新型智能組合秤稱重系統

張春友 吳曉強

(內蒙古民族大學機械工程學院，內蒙古 通遼 028000)

新型智能組合秤稱重系統

張春友 吳曉強

(內蒙古民族大學機械工程學院，內蒙古 通遼 028000)

針對傳統組合秤稱重系統在稱重不均勻物料時存在精度較低、時效性較差的問題，提出了一款新型智能組合秤稱重系統。該稱重系統采用了多秤頭組合、高精度的稱重傳感器以及高分辨率A/D轉換器。設計的光電檢測單元和振動機構大大提高了動態不均勻顆粒稱重的精度；利用快速數字濾波算法,極大改善了測量速度。仿真數據和試驗表明，該稱重系統的設計有效地適應了不均勻物料的稱重過程，有效地提高了稱重的精度和時效性，滿足生產實際的需要。

稱重系統 組合秤 不均勻物料 稱重傳感器 高分辨率A/D轉換器 數字濾波

0 引言

近年來，科技的飛速發展帶動了工業生產的快速發展，中小定量包裝等食品行業對組合秤稱重系統的需求量越來越大[1]。傳統的單體稱量包裝秤存在抗干擾能力差、包裝速度慢、包裝計量精度不高、功耗大等弊病[2-3]，而且對于單重不一或者不均勻物料時，單體稱量包裝秤不能精確測量物料的質量，造成不合格率的升高。隨著計算機技術和微電子技術的發展，關于這方面的稱重系統的研究越來越多，而具有配料精確、可靠性強、抗干擾能力強的自動稱重系統能更好地解決這些問題，并明顯提高生產效率和經濟效益。

1 系統設計

稱重系統硬件由中央處理單元、振動控制、氣缸控制、數據采集和人機界面五部分組成。其中，數據采集部分包括信號調理部分和A/D轉換部分；氣缸調節控制部分由調節控制電路和氣缸電動閥組成。稱重系統硬件結構框圖如圖1所示。

圖1 稱重系統硬件結構框圖

1.1 中央處理單元

中央處理單元采用32位ARM處理器，是整個稱重系統的控制和數據采集中樞。中央處理單元通過與各個檢測部分和執行機構的信息交互，以及人機界面的通信程序，振動電機采用PWM控制程序、氣缸調節控制程序、A/D轉換及計算程序，實現了整個稱重系統的智能控制。中央處理單元通過對光電開關的檢測，實時監測物料的情況，并根據振動電機的幅度調節，保證備料斗的物料充足；通過稱重傳感器轉換質量，由信號調理及A/D轉換成電壓信號；電壓信號經中央處理單元計算，轉換成數字量，最后顯示在人機界面上。

1.2 振動控制

系統采用了無觸點的光電檢測開關來控制振動給料器。當光電檢測開關檢測到線振盤里物料沒有或不夠時，向中央處理單元發出加料信號，中央處理單元向物料輸送機發出加料信號，直到光電檢測開關測出有物料為止。然后啟動振動電機，調節合適的振幅和振動時間，將物料送到每個備料斗中。

1.3 氣缸控制

氣缸控制部分實現氣動伸縮氣桿工作。打開備料斗斗門，將物料送到稱重斗中，由中央處理單元實現智能控制，完成何時需要打開或者關閉氣缸電動閥，使系統精確地完成一次稱重過程。

當稱重斗沒有物料或者物料不夠時，中央處理單元發出添加物料的信號，這時控制電路會一邊打開氣缸電動閥，一邊接收電動閥反饋回來的開度信號。中央處理單元也一直檢測稱重斗中的物料質量，避免物料過多而導致質量超過所需要的數值。

1.4 數據采集

在稱重斗中，物料通過稱重傳感器產生質量信號，再通過引線傳送到控制設備的主板上。中央處理單元讀取并記錄每個稱重斗的質量，再通過計算、分析、組合，篩選出最接近目標質量的組合稱重斗。當接收到包裝機發送的請求放料信號時，中央處理單元發出信號，啟動稱重斗電機驅動器，打開被選中的稱重斗，把產品卸到卸料斗中，從而進入包裝機。

考慮到電磁振動器線圈產生的電磁場會對A/D采樣有影響，當稱重傳感器把物料質量傳送到信號調理電路中時，對A/D采樣模塊增加屏蔽體進行磁場屏蔽[4]。之后經過放大、濾波等一系列程序，再由A/D轉換成中央處理單元可識別的數字量，由處理單元進行中位值平均濾波法[5]，剔除最大值和最小值，最后求出平均值作為最終采樣值。數據采集流程圖如圖2所示。

圖2 數據采集流程圖

1.5 人機界面

本稱重系統采用帶觸摸的液晶屏，用自帶軟件開發了人性化的操作界面。通過觸摸屏幕能夠實現對稱重系統所有功能的操作以及振動電機的幅度調試。通過觸摸屏幕，操作人員可在信息欄上看到每次稱重的時間和質量，操作簡便。

受外界環境影響以及自身條件限制，系統采用的應變式稱重傳感器的輸入-輸出呈現非線性[6]，因此需要對傳感器進行標定及校正。在傳感器托盤上依次放上標定質量值的砝碼，同時質量顯示在屏幕的信息欄。根據與標定質量值的偏差，將偏差值輸入到初始標定對應的文本欄里，經過逆模型校正后，系統進行校正換算，完成標定過程。

