3强制给料定量包装机包装精度研究
前面主要对强制定量给料包装机的机械结构的整体分析、设计做了简要的叙述，可以知道，在整个系统中，称量系统是决定整体精度的主要因素。所以称量系统的分析、设计在整体的设计中所占用的比例是很大。本章对称量系统进行分析，并讨论称量系统的称量精度问题。
3.1称量系统简介
称重系统是定量包装机的核心。随着科学技术的发展，称重技术也随之不断的向前发展，称重模式的发展经历了传统的杠杆机械秤、机电结合式电子秤和传感器式电子秤、电脑秤和微机控制秤等阶段。
杠杆机械秤是指包含显示功能在内的所有功能都能通过机械手段实现的秤。它主要由秤斗和杠杆系统组成，其称重速度慢、效率低、受人为因素影响比较大，不能适应生产自动化的要求。
电子秤釆用现代传感器技术、电子技术和计算机技术一体化的电子装置，能满足并解决现实生活中提出的“快速、准确、连续、自动"称量要求，同时有效的消除人为误差，使之更符合法制计量管理和生产过程控制的应用要求。电子秤具有一个能将反力部分产生的变化转换成电量的传感器，还具有一个能处理电信号以获得测量值的信号处理装置。它主要由称重、传力复位系统（如机械计量斗）、称重传感器以及称重仪表等组成。称重、传力复位系统是被称物体与转换原件之间的机械、传力复位系统,又称电子秤的秤体。称重传感器是将非电量（质量）转换成电量的转换原件。它是把支承力转换成电信号或者其它形式的适合计量求值信号所用的一种辅助手段。在传感器式电子秤中，最常用的传感器仍然是电阻应变式称重传感器，称重仪表包括处理称重传感器信号的电子线路（包括放大器、模数转换、电源、调节器、补偿元件、保护线路）和知识部件（如显示、打印。数据传输和存储器件等），习惯上称载荷测量装置或者二次仪表。
现在称量的方式有很多，而称量系统设计的好坏将直接影响整个包装机的性能。根据计量原理的不同大致可以分为容积式、称重式、计数式三种计量方式。
(1)容积式计量方式容积式计量是按照计量物料的容积的比例大小进行计量。目前多釆用螺旋式、固定量杯式和可变量杯式。量杯通常采用叶轮和圆盘等容积计量方法。它是集给料机与配料设备为一体的设备。缺点是由于料仓内物料密度的变化，物料流动不稳定，导致容积式供料稳定性差，计量精度不高。优点是设备简单，操作方便。适用于各种粉料混配的场合，在对配料或者称量精度要求高的场合不适用。
(2)称重式计量方式对于流动性差、比重变化较大或容易结块的物料的计量往往用称重式计量方式。主要通过称重传感器，利用数字式技术，能够精确控制产品质量,提高包装精度。同时由于该计量方式称量准确，操作维护方便，自动化程度高，但是设备复杂，投资大，常用对产品要求比较高的场合。增量式计量的精度较高，是一种
理想的称重方式，其缺点是投资比较高。我们设计的强制定量给料包装机就釆用这种方式，保证称量的精度要求。
(3)计数式计量方式对于颗粒状物品，常釆用转盘计数式计量方法进行计量。转盘计数式计量装置是利用转盘上的计数板对产品进行计数。
容积式计量装置结构简单，操作方便，适应性广泛，对于计量不要求很精确时，是首选方式。相对容积式计量来说，称重式计量方法生产效率高，精度也较高，适用于比重变化比较大的物料。计数式计量，适用于有固定形状的块状或颗粒状物料。[38]

3.2称量系统的组成
我们设计的强制给料定量包装机釆用增量式称重系统作为设备称重系统，首先要建立增重式电子秤的力学模型，分析影响称量精度的一些基本因素并提岀相应的解决方法。称重机构是定量包装机的关键环节，是保证物料包装精度的关键所在。
