1 前言
大米是我國人民最主要的食糧，根據(jù)近年來的統(tǒng)計(jì)，我國人均年消費(fèi)大米約100公斤左右。隨著市場經(jīng)濟(jì)的逐步發(fā)展，商品大米的包裝也從計(jì)劃經(jīng)濟(jì)時(shí)代的100公斤大麻袋出廠、散裝銷售，逐步過渡到10公斤、15公斤的塑料編織袋袋裝銷售。近些年，為適應(yīng)城鎮(zhèn)人民生活水平的不斷提高，許多廠開發(fā)出新品種加工米：免淘洗米、強(qiáng)化米、胚芽米、特優(yōu)米等等，這些精品米采用了5公斤、2.5公斤包裝。但是，被業(yè)界技術(shù)專家普遍認(rèn)同的、有顯著的防霉、防蟲、延緩陳化的效果的大米氣調(diào)保鮮包裝技術(shù)尚未得到應(yīng)用。為此，我們開發(fā)了大米氣調(diào)保鮮自動(dòng)包裝機(jī)，對(duì)其關(guān)鍵部件之一的自動(dòng)稱量裝置進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)研究，現(xiàn)簡介如下。
2 下料機(jī)構(gòu)的試驗(yàn)研究
對(duì)于散粒物料的稱重，下料機(jī)構(gòu)常用的有電磁振動(dòng)型、皮帶輸送型和自重直流型等結(jié)構(gòu)形式。電磁振動(dòng)型對(duì)各種物料的適應(yīng)性好，落料重量的隨機(jī)性較小，稱量精度易于保證，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積較大，成本高，且振動(dòng)和噪音較大。皮帶輸送型對(duì)不同物料也有一定的適應(yīng)性，稱量精度也較高，缺點(diǎn)同樣是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積較大，成本較高，漏料是普遍問題。自重直流型對(duì)各種物料的適應(yīng)性不是太好，落料重量的隨機(jī)性較大，稱量精度的控制將是其關(guān)鍵問題；但自重直流型結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，體積較小，成本低。根據(jù)大米自動(dòng)小包裝機(jī)的工作對(duì)象和特點(diǎn)，我們以選用自重直流型下料機(jī)構(gòu)為宜。因而，為了保證稱量精度的控制，下料裝置的研究將是其關(guān)鍵問題之一。
通常的自重式直流型下料裝置，一般都采用雙料口（雙門）下料，即大料口負(fù)責(zé)主要的下料任務(wù)，能盡快地下料到接近設(shè)定重量； 小料口只是補(bǔ)充差額到設(shè)定重量。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，由于大料口下料時(shí)，落料重量及其沖擊力、殘留料柱重量的隨機(jī)性大，致使稱量高精度和高速度的矛盾不易解決，達(dá)不到較高的要求。為此，又設(shè)計(jì)了三料口（三門）、四料口（四門）下料器。四料口下料器的各料口從大到小分別設(shè)為1、2、3、4號(hào)，下料時(shí)各料口同時(shí)落料至等于或略大于第一重量值，1號(hào)料口關(guān)閉；2、3、4號(hào)料口同時(shí)落料至等于或略大于第二重量值，2號(hào)料口也關(guān)閉；3、4號(hào)料口同時(shí)落料至等于或略大于第三重量值，3號(hào)料口也關(guān)閉；僅剩4號(hào)料口落料至設(shè)定重量值，4號(hào)料口也關(guān)閉，下料完成。試驗(yàn)裝置的1、2、3、4號(hào)料口的落料面積分別為30、18、8、3.2㎝2，實(shí)驗(yàn)測得落料流量平均值（50次）分別為1977.1、1072.5、119.8、54.4 g/s，落料流量標(biāo)準(zhǔn)差S1、S2、S3、S4分別為44.61、31.22、5.16、2.01 g/s。可以從實(shí)驗(yàn)結(jié)果清楚地看出，不同的落料面積對(duì)落料流量標(biāo)準(zhǔn)差的影響是很大的。
