王志強(qiáng),戴澤軍,項(xiàng)錦波,彭建飛,莊曉瑋

(杭州電子科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,浙江 杭州 310018)

0 引 言

作為一種較高效而節(jié)能的先進(jìn)成型技術(shù),粉末冶金技術(shù)是復(fù)雜精密零配件成型首選的制造工藝。有色金屬、無(wú)色金屬,以及各種尺寸材料的成型都可以運(yùn)用粉末成型技術(shù)。

許多精密微小的零件,例如離合器摩擦片,在進(jìn)行粉末熱壓成型時(shí)對(duì)其重量的要求極其嚴(yán)格,微小至1 g的重量偏差都會(huì)導(dǎo)致摩擦片的使用性能和工作壽命大打折扣[1,2]。

而摩擦片熱壓成型所需的粉末一般是由樹(shù)脂、橡膠、增強(qiáng)纖維、填料等組成的復(fù)合橡膠粉末,其物理性質(zhì)極易結(jié)團(tuán),且呈絮狀,限制了其粉末稱量及其分裝的速度[3,4]。因此,在稱重機(jī)械快速自動(dòng)工作時(shí),如何提高其動(dòng)態(tài)稱量的精度和速度,一直是摩擦材料生產(chǎn)企業(yè)亟待解決的難題。

此前,許多學(xué)者對(duì)物料稱重系統(tǒng)進(jìn)行過(guò)研究,開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了一些物料稱重系統(tǒng)。高智龍[3]根據(jù)高低速二級(jí)上料策略,確立了物料稱重系統(tǒng)高低速最佳切換點(diǎn),對(duì)混凝土配料機(jī)稱量過(guò)程和控制策略引起的精度問(wèn)題進(jìn)行了優(yōu)化。童文[4]研究了迭代法算法,并對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn),減少了空中余料對(duì)稱重配料過(guò)程帶來(lái)的影響,可以較好地確保粉末稱重系統(tǒng)的精度。SAEED A等人[5]采用梁式測(cè)壓元件來(lái)測(cè)量重量,將單片機(jī)作為中央處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、線性化和校準(zhǔn)處理,設(shè)計(jì)了一種新的稱重系統(tǒng)。ZHU Jie-bin等人[6]采用嵌入式計(jì)算機(jī)為核心,并且在串聯(lián)補(bǔ)償環(huán)節(jié)加入了動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)姆椒?設(shè)計(jì)了一種新的稱重系統(tǒng),解決了系統(tǒng)非線性強(qiáng)度高和傳感器動(dòng)態(tài)性能差等問(wèn)題,縮短了稱重系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間。

綜上所述,目前已有很多學(xué)者都從算法和控制策略的角度出發(fā),對(duì)稱重系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。但是其中的大多數(shù)研究只局限于對(duì)顆粒分明、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的物料稱重,而對(duì)于容易凝集而結(jié)團(tuán)絮狀粉料的稱重研究則較少。

針對(duì)上述難題,筆者采用FX3U-32MT-E型號(hào)PLC作為連續(xù)稱重系統(tǒng)的核心,采用改進(jìn)機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制分階段稱量的方法來(lái)提高稱重精度,設(shè)計(jì)一種基于工業(yè)PLC的絮狀粉末制品微量高精度稱重系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)工作原理與性能指標(biāo)

1.1 工作原理

絮狀粉末制品微量高精度稱重系統(tǒng)設(shè)計(jì)的整體框架如圖1所示。

圖1 稱重系統(tǒng)主體設(shè)計(jì)圖

圖1中,該稱重系統(tǒng)主要由螺旋送料系統(tǒng)、負(fù)載感知系統(tǒng)、粉料排放系統(tǒng)組成。

稱重系統(tǒng)各部分具體工作原理如下:

(1)螺旋送料系統(tǒng)。首先,通過(guò)儲(chǔ)料室頂部端面設(shè)有的入料口向儲(chǔ)料室內(nèi)加入一定量絮狀粉料,再打開(kāi)稱重系統(tǒng)電門(mén)開(kāi)關(guān),PLC向電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)送指令脈沖,下料電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)通過(guò)聯(lián)軸器分別帶動(dòng)心型攪拌片和焊接在其下方的下料螺桿一同轉(zhuǎn)動(dòng);心型攪拌片的轉(zhuǎn)動(dòng)將粉料均勻分布從而使粉料向儲(chǔ)料室下部移動(dòng),下料螺桿的轉(zhuǎn)動(dòng)輸送粉料進(jìn)入儲(chǔ)料室下方的圓柱管中以待下料;通過(guò)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速或更換下料螺桿的螺距,對(duì)下料過(guò)程中的粉末量進(jìn)行了定量控制;

