一种计算机控制泥样制作精确配料装置和控制方法
【专利摘要】本发明涉及一种计算机控制泥样制作精确配料装置，装置包括上位机、控制单元和执行机构，所述执行机构由至少1组执行单元组成；上位机通过串行通信接口与控制单元连接，步进电机通过步进电机控制驱动电路同控制单元连接，称重传感器通过称重反馈电路同控制单元连接。本发明还涉及一种用于该装置的控制方法，通过上位机发送指令，使控制单元控制执行机构中的执行单元相互独立地进行投料工作。本发明用计算机控制泥样制作中所需的配比，自动化投料到搅拌机的搅拌池，能试验人员的劳动强度和试验准备时间，保证投料配比的精度，对岩土工程中泥样制作相关的试验都有很好的应用前景。
【专利说明】一种计算机控制泥样制作精确配料装置和控制方法
【技术领域】
[0001]本发明属于地质灾害模型试验领域，涉及一种与滑坡物理模型试验中泥样制作精确配料装置和控制方法。
【背景技术】
[0002]滑坡在全球范围内都是一个主要的地质灾害之一，随着人类工程活动的不断加剧，滑坡地质灾害变得越来越频繁。为了有效防治滑坡，国内外学者对滑坡进行了大量的试验研究，其中滑坡物理模型试验就是一种有效的研究手段。针对滑坡物理模型试验，物理模型的制作是一个关键环节，需要按材料的相似比配置泥样，泥样配比的精确度直接影响着整个物理模型试验的质量甚至成败。
[0003]关于配料投料的方法和装置，不同领域的研究者们已经取得了一批研究成果，如:2013年，化工领域，浙江康牧药业有限公司研制了一种带自动投料的反应釜，该装置主要用于液体药品的投料和反应；2013年，矿产领域，河北煤炭科学研究院研制了一种煤矿固体填充材料投料系统，主要实现固体煤矿物的搬运和投放；2011年，工业领域，钱雷发明了一种自动投料系统，实现了一种机械手抓取投放物料的方法。
[0004]现有技术中的自动投料装置，通常包括计算机和机械机构，通过计算机控制机械机构进行投料工作。但是尚未有适合于自动化泥样制作配料的装置或方法，盛料装置不适用于装载泥样制作的物料，无法独立控制投放多种物料，无法在投料中途提示料不足信息，容错性较差，精度有限。目前泥样制作的配料仍然依靠人工称量后投放到搅拌池，其主要缺陷是配料过程劳动强度大，且人工称量误差较大。
【发明内容】
[0005]为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种在滑坡物理模型试验中泥样制作相关的计算机控制泥样制作精确配料方法和装置，专门为泥样制作而设计，采用多个执行机构以实现多种物料的独立投放，通过上位机发送指令给控制电路，以控制执行机构完成送料工作，从而实现滑坡物理模型试验所需泥样配料的自动化。
[0006]本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是:
[0007]本发明提供了一种计算机控制泥样制作精确配料的装置，至少包括控制单元和执行机构，其特征在于:控制单元通过串行通信接口与上位机连接；所述执行机构由至少I组执行单元组成，每组执行单元至少包括步进电机、送料蜗杆、盛料漏斗、称重台、称重传感器和支架；每组执行单元中，步进电机分别通过步进电机控制驱动电路同控制单元连接，称重传感器通过称重反馈电路同控制单元连接。
[0008]所述执行单元的盛料漏斗包括盛料腔体和位于盛料腔体底部侧面且开口向下的出料口，送料蜗杆位于盛料腔体底部，送料蜗杆的一端与步进电机连接，另一端位于盛料漏斗的出料口 ；送料蜗杆由步进电机带动，用于将盛料漏斗中的物料从出料口推出；称重传感器安装于盛料漏斗外部底端，盛料漏斗和称重传感器固定在称重台上；支架由支杆和托盘组成，托盘与称重台相连。
[0009]所述控制单元采用单片机，单片机用于接收上位机发送的指令，并通过步进电机控制驱动电路向每组执行单元的步进电机发送控制信号，通过称重反馈电路采集称重传感器感应的重量信号，以及向上位机反馈重量信号。
[0010]所述的单片机采用MCU控制器。
[0011]本发明提供的控制方法具体包括以下步骤:
