自動進料儀石墨電極送料與對位控制系統(tǒng)研究

方明明，楊智勇，吳 專，任康進，楊 盼

（1.湖北工業(yè)大學(xué) 機械學(xué)院，武漢430068；2.湖北省地質(zhì)勘查裝備中心，武漢430034）

近年來，隨著中國經(jīng)濟的快速發(fā)展以及“中國制造2025”概念的提出，各種資源的消耗加快，尤其對礦物質(zhì)的需求量在急劇增長，因而對各種礦物質(zhì)的成分、含量都要有比較清楚的了解。地質(zhì)科研部門在使用平面光柵直讀光譜儀對礦物進行攝譜分析時，依然采用較落后的人工送料方式，測試人員需手動放置和回收石墨電極，其中，石墨電極用于裝填樣品粉料，是光譜分析中的重要載體[1-5]。該方式不僅費時、費力，且手動調(diào)節(jié)石墨電極位置精度較差，造成光譜檢測效率低、分析質(zhì)量差。因此，高效、可靠的高精度自動進料控制系統(tǒng)在光譜分析過程中顯得尤為重要。

目前，國內(nèi)外市場上還未出現(xiàn)針對平面光柵直讀光譜儀的自動進料設(shè)備。據(jù)調(diào)查，目前國內(nèi)各光譜分析實驗室的日樣品分析量在1000 次左右，即實驗操作員每天需要重復(fù)1000 次上述動作。顯然，采用人工送料方式已無法滿足市場大批量、高效率、低成本的檢測要求。設(shè)計一套能有效解決實際問題的自動進料儀來提高檢測效率和分析質(zhì)量是當(dāng)務(wù)之急。

本文依托湖北省地質(zhì)勘查裝備中心某型號平面光柵直讀光譜儀配置的自動進料儀研制需求，針對現(xiàn)有人工送料方式的不足進行自動化改進，根據(jù)光譜實驗的工藝流程和控制要求，結(jié)合應(yīng)用成熟的PLC 技術(shù)、上位機界面組態(tài)技術(shù)和通訊技術(shù)設(shè)計了自動化程度高、效率高、可靠性好、控制精度高的自動進料系統(tǒng)，實現(xiàn)礦物樣品光譜分析工作的全自動化過程。

1 自動進料儀結(jié)構(gòu)組成及動作流程

自動進料儀實體圖如圖1所示，自動進料儀本體主要由取料模塊、放料模塊和盛料模塊等組成。為實現(xiàn)石墨電極自動進料、端面對位、定位檢測和廢料回收的完整流程，各功能模塊的執(zhí)行部件協(xié)調(diào)運行實現(xiàn)上述控制流程。其中，各功能模塊實現(xiàn)過程如下所述：

圖1 自動進料儀實體圖Fig.1 Model diagram of automatic feeder

取料模塊：該模塊包括X，Y，Z三軸機械臂、旋轉(zhuǎn)平臺和末端夾爪。其中，三軸機械臂由X軸和Y軸的各1 套直線伺服電機模組以及Z軸的2 套直線伺服電機模組構(gòu)成，實現(xiàn)末端夾爪移動至空間指定位置；旋轉(zhuǎn)平臺安裝在Z軸直線模組2 上，其轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動使上夾爪組合手指實現(xiàn)水平和豎直方向開合；末端夾爪是分別安裝在Z軸兩直線模組的上、下夾爪，在三軸機械臂和旋轉(zhuǎn)平臺的配合下完成輔助石墨電極的送料工作。

放料模塊：該模塊工作流程為通過控制料盒正下方的滑塊前后移動與否帶動料盒往復(fù)擺動，將料盒內(nèi)放置的上電極篩落至其正下方的料槽內(nèi)，通過推碳棒軸直線模組將料槽內(nèi)的上電極推入上夾爪組合手指開合口。

