基于多檔位的粉體精確稱量方法研究

田宇航，王紹宗，張 倩，宋澤民，何 欽

（機械科學(xué)研究總院 先進成形技術(shù)與裝備國家重點實驗室，北京 100044）

0 引言

粉體自動稱量技術(shù)及裝置在鑄造、化工、制藥、印染等行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用需求，粉體自動稱量精度直接影響產(chǎn)品質(zhì)量[1]。粉體自動稱量裝置需要結(jié)合粉體物料容易堵結(jié)等特性展開研究[2,3]，傳統(tǒng)的粉體精確稱量裝置大多采用螺旋出料結(jié)構(gòu)，通過兩級調(diào)節(jié)實現(xiàn)精確出料。在兩級調(diào)節(jié)中，每級的出料比例根據(jù)經(jīng)驗設(shè)置；在調(diào)節(jié)過程中，若兩級的出料速度相差較大，易出現(xiàn)超差或稱料效率低的情況。

在自動稱量方法研究中，關(guān)鍵是開展要稱量精度和效率的平衡研究[4]，解決稱量的高精度和稱量的高速度之間的矛盾[5]。在目前稱量的方法及稱量結(jié)構(gòu)研究中，為保證稱量精度，一般會采用降低出料速度的方法，這樣會延長稱量時間；在保證稱量效率時，通常會采用大比例高速出料的方式，稱量精度難以保證，難以實現(xiàn)稱量精度和效率的平衡。針對上述問題，本文提出了一種基于多檔位的粉體精確稱量方法，將粉體給料過程分為多階段控制，通過優(yōu)化各出料階段的出料口面積及階段出料量的分配比例，進行多級調(diào)節(jié)，實現(xiàn)粉體出料速度和出料精度的平衡研究，較好地解決稱量精度和速度的矛盾。

1 多級自動稱量檔位調(diào)節(jié)方法研究

基于多檔位的粉體精確稱量方法是指將出料過程分為多個階段，在出料口總面積不變的前提下，通過控制各出料階段的出料口面積及階段出料量，實現(xiàn)稱量過程的多級調(diào)節(jié)，通過實驗研究優(yōu)化組合出料口面積和各階段出料量，在滿足出料精度的同時，使用最短時間實現(xiàn)精確出料。

在實驗研究中，出料面積的控制是通過出料擋板對出料口的不同程度遮擋實現(xiàn)的，每一次出料擋板的位置更換可看作是檔位調(diào)節(jié)。

出料過程分級換擋研究的核心是檔位調(diào)節(jié)方法研究，包括檔位劃分特征值和檔位區(qū)間內(nèi)的出料量確定（換擋質(zhì)量邊界）研究。換擋邊界是通過換擋時已出料量與稱量目標(biāo)之間的差值來計算確定的。傳統(tǒng)的兩級調(diào)節(jié)方式，粗出料和精出料比例大多由經(jīng)驗確定，人工調(diào)整，難以實現(xiàn)稱量效率和精度的平衡。

1.1 檔位劃分研究

在本實驗研究中，以市場上銷售的面粉為研究對象開展相關(guān)實驗研究。結(jié)合面粉的流動特性，設(shè)計的出料口如圖1所示。

圖1 出料口設(shè)計圖

出料口根據(jù)不同檔位的流量要求進行大小兩個長形孔相結(jié)合的設(shè)計，大孔與擋板運動方向平行，且布置于可以穩(wěn)定出料位置，細長孔為最后一個檔位的出料口，出料口設(shè)計如圖3所示，該設(shè)計適用于稱量目標(biāo)小于500g的粉體精確稱量。

本研究根據(jù)稱量目標(biāo)的范圍將檔位設(shè)置為5個，檔位劃分從0檔開始，0檔為出料口全開，即出料速度最大的檔位，檔位信號為3時為最小出料檔位，檔位信號為4時，推桿電機推動擋板關(guān)閉整個出料口。

通過出料口面積調(diào)整使不同檔位的流量成倍變化，進而控制各個檔位的給料能力及精度，結(jié)合前期開展的基礎(chǔ)性實驗研究，不同檔位對應(yīng)的出料口開口面積及給料軸轉(zhuǎn)速為100RPM時的質(zhì)量流量如表1所示，0～3檔隨檔位提高面積變小，由于3檔為精細出料，2～3檔面積變化最為顯著。

表1 不同檔位的出料口面積

1.2 各檔位質(zhì)量邊界值計算方法研究

在多級稱量過程中，稱量速度和精度的最優(yōu)平衡，主要是通過各檔位的換擋時機（各稱量階段的質(zhì)量邊界）優(yōu)化來實現(xiàn)。

在整個稱量過程中，在出料口面積小時，出料速度慢，若此階段規(guī)劃的出料量過大，會造成稱量速度極低；同樣，在出料面積大時，出料速度快，規(guī)劃的出料量過小，則容易造成超差，無法控制精度。所以在規(guī)劃質(zhì)量邊界時，要同時考慮出料速度和出料量的關(guān)系，實現(xiàn)出料速度和精度的平衡控制。

