高精度微量螺旋給料的設(shè)計(jì)研究

沈祥兵，高超，楊盼，程磊磊，王小麗

（湖北省地質(zhì)勘查裝備中心，湖北 武漢430034）

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，高精度微量給料的應(yīng)用需求日益增加，如光譜實(shí)驗(yàn)室在通過平面光柵攝譜儀對(duì)礦物質(zhì)進(jìn)行光譜分析時(shí)，必須精確控制礦物的重量（一般要求為100±0.3 mg）。本文探討了一種新的高精度微量給料方式——高精度螺旋給料儀，以期實(shí)現(xiàn)高精度微量自動(dòng)給料。

1 機(jī)械部分的設(shè)計(jì)

本節(jié)研究的核心是如何利用機(jī)械結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)高精度微量自動(dòng)給料。綜合考慮給料的連續(xù)性、精確度及效率多方面因素，本研究擬采用螺旋微量給料的方式進(jìn)行給料，其中，礦樣給料的精準(zhǔn)控制是實(shí)現(xiàn)最終高精度微量螺旋給料的關(guān)鍵步驟之一。要準(zhǔn)確迅速地對(duì)礦樣進(jìn)行給料，就要求給料裝置能提供均勻連續(xù)的礦樣，并能對(duì)供料進(jìn)行精確控制。本節(jié)將從螺旋軸結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)、動(dòng)力設(shè)計(jì)、螺旋軸強(qiáng)度仿真分析以及自動(dòng)稱量平臺(tái)的設(shè)計(jì)方面入手研究高精度微量螺旋給料儀的機(jī)械部分設(shè)計(jì)。

1.1 螺旋軸結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)

螺旋給料器的結(jié)構(gòu)尺寸是由所設(shè)計(jì)的高精度微量螺旋給料儀的稱量范圍及精度決定的。在設(shè)計(jì)中需要確定的結(jié)構(gòu)尺寸主要有螺旋軸直徑、螺旋葉片直徑及節(jié)距、螺旋軸的轉(zhuǎn)速等，正確地確定這幾個(gè)主要尺寸參數(shù)是整個(gè)項(xiàng)目研究的基礎(chǔ)[1]。這幾個(gè)主要零部件尺寸（包括其形位公差）的確定直接影響高精度微量螺旋給料儀的給料精度，在高精度微量螺旋給料時(shí)，要求對(duì)給料進(jìn)行精確控制，也即一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)重量（目前每份礦樣為100±0.3 mg）達(dá)到時(shí)，應(yīng)立即停止給料。

實(shí)際工作時(shí)，礦樣在輸送過程中的慣性和螺旋軸停轉(zhuǎn)時(shí)螺旋葉片相對(duì)于出料口停止位置的隨機(jī)性均會(huì)使少部分礦樣在給料目標(biāo)完成后，繼續(xù)落入量杯中（一般礦樣的堆密度約為1.75 mg/mm3），這是給料后產(chǎn)生誤差的主要原因之一[2]。因此，設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是把這個(gè)誤差控制在合適的范圍內(nèi)。

一般而言，螺旋葉片的直徑越大、節(jié)距越長(zhǎng)，一節(jié)距螺旋內(nèi)所儲(chǔ)存的礦樣就越多，礦樣的慣性越大，給料誤差也就增大；同時(shí)，螺旋給料器內(nèi)螺旋葉片和出料口構(gòu)成空間的變化（隨機(jī)）也越大，因給料未完全終止而引起的給料后誤差范圍也會(huì)增大。同時(shí)，如果螺旋葉片直徑過小、節(jié)距過小，不但螺旋葉片加工工藝?yán)щy，還可能導(dǎo)致螺旋給料器的輸送能力變差、給料系統(tǒng)效率過低。另外，因?yàn)檫^細(xì)粉體的團(tuán)聚性，如果節(jié)距過小，還會(huì)導(dǎo)致螺旋給料儀對(duì)粉體的適應(yīng)性變差，甚至不能給料。因此，合理地確定螺旋葉片的直徑和節(jié)距不僅能有效消除給料系統(tǒng)的給料后誤差，還能改善因礦樣（粉體）的團(tuán)聚性而造成的給料困難現(xiàn)象。

1.1.1 螺旋節(jié)距的確定

考慮到礦樣的粒度（一般為-200目，即≤0.074 mm）及實(shí)際要求的效率，結(jié)合礦樣（本文以200目干燥土壤粉為例）的安息角（≤40°），因此[2]：

