相比還有一定差距。主要表現(xiàn)在以下幾個方面：
1）    指標上的差距：我國生產的電子衡器生產大多是低端產品，高速和高精度產品少。電磁兼容性在國外已作為一項基本要求，而我國多數(shù)廠家仍不能滿足此要求。
2）    理論上的差距：我國對稱重理論的研究相當薄弱，人力和資金投入少，有些在國外已經成熟的產品和工藝，而我們對其還缺乏足夠的認識。
3）    新材料、新技術應用與開發(fā)方面的差距：我國的大多數(shù)衡器企業(yè)天天應付的是無休無止的價格戰(zhàn)，根本無暇顧及應用新技術新材料的應用。即使是一些好的企業(yè)，也仍局限在產品研究的層次上。而國外的一些企業(yè)早在若干年前，就開發(fā)出諸如振弦傳感器、振梁傳感器、數(shù)字傳感器等先進的技術和產品，如今已在電子衡器上得到了普遍的應用。
4）    產品開發(fā)手段，加工裝備、測試設備方面的差距：國外電子衡器制造手段先進，CAD/CAM/CAT和FMS技術的應用相當普遍；而我國企業(yè)在這方面的潛力沒有得到充分的挖掘，效率還很低。
1.3.4電子稱重技術的發(fā)展趨勢
電子稱重技術從靜態(tài)稱重向動態(tài)稱重發(fā)展；計量方法從模擬測量向數(shù)字測量發(fā)展；測量特點從單參數(shù)測量向多參數(shù)測量發(fā)展，特別是對快速稱重和動態(tài)稱重的研究與應用。電子衡器總的發(fā)展趨勢是小型化、模塊化、集成化、智能化；其技術性能趨向是速率高、準確度高、穩(wěn)定性高、可靠性高；其功能趨向是稱重計量的控制信息和
非控制信息并重的“智能化"功能；其應用性能趨向于綜合性和組合性【2%
1）    小型化
體積小、高度低、重量輕，即小、薄、輕。近幾年新研制的電子平臺秤結構充分采用新材料、新結構、新的強度計算方法等手段來實現(xiàn)，既節(jié)約了成本，又滿足了實際需要。
2）    模塊化
對于大型或超大型的承載器結構，如大型靜動態(tài)電子汽車衡等，已開始釆用幾種長度的標準結構的模塊，經過分體組合，而產生新的品種和規(guī)格。在實際應用中，根據(jù)各行業(yè)用戶的需要，選擇其中10余種常用的標準規(guī)格即可。這種模塊化的分體式秤體結構，不僅提高了產品的通用性、互換性和可靠性，而且也大大地提高了生產效率和產品質量。同時還降低了成本，增強了企業(yè)的市場競爭能力。
3）    集成化
對于某些品種和結構的電子衡器，例如小型電子平臺秤、專用秤、便攜式靜動態(tài)電子輪軸秤、靜動態(tài)電子軌道衡等，都可以實現(xiàn)秤體與稱重傳感器，鋼軌與稱重傳感器，軌道衡秤體與鐵路線路一體化。
4）    智能化
電子衡器的稱重顯示控制器與電子計算機組合，利用電子計算機的智能來增加稱重顯示控制器的功能。使電子衡器在原有功能的基礎上，增加推理、判斷、自診斷、自適應、自組織等功能，這就是當今市場上釆用微機化稱重顯示控制器的電子衡器與釆用智能化稱重顯示控制器的電子衡器的根本區(qū)別.
5）    綜合性
電子稱重技術的發(fā)展規(guī)律就是不斷的加強基礎研究并擴大應用，擴展新技術領域，向相鄰學科和行業(yè)滲透，綜合各種技術去解決稱重計量、自動控制、信息處理等問題。
6）    組合性
在工業(yè)稱重計量過程或工藝流程中，不少稱重計量系統(tǒng)還要求具有可組合性，即測量范圍等可以任意設定；硬件能夠依據(jù)一定的工作條件和環(huán)境作某些調整，硬件功能向軟件方向發(fā)展；軟件能按一定的程序進行修改和擴展；輸入輸出數(shù)據(jù)與指令可以使用不同的語言和條形碼，并能與外部的控制和數(shù)據(jù)處理設備進行通信。
1.4課題的主要研究內容
本文對一種螺旋給料定量包裝機的機械系統(tǒng)構成進行分析設計，控制系統(tǒng)的分析設計，對動態(tài)定量稱重進行研究，提出增量式稱重方式，分析了影響螺旋給料定量包裝機包裝精度的因素，并且對包裝機提出一些改進措施，提高包裝機的包裝精度，滿足產品的包裝要求。
 

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