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飼料行業(yè)是現(xiàn)代畜牧業(yè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展的物質基礎同時它還連接著種植業(yè)是農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈中的重要環(huán)節(jié)目前飼料的生產(chǎn)和包裝基本上都是機械化作業(yè)包裝秤是飼料生產(chǎn)線上的重要設備之一我國定量包裝設備生產(chǎn)企業(yè)以小規(guī)模為主其中產(chǎn)品設計、研究、開發(fā)環(huán)節(jié)薄弱長期處于一種生產(chǎn)力和技術水平都較低的狀態(tài)大部分企業(yè)目前仍處于互相照搬、照抄國內外技術以此降低生產(chǎn)成本的原始階段[１]現(xiàn)有市場上的定量包裝秤存在包裝速度慢、定量精度不穩(wěn)定、生產(chǎn)效率較低等問題[２]而包裝生產(chǎn)線上包裝稱重的快速性與精確性卻是兩個非常重要的指標由此可知為了滿足客戶的要求必須提高定量包裝的精度[３]
１    自動定量包裝秤結構設計
本文設計的自動定量包裝秤(如圖１所示)是由封閉式螺旋輸送系統(tǒng)、動態(tài)定量稱重系統(tǒng)和ＰＬＣ自動控制系統(tǒng)構成的封閉式螺旋輸送系統(tǒng)可以防止飼料的氣味飄散、灰塵飛揚并能控制輸送飼料的量動態(tài)定量稱重系統(tǒng)由給料斗、稱重容器、稱重傳感器、雙層下料機構、放大電路、計算機等組成自動定量包裝秤設計指標:１)顆粒料加料速度為５~８包/ｍｉｎ２)稱重精度高于０.２％
自動定量包裝秤的工作流程:當自動定量包裝秤進入自動運行狀態(tài)后封閉式螺旋輸送系統(tǒng)開始給動態(tài)定量稱重系統(tǒng)輸送物料(該動態(tài)定量稱重

１—夾袋搖臂２—氣缸３—夾袋斗體４—下法蘭５—稱重傳感器６—稱重容器７—上法蘭８—雙向閥門９—給料斗１０—出料口１１—滾珠絲杠１２—伺服電機１３—上框架１４—下框架１５—電控柜１６—螺旋軸１７—料槽
圖１自動定量包裝秤整體結構示意圖
系統(tǒng)有快、中、慢三級給料方式)當物料質量達到設定值時關閉給料閥門完成動態(tài)定量稱重系統(tǒng)控制夾袋斗體夾緊物料袋進行卸料卸料后夾袋斗體松開物料袋物料袋自動落下輸送到下一個工位系統(tǒng)以此流程循環(huán)工作[４]
自動包裝秤的動態(tài)定量稱重系統(tǒng)的關鍵結構如圖２所示自動定量包裝秤的雙層下料機構由支架、擋板座、多孔式下料擋板、延時下料擋板、多孔式下料擋板驅動部件、延時下料擋板驅動部件和控制器組成該結構采用多孔式下料擋板控制給料斗實現(xiàn)快、中、慢三級下料并有延時下料擋板實現(xiàn)緊急制動從而在動態(tài)快速稱重過程中保證稱重的精確度。

１—多孔式下料擋板２—擋板座３—絲杠４—絲杠螺母５—支架６—絲杠工作臺７—推桿８—限位開關９—限位開關安裝板
圖２自動定量包裝秤的雙層下料機構
自動定量包裝秤的雙層下料機構的工作流程:當系統(tǒng)處于粗下料階段時多孔式下料擋板和延時下料擋板完全打開當系統(tǒng)處于精下料階段時控制器控制多孔式下料擋板勻速關閉實現(xiàn)初步精下料再控制延時下料擋板勻速對多孔式下料擋板進行關閉實現(xiàn)再次精下料從而實現(xiàn)快速精確定量如此設定不僅提高了定量包裝的精準度還提高了生產(chǎn)效率當機器發(fā)生故障時應通過控制器控制延時下料擋板實現(xiàn)應急封閉下料口
２建立動態(tài)稱重模型
動態(tài)定量稱重過程中有著各種各樣的因素影響著稱重的精度:稱重測量系統(tǒng)的欠阻尼振蕩、物料下落時對測量容器的沖擊力和測量時傳感器的響應靈敏性等等[５]
動態(tài)定量稱重系統(tǒng)的工作原理:首先輸入畜禽飼料的定量包裝質量Ｗ設然后將這個設定值與系統(tǒng)測出的質量值Ｗ測相比得到系統(tǒng)偏差值Ｗｄ＝Ｗ設－Ｗ測通過半閉環(huán)控制和誤差補償準確測出真實的畜禽飼料的質量[６]
應變壓力稱重傳感器與秤體組成的稱重部分可以等效為一個彈簧和阻尼器稱重系統(tǒng)可以近似為一個二階系統(tǒng)根據(jù)動力學分析建立這個稱重部分的數(shù)學模型[７]如圖３所示