式中：t為螺旋葉片螺距，mm；D為螺旋軸直徑，mm。

1.1.2 螺旋型態(tài)的確定

要求螺旋給料器提供連續(xù)均勻的給料，因此，螺旋軸上的葉片應(yīng)采用實(shí)體面型連續(xù)的螺旋，如圖1所示。

圖1 實(shí)體面型連續(xù)螺旋軸

結(jié)合本研究給料量100 mg的微量性（體積約0.1 mL）及其可靠性，本項(xiàng)目采用實(shí)體圓截面螺旋作為輸送螺旋，如圖2所示。其優(yōu)點(diǎn)在于每個(gè)單元內(nèi)儲(chǔ)存的礦樣相對(duì)較少，易于（就重量）分度，便于相對(duì)精確地給料。在充分考慮螺旋軸強(qiáng)度和剛度的條件下，根據(jù)給料精度確定D、t及螺旋圓直徑d，并完成試算。

圖2 本項(xiàng)目螺旋軸

試算方法如下：

因本項(xiàng)目礦樣的安息角為40°，故初步取值t＝0.766D。

基于給料系統(tǒng)的高精度，本項(xiàng)目采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，為確保實(shí)際給料精度達(dá)到±0.3 mg，設(shè)計(jì)給料精度必須小于±0.3 mg。假設(shè)給料控制精度為±0.1 mg，即步進(jìn)電機(jī)的一個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)給料量為±0.1 mg，同時(shí)圓形螺旋的螺旋截面圓直徑暫定為0.8 mm，則：

式中：Q為螺旋軸的輸送能力，mg；ρ為礦樣（粉）密度，本項(xiàng)目取值1.75 mg/mm3；β為步進(jìn)電機(jī)一脈沖的（轉(zhuǎn)）角度，本項(xiàng)目取值1.8°[3]；α為螺旋的位置，本算例取0－β°；dθ為積分因子，對(duì)應(yīng)的位置角α。

令Q＝0.1 mg，則有D≈4.17 mm，取整得D＝4 mm，則t≈3.064 mm，取整得t＝3 mm。

則有：t/D＝0.75＜0.766。滿足礦樣安息角條件。

則一個(gè)脈沖內(nèi)螺旋軸給料量為0.0347 mg，遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)要求的給料精度±0.3 mg。

即D＝4 mm、t＝3 mm、d＝0.8 mm的螺旋軸滿足設(shè)計(jì)要求。

1.1.3 螺旋軸的極限轉(zhuǎn)速

一般對(duì)于螺旋給料器而言，螺旋軸轉(zhuǎn)速越高，其給礦效率也越高，但當(dāng)速度大過一定值后，轉(zhuǎn)速繼續(xù)增加其給料效率反而會(huì)降低。這是因?yàn)?，?dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到一定值后，礦樣會(huì)因離心力過大而向槽體外拋灑，降低效率，甚至無(wú)法給料。故螺旋軸的轉(zhuǎn)速不能過高，需滿足[6]：

式中：n0為螺旋軸的極限轉(zhuǎn)速，r/min；?為螺旋軸的螺旋角， ?= arctan= 9.030°；γ為礦樣與螺旋表面間的摩擦角，取值30°；f為礦樣與外殼（桶體內(nèi)壁）間的摩擦系數(shù)，取值0.1；r為礦樣與螺旋中心的平均距離，取值0.003 m；g為重力加速度，取值9.8 m/s2。

計(jì)算得：n0＝767 r/min。

1.1.4 螺旋軸給料能力的校驗(yàn)

為避免進(jìn)料口礦樣因葉片的高速拋擲而使螺旋給料儀（槽）內(nèi)容納的礦樣減少，從而影響實(shí)際給料速度[3]，螺旋軸轉(zhuǎn)速在滿足生產(chǎn)效率的前提下應(yīng)盡可能取低值。經(jīng)試驗(yàn)對(duì)比，電機(jī)標(biāo)定轉(zhuǎn)速在200 r/min時(shí)，螺旋給料儀的給料效果較好。由式（1）知，給料系統(tǒng)在一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)（即步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行一轉(zhuǎn)）的給礦量[5]為：

