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ＦＦＳ包裝機(jī)是集成型（ｆｏｒｍｉｎｇ）－填充（ｆｉｌｌｉｎｇ）－封合（ｓｅａｌｉｎｇ）為一體的典型的機(jī)電一體化設(shè)備，能同時實(shí)現(xiàn)物料的稱重、制袋、裝袋、封口（底封、腳封和頂封）等作業(yè)的全自動化包裝機(jī)。定量秤是ＦＦＳ包裝機(jī)的關(guān)鍵部件，也是物料實(shí)現(xiàn)精確包裝的關(guān)鍵［１－３］。在物料稱重過程中，機(jī)械動作、物料落差、控制器反應(yīng)速度、物料沖擊、料流變化等均可產(chǎn)生稱重誤差。傳統(tǒng)的氣動驅(qū)動機(jī)構(gòu)及其控制器所引起的開合動作緩慢、定位不精確、開口大小變化不連續(xù)等故障，是導(dǎo)致定量秤稱重誤差大、工作效率低的根本原因［４－８］。為解決此問題，本研究設(shè)計(jì)了ＦＦＳ包裝機(jī)伺服電子定量秤。伺服電子定量秤采用稱重控制器、ＰＬＣ和給料伺服驅(qū)動器為主要控制器件，稱重控制器檢測稱重傳感器的信號，將動作指令發(fā)送給ＰＬＣ，ＰＬＣ負(fù)責(zé)控制伺服減速電機(jī)驅(qū)動給料機(jī)構(gòu)的動作，加快落料閘門的開啟和閉合速度，同時使落料閘門在工作過程中開口大小連續(xù)變化，并且在稱重過程中總是能從秤體的中心給料，使物料在秤體內(nèi)分布均勻，而且在給料階段可以減少對秤體的沖擊，以此達(dá)到提高稱量速度、精度的目的。
１伺服電子定量秤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理
伺服電子定量秤結(jié)構(gòu)簡圖如圖１所示，主要由伺服減速電機(jī)、稱重傳感器、翻門氣缸、落料箱、落料箱閘門、稱重箱、稱重箱翻門、機(jī)架等組成。該電子秤為單秤結(jié)構(gòu)，由稱重箱吊掛在機(jī)架上吊掛稱重。伺服減速電機(jī)控制落料閘門的開閉，翻門氣缸控制稱重箱翻門開閉。

首先，粗給料，伺服電子定量秤稱重箱翻門關(guān)閉，落料箱閘門在伺服減速電機(jī)的作用下完全打開，物料落入稱重箱，開始粗給料。此時，傳感器開始工作，將采集的重量信號轉(zhuǎn)變成電壓信號輸出。當(dāng)稱量輸出值達(dá)到設(shè)定的粗給量值時，落料箱閘門關(guān)小。然后，通過細(xì)流口進(jìn)行精給料，當(dāng)稱重輸出值達(dá)到額定重量值時，落料閘門完全關(guān)閉。當(dāng)物料稱重完畢，稱重箱翻門完全打開，開始卸料，物料全部落入包裝袋中。
但是，當(dāng)落料閘門完全關(guān)閉，物料穩(wěn)定，而此時重量仍尚有些許欠缺，便需要“補(bǔ)秤”，伺服減速電機(jī)可以快速控制落料箱閘門開閉，進(jìn)行“補(bǔ)秤”，直到達(dá)到額定重量值時，稱重結(jié)束，伺服電子定量秤完成一個稱重循環(huán)。
該電子定量秤采用伺服減速電機(jī)控制，電機(jī)功率為２．３９ｋＷ。電子定量秤采用伺服減速電機(jī)控制給料箱落料閘門的開合，加快了落料閘門的開啟和閉合速度，同時也使落料閘門在工作過程中開口大小連續(xù)變化，并且在稱重過程中總是能從秤體的中心給料，使物料在秤體內(nèi)分布均勻，而且在精給料階段減少了對秤體的沖擊，以此達(dá)到提高稱量精度的目的。
２伺服電子定量秤控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
定量秤的主要控制器件為附帶有觸摸屏控制界面的稱重控制器、ＰＬＣ以及給料伺服驅(qū)動器。稱重控制器檢測稱重傳感器的信號，將動作指令發(fā)送給ＰＬＣ，ＰＬＣ負(fù)責(zé)控制伺服給料機(jī)構(gòu)、卸料機(jī)構(gòu)的動作，并接收／發(fā)送與ＦＦＳ包裝機(jī)的聯(lián)鎖信號。
２．１ＰＬＣ的輸入輸出點(diǎn)分配設(shè)計(jì)
伺服電子定量秤采用ＳＩＥＭＥＮＳＳ７２２６可編程控制器，定量秤ＰＬＣ為單模塊設(shè)計(jì)，包括２４點(diǎn)ＤＣ輸入及１６點(diǎn)繼電器輸出。其中ＤＣ輸入用于連接操作盤按鈕開關(guān)、稱重控制器信號、伺服驅(qū)動器信號及低料位和聯(lián)鎖信號，繼電器輸出用于連接稱重控制器信號、伺服驅(qū)動器信號及電磁閥和指示燈。
ＰＬＣ控制器原理圖見圖２，定量秤ＰＬＣ輸入輸出點(diǎn)分配見表１。

