玻璃包装制品智能滴料系统研究

姜旭日 杜金明 王传俊 吴双佚

摘 要：随着日用玻璃包装制品国内外市场需求的增加和玻璃制品工业的发展，如何加强玻璃制品制造技术的开发，提高玻璃包装制品质量的稳定性和提升生产效率成为玻璃包装容器制作行业面临的的新课题。本文提出基于电磁流量测量玻璃熔料料重控制技术和基于蜗轮增压原理料滴速度装置。通过图像识别技术计算料滴质量进行稳定控制提高产品质量稳定性，利用涡轮增压原理通过高速稳定气流增加料滴下滴速度提升生产效率。

关键词：玻璃；电磁；测量；涡轮增压；加速

引言

目前玻璃包装制品的生产效率低，产品质量不稳定等不足，究其原因为生产设备落后，国内具备先进制造设备的企业还很少，多为进口，而自主研发的设备整体水平与发达国家还有很大差距，生产效率低，产品质量不稳定，大大制约了国内玻璃包装行业的进步。目前的产品生产效率远不能满足国内市场的强烈需求。同时随着现代智能制造工业的进步，制瓶设备正逐步发展，为此本文就针对玻璃包装制品设备智能滴料系统加以设计分析研究。

一、制瓶原理

制瓶机成型原理：利用在高温下玻璃液的粘度与表面张力随温度的变化这一特性，通过机械作用和压缩空气的压力（有时还有真空作用）完成。制瓶分为三大步骤：制瓶口-- 初型完成 --成型制作

行列式制瓶机是现在通用的制瓶成型机，分为吹—吹法和压—吹法两种生产工艺。

吹—吹法生产的成型过程为：

滴料—真空辅助和扑气—倒吹气—翻转—重热—真空成型和内冷却正吹气—钳瓶。

压—吹法生产的成型过程为：

滴料—冲压—倒吹气—翻转—重热—真空成型和内冷却正吹气—钳瓶。与吹—吹法作业生产的成型过程的不同点，主要就是真空辅助和扑气过程和倒吹气过程变为了一个冲压过程如图1所示。

滴料过程为玻璃料滴通过分料勺、直料槽、转向槽、漏斗，落入倒置的初型模中。通常料滴的直径与初型模的内腔上部要保持约0.8毫米的间隙，使料滴能顺利落料，擦痕最小。在初型模内腔上部与落入的料滴之间，有足够大的排气缝隙，减少玻璃料滴下面多余的空气。顺利准确的落料能使玻璃料滴均匀地沉入初型模。落料前芯子已插入口模内，在扑气之前料滴的头部几乎完全落入瓶子口模部位。

为适应现代生产发展的需求提高产品质量的稳定性和生产效率，本文对料重控制和料滴速度控制进行研究。

二、基于蜗轮增压原理料滴速度装置研发及分析

料滴速度控制是玻璃成型工艺里极其重要的一环，如图6所示为玻璃下料料滴分配过程，玻璃瓶罐成型过程中，1100℃左右熔融状态下的玻璃液，通过供料机将玻璃液分出一定料重的料滴，通过流料系统，分配到制瓶机的成型部分进行成型。

运用蜗轮增压原理和理想流体模型稳定流动的动力学基本规律，研制熔融状态玻璃流料加速装置，实现玻璃料滴在滴下过程中（从H0位置到H1位置），速度的增加与控制；进而提高料滴的分配效率，提高产品的生产效率。

流料加速原理：如图4加速装置设计进气口和出气口，电机带动圆柱内扇叶旋转，将风吹入圆环的缝隙中，由于圆柱内空气减少，空气在闭合腔体内形成高压，在出口处形成高速气流，带动加速器中轴线上的空气朝出口方向加速运动，形成一个加速的流体力场。对于通过加速流体力场的玻璃滴料，受到力场中竖直向下的推力而加速运动，达到给滴料加速的要求，同时加速器也未与滴料发生直接的接触。

三、空气压缩状态方程

空气在压力或温度变化时能改变自身的体积，具有显著的压缩性和膨胀性，因此，当温度或压力变化时，气体的密度也随之变化。它们之间的关系，服从于理想气体状态方程。即： Pυ=RT 或：P/ρ=RT

