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1 前言

大米是我國人民最主要的食糧，根據近年來的統計，我國人均年消費大米約100公斤左右。隨著市場經濟的逐步發展，商品大米的包裝也從計劃經濟時代的100公斤大麻袋出廠、散裝銷售，逐步過渡到10公斤、15公斤的塑料編織袋袋裝銷售。近些年，為適應城鎮人民生活水平的不斷提高，許多廠開發出新品種加工米：免淘洗米、強化米、胚芽米、特優米等等，這些精品米采用了5公斤、2.5公斤包裝。但是，被業界技術專家普遍認同的、有顯著的防霉、防蟲、延緩陳化的效果的大米氣調保鮮包裝技術尚未得到應用。為此，我們開發了大米氣調保鮮自動包裝機，對其關鍵部件之一的自動稱量裝置進行了一系列的試驗研究，現簡介如下。

2 下料機構的試驗研究

   對于散粒物料的稱重，下料機構常用的有電磁振動型、皮帶輸送型和自重直流型等結構形式。電磁振動型對各種物料的適應性好，落料重量的隨機性較小，稱量精度易于保證，但結構復雜，體積較大，成本高，且振動和噪音較大。皮帶輸送型對不同物料也有一定的適應性，稱量精度也較高，缺點同樣是結構復雜，體積較大，成本較高，漏料是普遍問題。自重直流型對各種物料的適應性不是太好，落料重量的隨機性較大，稱量精度的控制將是其關鍵問題；但自重直流型結構簡單、緊湊，體積較小，成本低。根據大米自動小包裝機的工作對象和特點，我們以選用自重直流型下料機構為宜。因而，為了保證稱量精度的控制，下料裝置的研究將是其關鍵問題之一。

通常的自重式直流型下料裝置，一般都采用雙料口（雙門）下料，即大料口負責主要的下料任務，能盡快地下料到接近設定重量； 小料口只是補充差額到設定重量。經過反復試驗，由于大料口下料時，落料重量及其沖擊力、殘留料柱重量的隨機性大，致使稱量高精度和高速度的矛盾不易解決，達不到較高的要求。為此，又設計了三料口（三門）、四料口（四門）下料器。四料口下料器的各料口從大到小分別設為1、2、3、4號，下料時各料口同時落料至等于或略大于第一重量值，1號料口關閉；2、3、4號料口同時落料至等于或略大于第二重量值，2號料口也關閉；3、4號料口同時落料至等于或略大于第三重量值，3號料口也關閉；僅剩4號料口落料至設定重量值，4號料口也關閉，下料完成。試驗裝置的1、2、3、4號料口的落料面積分別為30、18、8、3.2㎝2，實驗測得落料流量平均值（50次）分別為1977.1、1072.5、119.8、54.4 g/s，落料流量標準差S1、S2、S3、S4分別為44.61、31.22、5.16、2.01 g/s。可以從實驗結果清楚地看出，不同的落料面積對落料流量標準差的影響是很大的。

達到第一重量值時，由于落料重量及其沖擊力、殘留料柱重量的隨機性大，誤差很大。僅從落料流量標準差的角度，按一般的3σ原則可以認為其誤差范圍在±249 g/s之間，其可信度為99.7%。但從包裝精度的要求看，選擇±5σ，即誤差范圍在±415 g/s之間，其可信度為99.99995%，落在此誤差范圍之外的概率僅為千萬分之五。落料流量標準差是定時試驗結果（即控制器從發出開門指令到發出關門指令的時間為1秒，在此設定時間內的落料試驗結果），從表面上看它并不反映落料沖擊力和殘留料柱重量的影響（對于標準稱重量而言，前者的影響為負，后者的影響為正）。但落料沖擊力和殘留料柱重量的不均勻性，實質上主要是由落料流量的不均勻性引起的，所以落料流量標準差可以在很大程度上反映定量試驗結果（即設定標準稱重量，分別由各料口單獨落料的試驗結果），驗證試驗證明了這一點。

