王志強,戴澤軍,項錦波,彭建飛,莊曉瑋

(杭州電子科技大學(xué) 機械工程學(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、無色金屬,以及各種尺寸材料的成型都可以運用粉末成型技術(shù)。

許多精密微小的零件,例如離合器摩擦片,在進行粉末熱壓成型時對其重量的要求極其嚴格,微小至1 g的重量偏差都會導(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脂、橡膠、增強纖維、填料等組成的復(fù)合橡膠粉末,其物理性質(zhì)極易結(jié)團,且呈絮狀,限制了其粉末稱量及其分裝的速度[3,4]。因此,在稱重機械快速自動工作時,如何提高其動態(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)者對物料稱重系統(tǒng)進行過研究,開發(fā)設(shè)計了一些物料稱重系統(tǒng)。高智龍[3]根據(jù)高低速二級上料策略,確立了物料稱重系統(tǒng)高低速最佳切換點,對混凝土配料機稱量過程和控制策略引起的精度問題進行了優(yōu)化。童文[4]研究了迭代法算法,并對其進行了改進,減少了空中余料對稱重配料過程帶來的影響,可以較好地確保粉末稱重系統(tǒng)的精度。SAEED A等人[5]采用梁式測壓元件來測量重量,將單片機作為中央處理器進行數(shù)據(jù)的采集、線性化和校準處理,設(shè)計了一種新的稱重系統(tǒng)。ZHU Jie-bin等人[6]采用嵌入式計算機為核心,并且在串聯(lián)補償環(huán)節(jié)加入了動態(tài)補償?shù)姆椒?設(shè)計了一種新的稱重系統(tǒng),解決了系統(tǒng)非線性強度高和傳感器動態(tài)性能差等問題,縮短了稱重系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)的時間。

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),對稱重系統(tǒng)進行了優(yōu)化設(shè)計。但是其中的大多數(shù)研究只局限于對顆粒分明、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的物料稱重,而對于容易凝集而結(jié)團絮狀粉料的稱重研究則較少。

針對上述難題,筆者采用FX3U-32MT-E型號PLC作為連續(xù)稱重系統(tǒng)的核心,采用改進機械結(jié)構(gòu)和控制分階段稱量的方法來提高稱重精度,設(shè)計一種基于工業(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

1.1 工作原理

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

圖1 稱重系統(tǒng)主體設(shè)計圖

圖1中,該稱重系統(tǒng)主要由螺旋送料系統(tǒng)、負載感知系統(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,通過儲料室頂部端面設(shè)有的入料口向儲料室內(nèi)加入一定量絮狀粉料,再打開稱重系統(tǒng)電門開關(guān),PLC向電機驅(qū)動器發(fā)送指令脈沖,下料電機轉(zhuǎn)動通過聯(lián)軸器分別帶動心型攪拌片和焊接在其下方的下料螺桿一同轉(zhuǎn)動;心型攪拌片的轉(zhuǎn)動將粉料均勻分布從而使粉料向儲料室下部移動,下料螺桿的轉(zhuǎn)動輸送粉料進入儲料室下方的圓柱管中以待下料;通過控制電機轉(zhuǎn)速或更換下料螺桿的螺距,對下料過程中的粉末量進行了定量控制;

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

(2)負載感知系統(tǒng)。稱重臺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值并處理生成稱重臺的重量信息,通過RS485串口與PLC進行ModbusRTU通訊,將稱重臺的重量信息反饋給PLC。確定好需稱重量X后,PLC對所有限位傳感器的觸發(fā)信號進行檢查確認,若存在未復(fù)位信號,不予啟動,需重新按下復(fù)位開關(guān)進行所有位置初始化復(fù)位,復(fù)位成功后讀取此時傳感器的重量信息作為初始值Y0,同時通過運算得到目標值Y(Y=Y0+X)和Y1(Y1=Y0+X-α)。PLC控制步進推桿打開下料閥門,PLC控制下料電機以旋轉(zhuǎn),粉末物料開始下料;

