目前，国外液体灌装技术已经比较成熟我国灌装技术水平与国外先进水平相比存在较大差距，国内企业主要依靠引进和仿制国外先进产品，自主研发能力差，导致国内灌装设备自动化程度低，灌装精度较低。液体灌装系统按灌装原理可分为常压、等压、负压和加压类；按计量方式可分为液面式、流量计式、称重式和计量泵式。其中加压计量泵式液体灌装系统不仅适用于低中高粘度液体灌装，而且计量精度高、灌装效率高，因此得到广泛应用。活塞式液体填充系统是实际应用中典型的液体灌装机。面对市场对液体灌装精度的要求越来越高的现状，通过自行构建的活塞式液体灌装试验设备，进行了相关的灌装精度试验研究，对活塞式高精度液体灌装机的研发与调试具有--定的参考意义。

活塞灌装精度影响因素

目前自动灌装机的普遍灌装精度为≤土1%，根据称重灌装机的灌装原理及结构组成分析，其误差来源主要有活塞泵内气体量、灌装参数、系统固有特性等。由于吸液灌液过程中活塞往复运动的速度不同，导致吸液灌液过程中活塞泵内的压强不同，使得吸液灌液中活塞泵内气体所占的体积不同，造成吸液量与灌液量不相等，产生装量误差。灌装参数主要有液料与灌液速度，不同液料的粘度、含气量等属性不相同，导致灌装过程中液体的流态及气体量不同，影响灌装精度。不同的灌液速度方案对活塞泵内的压强及液体的流态等都会产生影响，从而影响灌装精度。因系统机械结构的加工装配误差以及控制系统的控制偏差，导致活塞式液体灌装系统存在系统固有误差，易引起装量误差。

活塞式灌装构建

为了方便试验研究，活塞式灌装设备采用模块化设计思路，依据设计和装配原则，将作品分为吸灌液模块、液位跟踪模块、自动控制模块，以及检测模块部分，而吸灌液模块又包含计量模块、吸灌液驱动模块、配流模块和喷嘴模块4个模块。

在吸灌液模块中，计量模块采用活塞式计量泵，驱动模块采用伺服电机驱动滚珠丝杠，配流模块采用锥阀式单向阀；液位跟踪模块由步进电机驱动滚珠丝杠实现；自动控制模块采用广泛应用的PLC作为控制中心；检测模块采用自动称重的方法。为了提高试验设备的可操作性，设计人机交互界面，可以方便地选取和调用灌装参数，直观地获取灌装结果。

灌装设备针对每个模块进行设计。试验设备灌装过程如下：伺服电机转动产生驱动力，在滚珠丝杠的传动下，带动活塞杆上下运动，丝杠与活塞杆之间通过滑块连接为了保证滑块运动的平稳性，在滑块左侧安装直线导轨；2在服电机驱动下，活塞式计量泵的活塞杆上下往复运动，计量泵为圆柱结构，因此活塞杆运动距离对应着计量泵吸液与灌液的体积；选用单向阀作为配流机构，在吸液时，进液口单向阀打开，出液口单向阀关闭；在灌液时，出液口单向阀打开，进液口单向阀关闭，从而完成吸灌液过程；灌装喷嘴通过钢丝软管与配流结构相连，灌装容器放置在托盘上，液位跟踪模块采用步进电机和滚珠丝杠，滚珠丝杠将步进电机的转动转换成托盘的上下运动，从而保证喷嘴到容器液面距离恒定，减少灌装过程中的喷溅、起泡情况。在人机界面上改变灌装量、灌液速度等灌装参数PLC就能根据输人的参数向伺服电机、步进电机发出相应的控制信号，实现不同灌装参数的试验。

活塞灌装精度试验研究

试验原理与试验方法

根据高精度灌装的要求，设定该试验设备的精度指标为在灌装量150~550ml下装量误差≤+0.3%。首先，在构建完毕的试验设备上进行初次固有精度试验，得出各因素影响下的灌装总误差；然后依次对活塞泵内气体量、灌装液料和灌液速度进行精度试验，得出各因素对灌装精度的影响关系，分析得到提高精度的方法；最后采用精度补偿的方法对系统的稳定误差进行补偿，达到试验设备设定的精度。

试验条件

试验仪器为活塞式液体灌装试验设备；灌装物料为水(粘度值1.14mPa·s)、饱和糖溶液(粘度值1.54mPa·s)营养快线(粘度值2.25mPa·s)；试验灌装对象为600mlALKAOUA优质饮用天然水瓶；试验温度为室温(18C)；灌装量变化范围为150~550ml；灌液速度为50~500ml/s。

活塞灌装精度试验及结果分析

1固有精度试验

作为试验设备构建完毕后的首次固有精度试验，可将灌液量设为一定值来测定试验设备的固有精度。通过调查市场上常见矿泉水瓶、饮料瓶的容量，将该定值设为550ml。将速度设为275ml/s匀速，做50次固有精度试验。处理试验数据，得出平均灌装精度误差为15%，与设定指标≤土0.3%相比有很大差距。

