梅懷帥++蘇建勇+++張帥++張西茂++周帥華
摘 要:本文闡述了一款在第一代人造金剛石選型機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行智能數(shù)字化改造并升級(jí)金剛石選型機(jī),詳細(xì)說明了設(shè)備控制系統(tǒng)的特點(diǎn),工作原理和生產(chǎn)使用效果。
關(guān)鍵詞:人造金剛石;分選智能化選型機(jī);控制;原理
中圖分類號(hào):TP31 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
0.引言
中國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展帶動(dòng)了金剛石制造業(yè)蓬勃發(fā)展,為中國(guó)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)做出巨大貢獻(xiàn)的同時(shí),也存在不少問題,產(chǎn)品質(zhì)量低,品牌產(chǎn)品少,高檔產(chǎn)品以進(jìn)口為主。企業(yè)勞動(dòng)密集,耗費(fèi)較多的人工。尤其是因?yàn)榧夹g(shù)的原因造成的企業(yè)勞動(dòng)密集的問題,在中國(guó)的人口紅利漸漸遠(yuǎn)去的今天和未來,顯得尤為突出。
近年來,工業(yè)4.0的提出得到了很大的重視。在金剛石選型工藝段,需要大量的選型設(shè)備,由于原來的設(shè)備操作不便,需要大量的技術(shù)性工人來調(diào)試選型機(jī),由于人工的干預(yù)造成了產(chǎn)品質(zhì)量不可控,由此我們研發(fā)一款智能化人造金剛石選型機(jī)。
1.選型機(jī)的工作原理
工作原理是:利用振動(dòng)和摩擦的作用以及二者的相互作用和影響,通過調(diào)整具有一定表面粗糙度的三角形分選盤面的縱向和橫向傾角及振動(dòng)頻率和振幅,來達(dá)到分選的目的。但對(duì)于單個(gè)顆粒金剛石來說,它在盤面上的運(yùn)動(dòng)又是很復(fù)雜的隨機(jī)運(yùn)動(dòng),因此,各個(gè)金剛石顆粒在不同的選型機(jī)上從出料口出料的位置并不相對(duì)固定,只是從概率論的層面上來講,集中在出料端的某一位置區(qū)域。那么,外形略好于以及略差于某類的另外兩類物料在出料端的位置區(qū)域則應(yīng)位于該類物料的下方或者上方,但分布不會(huì)有明顯的界限,而是相互疊加的,故對(duì)應(yīng)于出料端上某一料斗,會(huì)有多種外形相近的金剛石落入其中,只是某一種分布區(qū)域中心正對(duì)著該料斗的物料落入其中的幾率最大。這就使得在振動(dòng)選型的過程中,選完幾遍之后,往往中間有些料斗收集的物料有一部分是上一等級(jí)的,又有一部分是下一等級(jí)的,即有不同等級(jí)的料還是混在一起,需要進(jìn)一步分選。但這種分選只是一個(gè)漸近過程,永遠(yuǎn)也難以將不同等級(jí)的顆粒決然分別開來。
2.選型機(jī)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)要求
2.1選型機(jī)的設(shè)備結(jié)構(gòu)
該設(shè)備作為一種小型振動(dòng)設(shè)備,分別有兩個(gè)工作的動(dòng)力源:分選振動(dòng)器和給料振動(dòng)器。分選振動(dòng)器給振動(dòng)盤的微震提供動(dòng)力,保證分選過程正常有序;給料振動(dòng)器使大容量給料裝置為設(shè)備工作提供源源不斷的原料,且通過調(diào)整振動(dòng)器的電壓可以精準(zhǔn)控制下料的速度。
2.2根據(jù)客戶提出的要求,分析設(shè)備的具體參數(shù)如下:
(1)四路脈沖,控制4個(gè)步進(jìn)電機(jī)。
(2)四路模擬量輸入。
①2路電壓調(diào)節(jié),精度是0.5V,②2路角度調(diào)節(jié),精度是0.2度。
(3)通信:以太網(wǎng)通信。
(4)下位機(jī)能實(shí)現(xiàn)參數(shù)存儲(chǔ),10組配方。
3.系統(tǒng)硬件配置
如圖1所示:
由于設(shè)備的要求是4路脈沖,一般小型的PLC只能帶3路,所以控制器選擇西門子的1200系列CPU1214C PLC;觸摸屏選用的西門子的TP700;步進(jìn)電機(jī)和步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器選用的是明志的迷你型的,步進(jìn)電機(jī)型號(hào)AM17HDB410-01N,驅(qū)動(dòng)器型號(hào):SR3-mini。
