棉花自动称重机的研制

贾　琦， 于常安， 王　罗

(中国空气动力研究与发展中心 设备设计与测试技术研究所，四川 绵阳 621000)



棉花自动称重机的研制

贾琦， 于常安， 王罗

(中国空气动力研究与发展中心 设备设计与测试技术研究所，四川 绵阳 621000)

一种可以在棉絮加工生产线上实现棉花自动称重的装置，该装置主要包括传送装置、称重装置与座架。传送装置由驱动电机、传送轴与传送带组成；称重装置以两个称重传感器为测量元件，结合测控电路实现称重；该传感器是本单位自行研制的传感器，精度可达0.05 %，测控电路以ADS1240为核心，实现信号的滤波与放大；座架采用4号型材直接焊接而成，起到支撑和连接各部件的作用。

棉花； 自动称重； 称重传感器； 测控电路

0　引　言

棉花作为关系国计民生的重要物资，历来受到各国的重视，而我国又是农业大国，所以,棉花更是人类日常生活中必不可少的用品，需求量极大。目前我国棉絮的生产仍然以中小企业为主，存在生产规模较小，生产效率较低等问题，多年来已是纺织和供销行业相互结算的障碍[1]。而如何提高棉絮生产效率、降低资源成本一直困扰着棉絮生产厂家。

棉絮的销售通常是以重量为标准进行称重销售的。在传统生产模式中，采摘完成的棉花进厂后，在弹棉机上弹好，经过称量之后，再送到棉絮床上弹压扎成棉絮。而现有的工艺中，无法使每一包的棉花重量相同或者误差较小，这就使得厂家在称量统计棉花的总量上需要耗费大量的劳力和时间，也可能会为后续的销售工作带来麻烦[2]。美国是世界上重要的棉花生产国和出口国，棉花产业经过多年的发展，已经形成了一套完整的流通体系。而在棉花加工方面，美国斯通维尔棉花加工研究所的专家开发了一套棉花加工计算机控制系统，通过对不同阶段棉花的性能指标进行监视和测量，自动调整工艺[3]。

为解决改善国内棉花生产效率较低等问题，研制了一种可以实现自动称重、成本低、性能稳定、能为棉花生产厂家接受的称重设备，该设备以称重传感器为核心元件，结合测控电路，共同实现棉花的称重，从而降低了生产成本与称重误差。

1　设计要求

通过进行到棉花生产厂家调研、与一线生产人员交换意见、考察棉絮生产环境等工作后，棉花自动称重机要实现其实用价值，必须达到以下设计要求：

1)最大量程5 kg:目前市面上棉絮重量处于2～4 kg，这个量程可以一次性涵盖绝大多数棉絮加工需要。

2)测量精度0.5 %:误差低于棉絮出售时的重量误差。

3)传送带速度可调:不同弹棉机出口传送带的传送速度有差别，自动棉花称重机的传送带速度应与弹棉机保持一致，因此要实现无级变速。

4)可满足24 h连续工作:因市场棉絮需求量大，部分厂家每年都有一段时间需要实行三班倒工作制度，所以机器必须能够满足长时间连续工作。

5)可自由设定所需棉花重量:针对所生产棉絮重量的不同，设定所需棉花的重量值。

6)可以现场标定:根据国家标准，传感器每隔一段时间需要进行校准，当发现传感器准确度出现问题时，工人可以用标准砝码按照说明书要求自行校准。

7)防误报警功能:生产过程中有可能出现抖动现象，表现为瞬间重量超出设定值，之后马上恢复，采用低通滤波和抗抖动输出技术予以解决；

8)出现故障断电功能:自动棉花称重机工作环境充斥大量棉纤维，纤维有可能缠绕在传动部件上，造成卡死现象出现故障，所以要求该设备具有出现故障自动关机的功能。

棉花自动称重机是一种将从弹棉机传送带出来的棉花进行自动称量的装置，其工作原理是：设定称重机所需棉花重量，弹棉机弹好的棉花通过传送带送到棉花自动称重机的传送装置上积累，当称重机收集的棉花达到预设重量时，控制器输出信号使蜂鸣器发出声音信号，传送装置将称重好的棉花传送到其他收集容器后，棉花自动称重机自动恢复到初始状态重新进行称重工作。其工作原理图如图1所示。