此增重式称重系统主要包括包装袋、称重传感器以及称重显示仪表组成。料袋夹在楔形收料机构上，料袋内的物料的重量有收料机构传给称重传感器，料袋内的物料的重量有传感器经数模转换器传送到称重显示仪表。始称量时，首先启动螺旋输送器的电机，料仓中的物料随着螺旋轴的旋转进入输送器中，然后经过螺旋输送器的旋转轴将物料源源不断的输送到料袋中。当传感器检测到物料的实际重量满足设定重量要求值时，关闭螺旋输送器的电机停止下料。然后，当系统稳定后，控制电路使电磁阀通电，气路得以导通，推动汽缸工作，夹袋机构松开料袋。料袋取走后，仪表自动归零。
对称量系统模型的研究，对研究称量系统的特性是十分重要的。在这个工作过中称量系统可以看做由"物料一收料袋机构一称重传感器一基础”组成的一个振动系统,同时基础的刚性远大于其他结构的刚性，基础对称重系统的影响可以忽略不记，这样称重系统可以简化为图3-1这样的结构：

图3-1称重系统简图
Fig.3-1Weighingsystemdiagram
根据动力学分析，得出称重的称量系统数学模型：
[A/（r）+m]x+Gx+Cox=F（t）+    +m    式（3-1）
式中：m    收料机构重量（m）
M（t）—料袋中物料的重量（刀）
Co—称重传感器的刚度（N/m）
G—阻尼系数（Kg/s）
F（t）——料下落的冲击力（N）
式（3.1）是位移x与重量[M（f）+%]的关系模型。由上式知，系统是一个时变非线性系统。当系统质量不变时，上式是典型的二阶线性系统。
3.2.1称重传感器
称重传感器技术是电子称重技术的重要基础，称重传感器是电子称重系统的核心部件。现代传感器技术的发展促进了称重技术的进步，现代制造技术、防护密封技术、微电子技术，计算机技术、网络通讯技术的发展，又为开发新型传感器提供了技术和物质基础。随着科学技术的迅速发展，要实现对物料的准确、快速、方便的称量，称重传感器起着至关重要的作用。现在，传感器几乎运用到了社会所有领域。特别是现代自动检测系统中，如果没有传感器，就无法检测和控制生产过程中各个环节的各种参量，也就无法实现自动控制和检测。在现代称量技术中，传感器实际上是现代测试技术和自动化技术的基础。因此，称重传感器被称为电子秤的心脏部件，他的性能很大程度上决定了电子秤的称量精度。所以在选择传感器时应慎重，主要从以下几个方面考虑：网綱
1）    要考虑传感器所处的工作环境。
电子秤所在的工作环境对传感器的选择是至关重要的，它关系到传感器能否正常工作，使用寿命，在一定的程度上来说关系到整个电子秤的可靠性和安全性。
a）    在高温环境下工作的设备，需要选用耐高温的传感器，另外必须加有隔热、水冷或气冷等装置及温度补偿措施。
b）    在易燃易爆的环境下必须选择防爆的传感器，这种传感器的密封外罩不仅要考虑其密封性，还要考虑防爆强度，以及电缆线引出头的防水、防潮、防爆性
c）    在粉尘、潮湿的环境下应选择封密性好的传感器，从封密效果来看，焊接的封密为最好，充填涂覆密封胶为最差。对于室内干净、干燥环境下工作的传感器，可选择涂胶密封的传感器，而对于一些潮湿、粉尘性较高的环境下，选择膜片热套密封或膜片焊接密封、抽真空充氮的传感器。在腐蚀的条件下选择外表进行过喷塑或有不锈钢外罩，抗腐蚀性能好且密封性好的传感器。
d）    电磁场对传感器输出信号干扰的影响，在此情况下，应对传感器的屏蔽性能进行严格的检査，看是否有良好的抗电子辐射能力。
2）    对传感器数量和量程的选择
a）    传感器量程的选择是依据秤的最大量程，选用传感器的个数、可能产生的最大偏载及动态等因素综合评价来确定传感器的量程。一般来说，传感器量程与所受最大载荷越接近，其称量的精度就越高。但是在实际使用时，由于加在传感器上的载荷除被称量的物体外，还有秤体的自重、皮重、偏载及振动冲击等载荷的存在，因此在选用传感器量程的时候，要考虑诸多方面的因素，不仅保证精度，同时还要保证传感器的安全和寿命。
