飼料稱重單元系統(tǒng)的研究與制作

■葉健成

（清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系,北京 100084）

隨著科學(xué)技術(shù)和現(xiàn)代文明的發(fā)展，飼料工業(yè)自動(dòng)化也得到快速發(fā)展，飼料生產(chǎn)的批量化和質(zhì)量要求也不斷提高，在飼料的生產(chǎn)過程中，嚴(yán)格控制每種飼料的質(zhì)量檢測成為了關(guān)鍵一環(huán)。然而，原來那種單一的、低效的、低精度的檢測稱重方法已過時(shí)。大多企業(yè)采用的在線稱重系統(tǒng)均為國外產(chǎn)品，我國自主研制的自動(dòng)在線稱重系統(tǒng)較少，在準(zhǔn)確度和速度上也難以滿足用戶的需求，所以目前國內(nèi)亟需要研制出一套屬于自己的能夠滿足用戶需求的飼料在線稱重系統(tǒng)。

糧食含雜率及容積密度是檢測糧食品質(zhì)的主要技術(shù)指標(biāo)。不僅決定了糧食的等級(jí)和價(jià)格，還會(huì)直接影響其加工品質(zhì)和食用品質(zhì)?！禛B/T 5494—2008糧油檢驗(yàn)糧食、油料的雜質(zhì)、不完善粒檢驗(yàn)》和《GB/T 5498糧食、油料檢驗(yàn)容重測定法》中規(guī)定稱重的精度要達(dá)到0.1 g，為了使糧食含雜率及容積密度測量儀器整體的性能達(dá)到國標(biāo)要求。飼料稱重單元的機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)，是一種能適應(yīng)生產(chǎn)流水線的動(dòng)態(tài)、快速的微量稱重檢測技術(shù)。應(yīng)用該技術(shù)的系統(tǒng)能將充填好的依次進(jìn)行快速稱重，剔除不合格的，并對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，這樣可以及時(shí)地反饋充填效果，按需要對(duì)飼料充填機(jī)做出調(diào)整。對(duì)于在線檢測飼料單個(gè)重量合格與否的設(shè)備，該技術(shù)是提高飼料稱重體系質(zhì)量的主要手段之一。

飼料在線動(dòng)態(tài)的稱重檢測設(shè)備，我國與國外的差距較大。國內(nèi)對(duì)本課題的研究許多停留在理論階段，研發(fā)出來的鳳毛麟角。而美國和德國的飼料工業(yè)領(lǐng)域都曾分別設(shè)計(jì)出了高速稱重及分揀系統(tǒng)。他們研制出來的系統(tǒng)的精度和速度都很高。其中，精度能達(dá)到絕對(duì)誤差不超過1 mg，速度很快，并且操作方便，易于維護(hù)，但他們的產(chǎn)品在中國的銷售價(jià)格昂貴，這對(duì)于我國的飼料工業(yè)現(xiàn)狀來說難以承擔(dān)。因而，加深生產(chǎn)線中飼料的快速動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)的研究迫在眉睫。

1 稱重系統(tǒng)介紹

1.1 輸送要求

系統(tǒng)目前設(shè)計(jì)生產(chǎn)線中飼料稱重單元系統(tǒng)，既是獨(dú)立的一個(gè)稱重設(shè)備。因此是需要飼料從設(shè)計(jì)好的輸送通道依次輸送到稱重臺(tái)上，經(jīng)過稱重檢測后，傳感器辨識(shí)合格與不合格的飼料，然后再送所設(shè)計(jì)的輸送通道送出飼料。輸送過程中要保證飼料對(duì)稱重平臺(tái)的沖擊力最小，以免過大的沖擊力使最后的測量結(jié)果失真。為了達(dá)到這種要求，水平傳動(dòng)因比垂直傳動(dòng)更有優(yōu)勢。

