一種可以自動配比混合的拌料機設計

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，隨著時代的發展，科技的進步，特別是工業4.0 時代，人工攪拌的方式已經基本淘汰。鄭友林等[1]發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。計量混合攪拌設備在注塑或擠出的生產制程中必不可少，塑料制品一般都會由各種色母、添加劑等多種物料調配熔合而成，為了得到高品質的產品，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問題。

郭磊等[2]的發明，雖其產品可實現自動混合配比計量攪拌，但其結構組成過于復雜，在許多工況下不夠實用。根據客戶的產品工藝要求，為客戶提供合適、經濟的計量攪拌設備非常的必要。近年來，隨著材料成本的上升，國內計量攪拌設備發展迅猛，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，首先可以節約人工，提高生產力，促進產業自動化，同時改進計量閥結構，使回收料能得到有效的利用[3-4]，可減少環境的污染。

本文將從機器的結構設計分析探討，提出不同原料需要用不同計量閥來計量下料，改善攪拌結構增強混合均勻度，針對計量精度不穩定等問題，采用濾波處理，增加阻尼設定來消除對稱重的干擾，并設計數據采集軟件，方便對生產進行監控。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計的有效性與準確性。

1 設備設計過程

1.1 設備工作原理

首先設備開機通電，進入秤盤校正，設定各組分比例，保存下載，啟動設備，計量混合時，系統控制每個計量閥依次打開，原料因自重落入稱重盤，達到比例后關閉，計量完成后，稱重斗落料閥打開，原料落入攪拌室，攪拌馬達運轉，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品，通過料位計控制原料消耗，當原料低于設定料位時，重復下一個工作循環。

1.2 拌料機結構設計

拌料機主要部件結構[5]設計如圖2所示。

圖2 混合拌料機的結構組成

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 產品的關鍵技術分析

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方案

對于不同的組分比例設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，增強原料適應性。因為物料流動性與組分比例不同，下料量就不同，所以設計不同口徑的下料口與不同類型的閥體。處理標準物料時，則使用普通錐形計量閥，處理片料或非常規回收料時，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。例如在生產過程設定組分比例為40%，在機器運行過程中，當稱重系統檢測到實際比例已經達到39.9%，由于普通氣缸本身的響應速度不夠快以及電磁閥的響應時間久，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定比例不符的現象，現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功能[6]，能夠隨著主料的下料量來調整其他原料的下料量，利用程序算法關系，對組分遇到下多下少的情況，可以隨時作出調整。

圖8 不同落料口與計量閥設計效果

根據塑膠行業中常用到的物料類型，攪拌組合設計成刮片式攪拌葉結構[7-8]，采用內八字與外八字設計結合，可以將原料來回翻滾，避免了分層現象。如圖9所示，攪拌桶設計成葫蘆型，提高攪拌效果和解決原料滯留在攪拌桶內的問題。攪拌操作上設計成多種方式來針對不同物料的特性。同步啟動：當稱盤打開卸料時，攪拌器立即啟動；延時啟動：稱盤打開卸料完畢并且稱盤關閉后，攪拌器才啟動；連續攪拌：開機狀態下則打開，即持續運行。

圖9 攪拌桶設計

2.2 機器運行主要特點

（1）對于機器在運轉時的震動是否對計量造成影響。本設計采用高精度稱重傳感器，可針對實際工況設定不同的阻尼值[9]來應對混料機受到的沖擊與震動。例如設定值小于2，則是增加稱重傳感器的靈敏度，設定大于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，設備能夠自動進行計量混合，循環運行，自動儲存，用戶可實時查看生產情況。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，通過以太網接口，基于Modbus-TCP 通訊協議，便于遠程控制，實現無人化操作，適應工業4.0的發展，如圖11 所示。軟件基于人機畫面，可對機器進行遠程監控[10]、調試、設定以及資料儲存等功能。

圖11 數據采集畫面

3 實驗測試

3.1 計量精度測試

為確保系統計量精度，首先用砝碼檢定，對秤盤進行校稱，驗證稱重拌料機的傳感器各點精度，結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行測試，根據配方要求，機器自動運行，隨機抓取10 個批次，并紀錄儀表顯示屏的質量，將每個批次質量進行第三方過稱處理，然后將儀表顯示的質量與實際質量進行對比，得出稱重拌料機的計量精度，如表1所示。

表1 計量精度測試數據

3.2 配比精度測試

對機器進行配比精度測試，一是驗證計量的原料比例是否與設定的一致，二是驗證機器在實際生產中受到的一些其他干擾，例如機臺的震動、信號的轉換等等，會不會影響到配比。設定一個比較有代表性的配方進行測試，觀察機器每組分的下料穩定性，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，使用數據采集功能將數據抓取出來進行分析，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1‰，對于組分比例定義在5%以上， 計量精度可達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 配比精度測試數據

3.3 攪拌均勻度測試

對攪拌后的原料進行混合均勻度測試[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，經測量得出數據如表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為變異系數作為表示混合均勻度的指標；S為混合物各樣板中被檢測組分含量的標準差；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《飼料企業生產工藝及設備驗收指南》中5.3 表一，有明確規定相關內容：配合飼料、濃縮飼料、精料補充料小于或等于7%；添加劑、預混合飼料小于或等于5%。即變異系數值越小，混合越均勻）。由此可見使用此攪拌結構能夠提高攪拌均勻度，增強混合效果。

4 結束語

一臺計量精準、攪拌快速、混合均勻的拌料機能使生產效率最大化，提高生產力水平，降低勞動強度、減少勞動成本。本文通過對計量閥與攪拌結構的設計分析，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。攪拌結構設計不合理會導致攪拌不均勻，從而引起產品色差。本文提出設計不同計量閥與下料口大小的方法來改善計量精度，提出設計刮片式的攪拌結構來增強混合均勻度，通過實驗驗證了此設計能夠有效地改善攪拌機計量精度與增強攪拌均勻度，減少了因計量不準與攪拌不均造成的浪費，能最大限度地利用原材料成本進行生產，改變傳統的注塑擠出方式造成的效率低下，產品質量參差不齊的作業方式，能夠有效地提高工廠的作業效率和自動化水平。