CN105151340B - 一种空中料柱质量实时预测补偿与进料延时的高精度包装机 - Google Patents

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    • B65B57/00Automatic control, checking, warning, or safety devices

Abstract

本发明提供一种空中料柱质量实时预测补偿与进料延时的高精度包装机,包括:封合机构、SMART700‑IE触摸屏、成型器调节机构、卸料斗、拉膜机构、称量机构、给料执行机构、伺服电机、变频器、PLC控制电路系统和上位机等,所述封合机构设置于所述成型调节机构的下部,所述SMART700‑IE触摸屏设置于所述成型调节机构的旁侧,所述拉膜机构设置于所述成型调节机构的上部,所述PLC控制机箱设置于所述封合机构的旁测,本发明可实时预测包装质量和包装精度,在不同时刻预算出最终落入袋中的物料量,寻找最佳的切断送料时刻,准确测定此刻物料质量、物料下落速度、落料精度,本发明包装精度高,工作效率高,节约劳力,称量准确,实用性强。

Description

一种空中料柱质量实时预测补偿与进料延时的高精度包装机

技术领域

[0001] 本发明涉及包装机技术领域,具体为一种空中料柱质量实时预测补偿与进料延时 的高精度包装机。

背景技术

[0002] 称重式全自动定量包装机主要用于粉状、颗粒散物料进行称重充填在特定容器内 的整个包装过程,方便散装物料的运输和使用。提高包装机的速度以及控制精度是亟待解 决的问题,也是包装机今后的发展方向。影响包装精度的原因很多,其中空中料柱和系统延 时是产生误差的主要因素之一,空中料柱即给料机构停止给料后残留在空中还未及时落入 称量桶的一部分物料,系统延时即由于软件编程和硬件结构产生的延时,因此包装机在工 作过程中必须要对空中料柱和系统延时产生的误差进行补偿,防止产生较大误差,影响包 装精度。

[0003] 在现有技术中,对于粉状或颗粒状物料称重式定量包装机的设计测重于机械结 构,通常仅采用称重传感器配合相应的机械设备直接测得所需物料质量。目前,国内外学者 对于包装机称量过程的研究做了大量的工作,也研究出不少包装机称重设备。部分设备通 过分析多次包装结果和预期结果的相对误差,适当提前给料执行机构动作以进行补偿。存 在包装效率较低,需要作业人员较多,包装精度不能保证等问题,工作过程常常取决于操作 人员的经验。也有利用上一次包装结果进行迭代修正的补偿方式,此方法无法跟踪本次给 料速度的变化,因此补偿精度不高。设计开发包装设备需要充分研究物料因系统原因和空 中落料的延时情况。

发明内容

[0004] 本发明所解决的技术问题在于提供一种空中料柱质量实时预测补偿与进料延时 的高精度包装机,以解决上述背景技术中提出的问题。

[0005] 本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现:一种空中料柱质量实时预测 补偿与进料延时的高精度包装机,包括:封合机构、SMART700-IE触摸屏、成型器调节机构、 卸料斗、拉膜机构、称量机构、给料执行机构、伺服电机、变频器、PLC控制电路系统和上位机 等,所述封合机构设置于所述成型调节机构的下部,所述SMART700-IE触摸屏设置于所述成 型调节机构的旁侧,所述拉膜机构设置于所述成型调节机构的上部,所述PLC控制机箱设置 于所述封合机构的旁测,所述卸料斗、所述称重机构均位于所述PLC控制机箱的上端,所述 物料传送机构位于所述称重机构的正上方,所述PLC控制电路系统设置于所述PLC控制机箱 内,所述封合机构、SMART700-IE触摸屏、拉膜机构、称量机构、给料执行机构、伺服电机、变 频器均与所述PLC控制电路系统电连接,所述PLC控制电路系统与所述上位机相连接,所述 SMART700-IE触摸屏与所述上位机相连接。

[0006] 进一步,该包装机还设置有脚轮、地脚螺栓、支架、支柱、螺栓,所述伺服电机、变频 器安装在所述支柱上,所述拉膜机构安装在所述支架上。

[0007] 进一步,所述封合机构包括:切刀、横封器、滚轮、护罩、纵封器,所述包装袋的边缘 经过所述纵封器和滚轮,所述包装袋的最下端穿过所述横封器和切刀,所述切刀、横封器、 滚轮、纵封器均设置于护罩内。