b）    感器的数量的选择是根据电子秤的用途、秤体需要支撑的点数（支撑点数应以秤体的几何重心和实际重心重合为原则）而定。一般来说，秤体有几个支撑点就有几个传感器，但是对于一些特殊的秤体，如电子钓钩秤，就只能用一个传感器，一些机电结合秤就应根据实际情况来确定选用传感器的个数。
3）    传感器准精度等级的选择
传感器的准确度等级用非线性、滞后性误差、重复性误差、蠕变、零点温度附加误差以及额定输出温度附加误差6项指标中的最大误差，来确定称重传感器准确度等级，分别用0.02、0.03、0.05……1.0表示。称重传感器的性能指标主要有线性误差、滞后误差、重复性误差、蠕变、零点温度特性和灵敏度温度特性等。对传感器准确度等级的选择必须满足下列两个条件；
a）    满足模拟量处理模块的输入要求。其对传感器的输出信号经过放大、A/D转换等处理之后显示称量结果的。因此，传感器的输出信号必须大于或等于模块要求的输入信号大小，即将传感器的输出灵敏度代入传感器和处理模块的匹配公式，计算结果必须大于或等于处理模块要求的输入灵敏度。
b）    满足整台电子秤准确度的要求。在对传感器准确度选择的时候，应使传感器的准确度略高于理论计算值，因为理论往往受到客观条件的限制，如秤体的强度差一点，模拟量处理模块的性能不是很好，秤的工作环境比较恶劣等因素都直接影响到秤的准确度要求，因此要从各方面提高要求，又要考虑经济效益，确保达到目的。
4）    称重显示仪表是对传感器的输岀信号经过放大、A/D转换等处理之后显示称量结果。所以，釆用的传感器满足仪表输入灵敏度的要求，能够与所选仪表匹配。而一台电子秤主要由秤体、传感器、仪表三部分组成，在对传感器的选择的时候，应使传感器的准确度高于理论计算值，因为理论值往往受到客观条件的限制，如秤体强度稍差、仪表性能不太好、电子秤的工作环境恶劣等因素直接影响到秤的准确度要求，因此要从各个方面提高要求，又要考虑经济效益，确保达到目的【4七
称重传感器从按转换方法分为光电式、液压式、电磁力式、电容式、磁极变形式、振动式。陀螺仪式、电阻应变式等，其中以电阻应变式使用最广。本系统选用电阻应变片式称重传感器。
3.2.2电阻应变片式称重传感器
电阻应变片式称重传感器的工作原理为：弹性体在外力作用下产生弹性变形，使黏贴在它表面的电阻应变片也随同产生变形，电阻应变片变形后，它的阻值将发生变
化（增大或减小），再经过相应的检测电路把这一电阻变为或转换为电信号（电压或电流），从而使称重系统完成将外力转换为电信号的过程。弹性体、电阻应变片和检测电路是电阻应变式称重传感器中不可缺少的几个主要部分。
1）    弹性体
弹性体直接感受力、压力和力矩等物理量，其输出为弹性元件本身的变形（应变、位移、转角）。这种变形通常作为电阻式、电容式、电感式、霍尔式等元件的输入量，以作进一步的信号变换。通常以刚度、灵敏度、弹性滞后、弹性后效、温度特性作为基本特性来衡量弹性体的性能。
2）    电阻应变片
电阻应变片又称电阻应变计，是将应变变化变换威电阻变化的电阻元件。种类很多，常见的有箔式电阻应变片、半导体应变片和丝式电阻应变片。以金属材料为转换元件的应变片，其转换原理是基于金属电阻丝的电阻应变效应。
3）    检测电路
在称量过程中，要把称重传感器承载的重量信号转换为人们能够认识、方便操作的电量信号，检测电路的作用就是把电阻应变片受承载产生的电阻变化转变为电压输出。因为惠斯登电桥具有很多优点，如可以抑制温度变化的影响，可以抑制侧向力干扰，可以比较方便的解决称重传感器的补偿问题等，所以惠斯登电桥在称重传感器中得到了广泛的应用。图3-2所示惠斯登电桥电路。

图3-2电桥电路