２．２伺服驅(qū)動器設(shè)計(jì)
根據(jù)工藝的要求，同時為避免設(shè)備振動過大，定量秤給料機(jī)構(gòu)需要根據(jù)不同物料進(jìn)行不同的開關(guān)速度和位置調(diào)節(jié)，為此，定量秤采用伺服驅(qū)動器用于落料箱閘門伺服減速電機(jī)的驅(qū)動控制，可快速、勻速、穩(wěn)定地控制落料閘門的關(guān)閉。
通過個人計(jì)算機(jī)應(yīng)用專用軟件設(shè)定伺服驅(qū)動器的位置回路增益、往復(fù)運(yùn)動的位移、速度、速度增益、加／減速度以及電子齒輪變比等參數(shù)。伺服驅(qū)動器的Ｉ／Ｏ 信號可通過軟件進(jìn)行定義，并通過Ｘ１０１口端子與ＰＬＣＩ／Ｏ端子連接。
本系統(tǒng)中定義的伺服驅(qū)動器輸出信號有準(zhǔn)備就緒輸出信號———ＲＥＬＡＹ１、初始化或位置操作結(jié)束輸出信號———ＢＡ１、故障報警輸出信號———ＢＡ２。
本系統(tǒng)中定義的伺服驅(qū)動器接收ＰＬＣ發(fā)出的輸入信號有５個，分別是：
（１）位置控制參數(shù)塊選擇信號———ＢＥ１，用于選擇給料機(jī)構(gòu)開關(guān)速度和位置的運(yùn)動參數(shù)塊；
（２）位置控制啟動信號（ＰＯＳＩＴＩＯＮ－ＳＴＡＲＴ）———ＢＥ２，用于啟動給料機(jī)構(gòu)開關(guān)；
（３）參考點(diǎn)信號輸入端（ＲＥＦ－ＩＮＰＵＴ）———ＢＥ３，用于伺服上電尋找外部參考位置時的參考點(diǎn)告知；
（４）伺服驅(qū)動器故障報警復(fù)位信號（ＦＡＵＬＴ－ＲＥ－ＳＥＴ）———ＢＥ４，用于伺服驅(qū)動器的故障報警、復(fù)位；
（５）數(shù)字量信號輸入（ＥＮＡＢＬＥ）———ＢＥ１～４，該信號為ＯＮ時伺服驅(qū)動器才能自動尋找參考點(diǎn)或啟動運(yùn)行某一個參數(shù)塊。
本系統(tǒng)對伺服驅(qū)動器設(shè)有單獨(dú)的保護(hù)斷路器，在伺服驅(qū)動器發(fā)生過載和短路時切斷其輸入電源。伺服驅(qū)動器本身在電機(jī)發(fā)生過載等故障時，也可自動進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)并停止輸出。
２．３軟件設(shè)計(jì)
定量秤的工作流程：系統(tǒng)上電后，給料伺服機(jī)構(gòu)初始化，稱重啟動，系統(tǒng)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的數(shù)據(jù)按照粗給料、精給料、等待卸料、卸料的順序循環(huán)動作，完成定量稱重。工作流程見圖３，ＰＬＣ控制程序梯形圖見圖４，在Ｓｔｅｐ７－Ｍｉｃｒｏ／ＷＩＮ環(huán)境下完成對軟件編程。

