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隨著包裝產品需求量日益增加，自動包裝機速度和精度都需要進行相應提高，但是在提高系統(tǒng)運行速度過程中系統(tǒng)噪聲越來越強烈影響到了采集信號，造成包裝袋內產品質量誤差變大，需要設計濾波效果和檢測精度更好的稱量包裝系統(tǒng) [1] 。
一般高速包裝機控制系統(tǒng)實時性和精度都不是很高，應用單片機等低端芯片都不能很好地保證系統(tǒng)運算速度，為提高包裝機檢測精度和響應速度設計硬件和軟件平臺。硬件平臺利用 STM32 作為最小系統(tǒng)并設計雙應變片稱量結構、雙路 AD 快速轉換電路和電機驅動電路等嵌入式模塊，保證硬件平臺穩(wěn)定的基礎上把小波分解法融入到采集系統(tǒng)中，并通過包裝機稱量程序完成快速檢測的任務，最后通過實時采集稱量信號進行不同方法效率和精確度對比。結果表明小波分析的包裝系統(tǒng)可以快速穩(wěn)定完成稱量任務。

1 袋式自動包裝機工藝

袋裝自動包裝機主要由稱量機構和包裝機構 2個部分組成，而控制系統(tǒng)主要依靠機械結構進行執(zhí)行，因此在進行控制系統(tǒng)設計之前必須對機械結構即被控對象流程作詳細說明 [2] 。重要結構包括對稱的應變片、檢測電路、上料機構和包裝機構，稱量部分采用雙應變傳感器的橋式結構可以有效降低系統(tǒng)檢測誤差。機械系統(tǒng)中輸入機構包括電阻式應變片和傳送電機轉速等，因此在設計包裝控制系統(tǒng)時需要設計高精度電壓采集和電機驅動電路等 [3] 

由于工廠嘈雜環(huán)境和機械高速運行振動會嚴重影響采集的稱量信號，需要采用小波算法對電壓信號進行分解，現存電壓提取方法有 EMD（經驗模態(tài)分解）、小波變換等，在非線性濾波方法中小波變換表現出了巨大優(yōu)勢。小波變換也可以分為不同種類例如單小波、多小波、分解法等 [4] ，經對比發(fā)現基本的小波變換在提取稱量信號時計算速度快且濾波效果好，因此采用小波分解變換法對應變電壓信號進行提取 。首先確定系統(tǒng)要采用的小波基函數類型并確定分解層數，然后用用戶函數對多層小波進行選取。

2 包裝機硬件系統(tǒng)設計

嵌入式控制系統(tǒng)由于執(zhí)行效率高、成本低、擴展能力強等優(yōu)點被廣泛應用到各種設備中，在自動包裝控制系統(tǒng)中電阻應變片、多 AD 快速采集、電機驅動等控制技術在嵌入式電路中已經被廣泛應用了，因此開發(fā)自動包裝機儀表控制系統(tǒng)的周期和可靠性都可以滿足自動控制要求。

2.1 應變片橋式檢測模塊

根據夾帶裝置、稱量儀表、傳送帶、縫紉機和蹲袋等機械裝置構建硬件電路整體結構組成?？刂葡到y(tǒng)的硬件電路主要以 STM32 最小系統(tǒng)為計算核心，擴展±5 V 內稱量傳感器電壓輸入采集電路 [6] ，采集電路包括稱量傳感器信號雙橋電路和雙路 A/D 轉換電路。通過 3 V 的紐扣電池供電應變片輸出電流，在應變片中間接入滑動變阻器可以實現傳感器電路的快速校準，輸出電路接入10 倍的放大器跟隨電路，并且設計 2 個一階濾波器濾除信號中的高頻噪聲，最后稱量電壓信號以差分形式傳輸到后續(xù)電路。

2.2 雙通高速 AD 采集電路

信號采集轉換電路在整個硬件系統(tǒng)中非常重要，此電路主要任務是把雙路應變片傳感器輸出的電壓信號轉換為數字量信號，可以提供給 MCU 進行讀取和計算 [7] 。作為一個 14 位 A/D 快速轉換芯片，它可以對信號實現 128 倍的低噪聲編程放大 [8] 。芯片使用過程完全通過編程方式實現，它內部沒有復雜的寄存器，芯片上電后會自動進行初始化等操作。稱量傳感器通過差分方式接入 V−和 V+，芯片內工作通道和放大倍數通過 SPI 引腳發(fā)送脈沖完成控制，芯片通過外部 75M 高速時鐘可以保證芯片的轉化效率。電路設計圖中只接入了一個應變傳感器，另一個通道接法完全相同。
 

2.3 電機驅動電路

設備驅動電路是為了控制自動包裝機執(zhí)行結構，比如電機、蹲袋氣缸、縫紉電機等都帶有強磁干擾信號，而控制核心 MCU 最怕接收到外接受強電磁信號 [9] ，因此必須在 STM32 控制接口處設置外圍驅動電路。在處理器上可以使用的最大電壓是 5 V，而被控對象控制引腳最低電壓為 12 V，兩者之間的電壓差會造成額外灌電流現象，L298N 可以實現 3 A 大電流輸出，電源引腳 VSS 上面接入大小 2 個電容濾波和指示燈 [10] ，可以控制四相步進電機，電機輸出信號線都采用±12 V 電源鉗制傳輸信號 [11] 。