Fig.3-2Electricbridgecircuit
如图3-2所示的电桥电路中，当&、&、&、&都为电阻应变片时，该电桥称为全桥；当其中之一为电阻应变片、其它为固定电阻时，则该电桥称为单桥。全桥的灵敏度是单桥的四倍。当&=&=&=&时，称为全等臂电桥。因为全等臂电桥的灵敏度最高，各臂参数一致，各种干扰的影响容易相互抵消，所以称重传感器均釆用全桥式等臂电桥。
在全等臂电桥中，&、&、&、&四个电阻依次接在A、B、C、D之间，构成电桥的四桥臂。电桥的对角线AC两端接电源，电源电压为E；对角线BD两端为电桥的输出端，其输出电压用0酣表示。可以证明U班与桥臂电阻有如式（2-22）关系
UDB=E(        —)    式(3—2)
DBR+L&+&
若4个桥臂电阻由贴在构件上的4枚电阻片组成，而且初始电阻&=&=&=R，当输出电压〃財=0时，电桥处于平衡状态。构件变形时，各电阻的变化量分别为从|、场、A&、妈。输出电压的相应变化为：

在小应变M/RD1的条件下，可以证明桥路输出电压为:
如果M仅由机械变形引起、与温度影响无关，而且4枚电阻片的灵敏系数&相等时，根据式(2-21)和(2-24)可以写成
E
AUdb=~EK°(£]-勺+$3，4)
如果拱桥电压E不变，那么构件变形引起的电压输出AU°b与4个桥臂的应变值勻、电、弓、&成线性关系。利用电桥的这一特性可将电阻的变化转换成电压的输出。
3.3称量误差分析
由前边的式3-1可知，称量的力学模型是随着下料过程变化而断变化，而位移x作为非线性时变系统的输出，受多种因素的影响，这其中包括给料的质量、下料时物料对系统的冲击力以及称量系统本身的机械特性，同时还有送料系统停止后空中落料量以及螺旋送料过程的脉动现象的影响。
下料时物料对称重系统产生的冲击力随下料速度和物料冲击系统的速度不同而改变，很难准确的估计和计算。空中物料的质量与物料的下落高度(螺旋输送器的出料口到料袋中物料面之间的距离)差、给料速度和执行机构延时等因素有关，同样也很难算出。
3.3.1加料误差
送料生产中发生的周期性的变化我们称为送料过程中的脉动现象。螺旋机构送料过程中，在一个螺距的送料过程中，产生物料流不均匀料现象称为送料的“脉动现象”。加料误差主要是由螺旋输送器的结构状况和物料的不均匀性引起，产生送料过程的脉动现象。
3.3.1.1脉动现象分析
螺旋输送器作为一种强制给料的连续给料设备，具有结构简单、紧凑，价格低廉,系统封闭等特点，使其在物料的输送中使用十分广泛，特别是在粉状物料和具有一定的粘性的物料的输送中更是得到广泛应用。其基本原理是利用螺旋的旋转将物料送出。
试验发现，螺旋机构送料过程中，在一个螺距的送料过程中，会产生物料流量的不均匀现象，我们称为螺旋送料的“脉动现象”，分析其产生原因，主要是受螺旋终止端面的影响。由于在卸料口，螺旋叶片转动到不同的位置时，螺旋与料筒形成的存料空间不同，并且当螺旋的端面运动到不同的位置时，物料受阻挡的情况不同，因此产生了落料的差异。由于自身的特点，在一个螺距的送料过程中产生送料多少不均的脉动现象，脉动现象主要由螺旋的螺距，直径和物料的堆积密度的影响。
螺旋给料器的给料精度除了螺旋自身的因素外，还受物料本身的物理、化学性质的影响。影响给料精度的主要物料性质有：流散性、可压缩性、比重、粘度、粘滞性等。
3.3.1.2提高给料精度措施
我们通过螺旋输送器螺旋输送某一物料的试验，来分析螺旋输送的“脉动现象”。其方法是螺旋每转动30°角，测量出流出的物料流量，顺序做出0°—30°、30°-60。、60°-90°等，直至整个圆周的物料流量。再计算出每个测量单元的平均值，绘制了送料的曲线图如图3-4所示。

Fig.3-4Spiralsendblankinggraph