图1　工作原理图Fig 1　Flow chart of working principle

2　整体结构设计

棉花自动称重机的结构设计在实现自动称重功能的前提下，应尽量做到结构简单，牢固可靠，以降低生产成本。棉花自动称重机主要由棉花传送装置、称重装置和座架三部分组成，整个传送装置处于两个条形称重传感器称重端上，传感器的另一端固定在座架上，实现称量作用，其示意图如图2。

图2　棉花自动称重机三维示意图Fig 2　3D diagram of cotton automatic weighing device

2.1棉花自动称重机传送装置研制

由于整个传送装置都放置在称重传感器之上，所以在满足需要的前提下，为保证精度，传送装置应尽量轻便，其结构单元配置如下：

1)驱动电机

考虑到普通直流电机寿命有限，为满足用户的长时间使用，棉花自动称重机采用的是通用的直流无刷电机，可以在电机控制器的控制下实现转速可调，经实验检验，可以满足动力和重量两方面的要求。

2)传送轴与传送带

传送轴外轴采用的是直径64 mm的PPR管，通过尼龙圆块以紧配合方式与传送轴内轴结合，这样即容易得到与棉花机传送带匹配的传送速度，又减小了传送装置的重量，通过配合加工，进一步保证内外轴的同轴度。

传送带采用的是表面粗糙并且经过防水处理的帆布，在保证与传送轴和棉花有足够的摩擦力的同时，做到不与棉花产生粘连。

3)传送装置的组装

利用轴承与轴承座将两个传送轴固定在角钢焊接连成的支架上，通过联轴器配合电机，保证电机与传送轴的同轴度，然后将电机固定在支架上。由于棉花是絮状物，很容易缠绕在装置上，为防止棉花缠绕到皮带链条等物体上，造成卡死或机器的较强抖动而影响生产，电机与传送轴主轴的连接采用联轴器实现同轴连接，将棉花缠绕的可能性降到最低。

2.2称重传感器

棉花自动称重机需要两个称重传感器对称布置，为得到较高的精准度和稳定的输出，称重传感器选用的是本单位自行研制的10 kg条形称重传感器，此种传感器精度可达0.05 %，可完全满足设计要求。该传感器采用电阻应变式压力传感器，由弹性元件、电阻应变计和惠斯通电桥组成。当弹性体受到载荷作用变形时，电阻应变片发生形变，其阻值将发生变化，从而使电桥平衡发生变化，将相应的阻值变化信号转换为电信号传给后续电路，从而将外力转换为电信号[4]。

2.3座架

棉花自动称重机的座架主要起到支撑和连接各部件的作用，要求结实牢固实用。因此，座架采用4号型材直接焊接连成，既满足要求，又无需太高成本。

此外在最初设计中，棉花自动称重机还有切断功能，即当重量达到设定值时，有切断装置下压切断正在积累的棉花。但在工厂实际操作时，由于切断后要重新整理，棉花生产车间的设备不提倡机器有过多的传动部件，所以在操作人员的建议下予以取消，因为操作熟练的工人很快就可以把握预量，将称重误差控制在要求范围以内，棉花自动称重机工作状态如图3。

图3　工作状态中的棉花自动称重机Fig 3　Cotton automatic weighing device in working state

3　测量控制电路设计

测量控制主要包括称重测量、切断装置信号输出、报警信号输出以及电机调速等部分，控制电路示意图如图4所示。

图4　控制电路示意图Fig 4　Diagram of control circuit

其中,称重测量电路主要由传感器供桥电源、输入信号滤波电路、Δ-Σ型A/D转换器、单片机，输出控制继电器等部分组成。测试电路通过采用低通滤波、软件滤波、去抖动处理降低称重信号的干扰和称重机传送带上因机械抖动产生的杂波。

称重传感器采用惠斯通应变式电桥结构，其输出与供电成比例，因此需要较高的稳定性。为确保精度，传感器电源需做特殊设计。图5为传感器供桥电源电路，VREF为精密参考源REF195，这一供桥电路为称重传感器提供精密稳定的电源。实测表明，电源温度系数<10×10-6/℃,长期稳定度<12×10-6/50 h。