由于機械及控制系統(tǒng)存在系統(tǒng)誤差，所以在質(zhì)量邊界確定過程中，需要開展稱量過程中的實時質(zhì)量以及擋板運動信號等數(shù)據(jù)采集，得到各種參數(shù)與出料時間的關(guān)系圖，如圖2所示，其中實時質(zhì)量修正值為電子秤反饋的已經(jīng)出料質(zhì)量。通過對擋位變化過程的電子秤讀數(shù)進行分析，根據(jù)重量變化趨勢可將換擋過程分為變擋區(qū)、緩沖區(qū)和穩(wěn)定區(qū)。由于換擋過程不是完全理想的，所以存在變檔區(qū)和緩沖區(qū)，變檔區(qū)是指因為出料口面積突變引起的出料速度變化區(qū)；緩沖區(qū)是指出料面積調(diào)整結(jié)束后出料速度仍未穩(wěn)定的區(qū)域；穩(wěn)定區(qū)是緩沖區(qū)之后出料穩(wěn)定的區(qū)域，穩(wěn)定區(qū)質(zhì)量隨時間呈線性變化，出料均勻性較好。

圖2 各組數(shù)據(jù)隨時間變化曲線圖

質(zhì)量邊界值計算方法如圖3所示，其中質(zhì)量間隔為控制器一個采樣周期開始和結(jié)束的兩個樣本質(zhì)量大于零的差值。本算法的難點在于如何有效識別出緩沖區(qū)，在高速出料階段切換到低速出料階段過程中，控制器采集到的質(zhì)量間隔是逐漸變小的，而穩(wěn)定區(qū)質(zhì)量間隔變化是圍繞著平均值上下波動的，兩者之間很難有效區(qū)分。為提高判斷成功率，在本實驗中將推桿電機到位信號定義為緩沖區(qū)的開始信號，開始后則連續(xù)采集質(zhì)量信號并分析，若質(zhì)量間隔變大則定義為緩沖區(qū)結(jié)束。

圖3 質(zhì)量邊界值算法流程圖

1.3 各檔位質(zhì)量邊界值計算結(jié)果分析

在質(zhì)量邊界值確定之前，要開展不同出料面積和不同給料軸轉(zhuǎn)速條件下的，粉體的出料特性研究。以給料軸轉(zhuǎn)速20RPM-100RPM條件下進行數(shù)據(jù)采集實驗。不同給料軸轉(zhuǎn)速分別進行三次實驗，其對應(yīng)質(zhì)量邊界值計算結(jié)果如表3所示，三次實驗結(jié)果重復(fù)性較好，說明稱量過程較為穩(wěn)定。

表3 不同轉(zhuǎn)速對應(yīng)的質(zhì)量邊界值

為了進一步優(yōu)化質(zhì)量邊界，以三次質(zhì)量邊界值計算結(jié)果的平均值作為該換擋過程的質(zhì)量邊界值進行分析，不同檔位切換過程的質(zhì)量邊界值隨給料軸轉(zhuǎn)速的變化趨勢如圖4所示，質(zhì)量邊界值隨給料軸轉(zhuǎn)速增加而呈現(xiàn)線性增長，高速出料的檔位質(zhì)量邊界數(shù)值大變化明顯。而3～4檔位質(zhì)量邊界不隨轉(zhuǎn)速變化而呈現(xiàn)規(guī)律變化，該值與出料筒中的物料堆積高度以及物料下落產(chǎn)生的沖量有關(guān)，該組數(shù)據(jù)進行應(yīng)用時可以取平均值、最大值或者進行合理范圍內(nèi)調(diào)整，以滿足生產(chǎn)需求。

圖4 質(zhì)量邊界值隨給料軸轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律

如表4所示，0～1檔、1～2檔、2～3檔的切換過程中的質(zhì)量邊界值與給料軸轉(zhuǎn)速的線性回歸方程擬合程度較好，可以預(yù)測質(zhì)量邊界值，擴展可選參數(shù)內(nèi)容，如給料軸轉(zhuǎn)速為30RPM、50RPM、70RPM、90RPM時對應(yīng)的各檔位的質(zhì)量邊界值預(yù)測結(jié)果如表5表示，可以發(fā)現(xiàn)與實驗獲得數(shù)據(jù)規(guī)律性一致，在實際應(yīng)用過程中也可以通過調(diào)整穩(wěn)定段質(zhì)量參數(shù)進行調(diào)整。

表4 線性回歸方程及決定系數(shù)

表5 不同轉(zhuǎn)速對應(yīng)的質(zhì)量邊界預(yù)測值

2 多級精確稱量系統(tǒng)設(shè)計

粉體自動稱量是一個動態(tài)過程，要實現(xiàn)高精度稱量就需要使動態(tài)過程向靜態(tài)或穩(wěn)定狀態(tài)趨近[6]，所以低速稱量階段必不可少，而為了提高稱量效率，要將低速稱量階段控制在一個較小的范圍內(nèi)，高速檔位保證效率，低速檔位保證精度。本研究開發(fā)的自動稱量系統(tǒng)將稱量過程分為多檔位進行稱量，并且通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化解決堵料、出料不均勻問題。