脉动现象将不仅影响给料精度，同时影响给料的均匀性，使生产线上的设备不能均衡生产，特别是当定量螺旋给料机尺寸大、能力大，而生产线生产量小的情况，影响更加明显。另外，如果将定量螺旋给料机用于配料作业，或用于定量包装机给料，影响将更大。如果在定量包装机的一个工作循环过程中，定量螺旋给料机旋转次数越少，脉动影响越大，给料误差越大；反之，则给料误差越小。因此，对于定量包装机和自动配料机，应尽量提高在一个工作循环内的螺旋旋转给料次数。
我们通过将出料口处的螺旋设计成双螺旋，这样就相当于在旋转一个圆周有两次送料机会，使给料次数增加了一倍。同时两个螺旋送料的峰值和谷值可以互补，大大提高了给料的均匀性。图3-5是我们使用出料口为双螺旋结构的给料机构输送同样中物料的曲线图。

图3-5加有双螺旋的送料机给料落料曲线图
Fig.3-5Withthedoublespiralfeederofgraph
从图3-4,3-5比较来看，采用双头螺旋给料机构给料时，可以大大的降低螺旋给料的脉动，提高给料的均匀性，应用于定量包装时可以提高包装精度。
同时，使用螺旋给料机构送料时，在物料性质一定的情况下，通过以下几个方面可以提高给料机构的给料精度。
1）    电动机转速稳定：
稳定的电动机转速是螺旋给料机构保证给料精度的首要方面。使用普通电机，电机的转速受电压变化的影响比较大，一些未考虑电机转速的影响的设备，送料的精度波动比较大；采用稳压器的设备，可以降低电压的波动，从而降低电机转速的变化，提高送料精度。现在一些给料设备采用变频电机或者伺服电机，结合闭环控制系统，可以很好的解决电压变化对给料精度的影响。
2）    螺旋的填充系数稳定
螺旋输送机作为输送设备在定量包装机中应用，与普通的螺旋输送相比，主要是保证了送料时螺旋的填充系数为定值，这样就保证螺旋在转动一个螺距时流出的物料不变。同时，螺旋的填充系数越稳定，在螺旋的一个螺距送料过程中产生的脉动越小。因此，在设计给料设备料仓时，应选择合理的料仓形状结构，使螺旋的填充系数尽可能的稳定。
3.3.2空中物料的误差
电子秤的称量精度还与喂料阶段的软件处理有较大的关系，特别是空中落差的处理，这是称重系统软件设计的关键。
一般增量式称重方式使用称量斗接收物料，物料称完后，将称重显示仪表内部计数值清零。在料斗内的物料重量达到定值时，给料设备停止给料，但是在给料机构和料斗内料面之间还有一部分物料以自由落体运动经一段时间后才能落入称量料斗内，这部分料称为空中落料差。由于空中落料差的影响，所以物料的重量的设定值应为称量目标值减去物料落差值。
空中落差值是影响称量精度的一个重要因素，必须对落料量进行补偿。落料量的积分公式为：
Wd=^+ha(t)dt    式(3-6)
其中，为送料机构停止时间，匕为物料自由下落距离h的时间。设落差距离为方,落料的垂直初速度为0,则g为重力加速度，a(t)为物料的流量。a(f)可用下公式表示：
a(t)=\3AD2(/SYn(t)    式(3-7)
式中，«(/)    料流量(kg/s)
D—螺旋输送器的直径(m)
Y—料的容积(Kg/m3)
4>    填充系数
S    螺距(m)
n(t)    螺旋转速(r/s)
令c^\3AD2(/SY则a(t}=cn(t}
假设螺旋机构的转速n不变，落料差高度为h,则物料落差量为：
Wd=-^^cn    式(3—8)
由上式可知，当物料的落差高度h不变时，物料的落差量主要受螺旋下料机构的转速影响。降低螺旋机构的转速也就减少了物料的落差量。
同时，料袋内料位的高低会产生下料受力不均的现象，料袋内随下料增多料位不断的增加，从而h值不断变化，下料的快慢也不断变化，这些都会使空中落料差产生变化。另外，称重仪表的反映速度，下料的平稳性都会对称重结果产生很大的影响。