３試驗(yàn)驗(yàn)證
３．１試驗(yàn)條件
試驗(yàn)地點(diǎn)：將所設(shè)計(jì)的伺服電子定量秤安裝在中國石化茂名分公司的全自動稱重包裝碼垛機(jī)組上；環(huán)境溫度：２９℃；環(huán)境濕度：在４０℃時不超過５０％ＲＨ；試驗(yàn)材料：聚丙烯粒料；包裝重量：２５ｋｇ／袋；薄膜厚度：１７５μｍ。
３．２試驗(yàn)結(jié)果
對伺服電子定量秤的稱重能力、單袋誤差、２０袋平均誤差進(jìn)行性能測試，試驗(yàn)結(jié)果見表２，測試值１為原設(shè)備稱重工作時所測值，測試值２為本設(shè)備稱重工作時所測值。結(jié)果表明：稱重標(biāo)準(zhǔn)重量為２５ｋｇ／袋時，利用原設(shè)備稱重，稱重能力為１６００袋／ｈ，利用本設(shè)備稱重，稱重能力為１８００袋／ｈ，稱重能力提高２００袋／ｈ，與原設(shè)備相比，稱重能力提高了１２．５％；利用原設(shè)備稱重，單袋誤差為－２５～＋７５ｇ，２０袋平均誤差＋２５ｇ／袋，相對誤差率０．１％，利用本設(shè)備稱重，單袋誤差為－１５～＋３５ｇ，２０袋平均誤差＋１５ｇ／袋，相對誤差為０．０６％，與原設(shè)備相比，相對誤差降低了０．０４％，完全能夠達(dá)到電子秤衡器誤差要求，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，效果顯著。

本設(shè)備提高了稱量的速度和精度帶來了經(jīng)濟(jì)效益。在全自動稱重包裝碼垛生產(chǎn)線全速運(yùn)行的條件下，稱重能力可達(dá)１８００袋／ｈ，與以前１６００袋／ｈ相比，稱重速度有了很大提高，稱重速度快，供料可同時滿足兩套包裝機(jī)組，故稱重、包裝、碼垛效率高，生產(chǎn)線每年節(jié)約能耗約２５萬元。同等條件下，由稱重精度提高所帶來的經(jīng)濟(jì)效益更為可觀。中國石化茂名分公司生產(chǎn)能力為２５萬ｔ／年，以４０００元／ｔ計(jì)算，每年可節(jié)約４０００×２５００００×０．０４％＝４０（萬元）。綜上所述，每年由稱量速度和精度提高帶來的經(jīng)濟(jì)效益可達(dá)６５萬元，經(jīng)濟(jì)效益明顯。
４結(jié)論
（１）設(shè)計(jì)了一種基于稱重控制器、ＰＬＣ和給料伺服驅(qū)動器的ＦＦＳ包裝機(jī)伺服電子定量秤，稱重控制器可以檢測稱重傳感器的信號，將動作指令發(fā)送給ＰＬＣ，ＰＬＣ可以控制伺服給料機(jī)構(gòu)、卸料機(jī)構(gòu)完成動作，并接收／發(fā)送與ＦＦＳ包裝機(jī)的聯(lián)鎖信號。
（２）電子定量秤采用伺服減速電機(jī)控制給料箱落料閘
門的開合，加快了落料閘門的開啟和閉合速度，同時也使落料閘門在工作過程中開口大小連續(xù)變化，并且在稱重過程中總是能從秤體的中心給料，使物料在秤體內(nèi)分布均勻，而且在精給料階段減少了對秤體的沖擊，提高了稱量精度。
（３）試驗(yàn)驗(yàn)證表明：稱重標(biāo)準(zhǔn)重量為２５ｋｇ／袋時，本設(shè)備稱重能力為１８００袋／ｈ，單袋誤差為－１５～＋３５ｇ，２０袋平均誤差＋１５ｇ／袋，相對誤差為０．０６％；與原設(shè)備相比，本設(shè)備稱重能力提高了１２．５％；稱重相對誤差減小了０．０４％，完全能夠達(dá)到電子秤衡器誤差要求，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，效果顯著。
 

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