劉勇軍，余愛(ài)香，李鑫

(鶴壁職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，河南鶴壁458030)

由于鎂合金具有密度小、比強(qiáng)度高、彈性模量大、承受沖擊載荷能力大等特點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車等工業(yè)部門。在金屬冶煉的過(guò)程中添加鎂粉便可加工出鎂合金。鎂粉的加工方法有:銑削法、噴霧法、球磨法等［1］。國(guó)內(nèi)鎂粉生產(chǎn)過(guò)程主要是先將鎂礦冶煉成鎂錠，然后由鎂錠切削機(jī)切成顆粒再磨制而成的。鎂粉顆粒的均勻度和尺寸大小對(duì)合金的性能有較大的影響，所以控制鎂粉顆粒的質(zhì)量非常重要。而鎂粉顆粒質(zhì)量與鎂錠切削機(jī)有直接關(guān)系，所以研究鎂錠切削機(jī)對(duì)提高鎂粉加工產(chǎn)品的成品率具有重要意義。

由于金屬鎂的產(chǎn)量較小，對(duì)鎂產(chǎn)品加工裝備的研究較少［2］，目前使用的鎂錠切削機(jī)大多為手動(dòng)控制，鎂顆粒尺寸無(wú)法自動(dòng)調(diào)節(jié)，廢品率較高。作者針對(duì)這一問(wèn)題，提出利用PLC 和PID 技術(shù)對(duì)現(xiàn)有鎂錠切削機(jī)進(jìn)行改造升級(jí)，從而提高鎂粒加工的成品率。

1 鎂錠切削機(jī)簡(jiǎn)介

1.1 鎂錠切削機(jī)工作原理

鎂錠切削機(jī)是把鎂錠切削成鎂顆粒的設(shè)備，目前廣泛使用的鎂錠切削機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。切削機(jī)主軸上裝有刀輥1，主軸在電動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)下做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，刀輥上沿螺旋線方向安裝有刀片。正常運(yùn)行時(shí)，將鎂錠3 放在進(jìn)給缸6 前，按下啟動(dòng)按鈕，進(jìn)給缸推動(dòng)鎂錠進(jìn)給，當(dāng)鎂錠到達(dá)壓緊缸2 下面時(shí)，壓緊缸壓緊鎂錠，此時(shí)鎂錠繼續(xù)進(jìn)給，直至與刀輥接觸開(kāi)始切削。由于鎂錠無(wú)法全部被切削，在鎂錠進(jìn)給到位后，進(jìn)給缸開(kāi)始縮回，卸料缸5 縮回，壓緊缸上升，余料落下，一個(gè)循環(huán)結(jié)束。由于進(jìn)給液壓缸回程和上料需要時(shí)間，為了提高工作效率，通常采用兩個(gè)進(jìn)給缸輪流工作。傳統(tǒng)的鎂錠切削機(jī)上沒(méi)有推料缸4，為了自動(dòng)化改造重新設(shè)計(jì)了自動(dòng)上料機(jī)構(gòu)。鎂錠切削顆粒大小的調(diào)節(jié)是通過(guò)人工調(diào)節(jié)進(jìn)給缸液壓回路中的節(jié)流閥來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

由此可以看出，傳統(tǒng)的鎂錠切削機(jī)存在著自動(dòng)化程度低、需有人值守、效率低、顆粒尺寸波動(dòng)大且不易控制等缺點(diǎn)，為此需要對(duì)其進(jìn)行改造。改造的思路是保持進(jìn)給速度不變，利用PLC、光電編碼器、變頻器對(duì)主軸轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制［3－5］，從而做到主軸恒轉(zhuǎn)速運(yùn)行。顆粒尺寸設(shè)定可以通過(guò)觸摸屏來(lái)完成。

圖1 鎂錠切削機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.2 自動(dòng)上料機(jī)構(gòu)改造