盛料模塊：該模塊包括收納盒、料盒和廢料回收盒。其中，收納盒上均布的插孔可豎直放置54 根下電極（填料電極，為碳棒狀結(jié)構(gòu)其上端小孔中可裝入樣品粉料），各孔位置坐標(biāo)已知；料盒內(nèi)可水平擺放批量上電極（空料電極，輔助下電極激發(fā)電弧）；廢料回收盒置于具有斜坡結(jié)構(gòu)的卸料斗正下方，用于回收曝光結(jié)束后的廢料電極。

2 系統(tǒng)的功能需求與工作過程

2.1 自動進料儀的功能需求

自動進料儀采用由上位機和下位機構(gòu)成的兩級控制系統(tǒng)，上位機與PLC 通過RS485 串口通訊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)控。下位機PLC 通過開關(guān)量輸入端采集各反饋信號，利用PLC 的高速計數(shù)器對旋轉(zhuǎn)編碼器的脈沖數(shù)進行采集[6]，根據(jù)控制要求，系統(tǒng)需實現(xiàn)如下功能：

1）該系統(tǒng)能實現(xiàn)手動和自動兩種操作模式，對于不同的工況，兩種模式可自由切換。自動操作模式用于正常的循環(huán)送料過程，各個機構(gòu)協(xié)同運行；手動操作模式主要用于調(diào)試、維護和故障排除。

2）為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，需對設(shè)備的各執(zhí)行單元狀態(tài)信息實時監(jiān)控，并能在觸摸屏上顯示。系統(tǒng)在發(fā)生故障時，能夠自動報警停機且上位機能顯示發(fā)生故障的單元，為故障的排除提供有效信息。

3）在推料運動中，系統(tǒng)能夠針對不同長度上電極進行合格判定，并對料盒空料狀況進行識別；取料成功后，系統(tǒng)能按工藝要求實現(xiàn)兩電極端面對位工作。

4）通過上位機能在線修改各模塊參數(shù)，上位機與下位機間的通訊應(yīng)快速、穩(wěn)定可靠。

5）系統(tǒng)下位機PLC 能聯(lián)合微型PC 上位機，實現(xiàn)攝譜過程的自動定位檢測功能。

2.2 光譜分析的工作過程

整個光譜檢測過程可以分為送料過程和攝譜過程兩部分。送料過程由配套的自動進料儀完成，過程分為石墨電極進料和廢料回收，將滿足實驗要求的兩電極從進料儀送入攝譜儀內(nèi)屬于進料，將曝光結(jié)束后的石墨電極送出攝譜儀屬于廢料回收；攝譜過程由平面攝譜儀完成，具有激發(fā)電弧和光譜分析兩種功能，整個工作流程如圖2所示。

圖2 光譜實驗工作流程Fig.2 Flow chart of spectrum wroking process

3 送料過程的控制需求與數(shù)據(jù)處理

3.1 推料流程的控制策略

在上電極取料過程中，由于料盒批量放置的上電極長度常不一致，在推料運動中若以隨機選取的某根上電極長度為例將推桿移動距離固定，在推出較短長度上電極時可能出現(xiàn)以下2 種結(jié)果：①上電極推出長度過短，伸出部分未至上夾爪開合口，造成夾爪取空；②上電極受重力作用其軸線發(fā)生較大偏斜與夾爪下指發(fā)生擠壓，若繼續(xù)運動推桿會造成石墨電極脆性崩壞或夾具損壞，如圖3（a）和3（b）所示。在推料過程中料盒可能發(fā)生空料狀況，造成設(shè)備空料運行。

圖3 上電極推料運動示意簡圖Fig.3 Schematic diagram of upper electrode pushing movement

因此，為避免上述問題影響上夾爪正常取料，在推料運動中對所推上電極長度進行合格判定，并對料盒空料狀況進行識別，根據(jù)控制要求，合格上電極需推出自身長度的一半，既避免偏斜，又保證推出長度足夠，方便夾取。通過推桿運動并配合反射傳感器的觸發(fā)實現(xiàn)上述控制要求，控制方案如下：

設(shè)c為上夾爪與出料口最近豎直端面距離；a為傳感器與推桿前端在原點之間的距離；b為傳感器與料槽出口端面之間的距離，如圖3（c）所示。則上電極推料運動的判定依據(jù)為