[0008] 进一步,所述成型器调节机构包括:调节螺栓、成型器,所述调节螺栓位于所述成 型器下端。

[0009] 进一步,所述拉膜机构包括:光电开关、接近开关、拉膜电机、拉膜材料,所述拉膜 材料位于所述拉膜电机上部,所述光电开关和接近开关位于拉膜电机下部。

[0010] 进一步,所述称量机构包括:称重传感器、称重桶、落料阀、变送器、EM2 31CN模拟量 输入模块、S7-200PLC、上位机,所述称重传感器位于所述称重桶旁侧,所述落料阀位于所述 称重传感器的正下方,所述称重传感器与所述变送器相连接,所述变送器与所述EM231CN模 拟量输入模块相连接,所述EM23ICN模拟量输入模块与所述S7-200PLC相连接,所述s7-200PLC与所述上位机相连接,所述SMART700-IE触摸屏对所述称重传感器实际称重值和预 测称重值,称重所需时间进行显示。

[0011] 进一步,所述给料执行机构包括:速度传感器、落料传送带、伺服电机、变频器、变 送器、EM23ICN模拟量输入模块、S7-200PLC、上位机,所述落料传送带位于所述称重台上方, 所述速度传感器位于所述称重桶的外侧中央,所述伺服电机与所述落料传送带传动连接, 所述速度传感器与所述变送器相连接,所述变送器与所述EM23ICN模拟量输入模块相连接, 所述EM231CN模拟量输入模块与所述S7-200PLC相连接,所述S7-200PLC与所述上位机相连 接,所述伺服电机与所述变频器连接,所述SMART700-IE触摸屏对所述速度传感器测定速度 值进行显示。

[0012] 所述包装机称重预测补偿的测定方法:

[0013] 落料高度的变化量为

Figure CN105151340BD00051

[0014] 此时的落料高度 [0015] h = ho+ Δ h

Figure CN105151340BD00052

[0016]

[0017]

[0018] 落料时间

Figure CN105151340BD00053

.,由于落料初始纵向速度始终为〇,故

Figure CN105151340BD00054

[0019] 此时:

Figure CN105151340BD00055

[0020] 空中物料量,

Figure CN105151340BD00056

[0021] 包装机的系统延时包括称重延时和控制延时,称重延时是由于称重信号处理等导 致的当前质量需经过一段时间A “:才能被识别出来,控制延时是指控制信号发出后需经过 一段时间Aty2后执行机构才实际完成动作,由于系统延时的长短只受机器因素影响,故视 为恒定,因此从系统检测到某一质量并发出控制信号,到系统检测到物料完全落入袋中的 时间差即为系统延时和空中落料时间的总和。

[0022] 此时系统延时 Δ ty= Δ tyi+ Δ ty2;

[0023] 系统延时物料量/

Figure CN105151340BD00061

[0024] 故给料误差

Figure CN105151340BD00062

[0025] 由于物料起始高度相同,故其下落到称量桶中的最终速度相同,即Vm恒定,则给料 ^r-' Δ m — Ap ( △ ty+ △ ΐζ) Vmo

[0026] 与现有技术相比,本发明的有益效果是:本发明可实时预测包装质量和包装精度, 在不同时刻预算出最终落入袋中的物料量,寻找最佳的切断送料时刻,准确测定此刻物料 质量、物料下落速度、落料精度,本发明包装精度高,工作效率高,节约劳力,称量准确,实用 性强。

附图说明

[0027] 图1为本发明的结构原理图。

[0028] 图2为本发明的结构不意图。

[0029] 图3为本发明的物料下落过程后期示意图。

具体实施方式

[0030] 为了使本发明的实现技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解,下面结 合具体图示,进一步阐述本发明。

[0031] 如图1、图2所示,一种空中料柱质量实时预测补偿与进料延时的高精度包装机,包 括:封合机构、SMART700-IE触摸屏8、成型器调节机构、卸料斗19、拉膜机构、称量机构、给料 执行机构、伺服电机22、变频器25、PLC控制电路系统和上位机等,所述封合机构设置于所述 成型调节机构的下部,所述SMART700-IE触摸屏8设置于所述成型调节机构的旁侧,所述拉 膜机构设置于所述成型调节机构的上部,所述PLC控制机箱26设置于所述封合机构的旁测, 所述卸料斗19、所述称重机构均位于所述PLC控制机箱26的上端,所述物料传送机构位于所 述称重机构的正上方,所述PLC控制电路系统设置于所述PLC控制机箱26内,所述封合机构、 SMART700-IE触摸屏8、拉膜机构、称量机构、给料执行机构、伺服电机22、变频器25均与所述 PLC控制电路系统电连接,所述PLC控制电路系统与所述上位机相连接,所述SMART700-IE触 摸屏8与所述上位机相连接。

