一種可以自動配比混合的拌料機設(shè)計

謝仲銘，吳峻睿，葉培華，謝錦偉

（東莞信易電熱機械有限公司，廣東東莞 523770）

0 引言

傳統(tǒng)的拌料是采用人工配比混料，這種方式費時低效，實際上，隨著時代的發(fā)展，科技的進(jìn)步，特別是工業(yè)4.0 時代，人工攪拌的方式已經(jīng)基本淘汰。鄭友林等[1]發(fā)明的一種拌料機雖然采用機械化自動拌料，但是使用多種原料進(jìn)行混合時仍需要人工配比，無法做到全自動配比混合攪拌。計量混合攪拌設(shè)備在注塑或擠出的生產(chǎn)制程中必不可少，塑料制品一般都會由各種色母、添加劑等多種物料調(diào)配熔合而成，為了得到高品質(zhì)的產(chǎn)品，精確的計量和高效率的攪拌混合顯得非常重要，如何提高產(chǎn)品注塑或擠出過程中對塑料組分添加比例的精確度和混合攪拌均勻度，這是許多輔機廠家需要解決的技術(shù)問題。

郭磊等[2]的發(fā)明，雖其產(chǎn)品可實現(xiàn)自動混合配比計量攪拌，但其結(jié)構(gòu)組成過于復(fù)雜，在許多工況下不夠?qū)嵱?。根?jù)客戶的產(chǎn)品工藝要求，為客戶提供合適、經(jīng)濟(jì)的計量攪拌設(shè)備非常的必要。近年來，隨著材料成本的上升，國內(nèi)計量攪拌設(shè)備發(fā)展迅猛，需求不斷增加，我國作為塑料消耗大國，塑料的自動化配比計量非常重要，首先可以節(jié)約人工，提高生產(chǎn)力，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)自動化，同時改進(jìn)計量閥結(jié)構(gòu)，使回收料能得到有效的利用[3-4]，可減少環(huán)境的污染。

本文將從機器的結(jié)構(gòu)設(shè)計分析探討，提出不同原料需要用不同計量閥來計量下料，改善攪拌結(jié)構(gòu)增強混合均勻度，針對計量精度不穩(wěn)定等問題，采用濾波處理，增加阻尼設(shè)定來消除對稱重的干擾，并設(shè)計數(shù)據(jù)采集軟件，方便對生產(chǎn)進(jìn)行監(jiān)控。最后通過精度測試實驗與攪拌均勻度測試實驗來驗證此設(shè)計的有效性與準(zhǔn)確性。

1 設(shè)備設(shè)計過程

1.1 設(shè)備工作原理

首先設(shè)備開機通電，進(jìn)入秤盤校正，設(shè)定各組分比例，保存下載，啟動設(shè)備，計量混合時，系統(tǒng)控制每個計量閥依次打開，原料因自重落入稱重盤，達(dá)到比例后關(guān)閉，計量完成后，稱重斗落料閥打開，原料落入攪拌室，攪拌馬達(dá)運轉(zhuǎn)，快速攪拌，攪拌完成后攪拌桶落料閥打開，掉入到儲料桶，攪拌均勻的原料被輸送至注塑機或擠出機制作產(chǎn)品，通過料位計控制原料消耗，當(dāng)原料低于設(shè)定料位時，重復(fù)下一個工作循環(huán)。

1.2 拌料機結(jié)構(gòu)設(shè)計

拌料機主要部件結(jié)構(gòu)[5]設(shè)計如圖2所示。

圖2 混合拌料機的結(jié)構(gòu)組成

1.2.1 料斗組件

料斗組件總裝圖如圖3 所示，主、次料斗用于裝不同的原料，不同口徑的下料閥對應(yīng)不同的原料比例。

圖3 料斗組件

1.2.2 計量閥組件計量閥組件固定于料斗下方，如圖4 所示，氣缸控制上下運動，控制計量閥打開和關(guān)閉下料口，計量閥可分主計量閥與次計量閥用于不同比例的計量。

圖4 計量閥組件

1.2.3 秤盤組件

秤盤組件如圖5所示，包括關(guān)料閥、稱重斗、氣缸和稱重傳感器。稱重傳感器會稱量掉入稱重斗的原料重量，計量完畢后會打開關(guān)料閥，原料落入攪拌桶攪拌。