1.2 稱重要求

在實(shí)際的生產(chǎn)線中，根據(jù)現(xiàn)有的充填機(jī)工作性能，其最高生產(chǎn)效率一般為1 200 g/min。

由此，方案必須選擇多通道稱重檢測，但基于客觀條件限制很難實(shí)現(xiàn)，固本文采用單通道方案進(jìn)行研究。若方案成功，在生產(chǎn)線中可向多通道形式推廣。

1.3 控制要求

飼料稱重結(jié)束后，其數(shù)據(jù)要送入上位控制計(jì)算機(jī)中進(jìn)行軟件統(tǒng)計(jì)分析處理，并能將處理的結(jié)果實(shí)時(shí)直觀地呈現(xiàn)出來。

2 設(shè)計(jì)原理

根據(jù)系統(tǒng)功能要求，由系統(tǒng)控制計(jì)算機(jī)控制送料單元、稱重單元、剔廢單元、動(dòng)力源等四個(gè)功能單元。

2.1 系統(tǒng)控制主機(jī)單元

系統(tǒng)控制計(jì)算機(jī)單元由ARM、觸摸顯示屏、數(shù)據(jù)傳輸和信號(hào)控制線等組成。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是利用計(jì)算機(jī)(通常成為工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，簡稱工控機(jī))來實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制系統(tǒng)。從本質(zhì)上看，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的工作原理可歸納為以下三個(gè)步驟：

①實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集：對(duì)來自測量變送裝置的被控量的瞬時(shí)值進(jìn)行檢測和輸入。

②實(shí)時(shí)控制決策：對(duì)采集到的被控量進(jìn)行分析和處理，并按已定的控制規(guī)律，決定將要采取的控制行為。

③實(shí)時(shí)控制輸出：根據(jù)控制決策，適時(shí)地對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出控制信號(hào)，完成控制任務(wù)。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，運(yùn)行過程和計(jì)算機(jī)直接連接，并受計(jì)算機(jī)控制的方式稱為在線方式或聯(lián)機(jī)方式；運(yùn)行過程不和計(jì)算機(jī)相連，且不受計(jì)算機(jī)控制，而是靠人進(jìn)行聯(lián)系并作相應(yīng)操作的方式稱為離線方式或脫機(jī)方式。本系統(tǒng)要求對(duì)稱重為實(shí)時(shí)在線。

2.2 輸送單元

該單元僅由稱重傳送盤完成。

2.3 稱重單元

該單元由稱重傳感器和清洗噴嘴組成。

稱重傳感器：當(dāng)輸送輪將由滑槽滑至到稱重傳感器的稱重平臺(tái)上，即開始稱重。每粒的稱重時(shí)間要求為300 ms左右。稱重完畢后傳感器將數(shù)據(jù)傳給計(jì)算機(jī)控制主機(jī)，并發(fā)出剔廢信號(hào)。

清洗噴嘴：由于在充填完成后，會(huì)沾上少許飼料雜塵，這些飼料雜塵積聚到稱重平臺(tái)上，會(huì)影響稱重的準(zhǔn)確度。因此，清洗噴嘴的功能就是用壓縮空氣將殘留飼料雜塵從稱重臺(tái)上吹去。

2.4 剔廢單元

該單元由剔廢分離單元、廢回收單元組成。

剔廢分離：若經(jīng)稱重檢測，發(fā)現(xiàn)重量不合格，則傳感器會(huì)發(fā)出信號(hào)，十字撥桿將順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)90度，會(huì)從平臺(tái)上設(shè)置的漏口下落，進(jìn)入回收桶中。若重量合格，傳感器同樣發(fā)出信號(hào)，十字撥桿逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度，從另一個(gè)漏口下落，進(jìn)入合格桶。