以稱量5㎏為例，考慮到以后2、3、4號料口的工作，再將上述誤差范圍擴大約一倍，即第一重量值設為4200 g，由于第一重量值與標準稱重量值之間的差距留為800 g，誤差對最終的稱量結果不會產生影響。達到第一重量值的稱量時間為4200/（1977.1+1072.5+119.8+54.4）=1.303 S。第二重量值的誤差范圍在±191.95 g/s之間，第二重量值設為4700 g，第二重量值與標準稱重量值之間的差距留為300 g，達到第二重量值的稱量時間為（4700-4200）/（1072.5+119.8+54.4）=0.401 S。第三重量值的誤差范圍在±35.85 g/s之間，第三重量值設為4900 g，第三重量值與標準稱重量值之間的差距留為100 g，達到第三重量值的稱量時間為（4900-4700）/（119.8+54.4）=1.148 S。4號料口的誤差范圍在±10.05 g/s之間，這便是最后達到的包裝精度。鑒于試驗證明，殘留料柱重量大于落料沖擊力約50 g（系統誤差），所以設定重量值為4950 g，達到設定重量值的稱量時間為（4950-4900）/54.4=0.919 S。總稱量時間為3.77 S。這既保證了最終的稱量結果有足夠的高精度，同時，又保證了稱量的高速度。

由此可見，較之雙料口下料器，四料口下料器的優越性十分明顯。不過上述實驗用四料口下料器，在各料口面積大小的分配上，還不甚合理。實驗證明，與三料口下料器相比，在精度和速度方面優越性并不十分明顯。三料口下料器的下料過程與四料口下料器基本相同，但結構要簡單許多。因而，試驗結果選擇了三料口下料器。三料口下料器的大下料口（大門）、中下料口（中門）、小下料口（小門）的落料面積分別為110×70㎜、70×20㎜、20×20㎜，落料流量平均值分別為4721.45、827.17、64.21 g/s，實驗測得落料流量標準差分別為130.46、39.67、2.67 g/s。各料口的誤差范圍分別在±652.3、±198.35、±13.35 g/s之間。以稱量5㎏為例，第一重量值設為4300 g，第二重量值設為4890 g，設定重量值為4955 g（消除殘留料柱重量大于落料沖擊力的系統誤差），達到各重量值的時間分別為0.766 S、0.662 S、1.012 S，總稱量時間為2.44 S。整機試驗證明，稱量誤差范圍為±15 g，稱量速度可達2.5 S，與試驗設計的理論值基本吻合。也很好地解決了稱量的高精度和稱量的高速度之間的矛盾。

在料門形式上，設計試制了擺式弧形料門、垂直往復式直插料門、水平往復式直插料門，進行對比試驗。考慮擺式弧形料門在氣動控制元件的布置與安裝方面，以及結構復雜性方面的問題，未予采用。垂直往復式直插料門，在氣動控制元件的布置與安裝方面，較為方便，但較易楔緊物料而卡住。試驗結果選擇了水平往復式直插料門。

圖1 機械電子式自動稱量裝置

3 計量機構的試驗研究

國內外散粒料的自動計量裝置，可分為容積式和稱重式兩大類。容積式結構較為簡單，但計量精度不高，結構也不緊湊，因而不宜用于有一定精度要求或較大計量的物料包裝。稱重式一般有機械式、機械電子式、電子式三種。機械式自動計量裝置體積大、笨重而精度低，速度慢，現代已很少采用。 第一階段設計和試制的是機械電子式自動稱量裝置，如圖1所示。機械部分選用市售的10㎏機械臺秤，將秤盤改為稱料斗（帶充料門），對砝碼掛鉤進行了改造，以實現了砝碼自動兩段加載，再加上光電控制器，便可以控制下料器以實現自動稱量。