同時(shí),螺旋送料的下料方式能夠在給料階段使粉料在稱重臺(tái)內(nèi)均勻分布,減少對(duì)稱重傳感器的沖擊,以此達(dá)到提高稱重速度、精度的目的;

(2)負(fù)載感知系統(tǒng)。稱重臺(tái)的底部安裝有高精度重量傳感器,傳感器與重量變送器相連接,重量變送器處理傳感器的信號(hào)值并處理生成稱重臺(tái)的重量信息,通過(guò)RS485串口與PLC進(jìn)行ModbusRTU通訊,將稱重臺(tái)的重量信息反饋給PLC。確定好需稱重量X后,PLC對(duì)所有限位傳感器的觸發(fā)信號(hào)進(jìn)行檢查確認(rèn),若存在未復(fù)位信號(hào),不予啟動(dòng),需重新按下復(fù)位開(kāi)關(guān)進(jìn)行所有位置初始化復(fù)位,復(fù)位成功后讀取此時(shí)傳感器的重量信息作為初始值Y0,同時(shí)通過(guò)運(yùn)算得到目標(biāo)值Y(Y=Y0+X)和Y1(Y1=Y0+X-α)。PLC控制步進(jìn)推桿打開(kāi)下料閥門(mén),PLC控制下料電機(jī)以旋轉(zhuǎn),粉末物料開(kāi)始下料;

負(fù)載感知系統(tǒng)中的高精度稱重傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量稱重臺(tái)的重量信息,并通過(guò)數(shù)字變送器與PLC的串口通信,將重量信息反饋給PLC,PLC將重量信息與目標(biāo)值Y進(jìn)行比對(duì)構(gòu)成閉環(huán)控制。隨著下料進(jìn)行,當(dāng)稱重反饋值Z≥Y1時(shí),PLC通過(guò)DA拓展模塊控制下料電機(jī)降速,減緩裝置下料速度,使下料更平穩(wěn),提高稱量精準(zhǔn)度。隨著下料的進(jìn)行,當(dāng)稱重反饋值Z≥Y時(shí),PLC停止下料電機(jī)的旋轉(zhuǎn),控制步進(jìn)推桿推動(dòng)送料擋板關(guān)閉下料閥門(mén),下料結(jié)束;

(3)粉料排放系統(tǒng)。在下料完畢后,負(fù)載感知系統(tǒng)控制步進(jìn)推桿關(guān)閉下料閥口,PLC通過(guò)電磁閥YV控制旋轉(zhuǎn)氣缸,旋轉(zhuǎn)氣缸通過(guò)稱重傳感器和稱重臺(tái)連接件帶動(dòng)稱重臺(tái)旋轉(zhuǎn),將稱重臺(tái)中所稱的粉料傾倒至下方的導(dǎo)料槽中,粉料順著導(dǎo)料槽滑動(dòng)至后續(xù)的壓制工序。隨后氣缸復(fù)位,稱重臺(tái)恢復(fù)水平位置。

1.2 性能指標(biāo)

稱重系統(tǒng)具體性能指標(biāo)如下:

(1)通過(guò)改變下料電機(jī)轉(zhuǎn)速、改變下料螺桿螺距(通過(guò)3D打印實(shí)現(xiàn))、改變PLC設(shè)定的需稱重量X等措施,有效改變?cè)撓到y(tǒng)稱得實(shí)際粉塵重量;稱重量程范圍:0 g～20 g;

(2)在保證微量(20 g內(nèi))的前提下,高精度稱重傳感器能較好地適用于絮狀粉末物料的稱量,稱重精度范圍:±250 mg;

(3)PLC控制下旋轉(zhuǎn)氣缸傾斜的傾斜角度:0°～60°;

(4)整套裝置完成一次下料-稱料-排料的循環(huán)過(guò)程所消耗的時(shí)間:8 s～15 s。

2 系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)

螺旋送料和粉料排放模塊是該稱重裝置的核心機(jī)械部件。

2.1 螺旋送料模塊結(jié)構(gòu)

螺旋送料模塊的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 螺旋送料模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

