□ 杭柏林 □ 仲?gòu)V民 □ 劉 展

1.青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 山東青島 266061

2.青島萬(wàn)龍智控科技有限公司 山東青島 266042

1 設(shè)計(jì)背景

在橡膠、食品、醫(yī)藥等行業(yè)中，制備部分產(chǎn)品需要將多種原材料在不同工位的設(shè)備上按一定比例混合加工，其中每個(gè)工位負(fù)責(zé)一種原料。這種將原材料按一定比例混合的過(guò)程稱(chēng)為配料，其混合配比的精確度直接關(guān)系到產(chǎn)品質(zhì)量的優(yōu)劣，因此按特定配比精確配料是保證產(chǎn)品質(zhì)量的一個(gè)重要工藝環(huán)節(jié)［1］。目前在配料車(chē)間內(nèi)，較為常見(jiàn)的給料設(shè)備是螺旋式給料機(jī)［2］與振動(dòng)式給料機(jī)［3］。螺旋式給料機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)行可靠、輸送量大，但葉片和料槽較易磨損，不利于干燥，進(jìn)料口空間小，容易造成堵料現(xiàn)象。振動(dòng)式給料機(jī)雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功率小，但易造成物料碎裂，不能輸送粘結(jié)性的物料。相比于螺旋式給料機(jī)和振動(dòng)式給料機(jī)，傳統(tǒng)的裙帶式皮帶給料機(jī)［4］具有輸送能力大、便于實(shí)現(xiàn)程序化控制的特點(diǎn)?；趥鹘y(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)，進(jìn)行裙帶式皮帶給料機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)與控制方法的設(shè)計(jì)改造，可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和給料的精確性［5-6］。

筆者分析了影響給料設(shè)備微給料的因素，對(duì)傳統(tǒng)裙帶式皮帶給料機(jī)進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)改造，設(shè)計(jì)了智能型皮帶給料機(jī)，并選用落差預(yù)估控制算法［7］進(jìn)行數(shù)值仿真，分析設(shè)計(jì)效果，以使設(shè)備達(dá)到高效率、高精度、強(qiáng)穩(wěn)定性、智能控制的要求。

2 微給料影響因素

影響給料機(jī)微給料的因素主要有物料下落的沖擊力、下料落差的產(chǎn)生和給料動(dòng)作的滯后等［8］，其中對(duì)稱(chēng)量精度影響最大的是下料落差的產(chǎn)生。前文所述常見(jiàn)的給料機(jī)在機(jī)械結(jié)構(gòu)上普遍沒(méi)有設(shè)計(jì)微給料機(jī)械結(jié)構(gòu)。為了能夠?qū)崿F(xiàn)給料機(jī)的微給料，許多設(shè)備選擇提前關(guān)閉給料門(mén)來(lái)克服由下料落差引起的稱(chēng)量誤差。但由于各種因素的影響，下料落差值是隨機(jī)的，采用預(yù)關(guān)門(mén)方法，需要保證試驗(yàn)條件不變，但實(shí)際控制參數(shù)是實(shí)時(shí)變化的，給料機(jī)給料的穩(wěn)定性比較低［9］。

針對(duì)影響給料機(jī)微給料的因素，筆者在給料機(jī)上增加微給料調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)與料層厚度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)了智能型皮帶給料機(jī)，并結(jié)合現(xiàn)有的下料落差控制算法進(jìn)行工程改進(jìn)，通過(guò)在給料過(guò)程中調(diào)節(jié)給料速度，控制給料流量與給料精度，提高控制系統(tǒng)的可控性、實(shí)時(shí)性，提高給料精度與效率。

3 智能型皮帶給料機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智能型皮帶給料機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，具體包括減速電機(jī)、料層厚度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、帶裙邊皮帶和微給料調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)等。

▲圖1 智能型皮帶給料機(jī)結(jié)構(gòu)

智能型皮帶給料機(jī)在工作時(shí)，物料從進(jìn)料口進(jìn)料，帶裙邊皮帶以初始速度V0開(kāi)始運(yùn)送物料。料層厚度調(diào)整機(jī)構(gòu)設(shè)定兩個(gè)擋位調(diào)節(jié)料層的高度，皮帶輸送物料落入下方計(jì)量秤上。皮帶的帶速不斷降低，進(jìn)入微給料階段后，皮帶停止轉(zhuǎn)動(dòng)，微給料調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)開(kāi)始緩慢給料，物料下落至出料口底部的計(jì)量秤上。當(dāng)計(jì)量秤稱(chēng)得物料處于誤差允許范圍之內(nèi)后，微給料調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)停止給料，物料稱(chēng)量結(jié)束。圖2所示為智能型皮帶給料機(jī)的料層厚度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，H為給料機(jī)物料擋板上下移動(dòng)的高度，H=70 mm；a為物料擋板頂部可以移動(dòng)的高度，0≤a≤40 mm；b為物料擋板寬度，b=30 mm；h為物料厚度調(diào)整范圍，0≤h≤40 mm。由于電缸具有控制精度高、易與可編程序控制器連接的特點(diǎn)，因此可以根據(jù)控制參數(shù)預(yù)先設(shè)定好電缸移動(dòng)的距離，使電缸推動(dòng)物料擋板上下運(yùn)動(dòng)，調(diào)整物料厚度在 40～20 mm與 20～10 mm這兩個(gè)擋位上。