[0012](I)上位机发送连接指令，使上位机和控制单元通信；
[0013](2)上位机发送装置去皮指令，去皮指令通过串行通信接口传送至控制单元，控制单元收到上位机指令后通过步进电机控制驱动电路向各执行机构发送控制信号控制执行机构清空每组执行单元的盛料漏斗中的物料，同时称重传感器通过称重反馈电路将当前盛料漏斗的重量反馈给控制单元，控制单元再通过串行通信接口将该重量反馈给上位机，上位机将该重量作为每次判断物料剩余量的零点；
[0014](3)向至少I组执行单元的盛料漏斗添加物料，添加了物料的执行单元作为待投料的执行单元，同时称重传感器通过称重反馈电路将当前盛料漏斗的重量反馈给控制单元，控制单元再通过串行通信接口将该重量反馈给上位机，上位机将该重量作为投放初始量;
[0015](4)对于待投料的执行单元，在上位机输入相应物料名称并分别设置投料量；对于未添加物料的执行单元，在上位机设置为非投料执行单元；上位机发送开始投料指令；
[0016](5)投料指令通过串行通信接口传送至控制单元，控制单元识别出执行机构中待投料的执行单元，通过步进电机控制驱动电路发送控制信号给各执行单元，使待投料的执行单元中的步进电机启动；
[0017](6)待投料的执行单元中的步进电机带动送料蜗杆进行投料；同时称重传感器通过称重反馈电路将重量信息反馈给控制单元，控制单元再通过串行通信接口将重量反馈给上位机，上位机显示每个盛料漏斗中物料剩余量；当物料剩余量小于设置投料量，则上位机提示料不足信息，进入步骤(7);步骤(3)中的投放初始量减去物料剩余量即当前的已投放量；当已投放量和设置投放量相等时上位机发出指令控制执行机构停止投放，进入步骤
(8)；
[0018](7)通过上位机发送暂停投放指令控制执行机构暂停投料，向盛料漏斗中补充物料，发送开始投料指令，进入步骤(5)；
[0019](8)通过上位机发送断开连接，结束上位机和控制单元之间的通信。
[0020]本发明基于其技术方案产生的有益效果是:
[0021](I)本发明的称重传感器实时反馈剩余物料重量，并显示在上位机，提示加料，使得物料投放精确可控，实现了泥样制作配料的自动化；
[0022](2)本发明的机械机构针对泥样制作配料而设计，盛料装备可以直接挂靠在待投料的搅拌池侧壁，配料直接投放到搅拌池，省除了配料二次搬运工作；
[0023](3)本发明简化了物料从称重到投放的过程，使机械结构简洁可靠；
[0024](4)本发明的上位机可以同时独立控制至少I组执行单元进行投料，每组执行单元专料专用，可有效避免设备复用弓I起的物料污染以及误差。【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1是整体结构框图；
[0026]图2是整体原理框图；
[0027]图3是执行单元侧视图；
[0028]图4是执行单元轴侧视图；
[0029]图5是在上位机安装的软件界面；
[0030]图中:1 一步进电机，2—步进电机固定螺钉，3—联轴器，4一送料蜗杆，6—揽祥池，
7—称重传感器甲，8—支架，9 一称重台，10 一称重传感器乙，12 一盛料漏斗，13 一漏斗支架。
【具体实施方式】
[0031]下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0032]参照如图1所示，本发明提供的一种计算机控制泥样制作精确配料装置至少包括控制单元和执行机构，控制单元通过串行通信接口与上位机连接；所述执行机构由至少I组执行单元组成，每组执行单元包括步进电机、送料蜗杆、盛料漏斗、称重台、称重传感器和支架；每组执行单元中，步进电机分别通过步进电机控制驱动电路同控制单元连接，称重传感器通过称重反馈电路同控制单元连接。本实施例中，步进电机控制驱动电路和称重反馈电路皆为常规电路。