圖5 秤盤組件

1.2.4 攪拌桶組件

攪拌桶組件如圖6 所示，包括減速機、快速接頭、氣吹噴頭、料位計、攪拌桶和攪拌葉。其中氣吹噴洗的設(shè)計可以有效避免料位計粘上原料而引起的誤報警動作，攪拌葉刮片式的設(shè)計可以增強混合均勻度。

圖6 攪拌桶組件

1.2.5 儲料桶組合

儲料桶組合如圖7 所示，包括腳架、儲料桶和視料窗。用于儲存攪拌后的原料。

圖7 儲料桶組件

2 產(chǎn)品的關(guān)鍵技術(shù)分析

本文主要探討的是要如何提高計量精度，增強攪拌均勻度，對于操作者來說要使用方便，簡單明了，針對以上問題做如下分析。

2.1 解決計量精度與攪拌均勻度的主要技術(shù)方案

對于不同的組分比例設(shè)計不同的計量閥口徑，如圖8 所示。計量閥和下料口采用可拆式設(shè)計，可自由組裝更換，滿足不同的組分比例要求，增強原料適應(yīng)性。因為物料流動性與組分比例不同，下料量就不同，所以設(shè)計不同口徑的下料口與不同類型的閥體。處理標(biāo)準(zhǔn)物料時，則使用普通錐形計量閥，處理片料或非常規(guī)回收料時，針對于架橋不下料、流速慢等問題，則使用片料計量閥。使用高速氣缸，目的是可以提高計量閥打開與關(guān)閉的速度，即使在下料過程中需要補充極少的料，也能夠打開閥門補料。例如在生產(chǎn)過程設(shè)定組分比例為40%，在機器運行過程中，當(dāng)稱重系統(tǒng)檢測到實際比例已經(jīng)達(dá)到39.9%，由于普通氣缸本身的響應(yīng)速度不夠快以及電磁閥的響應(yīng)時間久，計量閥可能無法作出補料0.1%的動作，這樣就造成了實際比例與設(shè)定比例不符的現(xiàn)象，現(xiàn)改用高速氣缸后則是可以輕松完成補料動作。另外在軟件功能上也增加了增加自校準(zhǔn)功能[6]，能夠隨著主料的下料量來調(diào)整其他原料的下料量，利用程序算法關(guān)系，對組分遇到下多下少的情況，可以隨時作出調(diào)整。

圖8 不同落料口與計量閥設(shè)計效果

根據(jù)塑膠行業(yè)中常用到的物料類型，攪拌組合設(shè)計成刮片式攪拌葉結(jié)構(gòu)[7-8]，采用內(nèi)八字與外八字設(shè)計結(jié)合，可以將原料來回翻滾，避免了分層現(xiàn)象。如圖9所示，攪拌桶設(shè)計成葫蘆型，提高攪拌效果和解決原料滯留在攪拌桶內(nèi)的問題。攪拌操作上設(shè)計成多種方式來針對不同物料的特性。同步啟動：當(dāng)稱盤打開卸料時，攪拌器立即啟動；延時啟動：稱盤打開卸料完畢并且稱盤關(guān)閉后，攪拌器才啟動；連續(xù)攪拌：開機狀態(tài)下則打開，即持續(xù)運行。

圖9 攪拌桶設(shè)計

2.2 機器運行主要特點

（1）對于機器在運轉(zhuǎn)時的震動是否對計量造成影響。本設(shè)計采用高精度稱重傳感器，可針對實際工況設(shè)定不同的阻尼值[9]來應(yīng)對混料機受到的沖擊與震動。例如設(shè)定值小于2，則是增加稱重傳感器的靈敏度，設(shè)定大于2，則是降低稱重傳感器的靈敏度，減少警報信息。

（2）因為具有稱重功能，自動化程度更高，設(shè)備能夠自動進(jìn)行計量混合，循環(huán)運行，自動儲存，用戶可實時查看生產(chǎn)情況。如圖10所示。

圖1 工作流程

圖10 觸摸屏操控畫面

（3）具有通訊功能，通過以太網(wǎng)接口，基于Modbus-TCP 通訊協(xié)議，便于遠(yuǎn)程控制，實現(xiàn)無人化操作，適應(yīng)工業(yè)4.0的發(fā)展，如圖11 所示。軟件基于人機畫面，可對機器進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控[10]、調(diào)試、設(shè)定以及資料儲存等功能。