負載感知系統(tǒng)中的高精度稱重傳感器實時測量稱重臺的重量信息,并通過數(shù)字變送器與PLC的串口通信,將重量信息反饋給PLC,PLC將重量信息與目標值Y進行比對構(gòu)成閉環(huán)控制。隨著下料進行,當稱重反饋值Z≥Y1時,PLC通過DA拓展模塊控制下料電機降速,減緩裝置下料速度,使下料更平穩(wěn),提高稱量精準度。隨著下料的進行,當稱重反饋值Z≥Y時,PLC停止下料電機的旋轉(zhuǎn),控制步進推桿推動送料擋板關(guān)閉下料閥門,下料結(jié)束;

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

1.2 性能指標

稱重系統(tǒng)具體性能指標如下:

(1)通過改變下料電機轉(zhuǎn)速、改變下料螺桿螺距(通過3D打印實現(xiàn))、改變PLC設(shè)定的需稱重量X等措施,有效改變該系統(tǒng)稱得實際粉塵重量;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)過程所消耗的時間:8 s～15 s。

2 系統(tǒng)機械結(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

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

其中,下料電機通過螺栓螺母安裝在電機固定板上,電機固定板通過四角的螺栓螺母安裝在儲料室的上端面,儲料室通過螺栓螺母安裝在機架上。心型攪拌片上端的光軸通過聯(lián)軸器與下料電機連接,下端的光軸插入下料螺桿中并通過旋入螺釘?shù)姆绞焦潭āＯ铝下輻U的旋轉(zhuǎn)帶動粉料從儲料室的下料閥口均勻落下。下料螺桿螺距可以通過三維軟件建模和3D打印技術(shù)進行實時更換。

此外,PLC可以通過DA拓展模塊對下料電機的輸入電壓進行控制,達到對下料電機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)[7,8]。下料電機的轉(zhuǎn)速控制和下料螺桿的螺距大小選定這兩項參數(shù),綜合控制了該系統(tǒng)的下料速度,即性能指標(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

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

機架左右側(cè)上分別通過螺釘固定安裝氣缸安裝架和推桿安裝架,推桿安裝架上通過螺釘固定安裝步進推桿,步進推桿左側(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之間通過凹型支撐連接,凹型支撐有助于將稱重臺上的負載均勻傳遞到稱重傳感器的感應(yīng)面上,提升測量精度[9,10]。

該系統(tǒng)的機械結(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,筆者搭建了系統(tǒng)樣機。系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)實物圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)實物圖

3 系統(tǒng)電氣控制

3.1 電氣系統(tǒng)設(shè)計

(1)PLC控制系統(tǒng)

根據(jù)稱重系統(tǒng)的稱重測試要求,筆者設(shè)計了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、步進電機驅(qū)動器、模擬量拓展模塊(DA)、電機調(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軟件進行順序控制的設(shè)計以及PLC編程。其中,系統(tǒng)程序以梯形圖的編程方式進行體現(xiàn),將編譯的結(jié)果寫入PLC。

PLC控制系統(tǒng)簡圖如圖6所示。

圖6 PLC控制系統(tǒng)簡圖

圖6中,利用GTDesigner3軟件進行觸摸屏界面設(shè)計，并寫入觸摸屏設(shè)備中,完善稱重操作中的人機交互;PLC通過與步進電機驅(qū)動器的通信,實現(xiàn)對步進推桿的控制;

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的轉(zhuǎn)速,通過DA拓展模塊將含有電機轉(zhuǎn)速信息的模擬量電壓傳輸至PLC電機調(diào)速器處,PLC電機調(diào)速器得到PLC模擬量信號后,根據(jù)信號值對下料電機進行調(diào)壓,從而對電機輸出轉(zhuǎn)速進行控制,達到在下料過程末尾時降低轉(zhuǎn)速的目的[11-13]。

HMI通過RS485通信電纜與PLC通信,完成對稱重參數(shù)(稱量次數(shù)、下料電機轉(zhuǎn)速、需稱質(zhì)量)的設(shè)定;復(fù)位開關(guān)對步進推桿的初始位置進行復(fù)位;總開關(guān)控制整套PLC電氣系統(tǒng)的啟動關(guān)閉;外部電源將插座220 V電源降壓整流至24 V后,通過端子臺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)步進電機的驅(qū)動和控制回路

