賈　琦， 于常安， 王　羅

(中國空氣動力研究與發(fā)展中心 設備設計與測試技術研究所，四川 綿陽 621000)

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棉花自動稱重機的研制

賈琦， 于常安， 王羅

(中國空氣動力研究與發(fā)展中心 設備設計與測試技術研究所，四川 綿陽 621000)

一種可以在棉絮加工生產(chǎn)線上實現(xiàn)棉花自動稱重的裝置，該裝置主要包括傳送裝置、稱重裝置與座架。傳送裝置由驅(qū)動電機、傳送軸與傳送帶組成；稱重裝置以兩個稱重傳感器為測量元件，結(jié)合測控電路實現(xiàn)稱重；該傳感器是本單位自行研制的傳感器，精度可達0.05 %，測控電路以ADS1240為核心，實現(xiàn)信號的濾波與放大；座架采用4號型材直接焊接而成，起到支撐和連接各部件的作用。

棉花； 自動稱重； 稱重傳感器； 測控電路

0　引　言

棉花作為關系國計民生的重要物資，歷來受到各國的重視，而我國又是農(nóng)業(yè)大國，所以,棉花更是人類日常生活中必不可少的用品，需求量極大。目前我國棉絮的生產(chǎn)仍然以中小企業(yè)為主，存在生產(chǎn)規(guī)模較小，生產(chǎn)效率較低等問題，多年來已是紡織和供銷行業(yè)相互結(jié)算的障礙[1]。而如何提高棉絮生產(chǎn)效率、降低資源成本一直困擾著棉絮生產(chǎn)廠家。

棉絮的銷售通常是以重量為標準進行稱重銷售的。在傳統(tǒng)生產(chǎn)模式中，采摘完成的棉花進廠后，在彈棉機上彈好，經(jīng)過稱量之后，再送到棉絮床上彈壓扎成棉絮。而現(xiàn)有的工藝中，無法使每一包的棉花重量相同或者誤差較小，這就使得廠家在稱量統(tǒng)計棉花的總量上需要耗費大量的勞力和時間，也可能會為后續(xù)的銷售工作帶來麻煩[2]。美國是世界上重要的棉花生產(chǎn)國和出口國，棉花產(chǎn)業(yè)經(jīng)過多年的發(fā)展，已經(jīng)形成了一套完整的流通體系。而在棉花加工方面，美國斯通維爾棉花加工研究所的專家開發(fā)了一套棉花加工計算機控制系統(tǒng)，通過對不同階段棉花的性能指標進行監(jiān)視和測量，自動調(diào)整工藝[3]。

為解決改善國內(nèi)棉花生產(chǎn)效率較低等問題，研制了一種可以實現(xiàn)自動稱重、成本低、性能穩(wěn)定、能為棉花生產(chǎn)廠家接受的稱重設備，該設備以稱重傳感器為核心元件，結(jié)合測控電路，共同實現(xiàn)棉花的稱重，從而降低了生產(chǎn)成本與稱重誤差。

1　設計要求

通過進行到棉花生產(chǎn)廠家調(diào)研、與一線生產(chǎn)人員交換意見、考察棉絮生產(chǎn)環(huán)境等工作后，棉花自動稱重機要實現(xiàn)其實用價值，必須達到以下設計要求：

1)最大量程5 kg:目前市面上棉絮重量處于2～4 kg，這個量程可以一次性涵蓋絕大多數(shù)棉絮加工需要。

2)測量精度0.5 %:誤差低于棉絮出售時的重量誤差。

3)傳送帶速度可調(diào):不同彈棉機出口傳送帶的傳送速度有差別，自動棉花稱重機的傳送帶速度應與彈棉機保持一致，因此要實現(xiàn)無級變速。

4)可滿足24 h連續(xù)工作:因市場棉絮需求量大，部分廠家每年都有一段時間需要實行三班倒工作制度，所以機器必須能夠滿足長時間連續(xù)工作。

5)可自由設定所需棉花重量:針對所生產(chǎn)棉絮重量的不同，設定所需棉花的重量值。

6)可以現(xiàn)場標定:根據(jù)國家標準，傳感器每隔一段時間需要進行校準，當發(fā)現(xiàn)傳感器準確度出現(xiàn)問題時，工人可以用標準砝碼按照說明書要求自行校準。

7)防誤報警功能:生產(chǎn)過程中有可能出現(xiàn)抖動現(xiàn)象，表現(xiàn)為瞬間重量超出設定值，之后馬上恢復，采用低通濾波和抗抖動輸出技術予以解決；

8)出現(xiàn)故障斷電功能:自動棉花稱重機工作環(huán)境充斥大量棉纖維，纖維有可能纏繞在傳動部件上，造成卡死現(xiàn)象出現(xiàn)故障，所以要求該設備具有出現(xiàn)故障自動關機的功能。

