基于多档位的粉体精确称量方法研究

田宇航，王绍宗，张 倩，宋泽民，何 钦

（机械科学研究总院 先进成形技术与装备国家重点实验室，北京 100044）

0 引言

粉体自动称量技术及装置在铸造、化工、制药、印染等行业有着广泛的应用需求，粉体自动称量精度直接影响产品质量[1]。粉体自动称量装置需要结合粉体物料容易堵结等特性展开研究[2,3]，传统的粉体精确称量装置大多采用螺旋出料结构，通过两级调节实现精确出料。在两级调节中，每级的出料比例根据经验设置；在调节过程中，若两级的出料速度相差较大，易出现超差或称料效率低的情况。

在自动称量方法研究中，关键是开展要称量精度和效率的平衡研究[4]，解决称量的高精度和称量的高速度之间的矛盾[5]。在目前称量的方法及称量结构研究中，为保证称量精度，一般会采用降低出料速度的方法，这样会延长称量时间；在保证称量效率时，通常会采用大比例高速出料的方式，称量精度难以保证，难以实现称量精度和效率的平衡。针对上述问题，本文提出了一种基于多档位的粉体精确称量方法，将粉体给料过程分为多阶段控制，通过优化各出料阶段的出料口面积及阶段出料量的分配比例，进行多级调节，实现粉体出料速度和出料精度的平衡研究，较好地解决称量精度和速度的矛盾。

1 多级自动称量档位调节方法研究

基于多档位的粉体精确称量方法是指将出料过程分为多个阶段，在出料口总面积不变的前提下，通过控制各出料阶段的出料口面积及阶段出料量，实现称量过程的多级调节，通过实验研究优化组合出料口面积和各阶段出料量，在满足出料精度的同时，使用最短时间实现精确出料。

在实验研究中，出料面积的控制是通过出料挡板对出料口的不同程度遮挡实现的，每一次出料挡板的位置更换可看作是档位调节。

出料过程分级换挡研究的核心是档位调节方法研究，包括档位划分特征值和档位区间内的出料量确定（换挡质量边界）研究。换挡边界是通过换挡时已出料量与称量目标之间的差值来计算确定的。传统的两级调节方式，粗出料和精出料比例大多由经验确定，人工调整，难以实现称量效率和精度的平衡。

1.1 档位划分研究

在本实验研究中，以市场上销售的面粉为研究对象开展相关实验研究。结合面粉的流动特性，设计的出料口如图1所示。

图1 出料口设计图

出料口根据不同档位的流量要求进行大小两个长形孔相结合的设计，大孔与挡板运动方向平行，且布置于可以稳定出料位置，细长孔为最后一个档位的出料口，出料口设计如图3所示，该设计适用于称量目标小于500g的粉体精确称量。

本研究根据称量目标的范围将档位设置为5个，档位划分从0档开始，0档为出料口全开，即出料速度最大的档位，档位信号为3时为最小出料档位，档位信号为4时，推杆电机推动挡板关闭整个出料口。

通过出料口面积调整使不同档位的流量成倍变化，进而控制各个档位的给料能力及精度，结合前期开展的基础性实验研究，不同档位对应的出料口开口面积及给料轴转速为100RPM时的质量流量如表1所示，0～3档随档位提高面积变小，由于3档为精细出料，2～3档面积变化最为显著。

表1 不同档位的出料口面积

1.2 各档位质量边界值计算方法研究

在多级称量过程中，称量速度和精度的最优平衡，主要是通过各档位的换挡时机（各称量阶段的质量边界）优化来实现。

在整个称量过程中，在出料口面积小时，出料速度慢，若此阶段规划的出料量过大，会造成称量速度极低；同样，在出料面积大时，出料速度快，规划的出料量过小，则容易造成超差，无法控制精度。所以在规划质量边界时，要同时考虑出料速度和出料量的关系，实现出料速度和精度的平衡控制。

由于机械及控制系统存在系统误差，所以在质量边界确定过程中，需要开展称量过程中的实时质量以及挡板运动信号等数据采集，得到各种参数与出料时间的关系图，如图2所示，其中实时质量修正值为电子秤反馈的已经出料质量。通过对挡位变化过程的电子秤读数进行分析，根据重量变化趋势可将换挡过程分为变挡区、缓冲区和稳定区。由于换挡过程不是完全理想的，所以存在变档区和缓冲区，变档区是指因为出料口面积突变引起的出料速度变化区；缓冲区是指出料面积调整结束后出料速度仍未稳定的区域；稳定区是缓冲区之后出料稳定的区域，稳定区质量随时间呈线性变化，出料均匀性较好。

图2 各组数据随时间变化曲线图

质量边界值计算方法如图3所示，其中质量间隔为控制器一个采样周期开始和结束的两个样本质量大于零的差值。本算法的难点在于如何有效识别出缓冲区，在高速出料阶段切换到低速出料阶段过程中，控制器采集到的质量间隔是逐渐变小的，而稳定区质量间隔变化是围绕着平均值上下波动的，两者之间很难有效区分。为提高判断成功率，在本实验中将推杆电机到位信号定义为缓冲区的开始信号，开始后则连续采集质量信号并分析，若质量间隔变大则定义为缓冲区结束。