式中：設(shè)定推桿從零點移動至第1 段位移y0，在運動過程中若傳感器發(fā)生觸發(fā)，則判定所推上電極合格，記錄瞬時觸發(fā)時推桿的移動距離xi（i為對應(yīng)下電極的取料序數(shù)），可計算出所推上電極長度d為

記錄合格上電極長度后繼續(xù)下一步運動，設(shè)定上電極推出一半長度時，推桿的移動距離為l，其值大小為

式中：a，b，c，xi的單位均為mm。

若傳感器未觸發(fā)，則判定上電極不合格（過短或料盒空料），推桿再移至第2 段位移y1，若傳感器發(fā)生觸發(fā)，則判定上電極長度過短，繼續(xù)運動直至推桿前端伸出料槽口用來清空不合格上電極，再退回零點重復(fù)前述推料動作；若觸感器未觸發(fā)，則判定料盒空料，報警停機并在上位機顯示空料提示信息。

3.2 對位流程的控制策略

根據(jù)光譜實驗工藝控制要求，夾取的上、下電極送入攝譜儀之前還需進行端面對位，端面對位包括兩電極端面豎直對準(zhǔn)（同心）和距離控制，具體調(diào)節(jié)過程如下：

1）當(dāng)上電極被水平夾取后，取料模塊移至待調(diào)整位置，選用日本SG 公司的OSMS-60YAW 步進電機型轉(zhuǎn)動平臺完成端面豎直對準(zhǔn)工作，完成對準(zhǔn)后上電極移至Z軸最遠避位位置，為下一步工序做準(zhǔn)備。

2）自動進料儀采用2 組對射傳感器輔助端面距離調(diào)節(jié)，兩傳感器安裝在一定距離的同一豎直直線上。根據(jù)兩傳感器豎直安裝距離，調(diào)整攝譜儀內(nèi)聚光透鏡和光欄方孔位置，使其處于兩傳感器安裝距離的中間位置，如圖4所示。

圖4 端面距離調(diào)節(jié)示意圖Fig.4 Schematic diagram of end face distance adjustment

兩電極從各自避位位置同向移至中間位置，當(dāng)觸發(fā)到反射傳感器時停止，此時端面距離值H為兩傳感器的安裝間距，再設(shè)置兩電極各自移動距離均為L，其值大小為

使兩電極端面距離h略大于光欄方孔，并保證兩電極端面處于聚光透鏡中間面，實驗測試表明，當(dāng)端面距離值h控制在4～6 mm 范圍時有利于攝譜工作的進行。

4 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

為保證系統(tǒng)控制的精確性，且滿足系統(tǒng)的控制需求，自動進料儀控制系統(tǒng)的硬件部分由PLC 模塊、觸摸屏模塊、傳感器檢測模塊、電機及其驅(qū)動器等組成[7]。設(shè)計的控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Hardware structure diagram of control system

其中，PLC 作為主控制器，結(jié)合多源傳感器信息融合技術(shù)，通過綜合分析各傳感器的信號變化，識別自動進料儀的運行狀態(tài)，同時發(fā)出相應(yīng)指令控制執(zhí)行部件有序運動，完成系統(tǒng)各部分的動作流程。

4.1 PLC 控制模塊

根據(jù)被控對象的需求，分析控制系統(tǒng)所需的輸入設(shè)備及輸出設(shè)備，確定PLC 的I/O 點數(shù)[8]。系統(tǒng)選用三菱微型可編程控制器，具體模塊配置及其它硬件選型如下：

1）PLC 的模塊配置。PLC 的CPU 型號為FX5U-80MT-ES-A，其輸入點數(shù)為40，輸出點數(shù)為40，內(nèi)置4 軸定位。由于控制系統(tǒng)需要7 根軸完成相應(yīng)動作需求，故擴展一塊定位模塊三菱FX5-40SSC-S（其內(nèi)置有4 軸高速定位），通過SSCNETⅢ/H 總線與伺服放大器連接。

