[0061] 以下结合附图对本发明的优选实施例进行详细描述，但本发明并不仅仅限于这些实施例。本发明涵盖任何在本发明的精神和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。
[0062] 为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。
[0063] 在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。需说明的是，附图均采用较为简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
[0064] 如图1和图2所示，本发明螺杆式多组份物料配料装置，其包括下料仓1、螺旋输送器2、计量斗3、称重模块4、落料阀5、混料斗6和控制器9，其中每种组份的物料都有一组下料仓1和螺旋输送器2对应，常用的组份类别为2～6种，还可以根据需要增加组份类别。作为优选，下料仓1选用直角梯形和矩形组成的料仓形结构，所述下料仓和螺旋输送器为2～6组。
[0065] 下料仓1底部有一个抽板101，下料时抽板打开，物料从下料仓底部开口处流出。
[0066] 螺旋输送器2包括螺杆箱201、输送螺杆202、连接器203和电机204，电机204的外壳通过连接器203与螺杆箱201相连，位于螺杆箱201内的输送螺杆202通过轴套与电机204的轴相连；螺杆箱201上表面相对下料仓1底部开口处有一进料口，其与电机相对的另一端部连接到下料管26，下料管26固定在机架30上。
[0067] 作为优选，下料管26内壁可设螺旋槽，且所述螺旋槽的槽壁在靠近下料管底部的尾段为断续分布。
[0068] 作为优选，下料管26内可设置一个由两圆锥台组成、其锥顶相对且下锥台底有莲蓬头喷头的部件，使物料均匀下落。
[0069] 结合图1和图2所示，下料时，控制器9将抽板101打开，物料从下料仓1落入螺旋输送器2的螺杆箱201中，控制器9又命令电机204起动，输送螺杆202随电机一起旋转，将物料输送到端部的下料管26，并从下料管26落入下方的计量斗3中。
[0070] 机架30作为设备的框架，用来固定和支撑其他各个部件。称重模块4固定在机架30上，计量斗3则活动式扣压在称重模块4上，计量斗3的底部有开口，所述开口的打开与关闭受落料阀5的控制。计量斗4位于下料管26的下部，多个螺旋输送器2相对下料管26及计量斗4的中心呈径向分布。
[0071] 结合图1和图13所示，控制器9，包括输入模块91、存储模块93、输出模块94和处理模块92，所述处理模块92又包括预测模块97、重量监测模块95、误差计算模块98及逻辑控制模块96。
[0072] 输入模块91通过触摸屏接收操作指令和读取称重模块及距离传感器等的传感数据，存储模块93用于存储配置数据和处理过程数据，重量监测模块95根据输入模块91获取的实时重量值与经空中量预测值补偿后的目标重量值进行比较并在此两个重量值相等时通过输出模块94关闭下料仓1下方的螺旋输送器2，误差计算模块98对本次下料误差及累积下料误差进行计算更新，预测模块97根据上一次空中量预测值、本次下料误差及累积下料误差对空中量预测值进行迭代更新，逻辑控制模块98轮流控制各螺旋输送器2、计量斗底部的落料阀及其他动作部件包括下料仓中振动杆、混料斗中推板及进料泵等的动作运转，按配方进行配料。
[0073] 控制器9采用触摸式操作方式，其触摸屏上有人机界面供进行多组份物料的配方及其他参数的设置，配方包括一次下料的总重量和每个组份占该重量的百分比。控制器9动态读取称重模块4的当前读数，通过控制各动作部件来实现按配方的下料配料。
[0074] 混料斗6位于落料阀5下方，且其底部有一个推板7，推板下方连接有一个输料管8，后者将多组份的混合物料输送到包装袋或者生产设备。
[0075] 作为优选，在混料斗6的侧壁上安装有一个料位传感器14，其内部还有一个混料器13，所述混料器13采用螺旋形桨叶搅拌器。混料斗6的容量是计量斗3的若干如15倍，在完成多个一次量下料后，控制器9读取料位传感器14的状态，若检测到料位超过设定阈值，则控制混料器旋转搅拌，将多种物料混合均匀后，在控制器9的控制下，推板7打开，混合物料从输料管8输出。
[0076] 图3示意了物料下落过程中料位落差与落料速度对计量斗冲击的变化，物料以初速度v0从螺旋输送器2中落下，螺旋输送器2出口与计量斗3底部的距离为H，随着计量斗中料位h2的增加，空中落差h1将变小。