β取值0～360°，計(jì)算得：M′′＝12.494 mg

即螺旋軸每旋轉(zhuǎn)一圈，能給料12.494 mg，給料到目標(biāo)值（100±0.2 mg的礦樣）大約需要轉(zhuǎn)8圈左右。

螺旋給料儀每秒輸送的礦樣重量[4]為：

式中：n為螺旋軸轉(zhuǎn)速，取200 r/m＝3.335 r/s。

計(jì)算得：M＝41.645 mg。

在考慮稱重模塊穩(wěn)定充分延時(shí)（稱量時(shí)，控制系統(tǒng)給稱量模塊有2 s的延時(shí)，使稱量系統(tǒng)穩(wěn)定，稱量系統(tǒng)穩(wěn)定后，即可輸出稱量值）的情況下，每輸送100 mg礦樣大約需要6 s，每分鐘給料（制樣）約10份，滿足實(shí)際生產(chǎn)要求。

故，根據(jù)生產(chǎn)效率需求的螺旋給料能力和由螺旋幾何尺寸所確定的輸送能力基本相符。

1.2 動(dòng)力設(shè)計(jì)

動(dòng)力設(shè)計(jì)主要是確定螺旋軸的輸入功率。螺旋軸在本項(xiàng)目中主要起給料（即輸送）作用，其長(zhǎng)度最長(zhǎng)40 mm。因此，輸送過程中的阻力矩較小。螺旋軸輸入功率[4]的計(jì)算過程如下：

式中：V水平、V切、V總為螺旋軸出料口礦樣的水平、切向和總速度，mm/s。

計(jì)算得：V水平＝20.01 mm/s，V切＝26.67 mm/s，V總＝33.33 mm/s。

礦料動(dòng)能變化量為：

計(jì)算得：δ動(dòng)能＝4.5×10-5J。

螺旋給料儀有效長(zhǎng)度不同，阻力矩也不同，其阻尼系數(shù)為：

式中：K為阻尼系數(shù)；L為螺旋給料儀給料口到出料口中心的距離，本項(xiàng)目取值15 mm。

式中：η為電動(dòng)機(jī)的機(jī)械效能，本項(xiàng)目取值0.9；N為電機(jī)功率，W。

計(jì)算得：N＝4.73 W。

相對(duì)而言，礦樣動(dòng)能變化所需的機(jī)械能（電機(jī)）較小。這里忽略了礦樣粉體間的摩擦（其值非常?。?。同時(shí)考慮到系統(tǒng)的可靠性及市場(chǎng)采購(gòu)的便捷性，選用扭矩為2 N·m的通用型步進(jìn)電機(jī)（本項(xiàng)目中相當(dāng)于6.67 W），動(dòng)力安全系數(shù)為1.4。

1.3 螺旋軸強(qiáng)度仿真分析

本項(xiàng)目最關(guān)鍵的零件為旋轉(zhuǎn)螺旋軸，故對(duì)其進(jìn)行仿真力學(xué)分析。

建模軟件：SolidWorks。

邊界條件：假定粉體與腔體間的摩擦為零，螺旋軸僅承受電機(jī)輸出的2 N·m的扭矩、自重及粉體的質(zhì)量。D＝4 mm，d＝0.8 mm，t＝3 mm。

固定方式：軸端面固定。

網(wǎng)格劃分：四面體連續(xù)網(wǎng)格。

載荷施加：圓周方向2 N·m的扭矩，垂直方向1 N。

由圖3～5可知，螺旋軸的最大應(yīng)力為1.8×108N·m2，材料（本研究采用0Cr18Ni9）屈服應(yīng)力為2.08×108N·m2，安全系數(shù)1.16＞1，軸的應(yīng)力是安全的；最大位移1.67×10-2mm，在本研究中，此位移量是被允許的；最大應(yīng)變6.359×10-4。滿足材料的力學(xué)性能[7]。

圖3 螺旋軸應(yīng)力云圖

圖4 螺旋軸位移云圖

圖5 螺旋軸應(yīng)變?cè)茍D

1.4 自動(dòng)稱量平臺(tái)的設(shè)計(jì)

自動(dòng)稱量平臺(tái)也是本項(xiàng)目的重要設(shè)計(jì)部分，其承擔(dān)著給料精度的控制、自動(dòng)連續(xù)給料的實(shí)現(xiàn)等任務(wù)。主要由三個(gè)部分組成：高精度稱量模塊、旋轉(zhuǎn)（分度）系統(tǒng)、（上下）提升系統(tǒng)。如圖6所示。

圖6 自動(dòng)秤量平臺(tái)

1.4.1 高精度稱量模塊

本項(xiàng)目采用十萬(wàn)分之一的高精度稱量模塊，顯示精度0.01 mg，稱量精度可達(dá)0.1 mg。同時(shí)，該模塊對(duì)稱量環(huán)境的變化極為敏感，實(shí)驗(yàn)室輕微的振動(dòng)，即可導(dǎo)致其狀態(tài)不穩(wěn)定。