2）選用歐姆龍EE-SX672 光電傳感器作為各伺服軸的原點和極限限位；選用基恩士FU-7F 反射光纖傳感器用于推料運動及料盒空料識別；選用基恩士FU-66 對射光纖傳感器輔助兩電極端面距離調(diào)節(jié)。

5 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件設(shè)計分為上位軟件設(shè)計和下位程序設(shè)計兩部分，上位軟件設(shè)計是指上位機的界面組態(tài)，使用威綸通Utility Manager 綜合管理器中的EB Pro 程序編輯器進行設(shè)計；下位軟件設(shè)計是指PLC的程序設(shè)計，使用三菱的GXWorks3 軟件進行編程。

5.1 系統(tǒng)的人機交互設(shè)計

自動進料儀系統(tǒng)選用威綸通TK6051i 型觸摸屏作為人機交互界面，與PLC 通過RS-485 串口通信。觸摸屏作為自動進料儀系統(tǒng)的上位機，主要完成數(shù)據(jù)顯示、參數(shù)設(shè)定、故障報警、狀態(tài)監(jiān)控和配方管理等功能，具有界面直觀、操作簡便、維護方便、可靠性高等特點。下面介紹觸摸屏各界面的主要功能，觸摸屏主要界面如圖6所示。

其中，觸摸屏界面的主界面集成各功能模塊的子操作界面，通過主界面能進入各子操作界面，如圖6（a）所示；運動控制界面主要包括對設(shè)備的啟停操作和初始狀態(tài)復(fù)位，如圖6（b）所示；配方管理界面用于保存其它操作界面的參數(shù)設(shè)置，方便調(diào)用和節(jié)省時間，如圖6（c）所示；報警界面包括對系統(tǒng)故障信息的顯示和運行工位實時跟蹤監(jiān)控，如圖6（d）所示。

圖6 人機交互界面Fig.6 Human-machine Interface diagram

5.2 PLC 主程序設(shè)計

根據(jù)被控對象的工藝流程和控制要求，自動進料儀在光譜實驗中需實現(xiàn)兩電極自動進料、端面對位、定位檢測和廢料回收的完整流程，主程序設(shè)計采用常用的梯形圖編程，為降低程序的復(fù)雜度，使程序設(shè)計、調(diào)試和管理等操作簡便化，在程序設(shè)計上對各功能采用模塊化編程，對各伺服軸進行子程序設(shè)計，在功能執(zhí)行部分時，反復(fù)調(diào)用子程序，實現(xiàn)上述功能流程[9]。下位機通過以太網(wǎng)端口與PC 端進行程序上傳與下載，PLC 程序控制流程如圖7所示。

圖7 PLC 程序流程Fig.7 Program flow chart of PLC

5.3 定位檢測功能的通訊設(shè)計

為提高光譜實驗的工作效率和自動化水平，根據(jù)控制要求，上、下電極送入攝譜儀內(nèi)指定工作位置后，鼠標(biāo)能夠自動點擊微型PC 端的分析應(yīng)用軟件，啟動攝譜分析工作；曝光時間結(jié)束后，鼠標(biāo)再次點擊關(guān)閉攝譜儀，功能流程如圖8所示。

圖8 定位檢測功能系統(tǒng)交互圖Fig.8 Interaction diagram of positioning detection function system

通過C++編寫的鼠標(biāo)控制程序和Socket 通信功能實現(xiàn)PLC 與分析應(yīng)用軟件的聯(lián)合控制完成上述控制功能，其中，Socket 通信功能是指在PLC 程序中設(shè)置專用命令與通過以太網(wǎng)連接的對方設(shè)備以TCP 及UDP 協(xié)議收發(fā)任意數(shù)據(jù)的功能[10]。

6 系統(tǒng)的實際運行狀況

自動進料儀如圖9所示，由圖可知，該設(shè)備主要由人機交互模塊、工作結(jié)構(gòu)、電氣控制柜等構(gòu)成。自動進料儀分上下2 層，其中人機交互模塊和工作結(jié)構(gòu)位于機箱上層，電氣控制柜位于機箱下層。