砝碼自動兩段加載的工作示意圖見圖2。作為杠桿機構的機械秤，在稱量過程中，落料沖擊力對其工作穩定性影響很大，為了解決這一問題，采用了砝碼自動兩段加載的辦法。在開始稱量時，砝碼中的一個X（例如200克），支撐在支撐座上（圖2之上圖），并不加載到杠桿上，這樣加載到杠桿上的砝碼僅為設定稱重量-X=Y，當料斗中的物料+落料沖擊力達到Y時，杠桿便上抬，砝碼X就離開了支撐座，它的重量加載到杠桿上，克服了杠桿上抬的慣性，杠桿按設定稱重量重新進行平衡。平衡結果若杠桿仍可上抬一點，下光電開關感知，關閉大下料口。小下料口繼續落料，直至杠桿徐徐上抬到水平位置，上光電開關感知，關閉小下料口。光電控制器圖見圖3。

該裝置的最大優點是，結構簡單，成本很低，稱量精度也能滿足要求。但是，由于不同設定稱重量對應的殘留料柱重量及其沖擊力不同，需要由設定稱重量值減去不同的值來進行修正，這在使用操作上很不方便。加之，機械電子式自動稱量裝置結構尺寸要大一些，致使整機尺寸較大。所以，在經過試驗之后，便放棄了這一方案。

樣機正式采用的是電子式自動稱量裝置，它是直接在市售的電子秤上，安裝帶充料門的稱料斗而成。市售的電子秤是經國家計量部門檢定過的標準產品，其精度為1/3000（精度高于1/3000者為電子天平），最大稱量為3㎏、6㎏、15㎏等。由于該包裝機最大稱量為5㎏，加上稱料斗的重量，已經大于6㎏，便只有選擇15㎏的電子秤，其分辨率為5 g。電子秤的自動稱量由單片機為核心的稱量控制器控制，其面板上有兩個顯示器，一個顯示重量值，一個顯示各種設定值或包裝的袋數，并有相應的各種設定鍵。稱量控制器輸入的除稱重信號外，還有允許稱重、停止稱重、倒料狀態等，而稱量控制器輸出的信號有倒料、充氣、大、中、小料門控制等，直接輸出220V控制各電磁閥開關，如圖4所示。從電子秤內單片機的串口取出電子秤的稱重信號，直接輸入稱量控制器，由控制器依據大量實驗數據而編制的軟件去控制大、中、小料門的開閉，并由面板上的顯示器將重量值顯示出來。

該電子式自動稱量裝置經實驗，稱量5 kg大米100次，其平均重量為4991.9 g（即平均誤差為8.1 g），標準差為4.9 g，最大誤差為15 g，其出現概率為2%。平均稱量時間為2.5S。

自動倒料充填機構是電子式自動稱量裝置的一個必不可少的部分，它實際上是稱量斗的可控制斗底。但是，為了保證稱量精度，在稱量時控制部分不能接觸斗底，只有在倒料充填時控制部分才能接觸斗底進行工作。為此試驗了幾種方案，最終選擇氣缸下拉式，在斗底加上平衡重塊，回位彈簧很軟，沖擊力小。這種倒料充填機構結構簡單緊湊，反應迅速，工作可靠。

4 結束語

作為大米氣調保鮮自動包裝機的關鍵部件之一的自動稱量裝置，采用自重直流型下料機構，結構簡單、緊湊，同時用雙料口（雙門）、三料口（三門）、四料口（四門）下料器進行實驗對比，結果表明三料口下料器在解決稱量的高精度和稱量的高速度之間的矛盾方面明顯地優于雙料口下料器，而又與四料口下料器較為接近。機械電子式自動稱量裝置結構簡單，成本很低，稱量精度也能滿足要求；但是尺寸較大，且自動化水平不夠高。電子式自動稱量裝置是直接在市售的電子秤基礎上增加稱量控制器而成的，因此電子秤本身的精度和檢定便不存在問題。這樣研制出的大米氣調保鮮自動包裝機的自動稱量裝置，最大稱量5 kg時的誤差不大于15 g，平均稱量時間為2.5S，不僅能完全滿足大米氣調保鮮包裝對高速度和高精度的要求，而且結構簡單，工作可靠，成本低廉。