螺旋送料模塊由下料電機(jī)(直流調(diào)速電機(jī))、帶有入料口的電機(jī)固定板、儲(chǔ)料室、心型攪拌片、下料螺桿和下料閥口組成。

其中,下料電機(jī)通過(guò)螺栓螺母安裝在電機(jī)固定板上,電機(jī)固定板通過(guò)四角的螺栓螺母安裝在儲(chǔ)料室的上端面,儲(chǔ)料室通過(guò)螺栓螺母安裝在機(jī)架上。心型攪拌片上端的光軸通過(guò)聯(lián)軸器與下料電機(jī)連接,下端的光軸插入下料螺桿中并通過(guò)旋入螺釘?shù)姆绞焦潭?。下料螺桿的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)粉料從儲(chǔ)料室的下料閥口均勻落下。下料螺桿螺距可以通過(guò)三維軟件建模和3D打印技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)更換。

此外,PLC可以通過(guò)DA拓展模塊對(duì)下料電機(jī)的輸入電壓進(jìn)行控制,達(dá)到對(duì)下料電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)[7,8]。下料電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制和下料螺桿的螺距大小選定這兩項(xiàng)參數(shù),綜合控制了該系統(tǒng)的下料速度,即性能指標(biāo)(4)中所述的內(nèi)容。

2.2 粉料排放模塊結(jié)構(gòu)

粉料排放模塊的整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 粉料排放模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖3中,粉料排放模塊由送料擋板、步進(jìn)推桿、推桿安裝架、稱重臺(tái)、凹型支撐、旋轉(zhuǎn)氣缸、稱重安裝架和氣缸安裝架組成。

機(jī)架左右側(cè)上分別通過(guò)螺釘固定安裝氣缸安裝架和推桿安裝架,推桿安裝架上通過(guò)螺釘固定安裝步進(jìn)推桿,步進(jìn)推桿左側(cè)端面固定安裝送料擋板,用于控制螺旋送料模塊中下料閥口的開(kāi)閉。

氣缸安裝架上固定安裝有旋轉(zhuǎn)氣缸,旋轉(zhuǎn)氣缸的旋轉(zhuǎn)部分固定安裝稱重安裝架,稱重安裝架上豎直安裝有高精度稱重傳感器,高精度稱重傳感器與稱重臺(tái)之間通過(guò)凹型支撐連接,凹型支撐有助于將稱重臺(tái)上的負(fù)載均勻傳遞到稱重傳感器的感應(yīng)面上,提升測(cè)量精度[9,10]。

該系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)各主要元器件的參數(shù)如表1所示。

表1 主要元器件表

同時(shí),筆者搭建了系統(tǒng)樣機(jī)。系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)物圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)物圖

3 系統(tǒng)電氣控制

3.1 電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(1)PLC控制系統(tǒng)

根據(jù)稱重系統(tǒng)的稱重測(cè)試要求,筆者設(shè)計(jì)了PLC控制系統(tǒng),如圖5所示。

圖5 PLC控制系統(tǒng)

圖5中,該系統(tǒng)主要由PLC、HMI觸摸屏、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、模擬量拓展模塊(DA)、電機(jī)調(diào)速器、數(shù)字變送器和YV電磁閥等元件組成。

筆者在Windows操作系統(tǒng)中,利用GX-Works2軟件進(jìn)行順序控制的設(shè)計(jì)以及PLC編程。其中,系統(tǒng)程序以梯形圖的編程方式進(jìn)行體現(xiàn),將編譯的結(jié)果寫(xiě)入PLC。

PLC控制系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖6所示。

圖6 PLC控制系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

圖6中,利用GTDesigner3軟件進(jìn)行觸摸屏界面設(shè)計(jì)，并寫(xiě)入觸摸屏設(shè)備中,完善稱重操作中的人機(jī)交互;PLC通過(guò)與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的通信,實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)推桿的控制;

PLC綜合數(shù)字變送器從稱重傳感器處采集到的重量信息控制下料電機(jī)的轉(zhuǎn)速,通過(guò)DA拓展模塊將含有電機(jī)轉(zhuǎn)速信息的模擬量電壓傳輸至PLC電機(jī)調(diào)速器處,PLC電機(jī)調(diào)速器得到PLC模擬量信號(hào)后,根據(jù)信號(hào)值對(duì)下料電機(jī)進(jìn)行調(diào)壓,從而對(duì)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制,達(dá)到在下料過(guò)程末尾時(shí)降低轉(zhuǎn)速的目的[11-13]。