式中：P--绝对压力（牛顿/米2）；u--比容（米2/牛顿）；ρ--气体密度；T--热力温度（K-开尔文） ；

R--气体常数（牛米/千克开），对于空气R=287牛2米/千克2开

理想氣体状态方程：

式中：M--摩尔质量；n--气体的物质的量，单位nol；

S--气体常量，单位J/kg.K

P--气体压强Pa；V--气体体积，T--体系温度（绝对温度），单位K。

理想气体在状态变化时三个基本状态参数，绝对压强、比体积ν和绝对温度T之间的关系式

式中：ν--气体的比体积

描述气体状态的三个基本参数P，VT中只右两个是独立的，置有给定三个基本状态参数中的任意两个，气体状态就被确定了，若气体质量为m千克，将式两边乘以m，则可得到m千克理想气体状态方程式；

以上式是理想气体和混合气体的状态方程，可由理想气体严格遵循的气体实验定律的出，也可根据理想气体的微观模型，由气体动理论导出，在压强为几个大气压以下时。各种实际气体近似遵循理想气体状态方程。

2）在滴料加速控制实现：在料滴下降过程中，调节加速装置进风口大小，（调节电机转速快慢）调节整个力场的加速值，实现对滴料最终进入下一个工位的速度控制。

控制系统中的反馈信号是电压信号显示的料滴速度，为了真实可靠的信号，并实现功率电路和控制器之间的电气区分，需要以速度传感器，传感器的输出信号为连续模拟量，由于控制系统对反馈通道上的扰动抑制能力弱，所以，信号传感器必须有足够高的精度，才能保证控制系统的准确性本装置采用单片机控制系统，主要完成整个加速系统的检测，控制保护等工作，在启动前单片机对系统进行启动前的检测，保证电路的正常。正常运行时完成对料滴速度检测信号PID数字调节运算和处理，监视系统的运行。对系统状态进行实时反馈调节，同时单片机控制系统具备人机交互功能，

闭环调速的实现，通过料滴速度的检测，将检测实际结果反馈回计算机，然后进行PID调节，再通过执行机构使得输出速度与设定速度一致完成料滴速度控制的目的。通过这部分调节电动机转速控制进风大小实现更精准控制。

闭环控制是自动控制系统最基本的控制方式，也是应用最为哦广泛的一种控制方式，它是按偏差金系ing控制的，其特点是不论什么原因使被控制量离期望值出现偏差时，必定会产生一个相应的控制作用去减小或消除这个偏差，使被动控量与期望值趋于一致，在这个反馈量就是速度，闭环控制中的差值就是e（k）=e（用户）-e（实际），即进行反馈调节的就是这个偏差，使其尽量减小到0。

本系统采用增量式PID控制算法，当执行机构需要的不是控制量的绝对值。而是控制量的增量时需要用PID的“增量算法”。

由位置算法求出： ①

在求出：

两式相减得出控制量的增量算法：

式3为

增量式PID算法。对增量式PID算法1得；

从④一看不出PID的表达式和P、I、D作用的直接关系，只表示了各次误差量对控制作用的影响，从式4看出数字增量式PID算法，只要储存最近三个误差值e（k）、e（k-1）、e（k-2）就足够。最后输出u（k）由计算机加载PWM进行调速。

参考文献：

[1]刘尚合，刘卫东. 电磁兼容与电磁防护相关研究进展 PID 控制研究[J].机电工程，2018，35（4） ： 375-379。

[2] 王宝仁， 王婕， 韩文强， 武洪恩. 级联式多轴运动控制系统及其同步策略 计算机集成控制系统，2018，35（4） ： 375-379。

[3]李鑫.串联机器人运动控制系统研究 PID 控制[J].中国机械工程，2010，2 （ 20） ：138-141。

作者简介：

姜旭日，出生年月：1995.2.9，性别：男，民族：汉，籍贯（精确到市）：陕西省西安市长安区，学历：硕士研究生，研究方向：机械工程.