步進電動機的具體驅(qū)動和控制回路設(shè)計如圖7所示。

圖7 步進電動機的驅(qū)動與控制回路原理圖

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

驅(qū)動電路由端子臺24 V電壓接入步進驅(qū)動器GND、VCC端口,然后步進驅(qū)動器輸出A+、A-、B+、B連接步進電動機二相繞組,根據(jù)控制電路輸入的脈沖方向信號,為步進電機各繞組提供正確的通電順序以及電機所需的高電壓大電流。

(3)模擬信號的采樣與控制回路設(shè)計

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

圖8 系統(tǒng)模擬信號采樣與控制原理電路

圖8中,模擬信號的輸入傳感器通過屏蔽線與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中的模擬量信號通過DA拓展模塊經(jīng)過屏蔽雙絞線傳輸給下料電機,雙絞線的屏蔽層接地。

3.2 PLC控制軟件

在PC機中,筆者采用GX-Works2編程軟件,進行系統(tǒng)的工作流程設(shè)計。

絮狀粉末制品微量高精度稱重系統(tǒng)的自動控制流程如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)自動控制流程圖

3.3 觸摸屏監(jiān)控軟件

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

系統(tǒng)自動運行時的系統(tǒng)界面如圖10所示。

圖10 系統(tǒng)自動控制監(jiān)控界面

圖10中,系統(tǒng)自動運行時的系統(tǒng)界面包括:當前參數(shù)、狀態(tài)監(jiān)測、數(shù)據(jù)記錄、參數(shù)設(shè)定,還包括自動運行、自動停止按鍵和系統(tǒng)運行、停止、報警燈[14-16]。

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

(1)點動控制界面主要用于進行下料稱重測試過程中的各執(zhí)行元件單個動作測試、稱重數(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)分段測試界面主要用于單次下料稱重測試過程中的動作測試、稱重數(shù)據(jù)顯示和狀態(tài)監(jiān)控;

(3)自動控制界面主要用于系統(tǒng)自動運行過程中的稱重數(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)定點動、分段和自動控制測試界面中下料電機轉(zhuǎn)速、需稱質(zhì)量、稱重動作次數(shù)、傳感器精度設(shè)定等具體運行參數(shù)。

4 微量高精度稱重試驗

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)線的自動化程度和生產(chǎn)效率,節(jié)省了人力勞動并減輕了揚塵對人體的危害[17-19]。

使用過程中,該設(shè)備表現(xiàn)出了以下優(yōu)點,即具有自動稱量穩(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數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 微量高精度稱重試驗數(shù)據(jù)

表3中,幾種粉末被筆者分別連續(xù)稱重了100次,其達標率達到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粉料,橡膠粉料為主要成分,由樹脂、橡膠、增強纖維、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)團能力大大加強,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準差為0.209 3 g,最大相對誤差為2.3%;摻水橡膠粉料稱重值標準差為0.180 9 g,最大相對誤差為2.2%;干燥橡膠粉料稱重值標準差為0.347 7 g,最大相對誤差為3.5%。

該裝置實際平均稱重精度高于要求精度,且稱重值相對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)果也會出現(xiàn)不同的波動,但是波動數(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的高結(jié)團能力所出現(xiàn)的干擾。

5 結(jié)束語

筆者針對摩擦片熱壓用橡膠粉末易結(jié)團的物理特性,以及稱重過程中的精度和速度問題,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械結(jié)構(gòu)的絮狀粉末制品微量高精度稱重系統(tǒng),并進行了樣機的稱重試驗。

試驗結(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);稱重值標準差控制在0.21 g以內(nèi),最大相對誤差控制在2.5%以內(nèi),且稱重速度達到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的效果不理想,稱重誤差超過500 mg且標準偏差達到了350 mg,稱重值的波動幅度較大,說明仍需在機械結(jié)構(gòu)方面進行優(yōu)化以應(yīng)對更高結(jié)團能力的粉料。

之后,筆者需要進一步研究微弱風(fēng)對該稱重系統(tǒng)效果的影響,以及補償粉末掉落對稱重傳感器沖擊力誤差的控制策略。