玻璃包裝制品智能滴料系統(tǒng)研究

姜旭日 杜金明 王傳俊 吳雙佚

摘 要：隨著日用玻璃包裝制品國內(nèi)外市場(chǎng)需求的增加和玻璃制品工業(yè)的發(fā)展，如何加強(qiáng)玻璃制品制造技術(shù)的開發(fā)，提高玻璃包裝制品質(zhì)量的穩(wěn)定性和提升生產(chǎn)效率成為玻璃包裝容器制作行業(yè)面臨的的新課題。本文提出基于電磁流量測(cè)量玻璃熔料料重控制技術(shù)和基于蝸輪增壓原理料滴速度裝置。通過圖像識(shí)別技術(shù)計(jì)算料滴質(zhì)量進(jìn)行穩(wěn)定控制提高產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性，利用渦輪增壓原理通過高速穩(wěn)定氣流增加料滴下滴速度提升生產(chǎn)效率。

關(guān)鍵詞：玻璃；電磁；測(cè)量；渦輪增壓；加速

引言

目前玻璃包裝制品的生產(chǎn)效率低，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定等不足，究其原因?yàn)樯a(chǎn)設(shè)備落后，國內(nèi)具備先進(jìn)制造設(shè)備的企業(yè)還很少，多為進(jìn)口，而自主研發(fā)的設(shè)備整體水平與發(fā)達(dá)國家還有很大差距，生產(chǎn)效率低，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，大大制約了國內(nèi)玻璃包裝行業(yè)的進(jìn)步。目前的產(chǎn)品生產(chǎn)效率遠(yuǎn)不能滿足國內(nèi)市場(chǎng)的強(qiáng)烈需求。同時(shí)隨著現(xiàn)代智能制造工業(yè)的進(jìn)步，制瓶設(shè)備正逐步發(fā)展，為此本文就針對(duì)玻璃包裝制品設(shè)備智能滴料系統(tǒng)加以設(shè)計(jì)分析研究。

一、制瓶原理

制瓶機(jī)成型原理：利用在高溫下玻璃液的粘度與表面張力隨溫度的變化這一特性，通過機(jī)械作用和壓縮空氣的壓力（有時(shí)還有真空作用）完成。制瓶分為三大步驟：制瓶口-- 初型完成 --成型制作

行列式制瓶機(jī)是現(xiàn)在通用的制瓶成型機(jī)，分為吹—吹法和壓—吹法兩種生產(chǎn)工藝。

吹—吹法生產(chǎn)的成型過程為：

滴料—真空輔助和撲氣—倒吹氣—翻轉(zhuǎn)—重?zé)帷婵粘尚秃蛢?nèi)冷卻正吹氣—鉗瓶。

壓—吹法生產(chǎn)的成型過程為：

滴料—沖壓—倒吹氣—翻轉(zhuǎn)—重?zé)帷婵粘尚秃蛢?nèi)冷卻正吹氣—鉗瓶。與吹—吹法作業(yè)生產(chǎn)的成型過程的不同點(diǎn)，主要就是真空輔助和撲氣過程和倒吹氣過程變?yōu)榱艘粋€(gè)沖壓過程如圖1所示。

滴料過程為玻璃料滴通過分料勺、直料槽、轉(zhuǎn)向槽、漏斗，落入倒置的初型模中。通常料滴的直徑與初型模的內(nèi)腔上部要保持約0.8毫米的間隙，使料滴能順利落料，擦痕最小。在初型模內(nèi)腔上部與落入的料滴之間，有足夠大的排氣縫隙，減少玻璃料滴下面多余的空氣。順利準(zhǔn)確的落料能使玻璃料滴均勻地沉入初型模。落料前芯子已插入口模內(nèi)，在撲氣之前料滴的頭部幾乎完全落入瓶子口模部位。

為適應(yīng)現(xiàn)代生產(chǎn)發(fā)展的需求提高產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性和生產(chǎn)效率，本文對(duì)料重控制和料滴速度控制進(jìn)行研究。