達(dá)到第一重量值時(shí)，由于落料重量及其沖擊力、殘留料柱重量的隨機(jī)性大，誤差很大。僅從落料流量標(biāo)準(zhǔn)差的角度，按一般的3σ原則可以認(rèn)為其誤差范圍在±249 g/s之間，其可信度為99.7%。但從包裝精度的要求看，選擇±5σ，即誤差范圍在±415 g/s之間，其可信度為99.99995%，落在此誤差范圍之外的概率僅為千萬分之五。落料流量標(biāo)準(zhǔn)差是定時(shí)試驗(yàn)結(jié)果（即控制器從發(fā)出開門指令到發(fā)出關(guān)門指令的時(shí)間為1秒，在此設(shè)定時(shí)間內(nèi)的落料試驗(yàn)結(jié)果），從表面上看它并不反映落料沖擊力和殘留料柱重量的影響（對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)稱重量而言，前者的影響為負(fù)，后者的影響為正）。但落料沖擊力和殘留料柱重量的不均勻性，實(shí)質(zhì)上主要是由落料流量的不均勻性引起的，所以落料流量標(biāo)準(zhǔn)差可以在很大程度上反映定量試驗(yàn)結(jié)果（即設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)稱重量，分別由各料口單獨(dú)落料的試驗(yàn)結(jié)果），驗(yàn)證試驗(yàn)證明了這一點(diǎn)。
以稱量5㎏為例，考慮到以后2、3、4號(hào)料口的工作，再將上述誤差范圍擴(kuò)大約一倍，即第一重量值設(shè)為4200 g，由于第一重量值與標(biāo)準(zhǔn)稱重量值之間的差距留為800 g，誤差對(duì)最終的稱量結(jié)果不會(huì)產(chǎn)生影響。達(dá)到第一重量值的稱量時(shí)間為4200/（1977.1+1072.5+119.8+54.4）=1.303 S。第二重量值的誤差范圍在±191.95 g/s之間，第二重量值設(shè)為4700 g，第二重量值與標(biāo)準(zhǔn)稱重量值之間的差距留為300 g，達(dá)到第二重量值的稱量時(shí)間為（4700-4200）/（1072.5+119.8+54.4）=0.401 S。第三重量值的誤差范圍在±35.85 g/s之間，第三重量值設(shè)為4900 g，第三重量值與標(biāo)準(zhǔn)稱重量值之間的差距留為100 g，達(dá)到第三重量值的稱量時(shí)間為（4900-4700）/（119.8+54.4）=1.148 S。4號(hào)料口的誤差范圍在±10.05 g/s之間，這便是最后達(dá)到的包裝精度。鑒于試驗(yàn)證明，殘留料柱重量大于落料沖擊力約50 g（系統(tǒng)誤差），所以設(shè)定重量值為4950 g，達(dá)到設(shè)定重量值的稱量時(shí)間為（4950-4900）/54.4=0.919 S。總稱量時(shí)間為3.77 S。這既保證了最終的稱量結(jié)果有足夠的高精度，同時(shí)，又保證了稱量的高速度。