3 包裝機軟件系統(tǒng)設計

在包裝機主要硬件系統(tǒng)搭建完成后，需要根據控制流程在硬件平臺中開發(fā)對應控制程序，從包裝工藝流程、稱量信號采集驅動和小波特征提取等部分開發(fā)，軟件程序設計以高可靠性和精度為準進行開發(fā)。

3.1 稱量系統(tǒng)流程

自動包裝結構需要一次流程就可以完成包裝過程，系統(tǒng)主要參數通過人為設置。包裝流程開始過程中先要進行 MCU 自檢、輸入傳感器和電磁閥復位等初始化 [12] ，確認系統(tǒng)無誤后再執(zhí)行 A/D 信號采集過程中，把采集完的電壓信號轉換成質量數值，通過計算設定和讀取差值把包裝質量控制在可控范圍內，稱量過程采用電機閉環(huán)控制方式來提高精度。質量滿足要求后再進行輸出信號控制，主要包括氣缸伸縮蹲袋、傳送帶輸送和縫紉機封袋等過程，在經過最后一步封袋后就完成了一次包裝過程。

3.2 AD 采集驅動程序

在自動包裝控制系統(tǒng)中，驅動程序開發(fā)主要包括被控對象和信號采集 2 部分驅動，控制部分信號驅動以輸出精準控制為主，而信號采集部分以 A/D轉換芯片為主，需要完成數據輸入、通道選擇和編程增益等控制，因此重點介紹傳感器采集信號的驅動程序 [13] 。信號采集核心驅動程序見圖 7，程序主要完成 A 通道在 128 倍放大下轉換結果的讀取，并把數據保存到寄存器中并通過函數返回。首先要讀取DOUT 引腳狀態(tài)，判斷芯片是否處于數據讀取過程中，在收到低電平信后通過控制 PD 脈沖引腳讀取芯片輸入引腳信號。數據讀入過程采用脈沖移位原理即 SCK 引腳每接收到 1 個時鐘上升沿信號就移位保存 1 位數據。

 

3.3 小波分解提取稱量特征

在包裝過程中核心環(huán)節(jié)就是稱量質量和速度，包裝質量涉及到產品質量和成本，為了提高稱量快速響應過程已經采用了閉環(huán)和高速AD采集電路進行信號提取，把采集到的電壓信號實時轉為質量信號可以大幅度提高系統(tǒng)響應速度，因此該系統(tǒng)采用小波分解電壓信號快速精準提取電壓信號的方法 [14] ，具體實施過程步驟如下所述。

1）多次采集稱量電壓信號并取平均值，利用平均值得出均值矩陣[X, Y]，對信號進行分類并取出低 X類中的抽樣 Y，計算公式為：

公式)式中：n 為樣本總數；y 為稱量信號中的樣本分類信號平均值。

2）依據電壓振動特征對信號進行分解，濾除掉小波分量中的高頻樣本和低頻樣本，利用小波基函數選取出最有效的稱量信號。

3）利用預測值與檢測值方差判斷檢測結果是否符合要求，不符合條件的還有再次電壓采集判斷。

4 自動包裝機稱量性能實驗
為驗證自動包裝系統(tǒng)的可靠性，搭建成型的自動包裝生產線并進行驗證，包裝過程中比較重要的檢測過程是稱量信號，其中控制過程是動作執(zhí)行不再說明，采用包裝機對比較重的面粉進行稱量測試 [15] 。選擇 0.4 kg 面粉進行包裝測試，一次成型整體流程運行時間在 0.5 s 左右，加入物料用時 0.1 s，稱量過程見8。在導入物料過程中，系統(tǒng)在逐漸加入面粉稱量直到 400 g，但是稱量信號中還有面粉振動產生的高斯白噪聲，因此采集的電壓會有尾貨微弱波動，稱量與采集電壓經過擬合后呈現出線性的關系證明了稱量系統(tǒng)精度根據實際測試的稱量電壓信號判斷稱量結構能否滿足系統(tǒng)要求，提前稱量出來 300 g 的面粉包裝，

 

控制 2 個面粉同時放入到普通稱量設備和小波分析的包裝系統(tǒng)中，經過閾度值濾波后稱量電壓中的噪聲信號已經被濾除掉了 [16] ，2 種系統(tǒng)在檢測精度上幾乎沒有差異，因為檢測精度主要與系統(tǒng)硬件相關，但是在特征提取速度上，小波變換明顯更有優(yōu)勢，可以提前 0.05 s 識別出稱量信號。

 

5 結語

設計了一種可以實現快速裝袋要求的自動包裝機系統(tǒng)，采用高精度硬件和稱量特征快速提取軟件，根據機械工藝設計全橋應變片稱量結構、雙路高速A/D 采集電路和不僅電機電機驅動電路等模塊，并進行包裝主流程、信號采集驅動、小波分解等程序的開發(fā)，最后通過袋封面粉的過程驗證系統(tǒng)精度。結果表明，該控制系統(tǒng)可以適用于不同自動袋裝系統(tǒng)，且可以高效穩(wěn)定地完成控制任務

 

 

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