棉花自動稱重機是一種將從彈棉機傳送帶出來的棉花進行自動稱量的裝置，其工作原理是：設定稱重機所需棉花重量，彈棉機彈好的棉花通過傳送帶送到棉花自動稱重機的傳送裝置上積累，當稱重機收集的棉花達到預設重量時，控制器輸出信號使蜂鳴器發(fā)出聲音信號，傳送裝置將稱重好的棉花傳送到其他收集容器后，棉花自動稱重機自動恢復到初始狀態(tài)重新進行稱重工作。其工作原理圖如圖1所示。

圖1　工作原理圖Fig 1　Flow chart of working principle

2　整體結(jié)構(gòu)設計

棉花自動稱重機的結(jié)構(gòu)設計在實現(xiàn)自動稱重功能的前提下，應盡量做到結(jié)構(gòu)簡單，牢固可靠，以降低生產(chǎn)成本。棉花自動稱重機主要由棉花傳送裝置、稱重裝置和座架三部分組成，整個傳送裝置處于兩個條形稱重傳感器稱重端上，傳感器的另一端固定在座架上，實現(xiàn)稱量作用，其示意圖如圖2。

圖2　棉花自動稱重機三維示意圖Fig 2　3D diagram of cotton automatic weighing device

2.1棉花自動稱重機傳送裝置研制

由于整個傳送裝置都放置在稱重傳感器之上，所以在滿足需要的前提下，為保證精度，傳送裝置應盡量輕便，其結(jié)構(gòu)單元配置如下：

1)驅(qū)動電機

考慮到普通直流電機壽命有限，為滿足用戶的長時間使用，棉花自動稱重機采用的是通用的直流無刷電機，可以在電機控制器的控制下實現(xiàn)轉(zhuǎn)速可調(diào)，經(jīng)實驗檢驗，可以滿足動力和重量兩方面的要求。

2)傳送軸與傳送帶

傳送軸外軸采用的是直徑64 mm的PPR管，通過尼龍圓塊以緊配合方式與傳送軸內(nèi)軸結(jié)合，這樣即容易得到與棉花機傳送帶匹配的傳送速度，又減小了傳送裝置的重量，通過配合加工，進一步保證內(nèi)外軸的同軸度。

傳送帶采用的是表面粗糙并且經(jīng)過防水處理的帆布，在保證與傳送軸和棉花有足夠的摩擦力的同時，做到不與棉花產(chǎn)生粘連。

3)傳送裝置的組裝

利用軸承與軸承座將兩個傳送軸固定在角鋼焊接連成的支架上，通過聯(lián)軸器配合電機，保證電機與傳送軸的同軸度，然后將電機固定在支架上。由于棉花是絮狀物，很容易纏繞在裝置上，為防止棉花纏繞到皮帶鏈條等物體上，造成卡死或機器的較強抖動而影響生產(chǎn)，電機與傳送軸主軸的連接采用聯(lián)軸器實現(xiàn)同軸連接，將棉花纏繞的可能性降到最低。

2.2稱重傳感器

棉花自動稱重機需要兩個稱重傳感器對稱布置，為得到較高的精準度和穩(wěn)定的輸出，稱重傳感器選用的是本單位自行研制的10 kg條形稱重傳感器，此種傳感器精度可達0.05 %，可完全滿足設計要求。該傳感器采用電阻應變式壓力傳感器，由彈性元件、電阻應變計和惠斯通電橋組成。當彈性體受到載荷作用變形時，電阻應變片發(fā)生形變，其阻值將發(fā)生變化，從而使電橋平衡發(fā)生變化，將相應的阻值變化信號轉(zhuǎn)換為電信號傳給后續(xù)電路，從而將外力轉(zhuǎn)換為電信號[4]。

2.3座架

棉花自動稱重機的座架主要起到支撐和連接各部件的作用，要求結(jié)實牢固實用。因此，座架采用4號型材直接焊接連成，既滿足要求，又無需太高成本。

此外在最初設計中，棉花自動稱重機還有切斷功能，即當重量達到設定值時，有切斷裝置下壓切斷正在積累的棉花。但在工廠實際操作時，由于切斷后要重新整理，棉花生產(chǎn)車間的設備不提倡機器有過多的傳動部件，所以在操作人員的建議下予以取消，因為操作熟練的工人很快就可以把握預量，將稱重誤差控制在要求范圍以內(nèi)，棉花自動稱重機工作狀態(tài)如圖3。

圖3　工作狀態(tài)中的棉花自動稱重機Fig 3　Cotton automatic weighing device in working state

3　測量控制電路設計

測量控制主要包括稱重測量、切斷裝置信號輸出、報警信號輸出以及電機調(diào)速等部分，控制電路示意圖如圖4所示。

圖4　控制電路示意圖Fig 4　Diagram of control circuit

其中,稱重測量電路主要由傳感器供橋電源、輸入信號濾波電路、Δ-Σ型A/D轉(zhuǎn)換器、單片機，輸出控制繼電器等部分組成。測試電路通過采用低通濾波、軟件濾波、去抖動處理降低稱重信號的干擾和稱重機傳送帶上因機械抖動產(chǎn)生的雜波。