[0077] 称重模块检测到的物料质量当量变化可用下式表示：
[0078]
[0079] 其中，在t时刻，dm为螺旋输送器2出口的单位时间落料质量(g/s)，v0为物料下落时的初始速度，Δm的物料在落到计量斗时的速度在Δt时间内从速度v1变为0。
[0080] 从式(1)可以看出，随着空中落差h1的变化，物料对计量斗的冲击也随着改变，因此，计量斗的重量变化是随时间改变的。
[0081] 另一方面，式(1)中单位时间落料质量当量还受到下料仓1中物料形态分布的影响。
[0082] 单纯的螺杆式送料器属于容积式定量范畴，本发明采用动态称重对物料下落量进行检测，并通过迭代学习进行物料空中量的预测。为了减小螺杆输送时物料下落速率的变化，加快学习收敛速度并抑制控制量的波动范围，结合4、5、6和7所示，本发明采用距离传感器和可旋转振动杆对下料仓内的物料堆积形态进行检测和调节，使得其下料口上方交替出现动态料拱的形成与坍塌，保证物料密实度和落料形态的稳定。
[0083] 如图4所示，下料仓1不断出料，当仓内料位降低到一定值时，需要对其进行补料。为此，在下料仓1上方设置一个储料仓10，储料仓10中的物料通过进料泵11和进料管15进入下料仓1。为使得物料颗粒均匀下落，在进料管15的末端出口处设有一个物料喷头16，物料喷头16表面为球冠形，其表面分布有圆形小孔17，小孔孔径根据物料的粒度进行优选。进料泵11采用螺杆式进料泵，其动作由控制器进行控制。
[0084] 如图5所示，进料泵11在控制器的控制下，使得下料仓内物料顶面的料位保持在预设值LT附近，其转速按下式进行控制：
[0085]
[0086] 其中，V进0为一设定最大进料速度，l为下料仓当前料位，LM和Lm分别为所预设的在LT附近的最高、最低料位。
[0087] 结合图6、7所示，本发明通过距离传感器和振动杆的检测与动作配合，大幅度地减弱了装料冲击所产生的压实力作用，有效地防止了仓内物料的粒度离析，使下部仓斗内的物料活化，保证了物料的均匀分布。
[0088] 图6中左右两图分别从下料仓1的侧视和俯视方向观察，如图6所示，在下料仓1近机架中心的一个顶角上安装有距离传感器19，所述距离传感器19有一个距离传感器底座18，此底座能进行俯仰和旋转，使得距离传感器能在不同停靠指向点21的方向上进行物料检测，各停靠指向点21组成接近同心圆的扫描线22，从而判断出料位面20的分布。
[0089] 如图7所示，本发明通过振动杆12在下料仓1内动作来改善物料的分布。振动杆12固定在机架30上，其包括依次相连的支柱121、云台122、振动器123、振杆124，在振动器123底部有弹簧缓冲器，振杆124表面分布有颗粒凸起125，云台122能进行俯仰和旋转，使得振杆124在下料仓1内做曲线运动。
[0090] 下料过程中，本发明分别通过距离传感器的检测和对单位时间下料率的跟踪来判断下料仓内物料的分布，使得下料仓内的料位面保持近似抛物线面形。结合图6和图7所示，当物料均匀分布时，距离传感器在不同方位检测到的物料距离值经射线与竖直方向夹角的几何变换后近似集中在一个较小的范围内。当物料局部发生板结或稳定的料拱时，检测到的距离值超出此范围。同时，通过称重模块对各下料仓的下料速率进行实时跟踪。当距离传感器检测到上述异常状态或者发现单位时间下料量波动超过设定阈值如5％后，控制器命令振动杆动作，通过云台的运转，其振杆从起点开始经料位高点区域到料位低点区域，做蛇形搅动，振杆124尾端在下料仓1内的振杆轨迹126如图7所示；同时，振动器起振，振杆上的颗粒凸起带动周边的颗粒，从而破除偶尔形成的板结或料拱，使物料分布恢复均匀。通过对物料分布的动态检测和控制，减小物料密实度的波动，从而保证单位时间充填量的稳定。在振动杆动作的同时，暂停下料，且将抽板关上。
[0091] 结合图3和图8所示，从式(1)可以看出，由于物料空中落差h1的变化，物料对计量斗的冲击也随着改变，造成称重模块单位时间内的重量增加值是变化的。如图8所示，为减小空中落差变化的影响，本发明在计量斗3上部设置一个分料器23，分料器23呈上部为圆锥体下部为压扁的锥体结构的沙漏形分料器；其中上部为开口形，接纳下料仓中的物料；下部则仅在长度方向的两端对称地分布有斜坡形喷嘴24。计量斗3面向喷嘴24的方向上分布有错落的球冠状分料凸起25，作为优选，分料凸起直径为0.2～0.6毫米或为所落物料直径的2～3倍。