[0033]参照图3、4为执行机构的一组执行单元。支架8分支杆和托盘，整个执行机构通过支杆8挂靠在待投料的搅拌池6的侧壁，托盘上安装称重传感器甲7和称重传感器乙10，称重传感器甲7和称重传感器乙10上搁置着称重台9，步进电机I和盛料漏斗12分别通过漏斗支架13和步进电机固定螺钉2支撑固定在称重台9上，送料蜗杆4 一端横穿过盛料漏斗12底部的出料口，另一端通过联轴器3与步进电机I相连。投料时，步进电机I转动，带动送料蜗杆4转动，送料蜗杆4的螺旋槽将物料推送到盛料漏斗12底部的出口投放到搅拌池6 ;同时，称重传感器甲7和称重传感器乙10感应称重台9的重量，反馈到控制单元。
[0034]所述控制单元采用单片机，单片机用于接收上位机发送的指令，并通过步进电机控制驱动电路向每组执行单元的步进电机I发送控制信号，通过称重反馈电路采集称重传感器感应的重量信号，以及向上位机反馈重量信号。
[0035]所述的单片机采用MCU控制器。
[0036]装置的整体实现原理如图2所示，本实施例的执行机构中有5组执行单元，控制单元采用MCU控制器，上位机通过232串行通信接口向MCU控制器发送指令，MCU控制器根据指令分别通过步进电机控制驱动电路向5个步进电机发送控制信号，控制步进电机转动，步进电机带动送料蜗杆进行投料。
[0037]基于本实施例进行精确配料的过程为:
[0038](I)在待投料的搅拌池6上挂靠相应数量的执行机构，把每个设备的步进电机的接线插头插到步进电机驱动器插口上，称重传感器甲和称重传感器乙的信号线插到控制单元板插口上；用串口通信数据线连接PC机和电路板；如果所用PC机无串口接口，需要另配USB转串口数据通信线；上位机发送连接指令，使上位机和控制单元通信；
[0039](2)上位机发送装置去皮指令，去皮指令通过串行通信接口传送至控制单元，控制单元收到上位机指令后通过步进电机控制驱动电路向各执行机构发送控制信号控制执行机构清空每组执行单元的盛料漏斗中的物料，同时称重传感器通过称重反馈电路将当前盛料漏斗的重量反馈给控制单元，控制单元再通过串行通信接口将该重量反馈给上位机，上位机将该重量作为每次判断物料剩余量的零点；
[0040](3)向至少I组执行单元的盛料漏斗添加物料，添加了物料的执行单元作为待投料的执行单元，同时称重传感器通过称重反馈电路将当前盛料漏斗的重量反馈给控制单元，控制单元再通过串行通信接口将该重量反馈给上位机，上位机将该重量作为投放初始量;
[0041](4)对于待投料的执行单元，在上位机输入相应物料名称并分别设置投料量；对于未添加物料的执行单元，在上位机设置为非投料执行单元；上位机发送开始投料指令；
[0042](5)投料指令通过串行通信接口传送至控制单元，控制单元识别出执行机构中待投料的执行单元，通过步进电机控制驱动电路发送控制信号给各执行单元，使待投料的执行单元中的步进电机启动；
[0043](6)待投料的执行单元中的步进电机带动送料蜗杆进行投料；同时称重传感器通过称重反馈电路将重量信息反馈给控制单元，控制单元再通过串行通信接口将重量反馈给上位机，上位机显示每个盛料漏斗中物料剩余量；当物料剩余量小于设置投料量，则上位机提示料不足信息，进入步骤(7);步骤(3)中的投放初始量减去物料剩余量即当前的已投放量；当已投放量和设置投放量相等时上位机发出指令控制执行机构停止投放，进入步骤
(8)；
[0044](7)通过上位机发送暂停投放指令控制执行机构暂停投料，向盛料漏斗中补充物料，发送开始投料指令，进入步骤(5)；
[0045](8)通过上位机发送断开连接，结束上位机和控制单元之间的通信。
[0046]上位机可以显示投料过程中的各种数据，本实施例中的显示界面参照图5，下方中间的按钮为“连接设备/断开连接”控制按钮，点击此按钮实现上位机和控制单元的通信，连接成功时界面右下方的连接指示灯点亮，需要断开时点击断开连接按钮。软件左下方的“装置去皮”按钮仅在设备连接后第一次投料前使用，点击此按钮软件进行装置去皮。本实施例有5组执行单元，每组执行单元提供5个信息项，分别是物料名称、物料剩余、投料设置、投料控制和状态提醒，信息项以表格形式布局在软件界面中央。其中，物料名称直接输入，也可在下拉列表选择，下拉列表包含常用的物料名称，如滑体土、滑带土、玻璃珠、石灰、石英砂，不投料的执行单元选择“无设备”选项；剩余物料显示在每个柱状图标中，单位为Kg ;投料设置项中输入投料的重量，单位为Kg ;投料控制项对应5个按钮，每个按钮分别控制每个设备的开始投料和暂停投料；状态提醒项对实时显示执行单元的状态，当投料设置没有输入时，提醒框显示当前的物料剩余量，当投料设置输入小于或等于物料剩余量且开始投料时，显示已投量，如果物料剩余量小于设置投料量，显示物料不足，如果执行单元选择“无设备选项”，将会显示无设备。