[0032] 具体的,所述包装机还设置有脚轮1、地脚螺栓2、支架10、支柱23、螺栓24,所述伺 服电机22、变频器25安装在所述支柱23上,所述拉膜机构安装在所述支架(10)上。

[0033] 具体的,所述封合机构包括:切刀3、横封器4、滚轮5、护罩6、纵封器7,所述包装袋 的边缘经过所述纵封器7和滚轮5中央,所述包装袋的最下端穿过所述横封器4和切刀3,所 述切刀3、横封器4、滚轮5、纵封器7均设置于护罩内。

[0034] 具体的,所述成型器调节机构包括:调节螺栓9、成型器11,所述调节螺栓9位于所 述成型器11下端。

[0035] 具体的,所述拉膜机构包括:光电开关12、接近开关13、拉膜电机14、拉膜材料15, 所述拉膜材料15位于所述拉膜电机14上部,所述光电开关12和接近开关13位于拉膜电机14 下部。

[0036] 具体的,所述称量机构包括:称重传感器16、称重桶17、落料阀20、变送器、EM23ICN 模拟量输入模块、S7-200PLC、上位机,所述称重传感器16位于所述称重桶17旁侧,所述落料 阀20位于所述称重传感器16的正下方,所述称重传感器16与所述变送器相连接,所述变送 器与所述EM231CN模拟量输入模块相连接,所述EM231CN模拟量输入模块与所述S7-200PLC 相连接,所述S7-200PLC与所述上位机相连接,所述SMART700-IE触摸屏8对所述称重传感器 16实际称重值、预测称重值和称重所需时间进行显示。

[0037] 具体的,所述给料执行机构包括:速度传感器18、落料传送带21、伺服电机22、变频 器25、变送器、EM231CN模拟量输入模块、S7-200PLC、上位机,所述落料传送带位于所述称重 台上方,所述速度传感器18位于所述称重桶17的外侧中央,所述伺服电机22与所述落料传 送带21传动连接,所述速度传感器18与所述变送器相连接,所述变送器与所述EM231CN模拟 量输入模块相连接,所述EM231CN模拟量输入模块与所述S7-200PLC相连接,所述S7-200PLC 与所述上位机相连接,所述伺服电机22与所述变频器25连接,所述SMART700-工E触摸屏8对 所述速度传感器18测定速度值进行显示。

[0038] 图3为物料下落过程后期示意图,因为料柱需要预测补偿的时刻通常发生在落料 后期,所以此发明这要研究落料后期物料的预测补偿。

[0039] 落料速度Vm,料柱直径Cl1,称重桶直径D,堆积密度恒P,任意时刻t桶中物料质量m, 料柱截面积A,称重桶高H是可测得参数;当to时,桶中物料质量为mo,落料高度为ho;当经过 A t时间之后,桶中物料质量增加Am,此时桶中物料质量为m,则落料高度的变化量:

[0040]

Figure CN105151340BD00071

[0041] 此时的落料高度为: [0042] h = ho+ Δ h

Figure CN105151340BD00072

[0043]

[0044]

[0045] 落料时间:

Figure CN105151340BD00073

Figure CN105151340BD00074

[0046] 由于落料初始纵向速度始终为〇,故 9 »

[0047] 此时.