二、基于蝸輪增壓原理料滴速度裝置研發(fā)及分析

料滴速度控制是玻璃成型工藝?yán)飿O其重要的一環(huán)，如圖6所示為玻璃下料料滴分配過程，玻璃瓶罐成型過程中，1100℃左右熔融狀態(tài)下的玻璃液，通過供料機(jī)將玻璃液分出一定料重的料滴，通過流料系統(tǒng)，分配到制瓶機(jī)的成型部分進(jìn)行成型。

運(yùn)用蝸輪增壓原理和理想流體模型穩(wěn)定流動(dòng)的動(dòng)力學(xué)基本規(guī)律，研制熔融狀態(tài)玻璃流料加速裝置，實(shí)現(xiàn)玻璃料滴在滴下過程中（從H0位置到H1位置），速度的增加與控制；進(jìn)而提高料滴的分配效率，提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。

流料加速原理：如圖4加速裝置設(shè)計(jì)進(jìn)氣口和出氣口，電機(jī)帶動(dòng)圓柱內(nèi)扇葉旋轉(zhuǎn)，將風(fēng)吹入圓環(huán)的縫隙中，由于圓柱內(nèi)空氣減少，空氣在閉合腔體內(nèi)形成高壓，在出口處形成高速氣流，帶動(dòng)加速器中軸線上的空氣朝出口方向加速運(yùn)動(dòng)，形成一個(gè)加速的流體力場(chǎng)。對(duì)于通過加速流體力場(chǎng)的玻璃滴料，受到力場(chǎng)中豎直向下的推力而加速運(yùn)動(dòng)，達(dá)到給滴料加速的要求，同時(shí)加速器也未與滴料發(fā)生直接的接觸。

三、空氣壓縮狀態(tài)方程

空氣在壓力或溫度變化時(shí)能改變自身的體積，具有顯著的壓縮性和膨脹性，因此，當(dāng)溫度或壓力變化時(shí)，氣體的密度也隨之變化。它們之間的關(guān)系，服從于理想氣體狀態(tài)方程。即： Pυ=RT 或：P/ρ=RT

式中：P--絕對(duì)壓力（牛頓/米2）；u--比容（米2/牛頓）；ρ--氣體密度；T--熱力溫度（K-開爾文） ；

R--氣體常數(shù)（牛米/千克開），對(duì)于空氣R=287牛2米/千克2開

理想氣體狀態(tài)方程：

式中：M--摩爾質(zhì)量；n--氣體的物質(zhì)的量，單位nol；

S--氣體常量，單位J/kg.K

P--氣體壓強(qiáng)Pa；V--氣體體積，T--體系溫度（絕對(duì)溫度），單位K。

理想氣體在狀態(tài)變化時(shí)三個(gè)基本狀態(tài)參數(shù)，絕對(duì)壓強(qiáng)、比體積ν和絕對(duì)溫度T之間的關(guān)系式

式中：ν--氣體的比體積

描述氣體狀態(tài)的三個(gè)基本參數(shù)P，VT中只右兩個(gè)是獨(dú)立的，置有給定三個(gè)基本狀態(tài)參數(shù)中的任意兩個(gè)，氣體狀態(tài)就被確定了，若氣體質(zhì)量為m千克，將式兩邊乘以m，則可得到m千克理想氣體狀態(tài)方程式；

以上式是理想氣體和混合氣體的狀態(tài)方程，可由理想氣體嚴(yán)格遵循的氣體實(shí)驗(yàn)定律的出，也可根據(jù)理想氣體的微觀模型，由氣體動(dòng)理論導(dǎo)出，在壓強(qiáng)為幾個(gè)大氣壓以下時(shí)。各種實(shí)際氣體近似遵循理想氣體狀態(tài)方程。