HMI通過(guò)RS485通信電纜與PLC通信,完成對(duì)稱重參數(shù)(稱量次數(shù)、下料電機(jī)轉(zhuǎn)速、需稱質(zhì)量)的設(shè)定;復(fù)位開(kāi)關(guān)對(duì)步進(jìn)推桿的初始位置進(jìn)行復(fù)位;總開(kāi)關(guān)控制整套PLC電氣系統(tǒng)的啟動(dòng)關(guān)閉;外部電源將插座220 V電源降壓整流至24 V后,通過(guò)端子臺(tái)將電流分流以供多元件使用。

系統(tǒng)具體的硬件配置及相關(guān)具體參數(shù)如表2所示。

表2 PLC控制系統(tǒng)硬件配置

(2)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)和控制回路

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的具體驅(qū)動(dòng)和控制回路設(shè)計(jì)如圖7所示。

圖7 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)與控制回路原理圖

圖7中,該回路主要由控制電路和驅(qū)動(dòng)電路組成;控制電路由電機(jī)驅(qū)動(dòng)器PUL-和DIR-接口分別與PLC的高速輸出口Y0和Y4連接而成,主要完成電機(jī)方向Y4和控制脈沖Y0的傳輸。其中,DIR-和PUL-采取共陽(yáng)極接法,ENA-和ENA+采取空置;

驅(qū)動(dòng)電路由端子臺(tái)24 V電壓接入步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器GND、VCC端口,然后步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器輸出A+、A-、B+、B連接步進(jìn)電動(dòng)機(jī)二相繞組,根據(jù)控制電路輸入的脈沖方向信號(hào),為步進(jìn)電機(jī)各繞組提供正確的通電順序以及電機(jī)所需的高電壓大電流。

(3)模擬信號(hào)的采樣與控制回路設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求,筆者設(shè)計(jì)了高精度稱重傳感器和下料直流減速電機(jī)的信號(hào)控制回路,如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)模擬信號(hào)采樣與控制原理電路

圖8中,模擬信號(hào)的輸入傳感器通過(guò)屏蔽線與TDA-04A數(shù)字變送器上的端口連接,數(shù)字變送器將稱重信息處理后傳輸給PLC;PLC中的模擬量信號(hào)通過(guò)DA拓展模塊經(jīng)過(guò)屏蔽雙絞線傳輸給下料電機(jī),雙絞線的屏蔽層接地。

3.2 PLC控制軟件

在PC機(jī)中,筆者采用GX-Works2編程軟件,進(jìn)行系統(tǒng)的工作流程設(shè)計(jì)。

絮狀粉末制品微量高精度稱重系統(tǒng)的自動(dòng)控制流程如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)自動(dòng)控制流程圖

3.3 觸摸屏監(jiān)控軟件

利用GTDesigner3編程軟件平臺(tái),根據(jù)PLC控制軟件的設(shè)計(jì)思路,筆者設(shè)計(jì)了相應(yīng)的監(jiān)控HMI軟件界面。

系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行時(shí)的系統(tǒng)界面如圖10所示。

圖10 系統(tǒng)自動(dòng)控制監(jiān)控界面

圖10中,系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行時(shí)的系統(tǒng)界面包括:當(dāng)前參數(shù)、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)記錄、參數(shù)設(shè)定,還包括自動(dòng)運(yùn)行、自動(dòng)停止按鍵和系統(tǒng)運(yùn)行、停止、報(bào)警燈[14-16]。

該觸摸屏軟件設(shè)計(jì)的功能主要有點(diǎn)動(dòng)控制界面、分段測(cè)試界面、自動(dòng)控制界面和參數(shù)設(shè)置界面。該控制軟件主要由點(diǎn)動(dòng)控制模塊、分段控制模塊、自動(dòng)控制模塊和參數(shù)設(shè)置模塊組成,具體介紹如下:

(1)點(diǎn)動(dòng)控制界面主要用于進(jìn)行下料稱重測(cè)試過(guò)程中的各執(zhí)行元件單個(gè)動(dòng)作測(cè)試、稱重?cái)?shù)據(jù)顯示和狀態(tài)監(jiān)控,可以檢查各執(zhí)行單元是否正常工作;

(2)分段測(cè)試界面主要用于單次下料稱重測(cè)試過(guò)程中的動(dòng)作測(cè)試、稱重?cái)?shù)據(jù)顯示和狀態(tài)監(jiān)控;

(3)自動(dòng)控制界面主要用于系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行過(guò)程中的稱重?cái)?shù)據(jù)顯示和狀態(tài)監(jiān)控;

