劉勇軍 趙文俊 董慧敏

（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)，故被廣泛應(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］。國內(nèi)鎂粉生產(chǎn)過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)大多為手動控制，鎂顆粒尺寸無法自動調(diào)節(jié)，廢品率較高。針對這一問題，采用PLC和PID技術(shù)對現(xiàn)有鎂錠切削機(jī)進(jìn)行改造升級，從而提高鎂粒加工的成品率。

1 鎂錠切削機(jī)簡介

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，主軸在電動機(jī)的帶動下做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，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，按下啟動按鈕，進(jìn)給缸6推動鎂錠3進(jìn)給，當(dāng)鎂錠3到達(dá)壓緊缸2下面時(shí)，壓緊缸2壓緊鎂錠3，此時(shí)鎂錠繼續(xù)進(jìn)給，直至與刀輥接觸開始切削。由于鎂錠3無法全部被切削，在鎂錠3進(jìn)給到位后，進(jìn)給缸6開始縮回，卸料缸5縮回，壓緊缸2上升，余料落下，一個循環(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，通常采用兩個進(jìn)給缸輪流工作。傳統(tǒng)的鎂錠切削機(jī)上沒有推料缸4，為了自動化改造重新設(shè)計(jì)了自動上料機(jī)構(gòu)。鎂錠切削顆粒大小的調(diào)節(jié)是通過人工調(diào)節(jié)進(jìn)給缸液壓回路中的節(jié)流閥來實(shí)現(xiàn)的。由此可以看出，傳統(tǒng)的鎂錠切削機(jī)存在著自動化程度低、需有人值守、效率低、顆粒尺寸波動大且不易控制等缺點(diǎn)，為此需要對其進(jìn)行改造。改造的方案是保持進(jìn)給速度不變，利用PLC、光電編碼器、變頻器對主軸轉(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)定可以通過觸摸屏來完成。

1.2 自動上料機(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。為了對設(shè)備進(jìn)行自動化改造，必須設(shè)計(jì)自動上料機(jī)構(gòu)，根據(jù)鎂錠切削機(jī)現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)的自動上料機(jī)構(gòu)如圖2所示。料倉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通過鋼絲繩9、掛鉤3將料倉內(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。在料倉底部裝有緩沖器5，當(dāng)鎂錠接觸緩沖器后，掛鉤會碰到導(dǎo)向輪6而與鎂錠脫開，提拉缸帶動掛鉤上升，完成一個循環(huán)。

2 鎂錠顆粒大小調(diào)節(jié)與控制方式

2.1 手動、自動控制方式比較

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)流閥來人工調(diào)節(jié)，這種調(diào)節(jié)方式無法做到精確控制顆粒大小，完全靠經(jīng)驗(yàn)來完成，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:一是如果不慎調(diào)整進(jìn)給量過大則會導(dǎo)致電動機(jī)過載停機(jī);二是若進(jìn)給過小則有可能導(dǎo)致鎂粒太小，在篩分時(shí)作為次品處理;三是手動調(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，電動機(jī)轉(zhuǎn)速會略有降低，此時(shí)切削的鎂粒尺寸會變大。所以嚴(yán)格控制鎂粒大小對提高鎂粉生產(chǎn)的合格率尤為重要。

針對手動控制存在的缺點(diǎn)，采用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。主軸電動機(jī)由變頻器驅(qū)動，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通過將主軸電動機(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 自動化改造電氣原理圖

鎂錠切削機(jī)自動化改造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接至主軸電動機(jī)，主軸電動機(jī)上聯(lián)接有編碼器PG，編碼器將主軸電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度轉(zhuǎn)化為脈沖傳給可編程控制器CPU224XP，PLC通過高速計(jì)數(shù)器將脈沖信號計(jì)數(shù)并計(jì)算主軸電動機(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)果通過模擬量通道反饋給變頻器，構(gòu)成閉環(huán)控制，使主軸電動機(jī)的轉(zhuǎn)速維持一個恒定的值，從而保證切削鎂粒尺寸的穩(wěn)定，提高產(chǎn)品的成品率。

3 PID控制算法

PID控制是工業(yè)過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個部分共同控制控制器的輸出，達(dá)到穩(wěn)定的無差控制。

3.1 PID數(shù)學(xué)模型

PID因其結(jié)構(gòu)簡單、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PID輸出值的計(jì)算，只要誤差存在，PID就會一直計(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PID指令功能塊實(shí)現(xiàn)。通過定時(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，反饋編碼器測量的主軸轉(zhuǎn)速值，PID運(yùn)算是在PLC中完成的，為此重點(diǎn)編寫了轉(zhuǎn)速測量程序和PID運(yùn)算程序。

4.1 主程序

4.2 轉(zhuǎn)速測量子程序

轉(zhuǎn)速測量是靠光電編碼器來完成，PLC通過讀取光電編碼器單位時(shí)間發(fā)出的脈沖數(shù)來計(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。

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。

5 試驗(yàn)及結(jié)果分析

為了驗(yàn)證PID控制技術(shù)對鎂粒尺寸質(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)行測量，測量結(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)的鎂粒將被振動篩篩分掉。從抽樣的100粒鎂粒數(shù)據(jù)可以簡單計(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)測量結(jié)果，求出改造前后加工鎂粒尺寸的均值分別為:345.6 μm和339.7 μm，從均值可以看出改造前的均值要略大于理想值340 μm，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)，電動機(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，能夠維持主軸電動機(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。從圖中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:

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:

從計(jì)算結(jié)果可以看出，經(jīng)過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)語

鎂錠切削顆粒尺寸的大小和均勻度對鎂制品后續(xù)加工的質(zhì)量影響很大，采用PLC作為作為主控元件、利用變頻器來控制主軸電動機(jī)的轉(zhuǎn)速并把轉(zhuǎn)速信號通過PLC中的PID計(jì)算反饋給變頻器的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)了對主軸轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制，從而可以精確控制鎂粒的尺寸。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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