稱重傳感器采用惠斯通應變式電橋結(jié)構(gòu)，其輸出與供電成比例，因此需要較高的穩(wěn)定性。為確保精度，傳感器電源需做特殊設計。圖5為傳感器供橋電源電路，VREF為精密參考源REF195，這一供橋電路為稱重傳感器提供精密穩(wěn)定的電源。實測表明，電源溫度系數(shù)<10×10-6/℃,長期穩(wěn)定度<12×10-6/50 h。

圖5　傳感器供橋電源電路Fig 5　Sensor power supply circuit

設計了濾波和放大電路，濾波電路由π型差分阻容耦合構(gòu)成一階低通濾波器，濾波頻率20 Hz，用于消除工頻干擾。ADC轉(zhuǎn)換器采用TI公司的ADS1240，這種ADC采用Δ-Σ型轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置1～128倍可編程放大器，集成了過采樣單元與(sin(x)/x)3型濾波器，有效分辨率達到19位(放大倍數(shù)為128時)，非常適合應變式稱重傳感器的測量[5，6]。采集信號通過單片機進行濾波處理、抗抖動信號處理及重量信號轉(zhuǎn)換計算，由面板上的LED顯示稱重結(jié)果，當達到設定值時，打開內(nèi)部繼電器驅(qū)動外部切斷裝置完成切斷操作。在棉花機生產(chǎn)中，當棉花纏繞造成傳動部件出現(xiàn)故障時，信號將反饋到單片機，單片機打開報警繼電器，并關閉電機，等故障排除后再繼續(xù)工作。本測試電路還實現(xiàn)了傳感器軟件校準功能，可方便用戶定期對稱重傳感器進行系統(tǒng)校準[7]。

4　實驗測試

為了驗證該裝置的可行性與可靠性，經(jīng)過長時間的生產(chǎn)檢驗，棉花自動稱重機運行狀態(tài)良好，工人可很快熟練掌握其操作方法，生產(chǎn)過程中減少了稱重環(huán)節(jié)占用的時間和人力，提高了生產(chǎn)效率，達到了此行設計的目標。在結(jié)構(gòu)方面基本使用型材進行加工，測量控制也采用了相對成熟的技術，降低了制造成本。

經(jīng)過多次稱重后，以實際重量為4 kg的棉花為例，得到如圖6所示的重量曲線圖。

圖6　棉花重量曲線圖Fig 6　Cotton weight curve

由圖4重量曲線圖可以看出，經(jīng)過20次的測試，在正常使用情況下，棉花重量的誤差范圍很小，在廠家接受范圍之內(nèi)，所以,此種棉花自動稱重裝置切實做到了穩(wěn)定可靠實用。

5　結(jié)　論

隨著目前棉花產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，棉花重量的準確性受到了人們的普遍關注，而如何提高棉花生產(chǎn)廠家的工作效率與經(jīng)濟效益，也是備受關注的熱點[8]。針對此類熱點問題，本設計從生產(chǎn)者角度出發(fā)，設計了一種可自動稱重的裝置，不僅降低了人力資源成本，同時也提高了工作效率，所以此類裝置的設計是很有必要的。

棉花自動稱重機的工作原理還可以廣泛應用于造紙、紡織、冶煉、采礦、建筑等工業(yè)領域，進一步實現(xiàn)了工業(yè)的自動化發(fā)展，意義重大，發(fā)展前景廣闊。

[1]張春華，王劃一.絮狀物料的準靜態(tài)計量裝置[J].計量學報,1997,18(3):178-181.

[2]張春華，王劃一.棉花初加工設備綜合設計與研究[J].應用技術與工程科學學報,2000,8(3):330-334.

[3]黃燕云.籽棉收購信息管理系統(tǒng)的研究與開發(fā)[D].濟南：山東大學,2007.

[4]王沛霖.一種稱重傳感器的研制[D].長春：吉林大學,2014.

[5]于靜，張炎.基于ADS1240的RTD精確溫度測量系統(tǒng)設計[J].山東大學學報:工學版,2003,33(3):275-278.

[6]郭懷天.基于電阻應變式稱重傳感器的電子天平的研制[D].長春：吉林大學,2006.

[7]吳忻生，唐萍，秦瀚.數(shù)字濾波技術在稱重系統(tǒng)信號采集中的應用[J].傳感器與微系統(tǒng),2010,29(9):131-134.

[8]王洋洋,金曉龍,郭斌.基于STC89C51單片機的棉花重量采集系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].電腦與電信,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

賈琦(1987-)，男，四川綿陽人，碩士研究生，助理工程師，研究方向為傳感器設計。

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