1 前言
大米是我國(guó)人民最主要的食糧，根據(jù)近年來(lái)的統(tǒng)計(jì)，我國(guó)人均年消費(fèi)大米約100公斤左右。隨著市場(chǎng)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(xiāo)售，逐步過(guò)渡到10公斤、15公斤的塑料編織袋袋裝銷(xiāo)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(kāi)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(zhuān)家普遍認(rèn)同的、有顯著的防霉、防蟲(chóng)、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(kāi)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(chēng)量裝置進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)研究，現(xiàn)簡(jiǎn)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(chēng)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(chēng)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(chēng)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(wèn)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(chēng)量精度的控制將是其關(guān)鍵問(wèn)題；但自重直流型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(chēng)量精度的控制，下料裝置的研究將是其關(guān)鍵問(wèn)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(mén)）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(guò)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(chēng)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(mén)）、四料口（四門(mén)）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(cè)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(wàn)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(kāi)門(mén)指令到發(fā)出關(guān)門(mén)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(chēng)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(chēng)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(chēng)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(chēng)重量值之間的差距留為800 g，誤差對(duì)最終的稱(chēng)量結(jié)果不會(huì)產(chǎn)生影響。達(dá)到第一重量值的稱(chēng)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(chēng)重量值之間的差距留為300 g，達(dá)到第二重量值的稱(chēng)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(chēng)重量值之間的差距留為100 g，達(dá)到第三重量值的稱(chēng)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(chēng)量時(shí)間為（4950-4900）/54.4=0.919 S?？偡Q(chēng)量時(shí)間為3.77 S。這既保證了最終的稱(chēng)量結(jié)果有足夠的高精度，同時(shí)，又保證了稱(chēng)量的高速度。
由此可見(jiàn)，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(guò)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(guò)程與四料口下料器基本相同，但結(jié)構(gòu)要簡(jiǎn)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(mén)）、中下料口（中門(mén)）、小下料口（小門(mén)）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(cè)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(chēng)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(chēng)量時(shí)間為2.44 S。整機(jī)試驗(yàn)證明，稱(chēng)量誤差范圍為±15 g，稱(chēng)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(chēng)量的高精度和稱(chēng)量的高速度之間的矛盾。
在料門(mén)形式上，設(shè)計(jì)試制了擺式弧形料門(mén)、垂直往復(fù)式直插料門(mén)、水平往復(fù)式直插料門(mén)，進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。考慮擺式弧形料門(mén)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(wèn)題，未予采用。垂直往復(fù)式直插料門(mén)，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(mén)。
圖1 機(jī)械電子式自動(dòng)稱(chēng)量裝置
3 計(jì)量機(jī)構(gòu)的試驗(yàn)研究
國(guó)內(nèi)外散粒料的自動(dòng)計(jì)量裝置，可分為容積式和稱(chēng)重式兩大類(lèi)。容積式結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)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(chēng)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(chēng)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(pán)改為稱(chēng)料斗（帶充料門(mén)），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(chēng)量。
砝碼自動(dòng)兩段加載的工作示意圖見(jiàn)圖2。作為杠桿機(jī)構(gòu)的機(jī)械秤，在稱(chēng)量過(guò)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(wèn)題，采用了砝碼自動(dòng)兩段加載的辦法。在開(kāi)始稱(chēng)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(chēng)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(kāi)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(chēng)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(kāi)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(kāi)關(guān)感知，關(guān)閉小下料口。光電控制器圖見(jiàn)圖3。
該裝置的最大優(yōu)點(diǎn)是，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本很低，稱(chēng)量精度也能滿(mǎn)足要求。但是，由于不同設(shè)定稱(chēng)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(chēng)重量值減去不同的值來(lái)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(chēng)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(guò)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(chēng)量裝置，它是直接在市售的電子秤上，安裝帶充料門(mén)的稱(chēng)料斗而成。市售的電子秤是經(jīng)國(guó)家計(jì)量部門(mén)檢定過(guò)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(chēng)量為3㎏、6㎏、15㎏等。由于該包裝機(jī)最大稱(chēng)量為5㎏，加上稱(chēng)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(chēng)量由單片機(jī)為核心的稱(chēng)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(chēng)量控制器輸入的除稱(chēng)重信號(hào)外，還有允許稱(chēng)重、停止稱(chēng)重、倒料狀態(tài)等，而稱(chēng)量控制器輸出的信號(hào)有倒料、充氣、大、中、小料門(mén)控制等，直接輸出220V控制各電磁閥開(kāi)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(chēng)重信號(hào)，直接輸入稱(chēng)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(mén)的開(kāi)閉，并由面板上的顯示器將重量值顯示出來(lái)。
該電子式自動(dòng)稱(chēng)量裝置經(jīng)實(shí)驗(yàn)，稱(chēng)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(chēng)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(chēng)量裝置的一個(gè)必不可少的部分，它實(shí)際上是稱(chēng)量斗的可控制斗底。但是，為了保證稱(chēng)量精度，在稱(chēng)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(jiǎn)單緊湊，反應(yīng)迅速，工作可靠。
4 結(jié)束語(yǔ)
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(chēng)量裝置，采用自重直流型下料機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，同時(shí)用雙料口（雙門(mén)）、三料口（三門(mén)）、四料口（四門(mén)）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(chēng)量的高精度和稱(chēng)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(chēng)量裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本很低，稱(chēng)量精度也能滿(mǎn)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(chēng)量裝置是直接在市售的電子秤基礎(chǔ)上增加稱(chēng)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(wèn)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(chēng)量裝置，最大稱(chēng)量5 kg時(shí)的誤差不大于15 g，平均稱(chēng)量時(shí)間為2.5S，不僅能完全滿(mǎn)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(jiǎn)單，工作可靠，成本低廉。