傳統(tǒng)的鎂錠切削機(jī)是手工送料，即操作人員一直守在機(jī)器旁，當(dāng)一根鎂錠切削完畢且進(jìn)給缸縮回到位處于等待狀態(tài)時(shí)，人工放入一根鎂錠，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。為了對(duì)設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)化改造，必須設(shè)計(jì)自動(dòng)上料機(jī)構(gòu)，根據(jù)現(xiàn)有的鎂錠切削機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)的自動(dòng)上料機(jī)構(gòu)如圖2所示。料倉(cāng)1 內(nèi)可以一次裝多塊鎂錠，當(dāng)進(jìn)給缸縮回到位后，提放缸10 通過(guò)鋼絲繩9、掛鉤3 將料倉(cāng)內(nèi)的鎂錠提起(導(dǎo)向輪8 保證掛鉤能夠鉤住鎂錠)，推料缸7 推動(dòng)最下面的鎂錠至鎂錠導(dǎo)槽4 中，推料缸縮回后，提放缸伸出，鎂錠下降。在料倉(cāng)底部裝有緩沖器5，當(dāng)鎂錠接觸緩沖器后，掛鉤會(huì)碰到導(dǎo)向輪6 而與鎂錠脫開(kāi)，提拉缸帶動(dòng)掛鉤上升，完成一個(gè)循環(huán)。

圖2 自動(dòng)上料機(jī)構(gòu)

2 鎂錠顆粒大小調(diào)節(jié)與控制方式

2.1 手動(dòng)、自動(dòng)控制方式比較

目前鎂錠切削機(jī)切削顆粒大小的調(diào)整方法普遍采用的是靠進(jìn)給缸的節(jié)流閥來(lái)人工調(diào)節(jié)，這種調(diào)節(jié)方式無(wú)法做到精確控制顆粒大小，完全靠經(jīng)驗(yàn)來(lái)完成，控制精度低，導(dǎo)致產(chǎn)品的廢品率比較高。而且人工調(diào)整還存在以下缺陷:(1)如果不慎調(diào)整進(jìn)給量過(guò)大則會(huì)導(dǎo)致電機(jī)過(guò)載停機(jī);(2)若進(jìn)給過(guò)小則有可能導(dǎo)致鎂粒太小，在篩分時(shí)作為次品處理;(3)手動(dòng)調(diào)節(jié)方式假設(shè)主軸轉(zhuǎn)速是恒定的，實(shí)際上在鎂錠與刀輥接觸時(shí)，負(fù)載突然增加，電機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)略有降低，此時(shí)切削的鎂粒尺寸會(huì)變大。所以嚴(yán)格控制鎂粒大小對(duì)提高鎂粉生產(chǎn)的合格率尤為重要。

針對(duì)手動(dòng)控制存在的缺點(diǎn)，作者提出了利用PID技術(shù)調(diào)節(jié)主軸的轉(zhuǎn)速、而進(jìn)給缸保持恒定進(jìn)給速度的改造方案。主軸電動(dòng)機(jī)由變頻器驅(qū)動(dòng)，編碼器將主軸的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速值傳給可編程控制器(PLC)，PLC 通過(guò)將主軸電機(jī)的轉(zhuǎn)速同設(shè)置轉(zhuǎn)速進(jìn)行PID 計(jì)算，將計(jì)算值反饋給變頻器實(shí)現(xiàn)對(duì)主軸轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制。改造前后的技術(shù)方案與優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。

表1 控制方式比較

2.2 自動(dòng)化改造電氣原理圖

鎂錠切削機(jī)自動(dòng)化改造PID 閉環(huán)控制的電氣原理圖如圖3所示，3 相電源經(jīng)變頻器MM440 接至主軸電機(jī)，主軸電機(jī)上聯(lián)接有編碼器PG，編碼器將主軸電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度轉(zhuǎn)化為脈沖傳給可編程控制器CPU224XP，PLC 通過(guò)高速計(jì)數(shù)器將脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)并計(jì)算主軸電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并將轉(zhuǎn)速值與設(shè)定值進(jìn)行PID運(yùn)算，運(yùn)算后的結(jié)果通過(guò)模擬量通道反饋給變頻器，構(gòu)成閉環(huán)控制，使主軸電機(jī)的轉(zhuǎn)速維持一個(gè)恒定的值，從而保證切削鎂粒尺寸的穩(wěn)定，提高產(chǎn)品的成品率。

圖3 PID 閉環(huán)控制原理圖

3 PID 控制算法

PID 控制是工業(yè)過(guò)程中最常用的一種控制方法，它由比例控制、積分控制、微分控制3 個(gè)部分共同控制控制器的輸出，達(dá)到穩(wěn)定的無(wú)差控制。