图5　传感器供桥电源电路Fig 5　Sensor power supply circuit

设计了滤波和放大电路，滤波电路由π型差分阻容耦合构成一阶低通滤波器，滤波频率20 Hz，用于消除工频干扰。ADC转换器采用TI公司的ADS1240，这种ADC采用Δ-Σ型转换器，内置1～128倍可编程放大器，集成了过采样单元与(sin(x)/x)3型滤波器，有效分辨率达到19位(放大倍数为128时)，非常适合应变式称重传感器的测量[5，6]。采集信号通过单片机进行滤波处理、抗抖动信号处理及重量信号转换计算，由面板上的LED显示称重结果，当达到设定值时，打开内部继电器驱动外部切断装置完成切断操作。在棉花机生产中，当棉花缠绕造成传动部件出现故障时，信号将反馈到单片机，单片机打开报警继电器，并关闭电机，等故障排除后再继续工作。本测试电路还实现了传感器软件校准功能，可方便用户定期对称重传感器进行系统校准[7]。

4　实验测试

为了验证该装置的可行性与可靠性，经过长时间的生产检验，棉花自动称重机运行状态良好，工人可很快熟练掌握其操作方法，生产过程中减少了称重环节占用的时间和人力，提高了生产效率，达到了此行设计的目标。在结构方面基本使用型材进行加工，测量控制也采用了相对成熟的技术，降低了制造成本。

经过多次称重后，以实际重量为4 kg的棉花为例，得到如图6所示的重量曲线图。

图6　棉花重量曲线图Fig 6　Cotton weight curve

由图4重量曲线图可以看出，经过20次的测试，在正常使用情况下，棉花重量的误差范围很小，在厂家接受范围之内，所以,此种棉花自动称重装置切实做到了稳定可靠实用。

5　结　论

随着目前棉花产业的迅速发展，棉花重量的准确性受到了人们的普遍关注，而如何提高棉花生产厂家的工作效率与经济效益，也是备受关注的热点[8]。针对此类热点问题，本设计从生产者角度出发，设计了一种可自动称重的装置，不仅降低了人力资源成本，同时也提高了工作效率，所以此类装置的设计是很有必要的。

棉花自动称重机的工作原理还可以广泛应用于造纸、纺织、冶炼、采矿、建筑等工业领域，进一步实现了工业的自动化发展，意义重大，发展前景广阔。

[1]张春华，王划一.絮状物料的准静态计量装置[J].计量学报,1997,18(3):178-181.

[2]张春华，王划一.棉花初加工设备综合设计与研究[J].应用技术与工程科学学报,2000,8(3):330-334.

[3]黄燕云.籽棉收购信息管理系统的研究与开发[D].济南：山东大学,2007.

[4]王沛霖.一种称重传感器的研制[D].长春：吉林大学,2014.

[5]于静，张炎.基于ADS1240的RTD精确温度测量系统设计[J].山东大学学报:工学版,2003,33(3):275-278.

[6]郭怀天.基于电阻应变式称重传感器的电子天平的研制[D].长春：吉林大学,2006.

[7]吴忻生，唐萍，秦瀚.数字滤波技术在称重系统信号采集中的应用[J].传感器与微系统,2010,29(9):131-134.

[8]王洋洋,金晓龙,郭斌.基于STC89C51单片机的棉花重量采集系统的设计与实现[J].电脑与电信,2012(10):24-26.

Research and fabrication of cotton automatic weighing device

JIA Qi, YU Chang-an， WANG Luo

(Facilty Design and Instrumentation Institute,China Aerodynamic Research & Development Center，Mianyang 621000,China)

An automatic weighing device for cotton which is researched and fabricated can be implement in cotton processing production line.This device mainly includes transmission device, weighing device and bracket.Transmitting device consists of drive motor, transmission shaft and conveyor belt.Weighing devices takes two weighing sensors as measuring element so as to realize weighing combined with measurement and control circuit.The sensor is independently researched and fabricated, which can ensure precision of 0.05 %.The circuit uses ADS1240 as core,which realizes signal filtering and amplification.4# section bar is used to weld pillow block bearing, which supports and connects each parts of device.

cotton, automatic weighting;weighting sensor;measurement and control circuit

2015—11—22

TP 23

A

1000—9787(2016)08—0105—03

贾琦(1987-)，男，四川绵阳人，硕士研究生，助理工程师，研究方向为传感器设计。

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)08—0105—03