玻璃包裝制品智能滴料系統研究

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外市場需求的增加和玻璃制品工業的發展，如何加強玻璃制品制造技術的開發，提高玻璃包裝制品質量的穩定性和提升生產效率成為玻璃包裝容器制作行業面臨的的新課題。本文提出基于電磁流量測量玻璃熔料料重控制技術和基于蝸輪增壓原理料滴速度裝置。通過圖像識別技術計算料滴質量進行穩定控制提高產品質量穩定性，利用渦輪增壓原理通過高速穩定氣流增加料滴下滴速度提升生產效率。

關鍵詞：玻璃；電磁；測量；渦輪增壓；加速

引言

目前玻璃包裝制品的生產效率低，產品質量不穩定等不足，究其原因為生產設備落后，國內具備先進制造設備的企業還很少，多為進口，而自主研發的設備整體水平與發達國家還有很大差距，生產效率低，產品質量不穩定，大大制約了國內玻璃包裝行業的進步。目前的產品生產效率遠不能滿足國內市場的強烈需求。同時隨著現代智能制造工業的進步，制瓶設備正逐步發展，為此本文就針對玻璃包裝制品設備智能滴料系統加以設計分析研究。

一、制瓶原理

制瓶機成型原理：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，通過機械作用和壓縮空氣的壓力（有時還有真空作用）完成。制瓶分為三大步驟：制瓶口-- 初型完成 --成型制作

行列式制瓶機是現在通用的制瓶成型機，分為吹—吹法和壓—吹法兩種生產工藝。

吹—吹法生產的成型過程為：

滴料—真空輔助和撲氣—倒吹氣—翻轉—重熱—真空成型和內冷卻正吹氣—鉗瓶。

壓—吹法生產的成型過程為：

滴料—沖壓—倒吹氣—翻轉—重熱—真空成型和內冷卻正吹氣—鉗瓶。與吹—吹法作業生產的成型過程的不同點，主要就是真空輔助和撲氣過程和倒吹氣過程變為了一個沖壓過程如圖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，在撲氣之前料滴的頭部幾乎完全落入瓶子口模部位。

為適應現代生產發展的需求提高產品質量的穩定性和生產效率，本文對料重控制和料滴速度控制進行研究。

二、基于蝸輪增壓原理料滴速度裝置研發及分析

料滴速度控制是玻璃成型工藝里極其重要的一環，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℃左右熔融狀態下的玻璃液，通過供料機將玻璃液分出一定料重的料滴，通過流料系統，分配到制瓶機的成型部分進行成型。

運用蝸輪增壓原理和理想流體模型穩定流動的動力學基本規律，研制熔融狀態玻璃流料加速裝置，實現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；進而提高料滴的分配效率，提高產品的生產效率。

流料加速原理：如圖4加速裝置設計進氣口和出氣口，電機帶動圓柱內扇葉旋轉，將風吹入圓環的縫隙中，由于圓柱內空氣減少，空氣在閉合腔體內形成高壓，在出口處形成高速氣流，帶動加速器中軸線上的空氣朝出口方向加速運動，形成一個加速的流體力場。對于通過加速流體力場的玻璃滴料，受到力場中豎直向下的推力而加速運動，達到給滴料加速的要求，同時加速器也未與滴料發生直接的接觸。

三、空氣壓縮狀態方程

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

式中：P--絕對壓力（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（牛米/千克開），對于空氣R=287牛2米/千克2開

理想氣體狀態方程：

式中：M--摩爾質量；n--氣體的物質的量，單位nol；

S--氣體常量，單位J/kg.K

P--氣體壓強Pa；V--氣體體積，T--體系溫度（絕對溫度），單位K。

理想氣體在狀態變化時三個基本狀態參數，絕對壓強、比體積ν和絕對溫度T之間的關系式

式中：ν--氣體的比體積

描述氣體狀態的三個基本參數P，VT中只右兩個是獨立的，置有給定三個基本狀態參數中的任意兩個，氣體狀態就被確定了，若氣體質量為m千克，將式兩邊乘以m，則可得到m千克理想氣體狀態方程式；

以上式是理想氣體和混合氣體的狀態方程，可由理想氣體嚴格遵循的氣體實驗定律的出，也可根據理想氣體的微觀模型，由氣體動理論導出，在壓強為幾個大氣壓以下時。各種實際氣體近似遵循理想氣體狀態方程。

2）在滴料加速控制實現：在料滴下降過程中，調節加速裝置進風口大小，（調節電機轉速快慢）調節整個力場的加速值，實現對滴料最終進入下一個工位的速度控制。

控制系統中的反饋信號是電壓信號顯示的料滴速度，為了真實可靠的信號，并實現功率電路和控制器之間的電氣區分，需要以速度傳感器，傳感器的輸出信號為連續模擬量，由于控制系統對反饋通道上的擾動抑制能力弱，所以，信號傳感器必須有足夠高的精度，才能保證控制系統的準確性本裝置采用單片機控制系統，主要完成整個加速系統的檢測，控制保護等工作，在啟動前單片機對系統進行啟動前的檢測，保證電路的正常。正常運行時完成對料滴速度檢測信號PID數字調節運算和處理，監視系統的運行。對系統狀態進行實時反饋調節，同時單片機控制系統具備人機交互功能，

閉環調速的實現，通過料滴速度的檢測，將檢測實際結果反饋回計算機，然后進行PID調節，再通過執行機構使得輸出速度與設定速度一致完成料滴速度控制的目的。通過這部分調節電動機轉速控制進風大小實現更精準控制。

閉環控制是自動控制系統最基本的控制方式，也是應用最為哦廣泛的一種控制方式，它是按偏差金系ing控制的，其特點是不論什么原因使被控制量離期望值出現偏差時，必定會產生一個相應的控制作用去減小或消除這個偏差，使被動控量與期望值趨于一致，在這個反饋量就是速度，閉環控制中的差值就是e（k）=e（用戶）-e（實際），即進行反饋調節的就是這個偏差，使其盡量減小到0。

本系統采用增量式PID控制算法，當執行機構需要的不是控制量的絕對值。而是控制量的增量時需要用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。對增量式PID算法1得；

從④一看不出PID的表達式和P、I、D作用的直接關系，只表示了各次誤差量對控制作用的影響，從式4看出數字增量式PID算法，只要儲存最近三個誤差值e（k）、e（k-1）、e（k-2）就足夠。最后輸出u（k）由計算機加載PWM進行調速。

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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，學歷：碩士研究生，研究方向：機械工程.