稱量模塊的穩(wěn)定，是指整個(gè)稱量系統(tǒng)不受外界及系統(tǒng)自身環(huán)境干擾，這樣模塊才能準(zhǔn)確輸出稱量值，如果模塊沒有穩(wěn)定，顯示屏上的顯示數(shù)值將一直跳變，且不輸出到控制系統(tǒng)，并有不穩(wěn)定標(biāo)識(shí)；系統(tǒng)穩(wěn)定則顯示屏上有穩(wěn)定標(biāo)志，且數(shù)值穩(wěn)定，數(shù)值也將被控制系統(tǒng)采集。

故此，設(shè)計(jì)了低中頻降阻尼系統(tǒng)，以隔振減震，如圖7所示；并采用封閉式稱量環(huán)境，以實(shí)現(xiàn)稱量模塊的抗干擾能力，如圖8所示。稱重模塊穩(wěn)定所需時(shí)間從大于5 s降到1 s左右。

圖7 低中頻減震系統(tǒng)示意圖

圖8 封裝效果圖

1.4.2 提升系統(tǒng)

旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)托料盤帶著（接料）坩堝旋轉(zhuǎn)，當(dāng)目標(biāo)坩堝與秤量模塊的秤量凸臺(tái)對(duì)正時(shí)，旋轉(zhuǎn)電機(jī)停止，提升電機(jī)驅(qū)動(dòng)托料盤下降，使坩堝與稱量凸臺(tái)接觸，并脫離接料盤，稱重模塊對(duì)坩堝初始稱重（皮重）并記錄，接著加料系統(tǒng)對(duì)坩堝加料，稱量系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，達(dá)到目標(biāo)值后，停止給料，提升電機(jī)工作，驅(qū)動(dòng)料盤上升，料盤與坩堝接觸，并帶動(dòng)坩堝脫離稱量模塊的凸臺(tái)。

1.4.3 旋轉(zhuǎn)（分度）系統(tǒng)

旋轉(zhuǎn)（分度）系統(tǒng)主要是針對(duì)連續(xù)循環(huán)（給料）稱量而設(shè)計(jì)的。它是由一步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)托料盤，托料盤沿外緣均勻分布若干分（接料）坩堝。當(dāng)坩堝脫離給料盤后，給料系統(tǒng)向坩堝給料，稱重模塊稱重，當(dāng)坩堝中礦樣重量達(dá)到目標(biāo)值后，提升系統(tǒng)提升料盤，使坩堝脫離稱重模塊。步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一定角度，使下一個(gè)坩堝轉(zhuǎn)到稱量模塊凸臺(tái)，系統(tǒng)繼續(xù)接給料。

2 流程設(shè)計(jì)

高精度微量給料儀由PLC控制攪拌系統(tǒng)、螺旋給料系統(tǒng)、料盤升降系統(tǒng)、料缽自動(dòng)旋轉(zhuǎn)接料系統(tǒng)、稱量系統(tǒng)按設(shè)定流程動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)批量自動(dòng)獲得目標(biāo)重量的礦樣。本系統(tǒng)的動(dòng)作流程及結(jié)構(gòu)如圖9、圖10所示。

圖9 系統(tǒng)流程圖

圖10 機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

3 程序控制設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目自動(dòng)控制系統(tǒng)主要由三部分組成：

（1）通訊系統(tǒng)，保證稱重模塊與控制系統(tǒng)（PLC）及步進(jìn)電機(jī)之間的通訊。即PLC可正確讀取稱重（模塊）的數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)換成PLC系統(tǒng)可讀取的語(yǔ)言；PLC在與目標(biāo)值計(jì)算比較后，發(fā)送對(duì)應(yīng)脈沖數(shù)給驅(qū)動(dòng)（步進(jìn)）電機(jī)進(jìn)行補(bǔ)料（或初始值給料）。

（2）控制執(zhí)行系統(tǒng)，各系統(tǒng)動(dòng)作之間閉環(huán)反饋。即稱重模塊、控制系統(tǒng)、（給料）執(zhí)行機(jī)構(gòu)互相配合，獲取正確反饋，并在精確執(zhí)行后，反饋給下一步。