【权利要求】
1.一种计算机控制泥样制作精确配料的装置，至少包括控制单元和执行机构，其特征在于:控制单元通过串行通信接口与上位机连接；所述执行机构由至少I组执行单元组成，每组执行单元至少包括步进电机、送料蜗杆、盛料漏斗、称重台、称重传感器和支架；每组执行单元中，步进电机分别通过步进电机控制驱动电路同控制单元连接，称重传感器通过称重反馈电路同控制单元连接。
2.根据权利要求1所述的计算机控制泥样制作精确配料装置，其特征在于:所述执行单元的盛料漏斗包括盛料腔体和位于盛料腔体底部侧面且开口向下的出料口，送料蜗杆位于盛料腔体底部，送料蜗杆的一端与步进电机连接，另一端位于盛料漏斗的出料口 ；送料蜗杆由步进电机带动，用于将盛料漏斗中的物料从出料口推出；称重传感器安装于盛料漏斗外部底端，盛料漏斗和称重传感器固定在称重台上；支架由支杆和托盘组成，托盘与称重台相连。
3.根据权利要求1所述的计算机控制泥样制作精确配料装置，其特征在于:所述控制单元采用单片机，单片机用于接收上位机发送的指令，并通过步进电机控制驱动电路向每组执行单元的步进电机发送控制信号，通过称重反馈电路采集称重传感器感应的重量信号，以及向上位机反馈重量信号。
4.根据权利要求3所述的计算机控制泥样制作精确配料装置，其特征在于:所述的单片机采用MCU控制器。
5.一种用于权利要求1所述装置的控制方法，其特征在于具体包括以下步骤: (1)上位机发送连接指令，使上位机和控制单元通信； (2)上位机发送装置去皮指 令，去皮指令通过串行通信接口传送至控制单元，控制单元收到上位机指令后通过步进电机控制驱动电路向各执行机构发送控制信号控制执行机构清空每组执行单元的盛料漏斗中的物料，同时称重传感器通过称重反馈电路将当前盛料漏斗的重量反馈给控制单元，控制单元再通过串行通信接口将该重量反馈给上位机，上位机将该重量作为每次判断物料剩余量的零点； (3)向至少I组执行单元的盛料漏斗添加物料，添加了物料的执行单元作为待投料的执行单元，同时称重传感器通过称重反馈电路将当前盛料漏斗的重量反馈给控制单元，控制单元再通过串行通信接口将该重量反馈给上位机，上位机将该重量作为投放初始量； (4)对于待投料的执行单元，在上位机输入相应物料名称并分别设置投料量；对于未添加物料的执行单元，在上位机设置为非投料执行单元；上位机发送开始投料指令； (5)投料指令通过串行通信接口传送至控制单元，控制单元识别出执行机构中待投料的执行单元，通过步进电机控制驱动电路发送控制信号给各执行单元，使待投料的执行单元中的步进电机启动； (6)待投料的执行单元中的步进电机带动送料蜗杆进行投料；同时称重传感器通过称重反馈电路将重量信息反馈给控制单元，控制单元再通过串行通信接口将重量反馈给上位机，上位机显示每个盛料漏斗中物料剩余量；当物料剩余量小于设置投料量，则上位机提示料不足信息，进入步骤(7);步骤(3)中的投放初始量减去物料剩余量即当前的已投放量；当已投放量和设置投放量相等时上位机发出指令控制执行机构停止投放，进入步骤(8)； (7)通过上位机发送暂停投放指令控制执行机构暂停投料，向盛料漏斗中补充物料，发送开始投料指令，进入步骤(5)；(8)通过上位机发送断开连接，结束上位机和控制单元之间的通信。
【文档编号】G01N1/28GK103884411SQ201410109917
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2014年3月21日 优先权日:2014年3月21日
【发明者】唐辉明, 张永权, 雍睿, 谭钦文, 易贤龙, 代先尧, 王凯, 王姣 申请人:中国地质大学（武汉）