3.1 PID 數(shù)學(xué)模型

PID 因具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便等優(yōu)點(diǎn)，是目前工業(yè)生產(chǎn)中最常用的一種控制方式，PID 控制的數(shù)學(xué)模型為:

式中:M(t)是PID 的輸出，KC、TI、TD分別是PID回路的增益、積分時(shí)間和微分時(shí)間，MI是回路的初始值。

3.2 PID 模型的數(shù)字化

PID 數(shù)學(xué)模型中的數(shù)值是連續(xù)變化的，要想在控制器中實(shí)現(xiàn)，就必須數(shù)字化，也即將采樣值進(jìn)行離散。數(shù)字化后的數(shù)學(xué)模型為:

式中:Mn是PID 的輸出，KC、KI、KD分別是PID 回路的增益、積分常數(shù)和微分常數(shù)，MX 是上次的積分項(xiàng)。這樣每次計(jì)算只需保存上次計(jì)算的誤差值en－1和積分項(xiàng)MX 即可完成對(duì)PID 輸出值的計(jì)算，只要誤差存在，PID 就會(huì)一直計(jì)算，直至消除誤差。

4 控制程序

西門子S7－200 型PLC 提供了8 個(gè)回路的PID 功能，用以實(shí)現(xiàn)需要按照PID 控制規(guī)律進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)的控制任務(wù)［6］。PID 功能的核心是PID 指令，PID 功能是通過(guò)PID 指令功能塊實(shí)現(xiàn)。通過(guò)定時(shí)(按照采樣時(shí)間)執(zhí)行PID 功能塊，按照PID 運(yùn)算規(guī)律，根據(jù)當(dāng)時(shí)的給定、反饋、比例－積分－微分?jǐn)?shù)據(jù)，計(jì)算出控制量。PID 的輸入值是主軸轉(zhuǎn)速設(shè)定值，反饋值是編碼器測(cè)量的主軸轉(zhuǎn)速值，PID 運(yùn)算是在PLC 中完成的，為此作者重點(diǎn)編寫(xiě)了轉(zhuǎn)速測(cè)量程序和PID 運(yùn)算程序。

4.1 主程序

Network1

LD SM0.1

CALL SBR_0:SBR0 /調(diào)用子程序0

CALL SBR_1:SBR1 /調(diào)用子程序1

Network2

LDN T32 /采樣時(shí)間

TON T32，1000

4.2 轉(zhuǎn)速測(cè)量子程序

轉(zhuǎn)速測(cè)量是靠光電編碼器來(lái)完成，PLC 通過(guò)讀取光電編碼器單位時(shí)間發(fā)出的脈沖數(shù)來(lái)計(jì)算轉(zhuǎn)速值［7］，并將其歸一化。光電編碼器的線數(shù)為1 000，變頻器的輸出頻率30 Hz，最大頻率50 Hz，接收模擬量為0 ～10 V。

SBR_0 /子程序

Network1 /高速計(jì)數(shù)器初始化

LD SM0.1

MOVB 16JHJF8，SMB37

HDEF 0，0 /使用高速計(jì)數(shù)器0，模式0

MOVB 0，SMB38

HSC 0

ATCH INT_0:INT0，21/中斷連接

ENI /開(kāi)全局中斷

INT_0 /中斷程序

Network1

LD SM0.0

MOVD HC0，VD200 /讀取脈沖數(shù)

DTR VD200，VD200 /轉(zhuǎn)換為實(shí)數(shù)

/R 25000.0，VD200 /歸一化

* R 32000.0，VD200 /轉(zhuǎn)為數(shù)字量

ROUND VD200，VD200 /取整作為PID 輸入

Network2

LD SM0.0

MOVD 0，SMD38 /重新計(jì)數(shù)

HSC 0 /啟動(dòng)高速計(jì)數(shù)器

4.3 PID 控制程序

PID 控制程序主要完成PID 參數(shù)的設(shè)定、PID 的運(yùn)算及把運(yùn)算結(jié)果轉(zhuǎn)化為模擬量值輸出等內(nèi)容。

SBR_1 /PID 初始化

Network 1

LD SM0.0

MOVR 0.75，VD104 //裝入設(shè)定值75%

MOVR 0.25，VD112 //裝入增益0.25

MOVR 0.10，VD116 //采樣時(shí)間0.1s

MOVR 30.0，VD120 //積分時(shí)間30min

MOVR 0.0，VD124 //關(guān)閉微分作用

MOVR 0.0，VD128 //積分項(xiàng)前項(xiàng)