Figure CN105151340BD00081

[0048] 空中物料量

Figure CN105151340BD00082

[0049] 包装机的系统延时包括称重延时和控制延时,称重延时是由于称重信号处理等导 致的当前质量需经过一段时间A “:才能被识别出来,控制延时是指控制信号发出后需经过 一段时间Aty2后执行机构才实际完成动作,由于系统延时的长短只受机器因素影响,故视 为恒定,因此从系统检测到某一质量并发出控制信号,到系统检测到物料完全落入袋中的 时间差即为系统延时和空中落料时间的总和。

[0050] 此时系统延时 Δ ty= Δ tyl+ Δ ty2 ;

[0051] 系统延时物料量-

Figure CN105151340BD00083

[0052] 故给料误差

Figure CN105151340BD00084

[0053] 由于物料起始高度相同,故其下落到称量桶中的最终速度相同,即Vm恒定,则给料 ^r-' Δ m — Ap ( △ ty+ △ ΐζ) Vmo

[0054] 通过此算法实时计算预测由于空中料柱和系统延时导致的包装误差Am,将Am与 当前称得的物料质量相加与设定的物料质量比较,符合误差范围即可停止落料,否则继续 下料。

[0055] 落料最终速度、物料质量、落料精度的测定方法:落料最终速度由速度传感器获 得;物料质量由称重传感器获得;落料精度由落料最终完成后称得的实际物料质量与设定 质量相比较,计算相对误差获得。

[0056] 本发明的工作原理为:

[0057] 伺服电机22和变频器25安装在支柱上,伺服电机22接通电源转动,由变频器25调 节伺服电机22的转速;伺服电机22通过传动机构,驱动落料传送带21运动,使平铺在传送带 上的物料掉落到称重桶17中,称重时,速度传感器18的敏感元件将测试点的速度信号转换 为相应的电信号,通过变送器处理后,进入EM231CN模拟量输入模块,然后送入S7-200PLC处 理,SMART700-IE触摸屏8显示和检测速度数据,同时称重传感器16的敏感元件将测试点的 速度信号转换为相应的电信号,通过变送器处理后,进入EM231CN模拟量输入模块,然后送 入S7-200PLC处理;SMART700-IE触摸屏8显示、监控和设定称重数据。当通过S7-200PLC数据 计算的修正质量值即实际当前称得质量与补偿质量之和达到误差标准,则停止伺服电机22 运转,延时片刻,称得称量桶17中最终实际质量,将此质量与设定值比较,计算相对误差,若 相对误差在设定范围内,则启动落料阀20,使物料落入纵封器7下方的包装袋内,接着纵封 器7和横封器4分别将包装袋纵封和横封,用切刀3切断,整袋物件掉落到特定储存箱中,完 成一次包装。其中包装机上方的拉膜材料15由拉膜电机14牵引,由光电开关12和接近开关 13控制其位置实现包装材料沿指定轨迹按需求多少牵引。整个包装进程的操控,试验测试 结果的显示如物料下落速度、落料时间、空中物料量、落料质量、落料精度、包装袋数、包装 长度等通过SMART700-IE触摸屏实现。

[0058] 本发明实施例提供的用于空中料柱质量实时预测补偿与进料延时的高精度包装 机,封合机构封合未成形包装材料、SMART700IE触摸屏显示并控制当前落料速度和称重计 数包装情况、成型器调节机构调节包装袋纵封宽度和横封长度、拉膜机构精确牵引包装材 料下拉、称量机构精确控制物料所需质量、物料传送机构输送物料到达指定称重位置、变频 器调节伺服电机转速、PLC控制电路系统和上位机接收处理并发出信号,该包装机可实时预 测包装质量和包装精度,准确测定物料下落速度、落料时间、空中物料量、落料质量、落料精 度等参数,利用算法实现空中料柱质量实时预测补偿与进料延时,寻找最佳的切断给料时 亥IJ,本发明包装精度高,工作效率高,节约劳力,称量准确,实用性强。

[0059] 以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术 人员应该了解,本发明不受上述实施例的限制,上述实施例和说明书中描述的只是说明本 发明的原理,在不脱离本发明精神和范围的前提下,本发明还会有各种变化和改进,这些变 化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明的要求保护范围由所附的权利要求书及 其等效物界定。

Claims (7)

