组合秤控制系统的研究与设计

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组合秤控制系统的研究与设计

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随着生产自动化节奏的加快，传统单体包装秤在对形状不规则、质量不均匀的物品
进行称量时耗时耗力，生产成本较高，越来越达不到生产商的要求，组合秤的提出很好
的解决了这一难题。组合秤采取组合称重原理，速度快、精度高且为全自动称重，减轻
了人工劳动，有效地降低了生产成本、提高了生产速度，增强了企业的竞争力。组合秤
在自动化生产中承担着越来越重要的地位。又因为组合秤控制系统性能的好坏直接决定
了一台组合秤性能的好坏，所以对其控制系统的研究显得至关重要。
本课题的最终目的是设计一套组合秤的自动化控制系统，实现全自动组合称重。课
题从理论分析着手，分析了组合秤的工作原理，运用数理统计的知识构建出称重数学模
型进行理论分析，理论分析表明组合秤的关键技术在于称重精度的保证和称重速度的提
高。为了提高精度和速度，本文选用了24位公△模拟数字转换器ADS 1258芯片，芯片
24位的转换精度大大提高了称重数据的精确度;且芯片在自动通道扫描模式下信号采
集速度高达23.7kSPS.芯片还兼容SPI串行接口，使用SPI总线协议可以将数据快速传
输到STM32控制板中，从而提高称重速度。此外还对组合算法进行了分析研究，使用
Unity3D软件进行组合算法的仿真，根据不同条件产生的不同结果进行分析，从而进行
算法的选择。
硬件控制系统主要包括称重传感器与变送器、ADS 1258模拟数字转换器、以
STM32F 1032ET5芯片为核心的主控板模块以及上位机MCGS触控屏、步进电机与驱动
器等模块。这些模块构成了控制系统的硬件支撑，在这些硬件的基础上编写下位机控制
软件以及上位机触控屏的程序。控制系统最终成功实现组合秤的自动化控制。

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在组合秤出现之前，产品的定量包装主要依靠单体秤称量完成。然而对于质量分布
不均匀、形状不规则的被称物品，采用单体秤己很难达到产品称重精度和称重速度上的
要求。
组合秤的概念产生于上世纪70年代的日本[fi il。在那里，青椒一般以定量包装的方
式在商场里面进行出售，然而在对青椒进行定量称重的过程中，企业发现，因为单个青
椒的重量比较大，且个体之间差别明显，在实际的称量过程中想要达到定量的要求比较
困难。在略低于目标值的情况下，若再添加一个则超过了目标值，此时只能拿下一个较
小的青椒，再往里面加入一个稍大的青椒以期达到要求。在称量的过程中很容易出现略
大或略低于目标重量的情况，这时候就需要工人进行反复的比对和挑选，导致工人的工
作效率变得很低。日本的技术人员对这方面的问题进行了大量的调查与研究后，利用组
合称量的原理成功解决了上述青椒称量的问题，发明了组合秤[izl。组合秤的发明提出，
成功解决了单体重量不均匀以及单体形状不规则的物料的称量包装。

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广东工业大学的唐志祥在1994年对组合秤的工作原理进行了初步的研究[[13]。他提
出的组合算法每次选取固定的称重斗数进行组合，减小了算法的计算量，所以在一定程
度上提高了组合秤的组合速度。但是他的这种方法没有将组合秤自动加料时各个称重斗
单元里面物料的重量分布情况考虑进去，所以也造成了组合的成功率偏低。随后陈羽锋、
吕浩杰等人在唐志祥提出的工作原理基础上，针对总的称重斗数目不同，提出了组合秤
的两种工作原理[14]，进一步提高了其速度和组合成功率。
国内目前已经泛起很多生产组合秤的公司。如中山市的精威包装机械和佛山市的海
川智能机器等公司，海川智能公司可生产10 }-24头标准组合秤和J层**斗组合秤，
最高称量速度可达200次/分。其中AC-6B 14-2B-12X精细微型组合秤机身小巧，能满足
10克以下的小重量秤重，且称重精度可达10.3g，最大速度可达120次/分。上海大和衡
器出产的ADW系列智能电脑组合秤如图1-1所示，最高称量速率达到240次/分，包装
精度达到士0.2g。但这是一家中外合资的公司，运用的主要技术来自于国外。

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当组合秤开启后，首先由输送机进行送料，将物料输送到上料盘中，然后由主振机
控制主振盘开始振动分料，将物料从上料盘平均分配到各个线振盘里面，通过线振盘振
机的振动，将物料平缓的送入到对应的缓冲斗中。在缓冲斗对应的称重斗为空时，单片
机通过控制步进电机打开缓冲斗的料门，将物料送入到称重斗中进行称重。在传感器测
得斗内物料的重量后，将其发送到单片机主控板中，由单片机对众多的重量进行组合运
算。而后系统从众多的组合里面选择出最接近目标重量的那一组作为最佳组合结果，随
后单片机发出控制指令控制电机开启被选中的称重斗的料门，将物料送出。排出的物料
落入到下方的集料斗中，在集料斗下方进行二次称重，若满足要求则将组合输送给包装
机进行包装。称重斗中的物料被排出后，与之对应的缓冲斗打开料门给卸空的称重斗进
行加料，加入的物料称重后继续参与组合。如此进行循环组合，直至达到一开始预设的
输出包装次数或手动停止组合。

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在整个组合流程中，单片机主控板是核心控制元件，它负责将称重传感器采集到的
重量模拟电信号转换成数字信号，通过组合算法对采集到的重量进行组合，组合成功后
单片机发出控制指令，控制步进电机开启被选中的称重斗的料门。在这里，传感器为单
片机的输入信号元器件，而步进电机则为输出执行元件。为了实时掌握控制系统的运行
状态，系统还加入了MCGS上位机触控屏，用来展示称重过程，并对系统做出一定的实
时控制。

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下面以单个称重单元为例介绍其具体机械结构。
如图2-2所示为单个称重单元，由缓冲斗、步进电机、称重斗、称重传感器等部分
组成。
1)缓冲斗。缓冲斗用来临时存储物料，在缓冲斗对应的称重斗为空时，由单片机控
制步进电机进行动作打开缓冲斗料门，将缓冲斗中的物料加入到称重斗中。为了便于料
门的开启，采用倒立的斜三角结构形式，料门的开启主要依靠活动杆和曲柄连杆机构，
活动杆搭接在电机曲拐轴上，电机旋转提升活动杆，活动杆拉动连杆机构从而打开料门，
料门的闭合依靠装在缓冲斗侧面的弹簧进行收缩来完成。
2)称重斗。称重斗主要用来存储物料和进行称重，其自身的容积和料门的开启速度
决定了组合秤的包装容积和包装速度。在料斗开合的动作原理和功能上，其与缓存斗基
本一样，不同的地方在于称重斗两侧均有料门，两侧料门同时向外开启即为打开，此时
卸下物料。
3)步进电机。步进电机主要用来控制料斗料门的开合。
4)称重传感器。称重传感器位于称重斗下方，对称重斗中的物料进行称重。

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由此可知这样的称重方式精确度比较低。又由于包装时的误差需要控制在士0.2%的目标
重量以内，因此组合的成功率非常低;部分公司不允许出现包装重量不足的情况，于是
对低于包装误差范围的称量结果采取额外增加一块物料的方法，这样一来称量结果的最
大超重约为8g，这就造成了生产物料的严重损失。
经过上述举例分析可知，使用单杆秤进行定量包装称量时，大部分情况下会出现重
量不足或超出的现象，这样的情况无论是对于消费者还是生产商来说均是不能够接受的。

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