▲圖2 料層厚度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

微給料調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)如圖3所示，e為皮帶到微給料調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的垂直距離，e=40 mm；g為皮帶驅(qū)動(dòng)軸到微給料調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的距離，可由物料到達(dá)皮帶末端的速度和e來(lái)確定；k為微給料調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)儲(chǔ)料倉(cāng)的長(zhǎng)度；d為皮帶到出料口的距離；β為微給料調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)儲(chǔ)料倉(cāng)的扇葉每次可以轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。在微給料階段，由減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)蝸輪蝸桿帶動(dòng)扇葉轉(zhuǎn)動(dòng)β角度，會(huì)有微量的物料落入計(jì)量秤上。待計(jì)量秤稱(chēng)得物料的誤差縮小至誤差允許范圍之內(nèi)后，微給料調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)停止工作。微給料調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)在微給料階段前處于靜止?fàn)顟B(tài)，工作時(shí)通過(guò)皮帶初始速度以?huà)佄锞€(xiàn)形式拋灑物料落入機(jī)構(gòu)內(nèi)部。

▲圖3 微給料調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

4 配料控制系統(tǒng)的改進(jìn)

4.1 控制系統(tǒng)

智能型皮帶給料機(jī)控制系統(tǒng)流程如圖4所示，采用基于給料速度的閉環(huán)控制，以物料的給料速度為控制參數(shù)，通過(guò)改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制皮帶的線(xiàn)速度。當(dāng)皮帶給料處于誤差允許范圍之內(nèi)后，微給料調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)開(kāi)始執(zhí)行微給料，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)值后稱(chēng)量結(jié)束。

4.2 基于給料速度的控制模型

基于給料速度的閉環(huán)控制，以物料的給料速度為控制參數(shù)，對(duì)各因素的變化均以改變振動(dòng)力或電機(jī)轉(zhuǎn)速的方式加以控制，克服了各種因素對(duì)稱(chēng)量精度和生產(chǎn)效率的影響。圖5給出了理想速度變化目標(biāo)模型，對(duì)應(yīng)多段速度給料方法。在實(shí)施配料過(guò)程中，對(duì)速度控制的方法進(jìn)行了工程化改進(jìn)，便于使用可編程序控制器進(jìn)行控制，如圖6所示。

在實(shí)際稱(chēng)量控制過(guò)程中，由于給料的真實(shí)速度始終圍繞理想速度曲線(xiàn)在波動(dòng)，模型各給料速度的轉(zhuǎn)換必須與實(shí)際給料速度匹配控制，這樣效果才最佳。根據(jù)配比的要求，物料的稱(chēng)量在指定時(shí)間內(nèi)完成，并保證稱(chēng)量的精度。物料稱(chēng)量的過(guò)程是對(duì)物料質(zhì)量的累積過(guò)程，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，稱(chēng)量的質(zhì)量G不斷接近目標(biāo)值Gs。根據(jù)配料速度變化、稱(chēng)量和機(jī)械系統(tǒng)特性等要求，在30 s內(nèi)需完成最大10 kg的稱(chēng)量。利用倒推法，t2～t7各段稱(chēng)量時(shí)間均設(shè)為 3 s，在稱(chēng)量速度V5、V4、V3、V2、V1依次為 20 g/s、60 g/s、120 g/s、200 g/s、300 g/s 時(shí)，稱(chēng)量時(shí)間為15 s，稱(chēng)量2.1 kg。剩余物料7.9 kg以V0的速度進(jìn)行稱(chēng)量，則初始給料速度V0不應(yīng)低于527 g/s。

4.3 相關(guān)控制參數(shù)

根據(jù)智能型皮帶給料機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理，輸送物料的量即為稱(chēng)量質(zhì)量G。G與給料機(jī)出口寬度W、料層高度hn、皮帶線(xiàn)速度U、稱(chēng)量時(shí)間t的關(guān)系為：