圖３動態(tài)稱重系統(tǒng)模型

圖４為動態(tài)稱重系統(tǒng)誤差補償原理圖它的工作原理是:在一次稱重時間段內畜禽飼料下落到稱重容器中的質量不斷增加式(１)模型隨Ｍ(ｔ)改變而不斷改變它的極點保證該動態(tài)稱重系統(tǒng)始終處于最佳的二階系統(tǒng)需要加入動態(tài)補償環(huán)節(jié)Ｈ(ｓ)不斷調整系統(tǒng)模型的零點從而達到快速準確測得物體質量的目的[８]圖中:Ｇ１(ｋ)為稱重系統(tǒng)補償前質量Ｕ(ｋ)為動態(tài)補償前的電壓值?(ｓ)為稱重系統(tǒng)補償前的傳遞函數(shù)Ｕ１(ｋ)為動態(tài)補償后的電壓值ｈ為比例系數(shù)ａ０ａ１ａ２ｂ１ｂ２為補償環(huán)節(jié)Ｈ(ｓ)做雙線性變換的各個系數(shù)。

圖４動態(tài)稱重系統(tǒng)誤差補償原理
３    動態(tài)稱重的試驗研究
３.１材料與儀器
試驗原料為畜禽飼料(顆粒狀)取自江西省聯(lián)大科技有限公司試驗前將取回的畜禽飼料放置在干燥的地方保存
圖５為搭建的動態(tài)稱重系統(tǒng)試驗平臺

圖５動態(tài)稱重系統(tǒng)試驗平臺
圖６為動態(tài)稱重試驗平臺的原理圖:畜禽飼料落在料盤上稱重傳感器將電壓信號經(jīng)過信號放大器和Ａ/Ｄ轉換將電壓信號轉換成數(shù)字信號傳輸給ＰＬＣ控制器控制下料口的開合[８]

圖６動態(tài)稱重試驗平臺基本原理圖
動態(tài)稱重系統(tǒng)試驗平臺用到的設備見表１

３.２    試驗方法

進行３００次４０００ｇ畜禽飼料稱重試驗在３９９２~４００８ｇ區(qū)間中進行等區(qū)間劃分并統(tǒng)計落在各區(qū)間中的次數(shù)利用Ｏｒｉｇｉｎ８.５軟件處理試驗所得數(shù)據(jù)繪制出如圖８所示的關系曲線分析圖８可知３００次畜禽飼料稱重試驗值與在各區(qū)間內的次數(shù)統(tǒng)計符合一定程度的正態(tài)分布用ＭＡＴ￣ＬＡＢＲ２０１２ｂ軟件進行高斯方程擬合得出的ＧａｕｓｓＡｍｐ函數(shù)關系式為:
ｙ＝－４２.４２＋５２.９２ｅｘｐ[－０.５(ｘ－３９９９.８５)２]

本試驗分別稱取質量為３０００４０００５０００ｇ的畜禽飼料進行３００次試驗并記錄測量結果對測量結果進行等區(qū)間劃分統(tǒng)計稱重結果落在各區(qū)間的次數(shù)利用Ｏｒｉｇｉｎ８.５、ＭＡＴＬＡＢＲ２０１２ｂ及Ｅｘ￣ｃｅｌ２０１０軟件對試驗結果進行數(shù)據(jù)分析與處理
４    結果與分析
１)３０００ｇ畜禽飼料
進行３００次３０００ｇ畜禽飼料稱重試驗在２９９４~３００６ｇ區(qū)間中進行等區(qū)間劃分并統(tǒng)計落在各個區(qū)間中的次數(shù)利用Ｏｒｉｇｉｎ８.５軟件處理試驗所得數(shù)據(jù)繪制出如圖７所示的關系曲線橫坐標表示試驗所得的畜禽飼料的質量縱坐標表示試驗中測量結果落在各個區(qū)間內的次數(shù)分析圖７

 圖７３０００ｇ測量值次數(shù)擬合曲線 

以上可知將該動態(tài)定量稱重系統(tǒng)應用于飼料生產(chǎn)中可有效提高畜禽飼料稱重速度、縮短稱重時間、提高稱重合格率。
 

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