(4)參數(shù)設(shè)置界面主要用于設(shè)定點(diǎn)動(dòng)、分段和自動(dòng)控制測(cè)試界面中下料電機(jī)轉(zhuǎn)速、需稱質(zhì)量、稱重動(dòng)作次數(shù)、傳感器精度設(shè)定等具體運(yùn)行參數(shù)。

4 微量高精度稱重試驗(yàn)

筆者在某摩擦材料生產(chǎn)工廠使用了該設(shè)備,代替了該企業(yè)原本手工稱量的繁瑣工序,大大提高了企業(yè)生產(chǎn)線的自動(dòng)化程度和生產(chǎn)效率,節(jié)省了人力勞動(dòng)并減輕了揚(yáng)塵對(duì)人體的危害[17-19]。

使用過(guò)程中,該設(shè)備表現(xiàn)出了以下優(yōu)點(diǎn),即具有自動(dòng)稱量穩(wěn)定、稱量速度快、精度范圍小。

幾種不同的摩擦片熱壓用橡膠粉料的部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 微量高精度稱重試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表3中,幾種粉末被筆者分別連續(xù)稱重了100次,其達(dá)標(biāo)率達(dá)到96%以上。筆者取企業(yè)常用于生產(chǎn)的一種混合橡膠粉料作為試驗(yàn)粉料,橡膠粉料為主要成分,由樹(shù)脂、橡膠、增強(qiáng)纖維、填料等組成,其常規(guī)摻水量為6%。其中摻水橡膠粉料摻水量為10%,干燥橡膠粉料摻水量為2%[20]。橡膠粉料和摻水橡膠粉料的稱重平均速度為12 s/次～14 s/次,稱量速度高于企業(yè)后續(xù)熱壓工序要求的稱量速度15 s/次～20 s/次。

而干燥橡膠粉料的稱重平均速度為20 s/次～23 s/次,由于粉料缺少必要水分,結(jié)團(tuán)能力大大加強(qiáng),粉料容易粘結(jié)在下料閥口和下料螺桿之間,降低了稱重速度[21-23]。

從表3可知:普通橡膠粉料稱重值標(biāo)準(zhǔn)差為0.209 3 g,最大相對(duì)誤差為2.3%;摻水橡膠粉料稱重值標(biāo)準(zhǔn)差為0.180 9 g,最大相對(duì)誤差為2.2%;干燥橡膠粉料稱重值標(biāo)準(zhǔn)差為0.347 7 g,最大相對(duì)誤差為3.5%。

該裝置實(shí)際平均稱重精度高于要求精度,且稱重值相對(duì)誤差范圍被控制在了2%～4%內(nèi);由于粉料含水量的不同,稱重結(jié)果也會(huì)出現(xiàn)不同的波動(dòng),但是波動(dòng)數(shù)值仍在要求的精度范圍內(nèi)。

后期,該裝置仍需要克服低含水量粉料帶來(lái)的高結(jié)團(tuán)能力所出現(xiàn)的干擾。

5 結(jié)束語(yǔ)

筆者針對(duì)摩擦片熱壓用橡膠粉末易結(jié)團(tuán)的物理特性,以及稱重過(guò)程中的精度和速度問(wèn)題,研制了以PLC為核心控制器,以螺旋送料模塊和粉料排放模塊為核心機(jī)械結(jié)構(gòu)的絮狀粉末制品微量高精度稱重系統(tǒng),并進(jìn)行了樣機(jī)的稱重試驗(yàn)。

試驗(yàn)結(jié)果表明;

(1)本系統(tǒng)的稱重誤差能夠穩(wěn)定在250 mg以內(nèi);稱重值標(biāo)準(zhǔn)差控制在0.21 g以內(nèi),最大相對(duì)誤差控制在2.5%以內(nèi),且稱重速度達(dá)到12 s/次～14 s/次,能夠滿足后續(xù)粉料熱壓工序的速度要求;

(2)在稱量干燥橡膠粉料時(shí)的效果不理想,稱重誤差超過(guò)500 mg且標(biāo)準(zhǔn)偏差達(dá)到了350 mg,稱重值的波動(dòng)幅度較大,說(shuō)明仍需在機(jī)械結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行優(yōu)化以應(yīng)對(duì)更高結(jié)團(tuán)能力的粉料。

之后,筆者需要進(jìn)一步研究微弱風(fēng)對(duì)該稱重系統(tǒng)效果的影響,以及補(bǔ)償粉末掉落對(duì)稱重傳感器沖擊力誤差的控制策略。