由此可見，較之雙料口下料器，四料口下料器的優(yōu)越性十分明顯。不過上述實(shí)驗(yàn)用四料口下料器，在各料口面積大小的分配上，還不甚合理。實(shí)驗(yàn)證明，與三料口下料器相比，在精度和速度方面優(yōu)越性并不十分明顯。三料口下料器的下料過程與四料口下料器基本相同，但結(jié)構(gòu)要簡單許多。因而，試驗(yàn)結(jié)果選擇了三料口下料器。三料口下料器的大下料口（大門）、中下料口（中門）、小下料口（小門）的落料面積分別為110×70㎜、70×20㎜、20×20㎜，落料流量平均值分別為4721.45、827.17、64.21 g/s，實(shí)驗(yàn)測得落料流量標(biāo)準(zhǔn)差分別為130.46、39.67、2.67 g/s。各料口的誤差范圍分別在±652.3、±198.35、±13.35 g/s之間。以稱量5㎏為例，第一重量值設(shè)為4300 g，第二重量值設(shè)為4890 g，設(shè)定重量值為4955 g（消除殘留料柱重量大于落料沖擊力的系統(tǒng)誤差），達(dá)到各重量值的時(shí)間分別為0.766 S、0.662 S、1.012 S，總稱量時(shí)間為2.44 S。整機(jī)試驗(yàn)證明，稱量誤差范圍為±15 g，稱量速度可達(dá)2.5 S，與試驗(yàn)設(shè)計(jì)的理論值基本吻合。也很好地解決了稱量的高精度和稱量的高速度之間的矛盾。
在料門形式上，設(shè)計(jì)試制了擺式弧形料門、垂直往復(fù)式直插料門、水平往復(fù)式直插料門，進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。考慮擺式弧形料門在氣動(dòng)控制元件的布置與安裝方面，以及結(jié)構(gòu)復(fù)雜性方面的問題，未予采用。垂直往復(fù)式直插料門，在氣動(dòng)控制元件的布置與安裝方面，較為方便，但較易楔緊物料而卡住。試驗(yàn)結(jié)果選擇了水平往復(fù)式直插料門。
圖1 機(jī)械電子式自動(dòng)稱量裝置
3 計(jì)量機(jī)構(gòu)的試驗(yàn)研究
國內(nèi)外散粒料的自動(dòng)計(jì)量裝置，可分為容積式和稱重式兩大類。容積式結(jié)構(gòu)較為簡單，但計(jì)量精度不高，結(jié)構(gòu)也不緊湊，因而不宜用于有一定精度要求或較大計(jì)量的物料包裝。稱重式一般有機(jī)械式、機(jī)械電子式、電子式三種。機(jī)械式自動(dòng)計(jì)量裝置體積大、笨重而精度低，速度慢，現(xiàn)代已很少采用。 第一階段設(shè)計(jì)和試制的是機(jī)械電子式自動(dòng)稱量裝置，如圖1所示。機(jī)械部分選用市售的10㎏機(jī)械臺(tái)秤，將秤盤改為稱料斗（帶充料門），對(duì)砝碼掛鉤進(jìn)行了改造，以實(shí)現(xiàn)了砝碼自動(dòng)兩段加載，再加上光電控制器，便可以控制下料器以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)稱量。
砝碼自動(dòng)兩段加載的工作示意圖見圖2。作為杠桿機(jī)構(gòu)的機(jī)械秤，在稱量過程中，落料沖擊力對(duì)其工作穩(wěn)定性影響很大，為了解決這一問題，采用了砝碼自動(dòng)兩段加載的辦法。在開始稱量時(shí)，砝碼中的一個(gè)X（例如200克），支撐在支撐座上（圖2之上圖），并不加載到杠桿上，這樣加載到杠桿上的砝碼僅為設(shè)定稱重量-X=Y，當(dāng)料斗中的物料+落料沖擊力達(dá)到Y(jié)時(shí)，杠桿便上抬，砝碼X就離開了支撐座，它的重量加載到杠桿上，克服了杠桿上抬的慣性，杠桿按設(shè)定稱重量重新進(jìn)行平衡。平衡結(jié)果若杠桿仍可上抬一點(diǎn)，下光電開關(guān)感知，關(guān)閉大下料口。小下料口繼續(xù)落料，直至杠桿徐徐上抬到水平位置，上光電開關(guān)感知，關(guān)閉小下料口。光電控制器圖見圖3。
該裝置的最大優(yōu)點(diǎn)是，結(jié)構(gòu)簡單，成本很低，稱量精度也能滿足要求。但是，由于不同設(shè)定稱重量對(duì)應(yīng)的殘留料柱重量及其沖擊力不同，需要由設(shè)定稱重量值減去不同的值來進(jìn)行修正，這在使用操作上很不方便。加之，機(jī)械電子式自動(dòng)稱量裝置結(jié)構(gòu)尺寸要大一些，致使整機(jī)尺寸較大。所以，在經(jīng)過試驗(yàn)之后，便放棄了這一方案。