2）在滴料加速控制實(shí)現(xiàn)：在料滴下降過程中，調(diào)節(jié)加速裝置進(jìn)風(fēng)口大小，（調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速快慢）調(diào)節(jié)整個(gè)力場(chǎng)的加速值，實(shí)現(xiàn)對(duì)滴料最終進(jìn)入下一個(gè)工位的速度控制。

控制系統(tǒng)中的反饋信號(hào)是電壓信號(hào)顯示的料滴速度，為了真實(shí)可靠的信號(hào)，并實(shí)現(xiàn)功率電路和控制器之間的電氣區(qū)分，需要以速度傳感器，傳感器的輸出信號(hào)為連續(xù)模擬量，由于控制系統(tǒng)對(duì)反饋通道上的擾動(dòng)抑制能力弱，所以，信號(hào)傳感器必須有足夠高的精度，才能保證控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性本裝置采用單片機(jī)控制系統(tǒng)，主要完成整個(gè)加速系統(tǒng)的檢測(cè)，控制保護(hù)等工作，在啟動(dòng)前單片機(jī)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行啟動(dòng)前的檢測(cè)，保證電路的正常。正常運(yùn)行時(shí)完成對(duì)料滴速度檢測(cè)信號(hào)PID數(shù)字調(diào)節(jié)運(yùn)算和處理，監(jiān)視系統(tǒng)的運(yùn)行。對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋調(diào)節(jié)，同時(shí)單片機(jī)控制系統(tǒng)具備人機(jī)交互功能，

閉環(huán)調(diào)速的實(shí)現(xiàn)，通過料滴速度的檢測(cè)，將檢測(cè)實(shí)際結(jié)果反饋回計(jì)算機(jī)，然后進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，再通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)使得輸出速度與設(shè)定速度一致完成料滴速度控制的目的。通過這部分調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制進(jìn)風(fēng)大小實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)控制。

閉環(huán)控制是自動(dòng)控制系統(tǒng)最基本的控制方式，也是應(yīng)用最為哦廣泛的一種控制方式，它是按偏差金系ing控制的，其特點(diǎn)是不論什么原因使被控制量離期望值出現(xiàn)偏差時(shí)，必定會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的控制作用去減小或消除這個(gè)偏差，使被動(dòng)控量與期望值趨于一致，在這個(gè)反饋量就是速度，閉環(huán)控制中的差值就是e（k）=e（用戶）-e（實(shí)際），即進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)的就是這個(gè)偏差，使其盡量減小到0。

本系統(tǒng)采用增量式PID控制算法，當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的不是控制量的絕對(duì)值。而是控制量的增量時(shí)需要用PID的“增量算法”。

由位置算法求出： ①

在求出：

兩式相減得出控制量的增量算法：

式3為

增量式PID算法。對(duì)增量式PID算法1得；

從④一看不出PID的表達(dá)式和P、I、D作用的直接關(guān)系，只表示了各次誤差量對(duì)控制作用的影響，從式4看出數(shù)字增量式PID算法，只要儲(chǔ)存最近三個(gè)誤差值e（k）、e（k-1）、e（k-2）就足夠。最后輸出u（k）由計(jì)算機(jī)加載PWM進(jìn)行調(diào)速。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉尚合，劉衛(wèi)東. 電磁兼容與電磁防護(hù)相關(guān)研究進(jìn)展 PID 控制研究[J].機(jī)電工程，2018，35（4） ： 375-379。

[2] 王寶仁， 王婕， 韓文強(qiáng)， 武洪恩. 級(jí)聯(lián)式多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及其同步策略 計(jì)算機(jī)集成控制系統(tǒng)，2018，35（4） ： 375-379。

[3]李鑫.串聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)研究 PID 控制[J].中國機(jī)械工程，2010，2 （ 20） ：138-141。

作者簡介：

姜旭日，出生年月：1995.2.9，性別：男，民族：漢，籍貫（精確到市）：陜西省西安市長安區(qū)，學(xué)歷：碩士研究生，研究方向：機(jī)械工程.