3.1 PLC簡(jiǎn)介
西門子PLC S7-1200系列是一款中小型西門子PLC,可以在各種自動(dòng)化項(xiàng)目中進(jìn)行應(yīng)用。S7-1200系列設(shè)計(jì)較為緊湊,經(jīng)濟(jì)性較好,而且指令功能較為強(qiáng)大,因此在各種自動(dòng)化控制解決方案中有較廣泛的應(yīng)用。作為西門子PLC S7-200系列的升級(jí)版,西門子PLC S7-1200具有很多集成在CPU上的功能,與此同時(shí),它的組態(tài)軟件博圖V14具有運(yùn)動(dòng)控制塊,可以很方便實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制的組態(tài)。
3.2步進(jìn)電機(jī)簡(jiǎn)介
由于電壓調(diào)節(jié)和角度調(diào)節(jié)的精度太高,一般的直流電機(jī)不可行,伺服系統(tǒng)成本過高,不可行,所以只能選步進(jìn)系統(tǒng)。步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制電機(jī),是現(xiàn)代數(shù)字程序控制系統(tǒng)中的主要執(zhí)行元件,應(yīng)用極為廣泛。在非超載的情況下,電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù),而不受負(fù)載變化的影響,當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào),它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度,稱為“步距角”,它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的??梢酝ㄟ^控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量,從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的;同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度,從而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有快速起停、精確步進(jìn)和定位等特點(diǎn),所以常用作工業(yè)過程控制及儀器儀表,使用PLC可編程控制器實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng),可使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的抗干擾能力強(qiáng),可靠性高,既可實(shí)現(xiàn)精確定位控制,又能降低控制成本,還有便于維護(hù)。
4.系統(tǒng)控制原理
4.2 電壓調(diào)節(jié)
4.2.1 電壓調(diào)節(jié)的原理
如圖3所示,PLC控制器發(fā)出脈沖信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器,步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一定的角度,控制調(diào)壓器的輸出,來調(diào)節(jié)振動(dòng)線圈的電壓,來改變給料和選料振幅的大小,改變物料在分選板上的運(yùn)行軌跡。
4.2.2 調(diào)壓器的結(jié)構(gòu)改造
原裝調(diào)壓器是手動(dòng)調(diào)節(jié)的,市場(chǎng)上沒有類似數(shù)字調(diào)壓器,需要專門為這個(gè)設(shè)計(jì)一個(gè)結(jié)構(gòu),改造成數(shù)字可調(diào)的,結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。
4.2.3 電壓調(diào)節(jié)的控制方法