式中：ρ為物料的堆積密度，g/cm3。

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，給料機(jī)的物料出口寬度W一般設(shè)計(jì)為 100～200 mm，料層高度hn一般設(shè)計(jì)為 10～40 mm，皮帶線(xiàn)速度U一般≤300 mm/s，且頻率在50～80 Hz間變化時(shí)實(shí)現(xiàn)皮帶線(xiàn)速度U在20～300 mm/s間連續(xù)可調(diào)。

在橡膠行業(yè)生產(chǎn)工藝的配料中，氧化鋅是配料量最大的品種，能滿(mǎn)足該物料配料的要求，其它物料即可滿(mǎn)足要求。以氧化鋅為例對(duì)智能型皮帶給料機(jī)各參數(shù)進(jìn)行確定。依據(jù)式（1）有：

▲圖4 智能型皮帶給料機(jī)控制系統(tǒng)流程

▲圖5 理想速度變化目標(biāo)模型

▲圖6 可編程序控制器控制模型

給料速度V為：

根據(jù)在30 s內(nèi)完成10 kg物料稱(chēng)量的要求，最大稱(chēng)量速度Vmax不應(yīng)低于527 g/s，稱(chēng)量時(shí)間為15 s，稱(chēng)量質(zhì)量G為7.9 kg，氧化鋅的堆積密度ρ=0.4 g/cm3，料層高度hn取40 mm。

當(dāng)W=100 mm 時(shí)，由式（2）得U=329 mm/s，由式（3）得V=526 g/s。

當(dāng)W=150 mm 時(shí)，由式（2）得U=219 mm/s，由式（3）得V=526 g/s。

當(dāng)W=200 mm 時(shí)，由式（2）得U=165 mm/s，由式（3）得V=528 g/s。

筆者以U=300 mm/s、hn=30 mm、W=200 mm 作為一組設(shè)計(jì)參數(shù)，由式（3）得V=720 g/s＞527 g/s，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

5 數(shù)值仿真

基于下料落差預(yù)估模型［10］，采用Visual Studio中的C#語(yǔ)言編程進(jìn)行數(shù)值仿真。為更貼合實(shí)際，數(shù)值仿真速度的設(shè)定值疊加了±10 g/s的隨機(jī)變化量。選取一種配比進(jìn)行仿真，配比中的物料及相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

表2所示為在相同配比下，車(chē)間實(shí)際稱(chēng)量誤差與數(shù)值仿真誤差的比較。每車(chē)次的實(shí)際稱(chēng)量誤差為生產(chǎn)車(chē)間現(xiàn)場(chǎng)采用脈動(dòng)加料法時(shí)的實(shí)際稱(chēng)量與設(shè)定質(zhì)量的誤差。數(shù)值仿真誤差為采用下料落差預(yù)估模型的智能型皮帶給料機(jī)數(shù)值仿真結(jié)果與設(shè)定質(zhì)量的誤差。由表2可知，生產(chǎn)車(chē)間現(xiàn)場(chǎng)給料實(shí)際稱(chēng)量誤差的最大標(biāo)準(zhǔn)偏差為3.391 16 g，最小標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.449 49 g，智能型皮帶給料機(jī)數(shù)值仿真誤差的最大標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.303 84 g，最小標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.140 17g，后者的稱(chēng)量穩(wěn)定性要遠(yuǎn)好于前者。

表1 物料及相關(guān)參數(shù)

表2 誤差比較 g

根據(jù)表2的數(shù)據(jù)還可以明顯看出，智能型皮帶給料機(jī)每車(chē)次物料的數(shù)值仿真總誤差均小于車(chē)間現(xiàn)場(chǎng)采用脈動(dòng)加料法時(shí)的實(shí)際稱(chēng)量誤差，且每車(chē)次的單物料稱(chēng)量誤差都處于±5 g內(nèi)。因此，可以得出結(jié)論，智能型皮帶給料機(jī)的數(shù)值仿真結(jié)果優(yōu)于車(chē)間現(xiàn)場(chǎng)采用脈動(dòng)加料法時(shí)的稱(chēng)量結(jié)果。

6 總結(jié)

筆者在傳統(tǒng)裙帶式皮帶給料機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加了微給料調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、料層厚度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)了智能型皮帶給料機(jī)，并基于給料速度進(jìn)行閉環(huán)控制，選取下料落差預(yù)估模型作為落差控制算法，確定相關(guān)控制參數(shù)。數(shù)值仿真結(jié)果表明，智能型皮帶給料機(jī)的稱(chēng)量結(jié)果優(yōu)于生產(chǎn)車(chē)間現(xiàn)場(chǎng)采用的脈動(dòng)加料法。因此，筆者設(shè)計(jì)的智能型皮帶給料機(jī)可在配料過(guò)程中推廣應(yīng)用，提高配料稱(chēng)量的精度、效率與系統(tǒng)穩(wěn)定性。