[0092] 通过分料器的作用，物料下落分为三阶段，第一阶段从下料仓底部的开口经螺旋输送器到下料管，第二阶段从下料管下落到分料器，第三阶段从分料器喷嘴到计量斗中的料堆。其中，前两个阶段的物料冲击是近似不变的，第三阶段，由于分料器和计量斗壁上错落分布分料凸起的作用，物料颗粒冲击计量斗中物料面的速度已经大大降低，从分料器喷嘴到达计量斗中不同高度料堆面的冲击力区别非常小，从而为控制器的迭代预测提供了条件。
[0093] 基于迭代学习，控制器动态预测物料下落的空中量，结合图9所示，下料控制的步骤如下：
[0094] (1)根据一次量和各配方比例，确定各组份的一次下料量Ws，给各组份的累积下料误差E赋初始值0；将当前组份设定为第一种组份；
[0095] (2)对当前组份下料，控制器读取称重模块的传感值，记录计量斗的初始重量G0，起动螺旋输送器并以μ·amax加速度加速，当速度达到vH＝λ·vR时保持速度不变；
[0096] 其中，amax为螺旋输送器的螺杆额定最大加速度，vR为最大速度，μ为(0.5～0.9)之间的加速度系数，λ为(0.85～1.0)之间的速度系数；
[0097] (3)当检测到计量斗重量达到(G0+Ws‑Wa‑0.5·λ·d·ts)时，开始关闭螺旋输送器并以μ·amax加速度开始减速，直至停止；
[0098] 其中，d为螺杆以最大速度运转时螺旋输送器的下料速率，ts为从开始减速时刻t2开始至停止时刻t3之间的时间长度：ts＝λ·vR/μ·amax；
[0099] (4)等待物料完全下落至计量斗，读取称重模块的传感值，获得当前实际下料量Wr，计算本次下料误差e＝Wr‑Ws；
[0100] (5)更新累积下料误差E′＝E+e，计算空中量预测值Wa′＝Wa+(αe+βE′)，其中，α和β分别为区间(0，1)的迭代系数且有α+β＝1；
[0101] (6)迭代，令E＝E′，Wa＝Wa′，为下一次下料准备；
[0102] (7)更换下料组份，如果全部组份下料完毕，则转下一步，否则，转至步骤2；
[0103] (8)打开落料阀，使得多组份物料组成的一次配方量物料落入混料斗，读取料位传感器的状态，若检测到料位超过设定阈值，则控制混料器旋转搅拌，将多组份物料混合均匀后，打开推板，将混合物料从输料管输出；
[0104] (9)如果预设下料批次已经完成，则结束下料；否则，将组份设定为第一种组份，转步骤2。
[0105] 下料期间，控制器还通过对距离传感器和称重模块信号的计算分析，对下料仓内的料堆形态进行实时检测，若发现非正常下料，则及时命令可旋转振动杆动作，保障下料时的整体均匀分布。
[0106] 在连续下料之前，还要进行以下操作：
[0107] (i)通过离线实验，对称重模块和距离传感器进行标定；
[0108] (ii)通过控制器的触摸屏进行参数设置，包括一次量、配方表、批量值、下料速率标定的时长Tb与重复次数、稳定称重延时Td；
[0109] (iii)对各组份进行下料标定：从0时刻开始按或参考图9所示的调速曲线运转螺旋输送器一定时长Tb，在关闭螺旋输送器Tb时刻及称重稳定后的Tb+Td时刻，分别读取并记录称重模块的重量值Wcb和Wdb；重复多次后，计算本组份的下料速率d＝AVG[Wdb/(Tb‑ts)]/λ，空中量初始值Wa＝AVG(Wdb‑Wcb)。
[0110] 应用本发明装置进行下料，图10‑12给出了下料的结果。其中，图10所示为4种组份下料时计量斗内的物料分布示意图。图11为一次900ms时长物料下落过程中称重模块读数的变化曲线，其中，横坐标为关闭螺旋输送器后的延时时间。从中可见，由于冲击力的作用，称重读数将出现过冲，然后才回复到实际重量；并且，在螺旋输送器关闭约700ms后空中物料才完全落入计量斗，称重模块读数趋于稳定。
[0111] 图12为本发明装置下料过程中单组份物料下料误差的统计，从图中可以看出，由于迭代预测中考虑了累积误差的因素，因此，不但下料误差能趋近于0，经过几次迭代，累积误差也逐渐收敛。因此，相比于其他迭代学习，本装置不需要将迭代学习过程中的物料废弃，而是可以直接应用于后续生产，所以适用于小批量的快速配料下料。
[0112] 以上所述的实施方式，并不构成对该技术方案保护范围的限定。任何在上述实施方式的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在该技术方案的保护范围之内。