電壓調(diào)節(jié)最終目的是滿足客戶的需求,所以電壓調(diào)節(jié)的精度滿足客戶要求的前提下,采取更加優(yōu)化的方法,因?yàn)橐惶?4小時(shí)之內(nèi),每個(gè)時(shí)間階段的電壓不一樣,會(huì)有波動(dòng),白天上午和下午的電壓不一樣,晚上和白天的電壓也不一樣,因此為了更好地控制調(diào)壓器輸出的電壓,我們采用閉環(huán)跟隨控制方法,根據(jù)設(shè)定值和實(shí)際供電電壓的高低實(shí)時(shí)控制調(diào)壓器的輸出,當(dāng)供電電壓高于設(shè)定值時(shí),調(diào)壓器輸出減小,當(dāng)供電電壓小于設(shè)定值時(shí),調(diào)壓器輸出增大;來解決客戶提出電壓波動(dòng)的問題,同時(shí)分選板的振幅更加穩(wěn)定,選型的效果符合客戶的要求。
4.3 角度調(diào)節(jié)
4.3.1 角度調(diào)節(jié)的原理
如圖5所示,PLC控制器發(fā)出脈沖信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器,步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一定的角度,通過推桿的變換,角度控制轉(zhuǎn)換為直線控制,來調(diào)節(jié)振動(dòng)平臺(tái)的升降,來改變分選板的前后角,改變振動(dòng)平臺(tái)傾斜角度,物料在分選板上的運(yùn)行軌跡會(huì)根據(jù)角度的變化而變化。
4.3.2 角度調(diào)節(jié)的結(jié)構(gòu)改造
調(diào)節(jié)振動(dòng)平臺(tái)的推桿,市場(chǎng)上小功率的都直流電動(dòng)推桿,步進(jìn)電動(dòng)推桿都是蝸輪蝸桿的大扭矩,體型比較大,選型機(jī)的內(nèi)部改造空間比較小,所以沒有合適的推桿,需要從新定做,推力是1200N*M,推桿伸縮距離是200mm,精度是0.1mm。
4.3.3 角度調(diào)節(jié)的控制方法
角度調(diào)節(jié)最終目的是滿足客戶的需求,所以角度調(diào)節(jié)的精度滿足客戶要求的前提下,采取更加優(yōu)化的方法,我們采用閉環(huán)控制,角度設(shè)定值和角度傳感器測(cè)回的實(shí)際角度作比較實(shí)時(shí)控制分選振動(dòng)平臺(tái)的升降,當(dāng)實(shí)際值高于設(shè)定值時(shí),分選板控制平臺(tái)降低,當(dāng)實(shí)際值小于設(shè)定值時(shí),分選板控制平臺(tái)升高。
5.設(shè)備安裝調(diào)試
5.1設(shè)備組裝
設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)安裝要求地面比較平整,設(shè)備擺放到位后,四角必須調(diào)平固定,不能出現(xiàn)晃動(dòng)現(xiàn)象,否則設(shè)備就無(wú)法調(diào)試到需要的狀態(tài),因?yàn)槊恳粋€(gè)細(xì)節(jié)的變化,比如四角不穩(wěn),減震不一樣,分選板粗糙度不一樣,角度變化精度不一樣等等都會(huì)改變?cè)O(shè)備的運(yùn)行狀態(tài),所以盡量避免一些可以避免的多變量的變化。
5.2設(shè)備通電調(diào)試
設(shè)備上電后,給料電壓,選料電壓,左面角度和后面角度4個(gè)參數(shù)設(shè)定后,一建啟動(dòng),就可以了,設(shè)備自動(dòng)運(yùn)行到需要的參數(shù),如果參數(shù)不合理,重新設(shè)定參數(shù),在次啟動(dòng)設(shè)備觸摸屏的啟動(dòng)按鈕就好了。參數(shù)符合要求后,保存為自己名字的配方,下次使用直接調(diào)用對(duì)應(yīng)配方的名字,可以保存10組不同的配方,也就是說設(shè)備可以對(duì)不同的人造金剛石進(jìn)行分選,僅僅需要點(diǎn)下按鈕,操作非常簡(jiǎn)單。
由以上曲線(圖6)可知,導(dǎo)致每臺(tái)設(shè)備的參數(shù)不一樣原因,設(shè)備元器件的加工精度,電氣元器件的參數(shù)誤差(線圈),設(shè)備焊接時(shí)的要求精度等都會(huì)造成設(shè)備的參數(shù)不一樣,但是選出的人造金剛石的結(jié)果是一樣的。
結(jié)論
從實(shí)際運(yùn)行情況分析,智能化金剛石選型機(jī)控制系統(tǒng)的研制,降低了人工的勞動(dòng)強(qiáng)度,提高了產(chǎn)品的穩(wěn)定性,同時(shí)為整個(gè)車間的數(shù)據(jù)采集,網(wǎng)絡(luò)化提供基礎(chǔ)。
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