2活寨泵气体对精度影响试验

考虑到活塞泵内气体量偏大，降低了灌装精度的问题，根据活塞向下运动时距缸底的最小距离，计算得到固有精度试验中处于压缩状态下的气体量57ml。现通过降低灌液时活塞的下极限位置减少气体量，做3组试验，每次减少17ml。为与固有精度试验作对比，将灌液量定为550ml，速度设为275ml/s勾速，每组试验做20次。处理试验数据，得出3组的平均灌装精度。

可知第1组试验平均灌装精度误差为2.3%，第2组为2.0%，第3组为1.9%。由灌装精度提高的趋势可知，第2次排气之后灌装精度已经相对稳定，可知活塞泵内的气体越少，精度越高。因此对于活寨式液体灌装系统要严格控制活塞泵内的气体量，以保证灌装精度。

3灌装液料对精度影响试验

考虑到不同粘度的液料在灌装过程由的液体流态不相同，低粘度液体与中高粘度液体相比流动性更好，流态偏向于亲态。并且当吸灌液过程压强变化时不同液体的空气溶解度不同，产生的起泡量也有所不同。故选取常见的饮品水、饱和蔗糖溶液、营养快线作为试验液料做3组试验其中饱和蔗糖溶液和营养快线的粘度较水高，营养快线的空气溶解度比水、饱和蔗糖溶液大。设定灌液量为550ml，速度为275ml/s速，每组试验做20次。处理试验数据，得出三组的平均灌装精度。

灌装水的精度比灌装饱和蔗糖溶液的精度低，而灌装营养快线的精度比灌装水的精度低。其原因为饱和蔗糖溶液的粘度较水高，在灌装过程中流态更稳定，产生的涡流等现象更少，因而灌装精度更高。虽然营养快线的粘度比水的粘度高，但是由于营养快线内溶解了更多的气体，吸液时泵内的压强减少导致其析出更多的气体，从而吸液量减少，降低了精度。粘度、气体溶解度为液体的基本属性，不同液料的粘度值、气体溶解度各不相等，故灌装不同的物料时对应着不同的误差值，因而可针对不同的液料，在灌装量上赋予对应的补偿量来补偿误差，提高灌装精度。

4精度补偿试验

不同灌装液料引起的灌装误差主要由液料的属性决定，而对于整个活塞式灌装系统，固有误差由系统不可改变的机械结构和控制系统决定，因此均可以作为固定值，采用精度补偿的方法对误差进行有效地补偿。对输人灌装量为550ml，灌液速度为275m/s速，灌装液料分别为水、饱和蔗糖溶液、营养快线的试验数据进行补偿，使其实际平均灌装量等于输入灌装量550ml，即装量误差为0。对于灌装液料为水的补偿方法，为改变程序，把人机界面上的输入灌装量加上精度补偿量10ml后的灌装量作为实际灌装量输人运算进而控制电机工作。为测定试验设备是否在试验条件范围内达到预期的精度，现将灌装量设为100~550ml，每50ml设一组试验每组试验做20次。处理试验数据，得出各组的平均灌装精度。

在150~550ml灌装范围内，灌装精度在0.2%以内，达到了设定精度指标+0.3%。对于饱和蔗糖溶液、营养快线采用相同的方法，分别把输入灌装量加上精度补偿量9ml与精度补偿量12ml后的灌装量作为实际输人灌装量，进行相同的试验后发现灌装精度均达到了预期目标。

根据试验结果可知，采用精度补偿的方法可以有效地补偿系统固有误差与液料引起的灌装误差，提高灌装精度。因此，对于不同的活塞式灌装系统和不同的灌装液料，通过试验得出对应的精度补偿量，采用精度补偿的方法对误差进行补偿能有效地提高灌装精度。

5灌液速度方案对灌装精度影响试验

在相同的灌装时闻要求下，不同的灌液速度方案也会对灌装精度产生影响。确定灌液时间为2s，灌装量为550ml，设计了3种灌液速度方案。方案1为先高速灌装后低速灌装方案2为勾速灌装，方案3为先低速灌装后高速灌装，每种方案做20次试验。处理试验数据，得出每种方案的平均灌装精度。

可知方案1的精度最高，方案3的精度最低。结合试验现象，分析其原因，可以认为，当灌装液面接近瓶口且速度偏高时，会导致液体飞溅到瓶外，降低灌装精度。而采用先高速灌装后低速灌装的灌液速度方案，则既可保证灌液效率又能避免液面接近瓶口时液体飞溅，保证了灌装精度。

结论

通过以上对活塞式液体灌装系统的精度试验研究，可以得出以下结论：

(1)对于活塞式液体灌装系统，活塞泵内的气体量对灌装精度影响大。在研发和调试高精度活塞式灌装机时，应严格控制泵内气体量，以提高灌装精度。

(2)不同活塞式液体灌装系统的固有误差不同，不同灌装物料对应的误差值也不同，但均可作为定值，通过试验得出对应的精度补偿量，采用精度补偿的方法减少误差，提高灌装精度。

(3)对于活塞式液体灌装系统，不同的灌液速度方案会影响灌装精度，而采用先高速灌装后低速灌装的两段式灌液速度方案则既可保证灌液效率又能避免液体飞溅，保证灌装精度。