圖9 自動進料儀Fig.9 Picture of automatic feeder

圖10（a）為工作結(jié)構(gòu)圖，工作結(jié)構(gòu)由取料模塊、放料模塊和盛料模塊等組成，人機交互模塊作為系統(tǒng)的上位機對自動進料儀的工作狀態(tài)進行實時監(jiān)控；圖10（b）為自動進料儀的電氣控制柜，控制柜是電氣控制系統(tǒng)元件的集成地，主要由PLC 控制器、空氣開關(guān)、繼電器、接觸器、直流電源開關(guān)和驅(qū)動器等組成。其中，空氣開關(guān)為整個設(shè)備控制電路正常工作提供安全保障；直流電源開關(guān)為傳感器、旋轉(zhuǎn)臺和驅(qū)動器提供穩(wěn)定直流電源；PLC 為系統(tǒng)的主控，用于實現(xiàn)整個設(shè)備的動作流程控制；驅(qū)動器和夾爪與PLC 的輸出模塊相連，用于接收PLC 的指令并驅(qū)動相應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)動作，各執(zhí)行機構(gòu)間有序動作，實現(xiàn)送料攝譜工作的全自動化控制。

圖10 工作結(jié)構(gòu)和控制柜實物圖Fig.10 Pictures of working structure and control cabinet

為驗證自動進料儀的送料檢測效率和端面距離控制效果，采用隨機長度的一批石墨電極，其直徑均為6 mm，對準(zhǔn)端內(nèi)徑為4 mm，在自動進料儀設(shè)備進行上機實驗，與人工送料方式進行對比，具體對比內(nèi)容如下：

該實驗以收納盒滿盒送料攝譜為一組實驗單元，減去每次攝譜分析的30 s 曝光時間，共做8 組人機送料實驗，表1 為實驗數(shù)據(jù)記錄表（其中，th—人工送料檢測時間，ta—自動進料儀送料檢測時間）；再以收納盒第1 序號孔位的下電極為例，統(tǒng)計其64 次送料過程中與上電極端面距離控制的數(shù)據(jù)（設(shè)定兩電極的端面距離控制為5 mm），并與人工送料方式的數(shù)據(jù)進行比較，測量結(jié)果的數(shù)據(jù)分析如圖11所示。

表1 實驗數(shù)據(jù)記錄表Tab.1 Record of experiment data

圖11 端面距離數(shù)據(jù)分析Fig.11 Data analysis diagram of end face distance

由實驗結(jié)果可知，人工送料單次檢測平均用時為46.49 s，檢測整盒料平均用時2503.75 s；自動進料儀單次檢測平均用時為38.91 s，檢測整盒料平均用時2101 s，較人工送料單次檢測平均用時減少了7.58 s，檢測整盒料平均用時減少了近7 min，自動進料儀整盒檢測效率較人工方式平均提高了16%以上；在端面距離控制實驗中，自動進料儀端面距離控制精度高且穩(wěn)定，避免了人工送料時端面距離在較大范圍波動的現(xiàn)象，提高了攝譜分析質(zhì)量的可靠性。從實驗結(jié)果得出，自動進料儀能有效縮短整體送料時間，且避免了手動調(diào)節(jié)造成的實驗誤差，系統(tǒng)可以長期穩(wěn)定運行，可靠性高，達到設(shè)計要求。

7 結(jié)語

針對人工送料方式進行礦物樣品光譜分析所存在的問題及難點分析，設(shè)計一套光譜實驗樣品自動進料控制系統(tǒng)，本系統(tǒng)結(jié)合PLC 技術(shù)、觸摸屏組態(tài)技術(shù)、Socket 通信技術(shù)和合理的控制算法設(shè)計，實現(xiàn)光譜分析樣品輔助石墨電極自動進料與回收等功能。通過實驗證明該設(shè)備可以顯著減少人工參與成本和人為誤差，還能批量處理試樣，提高光譜實驗工作效率，促進了我國光譜實驗室自動化建設(shè)，具有良好的推廣價值。