由上分析可知，螺旋给料机停止给料后，由高度落差(给料机与料斗之间)引起的空间物料的不确定性是影响最终物料称量精度的直接原因。
设计中的料门可以减少物料的落差高度，减少空中落料量，提高包装精度。
3.33冲击力的误差
冲击力主要是因为物料从螺旋输送器的出料口下料时，从卸料口到料袋内料面有一定的距离h,从而产生的冲击力。冲击力对称量的稳定性和精度有一定的影响。
由动量定理知：
F^t=mv    式(3—9)
式中，m为A/时间内物料的下料量，设a(f)为物料的流量，所以可以改写为：
m=a(t)xA/    式(3—10)
设v是物料恰好落到料袋内料面时的垂直速度，有
v=朗=g［枠=式(3—11)
式(3—⑵
将a(t)=cn(t)代入得
F=cn(t)x丽    式(3-13)
由上式可以知，物料的冲击力与螺旋给料机构的转速及物料落差高度有关。为减少冲击力的影响，可以降低螺旋的转速或者减少物料落差高度。
这样物料的下料量就等于称量传感器的测量值加上落差量，然后减去物料的冲击力，即：
W^Wc+Wd-F    式(3-14)
在设计时，釆用大小螺旋给料，同时小螺旋卸料口端设计成双头螺旋形式，这样保证给料速度同时，在精给料时，保证了给料的均匀性，使物料的冲击力更均匀，降低了冲击力对称量精度的影响。
3.3.4传感器的迟滞性误差
以图3-4为模型介绍迟滞性的定义：纵轴为灵敏度输出，横轴为载荷，在测试传感器的特性时一般将额定载荷等分成五份，从0到100%逐级加载并读取相应的输出值，将五个读数点连成光滑曲线，这条曲线如图中粗实线，称之为加载曲线，也叫进程曲线。利用直线插入法计算75%点的相应数据，以零点和75%点划一条直线，图中点线，这条直线称为理想直线，加载曲线与理想直线的误差称之为非线性误差。从100%到0分五等份逐级减载，并读取相应数据，将这五组数据连成光滑曲线，如图中粗虚线，称之为减载曲线，也叫回程曲线，减载曲线与加载曲线之间的误差称之为迟滞性误差。

图3-4迟滞性曲线图
Fig.3-6Hystereticcurvediagram
迟滞性误差反映的是传感器精度的主要指标之一，误差的大小直接影响计量精度,所以在传感器的生产过程中必须严格控制影响迟滞性的各种因素。同时也要保证在安装传感器的不同条件下尽量避免影响迟滞性的因素存在。影响传感器迟滞性的因素主要有以下几个方面：
1）    传感器本身结构,包括弹性体、应变计、密封胶等因素的的影响。
2）    安装条件的影响，主要是指称重传感器在使用现场的安装条件，如表面状况、安装扭力、螺栓强度等均会影响称重传感器或者说是整机的迟滞性。
上述的影响因素，或多或少都会影响使用精度，在安装过程中尽量避免，以保证系统的长期使用的稳定性能。
3.4随机误差
随机误差的产生取决于测量过程中一系列随机性因素的影响。所谓随机性因素是指试验者无法加以严格控制的因素。在测量过程中，尽管测量条件不变，但由于一些不可预测的随机事件的影响，多次称重的结果仍然有差异，这就是随机误差。例如环境误差的影响：周围的振动引起配料系统不稳定，导致釆集到虚假数据；电磁干扰的影响；其它如粉尘、烟雾、潮湿、高温、噪声对系统的影响等"J。
消除随机误差的方法为多次测量取平均值。
3.5本章小结
本章主要介绍了定量包装机的称量系统。分析了影响称量精度的因素所产生的误差，包括传感器的误差、加料误差、物料下落产生的冲击力误差、空中物料所带来的误差、系统迟滞性误差、过冲量误差、随机误差等，并提出了相应的解决方案。

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