图3 质量边界值算法流程图

1.3 各档位质量边界值计算结果分析

在质量边界值确定之前，要开展不同出料面积和不同给料轴转速条件下的，粉体的出料特性研究。以给料轴转速20RPM-100RPM条件下进行数据采集实验。不同给料轴转速分别进行三次实验，其对应质量边界值计算结果如表3所示，三次实验结果重复性较好，说明称量过程较为稳定。

表3 不同转速对应的质量边界值

为了进一步优化质量边界，以三次质量边界值计算结果的平均值作为该换挡过程的质量边界值进行分析，不同档位切换过程的质量边界值随给料轴转速的变化趋势如图4所示，质量边界值随给料轴转速增加而呈现线性增长，高速出料的档位质量边界数值大变化明显。而3～4档位质量边界不随转速变化而呈现规律变化，该值与出料筒中的物料堆积高度以及物料下落产生的冲量有关，该组数据进行应用时可以取平均值、最大值或者进行合理范围内调整，以满足生产需求。

图4 质量边界值随给料轴转速的变化规律

如表4所示，0～1档、1～2档、2～3档的切换过程中的质量边界值与给料轴转速的线性回归方程拟合程度较好，可以预测质量边界值，扩展可选参数内容，如给料轴转速为30RPM、50RPM、70RPM、90RPM时对应的各档位的质量边界值预测结果如表5表示，可以发现与实验获得数据规律性一致，在实际应用过程中也可以通过调整稳定段质量参数进行调整。

表4 线性回归方程及决定系数

表5 不同转速对应的质量边界预测值

2 多级精确称量系统设计

粉体自动称量是一个动态过程，要实现高精度称量就需要使动态过程向静态或稳定状态趋近[6]，所以低速称量阶段必不可少，而为了提高称量效率，要将低速称量阶段控制在一个较小的范围内，高速档位保证效率，低速档位保证精度。本研究开发的自动称量系统将称量过程分为多档位进行称量，并且通过结构优化解决堵料、出料不均匀问题。

2.1 系统组成及工作原理

自动称量系统主要由料仓、给料机构、出料口、回料机构、称重系统、PLC控制系统及气动系统组成，示意图如图5所示。自动称量装置工作时，出料口全开，以最大的出料速度进行出料，PLC控制系统按照设定值对其进行控制，当电子秤反馈的质量达到切换到下一档位的质量边界值时，系统开始换挡，以此类推，直到实时质量达到最后一个质量边界值，出料口闭合，称量过程结束。

图5 自动称量系统示意图

2.2 多级自动称量装置设计

针对多级称量过程中出料稳定性差的问题，进行了自动称量装置的优化设计，解决了料斗堵料、出料不均匀问题，提高了多级称量过程中的精度和效率。

自动称量装置示意图如图6所示，其中料仓为整体流设计，安装有破拱装置，有效地避免了料斗堵料问题；给料方式为螺旋给料，适用于面粉这种流动性较差的粉体[7]。由于面粉不但流动性差，而且容易造成螺旋内部堵塞，为避免给料过程中堵转，设计了回料装置，为竖直安装的螺旋轴，通过PID实时调节回料螺旋轴的转速实现给料螺旋轴的稳定出料。在出料口设计有推杆电机带动出料口挡板来调节出料口面积实现多级调节。

图6 自动称量装置示意图

3 多级自动称量方法实验验证

在验证实验中，以粒径范围在100μm～400μm面粉为例，以精确称量200g面粉为研究对象开展验证实验，实验装置如图7所示。在本实验中，根据称量目标200g，结合表3中数据，给料轴转速设置为100RPM。质量边界设置中，分别利用100RPM所对应的质量边界计算结果的最大值与平均值进行实验，每组实验重复10次。实验数据如表6和表7所示。

图7 自动称量实验装置

称量过程所用时间以及称量结果的误差如表6和表7所示，平均误差分别为0.068‰和0.2‰，平均用时分别为88.17s和101.96s。

由于实际的设备运行中的出料速度会存在波动，所以称量相同目标时，称量时长会存在一定差异。

由表6和表7中两组数据对比可以发现，影响两组称量精度的原因主要是最后一档的质量边界值。选取质量边界值的最大值进行实验时误差较大，同时使所有称量结果都统一偏小于目标值。这说明称量结果偏大或者偏小以及偏离程度是由称量结束前的最后一个档位的质量边界值决定的，该参数可以根据生产实际需求调整质量余量来调整。

表6 质量边界值取平均值时验证结果

表7 质量边界值取最大值时验证结果

通过验证实验的结果可以发现，采用本文所研究的多档位粉体精确称量方法及装置，可实现面粉的精确高速出料，实现出料精度与出料效率的平衡控制。

4 结语

本研究在搭建多级调节自动称量装置基础上，通过对多档位质量称量方法的研究，提出了各档位质量边界值计算方法，并通过机械结构的创新设计，解决了传统粉体自动称量装置堵料、无法均匀出料等问题。以200g面粉为称量目标，进行了多次重复验证实验，试验结果的平均相对误差为0.068‰，平均用时88.17s。称量误差与传统方法相比降低了98.3%，传统的面粉计量精度误差在4‰左右[8]。本研究在保证称量精度的情况下，大大提高了称量效率，解决了称量精度和称量效率的矛盾。