2.1 系統(tǒng)組成及工作原理

自動稱量系統(tǒng)主要由料倉、給料機構(gòu)、出料口、回料機構(gòu)、稱重系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)及氣動系統(tǒng)組成，示意圖如圖5所示。自動稱量裝置工作時，出料口全開，以最大的出料速度進行出料，PLC控制系統(tǒng)按照設(shè)定值對其進行控制，當(dāng)電子秤反饋的質(zhì)量達到切換到下一檔位的質(zhì)量邊界值時，系統(tǒng)開始換擋，以此類推，直到實時質(zhì)量達到最后一個質(zhì)量邊界值，出料口閉合，稱量過程結(jié)束。

圖5 自動稱量系統(tǒng)示意圖

2.2 多級自動稱量裝置設(shè)計

針對多級稱量過程中出料穩(wěn)定性差的問題，進行了自動稱量裝置的優(yōu)化設(shè)計，解決了料斗堵料、出料不均勻問題，提高了多級稱量過程中的精度和效率。

自動稱量裝置示意圖如圖6所示，其中料倉為整體流設(shè)計，安裝有破拱裝置，有效地避免了料斗堵料問題；給料方式為螺旋給料，適用于面粉這種流動性較差的粉體[7]。由于面粉不但流動性差，而且容易造成螺旋內(nèi)部堵塞，為避免給料過程中堵轉(zhuǎn)，設(shè)計了回料裝置，為豎直安裝的螺旋軸，通過PID實時調(diào)節(jié)回料螺旋軸的轉(zhuǎn)速實現(xiàn)給料螺旋軸的穩(wěn)定出料。在出料口設(shè)計有推桿電機帶動出料口擋板來調(diào)節(jié)出料口面積實現(xiàn)多級調(diào)節(jié)。

圖6 自動稱量裝置示意圖

3 多級自動稱量方法實驗驗證

在驗證實驗中，以粒徑范圍在100μm～400μm面粉為例，以精確稱量200g面粉為研究對象開展驗證實驗，實驗裝置如圖7所示。在本實驗中，根據(jù)稱量目標(biāo)200g，結(jié)合表3中數(shù)據(jù)，給料軸轉(zhuǎn)速設(shè)置為100RPM。質(zhì)量邊界設(shè)置中，分別利用100RPM所對應(yīng)的質(zhì)量邊界計算結(jié)果的最大值與平均值進行實驗，每組實驗重復(fù)10次。實驗數(shù)據(jù)如表6和表7所示。

圖7 自動稱量實驗裝置

稱量過程所用時間以及稱量結(jié)果的誤差如表6和表7所示，平均誤差分別為0.068‰和0.2‰，平均用時分別為88.17s和101.96s。

由于實際的設(shè)備運行中的出料速度會存在波動，所以稱量相同目標(biāo)時，稱量時長會存在一定差異。

由表6和表7中兩組數(shù)據(jù)對比可以發(fā)現(xiàn)，影響兩組稱量精度的原因主要是最后一檔的質(zhì)量邊界值。選取質(zhì)量邊界值的最大值進行實驗時誤差較大，同時使所有稱量結(jié)果都統(tǒng)一偏小于目標(biāo)值。這說明稱量結(jié)果偏大或者偏小以及偏離程度是由稱量結(jié)束前的最后一個檔位的質(zhì)量邊界值決定的，該參數(shù)可以根據(jù)生產(chǎn)實際需求調(diào)整質(zhì)量余量來調(diào)整。

表6 質(zhì)量邊界值取平均值時驗證結(jié)果

表7 質(zhì)量邊界值取最大值時驗證結(jié)果

通過驗證實驗的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，采用本文所研究的多檔位粉體精確稱量方法及裝置，可實現(xiàn)面粉的精確高速出料，實現(xiàn)出料精度與出料效率的平衡控制。

4 結(jié)語

本研究在搭建多級調(diào)節(jié)自動稱量裝置基礎(chǔ)上，通過對多檔位質(zhì)量稱量方法的研究，提出了各檔位質(zhì)量邊界值計算方法，并通過機械結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計，解決了傳統(tǒng)粉體自動稱量裝置堵料、無法均勻出料等問題。以200g面粉為稱量目標(biāo)，進行了多次重復(fù)驗證實驗，試驗結(jié)果的平均相對誤差為0.068‰，平均用時88.17s。稱量誤差與傳統(tǒng)方法相比降低了98.3%，傳統(tǒng)的面粉計量精度誤差在4‰左右[8]。本研究在保證稱量精度的情況下，大大提高了稱量效率，解決了稱量精度和稱量效率的矛盾。