1. 一种空中料柱质量实时预测补偿与进料延时的高精度包装机,其特征在于:包括:封 合机构、SMART700-IE触摸屏、成型调节机构、卸料斗、拉膜机构、称量机构、给料执行机构、 伺服电机、变频器、PLC控制电路系统和上位机,所述封合机构设置于所述成型调节机构的 下部,所述SMART700-IE触摸屏设置于所述成型调节机构的旁侧,所述拉膜机构设置于所述 成型调节机构的上部,所述PLC控制机箱设置于所述封合机构的旁测,所述卸料斗、所述称 量机构均位于所述PLC控制机箱的上端,所述给料执行机构位于所述称量机构的正上方,所 述PLC控制电路系统设置于PLC控制机箱内,所述封合机构、SMART700-IE触摸屏、拉膜机构、 称量机构、给料执行机构、伺服电机、变频器均与所述PLC控制电路系统电连接,所述PLC控 制电路系统与所述上位机相连接,所述SMART700-IE触摸屏与所述上位机相连接;所述称量 机构包括:称重传感器、称重桶、落料阀、变送器、EM231CN模拟量输入模块、S7-200PLC、上位 机,所述称重传感器位于所述称重桶旁侧,所述落料阀位于所述称重传感器的正下方,所述 称重传感器与所述变送器相连接,所述变送器与所述EM231CN模拟量输入模块相连接,所述 EM231CN模拟量输入模块与所述S7-200PLC相连接,所述S7-200PLC与所述上位机相连接,所 述SMART700-IE触摸屏对所述称重传感器实际称重值和预测称重值,称重所需时间进行显 不。
2. 根据权利要求1所述的一种空中料柱质量实时预测补偿与进料延时的高精度包装 机,其特征在于:所述包装机还设置有脚轮、地脚螺栓、支架、支柱、螺栓,所述伺服电机、变 频器安装在所述支柱上,所述拉膜机构安装在所述支架上。
3. 根据权利要求1所述的一种空中料柱质量实时预测补偿与进料延时的高精度包装 机,其特征在于:所述封合机构包括:切刀、横封器、滚轮、护罩、纵封器,包装袋的边缘经过 所述纵封器和滚轮,包装袋的最下端穿过所述横封器和切刀,所述切刀、横封器、滚轮、纵封 器均设置于护罩内。
4. 根据权利要求1所述的一种空中料柱质量实时预测补偿与进料延时的高精度包装 机,其特征在于:所述成型调节机构包括:调节螺栓、成型器,所述调节螺栓位于所述成型器 下端。
5. 根据权利要求1所述的一种空中料柱质量实时预测补偿与进料延时的高精度包装 机,其特征在于:所述拉膜机构包括:光电开关、接近开关、拉膜电机、拉膜材料,所述拉膜材 料位于所述拉膜电机上部,所述光电开关和接近开关位于拉膜电机下部。
6. 根据权利要求1所述的一种空中料柱质量实时预测补偿与进料延时的高精度包装 机,其特征在于:所述给料执行机构包括:速度传感器、落料传送带、伺服电机、变频器、变送 器、EM23ICN模拟量输入模块、S7-200PLC、上位机,所述落料传送带位于所述称重桶上方,所 述速度传感器位于所述称重桶的外侧中央,所述伺服电机与所述落料传送带传动连接,所 述速度传感器与所述变送器相连接,所述变送器与所述EM231CN模拟量输入模块相连接,所 述EM231CN模拟量输入模块与所述S7-200PLC相连接,所述S7-200PLC与所述上位机相连接, 所述伺服电机与所述变频器连接,所述SMART700-IE触摸屏对所述速度传感器测定速度值 进行显示。
7. 根据权利要求1所述的一种空中料柱质量实时预测补偿与进料延时的高精度包装 机,其特征在于:所述包装机称重预测补偿的测定方法: 落料高度的变化量为
Figure CN105151340BC00031
此时的落料高度 h = ho+ Δ h
Figure CN105151340BC00032
落料时间z
Figure CN105151340BC00033
,由于落料初始纵向速度始终为〇,故·
Figure CN105151340BC00034
此时J
Figure CN105151340BC00035
空中物料量
Figure CN105151340BC00036
包装机的系统延时包括称重延时和控制延时,称重延时是由于称重信号处理导致的当 前质量需经过一段时间A “:才能被识别出来,控制延时是指控制信号发出后需经过一段时 间A ty2后执行机构才实际完成动作,由于系统延时的长短只受机器因素影响,故视为恒定, 因此从系统检测到某一质量并发出控制信号,到系统检测到物料完全落入袋中的时间差即 为系统延时和空中落料时间的总和; 此时系统延时A ty = Δ tyl+ Δ ty2 ; 系统延时物料量2
Figure CN105151340BC00037
故给料误差I
Figure CN105151340BC00038
由于物料起始高度相同,故其下落到称量桶中的最终速度相同,即Vm恒定,则给料误差 Δ m=Ap (Δ ty+ Δ tz) Vm0
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