廢料回收：收集不合格，便于集中回收飼料雜塵。

2.5 動(dòng)力單元

該單元由電動(dòng)機(jī)及其配套驅(qū)動(dòng)器組成。

電動(dòng)機(jī)：負(fù)責(zé)帶動(dòng)撥桿的旋轉(zhuǎn)，可以根據(jù)工作需要調(diào)整轉(zhuǎn)速。

在飼料稱重單元系統(tǒng)中，飼料的輸送過程是最為重要的，這個(gè)也是本次設(shè)計(jì)的最為核心的一部分。為了保證飼料稱重的快速性和準(zhǔn)確性，要求飼料的輸送必須具有連續(xù)性，而且輸送的過程中具有較少的震動(dòng)沖擊。

3 系統(tǒng)簡介

圖1 系統(tǒng)圖片

3.1 系統(tǒng)功能簡介(見圖2、圖3)

3.2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

軟件部分系統(tǒng)控制計(jì)算機(jī)單元由ARM、觸摸顯示屏、數(shù)據(jù)傳輸和信號(hào)控制線等組成。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是利用計(jì)算機(jī)(通常成為工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，簡稱工控機(jī))來實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制系統(tǒng)。

圖2 系統(tǒng)功能圖解

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖4 主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)械主體結(jié)構(gòu)由稱料托盤、送料漏斗、傳送盤、分料盤和稱重平臺(tái)組成（見圖4），其運(yùn)動(dòng)原理，飼料從漏斗運(yùn)送過來。傳送盤每次取一粒進(jìn)行連續(xù)傳送，每次60度運(yùn)轉(zhuǎn)，傳送過程中，飼料到達(dá)稱料平臺(tái)時(shí)進(jìn)行飼料的稱量。稱量后其質(zhì)量值返回給ARM處理核心，ARM判斷其是否合格，傳送盤把飼料投下，同時(shí)分料盤運(yùn)轉(zhuǎn)把飼料按照其合格與否區(qū)分開來。其信號(hào)傳送過程如圖5。

圖5 程序流程

圖6 多通道高效實(shí)現(xiàn)方案

4 稱重杠桿平衡傳感器初步設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用了閉環(huán)控制，可提高平衡控制系統(tǒng)的精度和速度。光電流傳感器輸出的信號(hào)經(jīng)過放大、PID 調(diào)節(jié)之后與固定的鋸齒波進(jìn)行比較，得到一調(diào)寬脈沖信號(hào)，控制恒流源開關(guān)，像繼電器一樣，使線圈電流增大或減小，電磁力也增大或減小并與被測物重力相等而達(dá)到新的平衡狀態(tài)。此閉環(huán)控制過程是一個(gè)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)和不斷檢測的過程，只要通上電，整個(gè)傳感器就一直處在不斷調(diào)整、不斷達(dá)到平衡的動(dòng)態(tài)過程。

本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的是通過電磁力平衡傳感器采集經(jīng)過輸送帶的物體質(zhì)量，并判斷產(chǎn)品是否符合定量包裝商品凈含量標(biāo)準(zhǔn)要求，將不合格產(chǎn)品進(jìn)行剔除，同時(shí)將采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)保存、分析。

圖7 傳感器工作流程

重難點(diǎn)如下：如圖8，傳感器的杠桿摩擦不但會(huì)減小調(diào)節(jié)速度，還會(huì)影響測量精度，采用尖銳角支撐的方式比使用滾珠軸承所產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)阻尼小得多；掛座、內(nèi)支撐桿與平衡杠桿形成了一個(gè)平行四邊形，這是為了保證杠桿偏離時(shí)掛座的垂直位置，保證稀土磁鐵不偏離，進(jìn)而保證通電導(dǎo)體受到的磁場作用不因磁鐵扭轉(zhuǎn)發(fā)生變化，影響本控制系統(tǒng)的線性平衡關(guān)系，更易調(diào)節(jié)。

稱重平臺(tái)在傳感器的平衡杠桿一端。外殼起到支撐作用，稱重掛鉤也可稱重用，光耦與外殼之間螺栓連接 M3有效螺紋長度 4 mm。杠杠的尖銳鋒面與圓面接觸放置，在重力面起到作用。

圖8 傳感器仿真裝配

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