MOVR VD200，VD132 //過(guò)程變量前值

SBR_1 /PID 處理程序

Network 2

LD SM0.0 //執(zhí)行PID 控制

PID VB100，0

Network 3

LD SM0.0

MOVR VD108，AC0 /輸出值傳送累加器

* R 32000.0，AC0 /累加器中為刻度值

ROUND AC0，AC0 /轉(zhuǎn)換成32 位整數(shù)

DTI AC0，AQW0 /寫(xiě)到模擬輸出

5 試驗(yàn)及結(jié)果分析

為了驗(yàn)證PID 控制技術(shù)對(duì)鎂粒尺寸質(zhì)量控制的優(yōu)越性，分別使用傳統(tǒng)的鎂錠切削機(jī)和改造后的鎂錠切削機(jī)切削20 塊鎂錠，并經(jīng)研磨機(jī)研磨后隨機(jī)抽取100 粒在放大鏡下進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如表2所示。

表2 改造前后鎂粒尺寸比較

5.1 樣本合格率

鎂粒尺寸在300 ～380 μm 之間的為合格品，不在此范圍內(nèi)的鎂粒將被振動(dòng)篩篩分掉。從抽樣的100 粒鎂粒數(shù)據(jù)可以簡(jiǎn)單計(jì)算出傳統(tǒng)鎂錠切削機(jī)的加工合格率為89%，而改造后的鎂錠切削機(jī)的加工合格率為95%，改造后的合格率比改造前提高了6%。

5.2 均值與標(biāo)準(zhǔn)差分析

根據(jù)測(cè)量結(jié)果，求出改造前后加工鎂粒尺寸的均值分別為:345.6 和339.7。從均值可以看出改造前的均值要略大于理想值340，這是由于傳統(tǒng)切削機(jī)在鎂錠與切刀接觸的短時(shí)間內(nèi)，電機(jī)負(fù)載增加，主軸轉(zhuǎn)速略有降低，從而導(dǎo)致切削進(jìn)給量增大而造成的，而改造后的切削機(jī)由于使用了PID 閉環(huán)控制，能夠維持主軸電機(jī)恒轉(zhuǎn)速運(yùn)行，改造后的均值非常接近理想值。改造前后的標(biāo)準(zhǔn)差分別為:22.4 和17.2，可以看出，改造后的顆粒尺寸更加靠近均值，優(yōu)良產(chǎn)品的比例更高。

5.3 總體估計(jì)

為了能從樣本信息中考察整體情況，需要對(duì)改造前后鎂錠切削機(jī)加工顆粒尺寸的總體進(jìn)行估計(jì)，根據(jù)樣本數(shù)據(jù)繪制的顆粒尺寸概率密度曲線如圖4所示，可以看出:顆粒尺寸服從正態(tài)分布。設(shè)X1為改造前的鎂粒尺寸隨機(jī)變量，X2為改造后的鎂粒尺寸隨機(jī)變量，則:

圖4 改造前后鎂粒尺寸概率密度圖

由式(3)和式(4)可以計(jì)算出改造前后鎂粒尺寸在區(qū)間［300 380］的概率分別為:

P1{300 ＜X ＜380}= Φ1(380)－ Φ1(300)=0.917

P2{300 ＜X ＜380}= Φ2(380)－ Φ2(300)=0.980

從計(jì)算結(jié)果可以看出:經(jīng)過(guò)PID 改造后的鎂錠切削機(jī)加工鎂粒合格率比改造前提高了6%，改造效果明顯。

6 結(jié)論

鎂錠切削顆粒尺寸的大小和均勻度對(duì)鎂制品后續(xù)加工的質(zhì)量影響很大，作者所提出的利用PLC 作為主控元件、利用變頻器來(lái)控制主軸電機(jī)的轉(zhuǎn)速并把轉(zhuǎn)速信號(hào)通過(guò)PLC 中的PID 計(jì)算反饋給變頻器的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)了對(duì)主軸轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制，從而可以精確控制鎂粒的尺寸。該技術(shù)方案已經(jīng)在ZMJ-700 型鎂錠切削機(jī)上應(yīng)用，改造后的鎂錠切削機(jī)加工產(chǎn)品的合格率比改造前提高了6%，效果明顯。

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