2 稱重系統的外觀結構

智能稱重系統采用振動給料式設計[7]，具備大儲料斗、組合秤、振動機構、光電檢測的特點，能夠實現各種物料大小不均勻的稱重方式，并具有精準的稱重效果。該稱重系統長84 cm，高124 cm，寬65 cm；采用的是光電檢測物料；下面裝有帶振動電機的振動盤，兩邊設計有防護欄，防止物料掉出去；中部采用的是四頭組合秤的原理，每頭秤的量程為2 kg；安放了4個備料斗。物料經過備料斗流向4個秤盤，進行精準計算，經過卸料氣桿，將物料推到卸料斗，最后進行打包。

2.1 振動系統

振動部分實現稱重系統的振動機能，由中央處理單元實現智能控制，完成稱重系統的給料功能。振動機結構如圖3所示。

圖3 振動機結構圖

此振動系統是在電動機的轉軸上裝上一個助鍵，在電機快速轉動下，引起強烈振動。振動電機裝置托盤與振動給料盤采用焊接方式固定。在彈簧塑料軟套筒內裝彈簧，既可以支撐振動盤，也可以加強振動效果。

2.2 備料與稱重機構

物料由振動盤進入備料斗，在秤盤空閑的情況下，備料斗閥門氣桿打開備料斗閥門[8]，物料放進4個秤盤進行稱重，信號傳輸到中央處理單元進行計算、組合。待組合完成后，卸料氣桿將物料推進卸料斗內，完成一回程序。在稱重過程中，啟動振動機構，將物料送到備料斗，等待下一次循環，加快速度。為防止物料超出壓力傳感器的量程，在秤盤上裝加秤盤防過壓腳[9-10]，保護壓力傳感器。

3 試驗結果

通過對組合秤稱重系統的不均勻稱重數據的測量與分析，采集稱重單元的實際質量并利用Matlab對數據進行仿真，精確度均為0.5‰。稱重試驗的標準質量和對應的實際稱量結果如表1所示。

表1 0～1 200 g物料稱重試驗表

根據以上數據建立一種合適的標準質量與實際稱重質量的關系，得到兩者之間的擬合曲線，從而實現數據的標定變換。通過測試，無論在均勻的物料還是不均勻的物料中，標準質量與實際稱重質量都具有很好的線性關系。

4 結束語

經試驗測試，該稱重系統計量準確，光電檢測物料靈敏，下料量振動調節反應速度快，稱重精度達到預期要求。該稱重系統可以提高小型食品包裝廠家生產效率，提升經濟效益；對于一些稱重不均勻、速率慢等領域的自動化稱重系統的開發設計具有參考價值。

[1] 權小青.我國智能組合秤市場發展分析[J].衡器，2012,41(12)：1-3.

[2] 葉志剛.影響移動定量包裝精度的因素及對策[J].石油化工自動化，2013,49(6)：72-74.

[3] 張麗妹，高占寶，尹志兵.基于等效系統的動態稱重數據處理[J].測控技術，2013,32(6):33-35.

[4] 謝光輝.電子皮帶秤計量誤差的動態分析[J].計量與測試技術，2010,37(4):31-32.

[5] 吳壯，黃寧，鐘官壽，等.動態配料稱重控制系統的設計和實現[J].電腦知識與技術：學術交流，2010(10):8125-8126.

[6] 景婧.應變式稱重傳感器的非線性校正[J].計算機應用研究，2013,30(1):189-191.

[7] 馬蕾，田懷文.一種自動計量裝置設計研究[J].機械設計與制造，2013(6):21-23.

[8] 李永偉，朱婧菲，劉占陽，等.連續輸送物料計量稱重系統的設計[J].河北科技大學學報，2013,34(3):213-216.

[9] 王偉強，潘剛.動態稱重系統信號處理與自適應補償設計[J].傳感器與微系統，2010,29(7):69-71.

[10]王小磊，黃剛，席建中.皮帶秤稱重傳感器振動能吸收裝置的研究與開發[J].自動化儀表，2013,34(8):84-85.

New Intelligent Weighing System with Combination Scales

To against the shortcomings of traditional weighing system based on combination scales, e.g., low weighing accuracy for inhomogeneous materials, and poor timeliness, the new intelligent weighing system with combination scales is proposed. This weighing system is composed of multi-scales combination, high precision weighing sensors and high resolution A/D converter. In addition, the photoelectric detection unit and the vibrating mechanism are designed; the dynamic weighing accuracy for inhomogeneous granules is enhanced greatly, the measurement speed is improved significantly by adopting digital filtering algorithm. The simulation data and tests indicate that the design effectively adapts the weighing process of inhomogeneous materials, and increases the weighing accuracy and timeliness, to satisfy the demands for practical production.

Weighing system Combination scales Inhomogeneous materials Weighing sensor High-resolution A/D converter Data filtering

國家自然科學基金資助項目(編號：11202078)。

張春友(1980-)，男，2008年畢業于內蒙古農業大學機械設計專業，獲碩士學位，講師；主要從事機電一體化的研究。

TH138

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201504023

修改稿收到日期：2014-06-26。