圖11 數(shù)據(jù)采集畫面

3 實驗測試

3.1 計量精度測試

為確保系統(tǒng)計量精度，首先用砝碼檢定，對秤盤進(jìn)行校稱，驗證稱重拌料機的傳感器各點精度，結(jié)果表明所有檢測點都符合計量檢測精度要求。然后對機器的計量精度進(jìn)行測試，根據(jù)配方要求，機器自動運行，隨機抓取10 個批次，并紀(jì)錄儀表顯示屏的質(zhì)量，將每個批次質(zhì)量進(jìn)行第三方過稱處理，然后將儀表顯示的質(zhì)量與實際質(zhì)量進(jìn)行對比，得出稱重拌料機的計量精度，如表1所示。

表1 計量精度測試數(shù)據(jù)

3.2 配比精度測試

對機器進(jìn)行配比精度測試，一是驗證計量的原料比例是否與設(shè)定的一致，二是驗證機器在實際生產(chǎn)中受到的一些其他干擾，例如機臺的震動、信號的轉(zhuǎn)換等等，會不會影響到配比。設(shè)定一個比較有代表性的配方進(jìn)行測試，觀察機器每組分的下料穩(wěn)定性，其中組分1 為原料，組分2 為回收料，組分3 為色母料，組分4 為添加劑，讓機器自動運行1 000個批次，使用數(shù)據(jù)采集功能將數(shù)據(jù)抓取出來進(jìn)行分析，圖12 所示為不同組分比例下料精度測試散點圖，可以看到對于組分比例定義在0.5%～5%，計量精度可達(dá)1‰，對于組分比例定義在5%以上， 計量精度可達(dá)3‰，論證了即使在遇到粉碎料時機器也可以滿足計量要求。

圖12 配比精度測試數(shù)據(jù)

3.3 攪拌均勻度測試

對攪拌后的原料進(jìn)行混合均勻度測試[11-12]，如圖13所示，隨機對攪拌后的物料抽取6 個試樣，每個試樣100 g，記錄每個試樣中的添加劑重量，經(jīng)測量得出數(shù)據(jù)如表2所示。

圖13 攪拌測試后的原料

表2 各試樣中添加劑重量

式中：CV為變異系數(shù)作為表示混合均勻度的指標(biāo)；S為混合物各樣板中被檢測組分含量的標(biāo)準(zhǔn)差；X為混合物各樣板中被檢測組分含量的平均值。

由式（2）～（3）得出：S=0.21、X=5.13。代入式（1）得到CV=4.1%＜5%，合格（CV參照GB∕T23491-2009《飼料企業(yè)生產(chǎn)工藝及設(shè)備驗收指南》中5.3 表一，有明確規(guī)定相關(guān)內(nèi)容：配合飼料、濃縮飼料、精料補充料小于或等于7%；添加劑、預(yù)混合飼料小于或等于5%。即變異系數(shù)值越小，混合越均勻）。由此可見使用此攪拌結(jié)構(gòu)能夠提高攪拌均勻度，增強混合效果。

4 結(jié)束語

一臺計量精準(zhǔn)、攪拌快速、混合均勻的拌料機能使生產(chǎn)效率最大化，提高生產(chǎn)力水平，降低勞動強度、減少勞動成本。本文通過對計量閥與攪拌結(jié)構(gòu)的設(shè)計分析，指出不同的物料由于其流動性不一樣，會影響下料速率，從而引起計量不準(zhǔn)。攪拌結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理會導(dǎo)致攪拌不均勻，從而引起產(chǎn)品色差。本文提出設(shè)計不同計量閥與下料口大小的方法來改善計量精度，提出設(shè)計刮片式的攪拌結(jié)構(gòu)來增強混合均勻度，通過實驗驗證了此設(shè)計能夠有效地改善攪拌機計量精度與增強攪拌均勻度，減少了因計量不準(zhǔn)與攪拌不均造成的浪費，能最大限度地利用原材料成本進(jìn)行生產(chǎn)，改變傳統(tǒng)的注塑擠出方式造成的效率低下，產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊的作業(yè)方式，能夠有效地提高工廠的作業(yè)效率和自動化水平。