樣機(jī)正式采用的是電子式自動(dòng)稱量裝置，它是直接在市售的電子秤上，安裝帶充料門的稱料斗而成。市售的電子秤是經(jīng)國家計(jì)量部門檢定過的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，其精度為1/3000（精度高于1/3000者為電子天平），最大稱量為3㎏、6㎏、15㎏等。由于該包裝機(jī)最大稱量為5㎏，加上稱料斗的重量，已經(jīng)大于6㎏，便只有選擇15㎏的電子秤，其分辨率為5 g。電子秤的自動(dòng)稱量由單片機(jī)為核心的稱量控制器控制，其面板上有兩個(gè)顯示器，一個(gè)顯示重量值，一個(gè)顯示各種設(shè)定值或包裝的袋數(shù)，并有相應(yīng)的各種設(shè)定鍵。稱量控制器輸入的除稱重信號(hào)外，還有允許稱重、停止稱重、倒料狀態(tài)等，而稱量控制器輸出的信號(hào)有倒料、充氣、大、中、小料門控制等，直接輸出220V控制各電磁閥開關(guān)，如圖4所示。從電子秤內(nèi)單片機(jī)的串口取出電子秤的稱重信號(hào)，直接輸入稱量控制器，由控制器依據(jù)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)而編制的軟件去控制大、中、小料門的開閉，并由面板上的顯示器將重量值顯示出來。
該電子式自動(dòng)稱量裝置經(jīng)實(shí)驗(yàn)，稱量5 kg大米100次，其平均重量為4991.9 g（即平均誤差為8.1 g），標(biāo)準(zhǔn)差為4.9 g，最大誤差為15 g，其出現(xiàn)概率為2%。平均稱量時(shí)間為2.5S。
自動(dòng)倒料充填機(jī)構(gòu)是電子式自動(dòng)稱量裝置的一個(gè)必不可少的部分，它實(shí)際上是稱量斗的可控制斗底。但是，為了保證稱量精度，在稱量時(shí)控制部分不能接觸斗底，只有在倒料充填時(shí)控制部分才能接觸斗底進(jìn)行工作。為此試驗(yàn)了幾種方案，最終選擇氣缸下拉式，在斗底加上平衡重塊，回位彈簧很軟，沖擊力小。這種倒料充填機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單緊湊，反應(yīng)迅速，工作可靠。
4 結(jié)束語
作為大米氣調(diào)保鮮自動(dòng)包裝機(jī)的關(guān)鍵部件之一的自動(dòng)稱量裝置，采用自重直流型下料機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，同時(shí)用雙料口（雙門）、三料口（三門）、四料口（四門）下料器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比，結(jié)果表明三料口下料器在解決稱量的高精度和稱量的高速度之間的矛盾方面明顯地優(yōu)于雙料口下料器，而又與四料口下料器較為接近。機(jī)械電子式自動(dòng)稱量裝置結(jié)構(gòu)簡單，成本很低，稱量精度也能滿足要求；但是尺寸較大，且自動(dòng)化水平不夠高。電子式自動(dòng)稱量裝置是直接在市售的電子秤基礎(chǔ)上增加稱量控制器而成的，因此電子秤本身的精度和檢定便不存在問題。這樣研制出的大米氣調(diào)保鮮自動(dòng)包裝機(jī)的自動(dòng)稱量裝置，最大稱量5 kg時(shí)的誤差不大于15 g，平均稱量時(shí)間為2.5S，不僅能完全滿足大米氣調(diào)保鮮包裝對(duì)高速度和高精度的要求，而且結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，成本低廉。