（3）人機(jī)界面。存儲(chǔ)每一步取得的穩(wěn)定重量值，以備數(shù)據(jù)查詢，也為系統(tǒng)自學(xué)習(xí)儲(chǔ)備基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。同時(shí)，增加控制系統(tǒng)的自學(xué)習(xí)能力，以適應(yīng)實(shí)驗(yàn)室對(duì)多種礦樣的給料操作。程序如圖11所示。

圖11 控制程序方框圖

3.1 稱重?cái)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

稱重模塊數(shù)據(jù)接口是集成RS232/RS485接口，其發(fā)送格式如表1所示。按照PLC指令要求重新編制獲得重量命令的PLC程序，使模塊的返回?cái)?shù)據(jù)格式如表2所示。

表1 發(fā)送格式

表2 返回?cái)?shù)據(jù)格式

3.2 自動(dòng)控制部分程序

本項(xiàng)目自動(dòng)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵在：由于精度為0.1 mg的稱量系統(tǒng)對(duì)環(huán)境要求很高，微小的振動(dòng)或空氣擾動(dòng)均可導(dǎo)致獲取數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差，故須隨時(shí)與模塊通訊請(qǐng)求重量狀態(tài)返回，必須在返回重量數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，才能對(duì)取得的重量值進(jìn)行存儲(chǔ)和計(jì)算，并為后續(xù)稱量及“自學(xué)習(xí)”計(jì)算做數(shù)據(jù)上的閉環(huán)。故此做了相應(yīng)的修正。返回的重量狀態(tài)存儲(chǔ)在第五字節(jié)中，使用比較指令判定。并在觸摸屏上以指示燈的形式顯示其是否處于穩(wěn)定狀態(tài)，亦作為取得穩(wěn)定讀數(shù)的標(biāo)志將其常開點(diǎn)串入梯形圖。同時(shí)，在預(yù)給料結(jié)束后，增加了一個(gè)2 s延時(shí)，所有部件均停止機(jī)械運(yùn)動(dòng)，以保證稱量系統(tǒng)穩(wěn)定，稱量系統(tǒng)穩(wěn)定后即可輸出稱量重量值。該值經(jīng)控制系統(tǒng)分析、判定需補(bǔ)料多少，并計(jì)算出需輸出幾個(gè)脈沖，發(fā)出指令給驅(qū)動(dòng)模塊，驅(qū)動(dòng)模塊發(fā)出脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)給料步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行一次補(bǔ)料。完成一次補(bǔ)料后，重新判定給料重量值，如達(dá)到目標(biāo)即完成本次樣品的給料，否則進(jìn)行更多次補(bǔ)料。

3.3 控制系統(tǒng)的“自學(xué)習(xí)”能力

“自學(xué)習(xí)”功能主要是指，本項(xiàng)目控制系統(tǒng)可以根據(jù)前道工序的執(zhí)行情況（如給料、補(bǔ)料的脈沖次數(shù)等），主動(dòng)修正后面的執(zhí)行程序，以達(dá)到優(yōu)化系統(tǒng)（精化給料效率和精度）的目的。比如，更換一種新的礦樣后，在系統(tǒng)第一次自動(dòng)適應(yīng)性給料完成后，系統(tǒng)可以根據(jù)這次給料的精度以及補(bǔ)料的脈沖次數(shù)，自主修正下一次給料的第一次主動(dòng)給料的脈沖數(shù)。如此循環(huán)迭代計(jì)算，最后得到一個(gè)穩(wěn)定的給料動(dòng)作執(zhí)行數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)于程序中，后期均按此穩(wěn)定數(shù)據(jù)執(zhí)行給料動(dòng)作。

3.4 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

首頁(yè)采用簡(jiǎn)潔風(fēng)格設(shè)計(jì)，只設(shè)計(jì)了啟動(dòng)停止和目標(biāo)重量等幾個(gè)按鈕，如圖12所示，前期調(diào)試的按鈕（選項(xiàng)）均放置于第二層界面。并利用觸摸屏的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及調(diào)用、分析等功能，設(shè)計(jì)了本項(xiàng)目控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)。

圖12 高精度微量給料儀控制面板

本自控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了無(wú)人值守并全自動(dòng)化稱量記錄的功能，讀取及存儲(chǔ)數(shù)據(jù)均采用modbus數(shù)字量進(jìn)行傳輸，具有高可靠性、高抗干擾等特點(diǎn)。同時(shí)在控制系統(tǒng)中增加了“自學(xué)習(xí)”功能，使得該項(xiàng)目研究成果可適用于多種量程、多種礦樣的自動(dòng)稱量系統(tǒng)中。如圖13所示。

圖13 高精度微量給料儀產(chǎn)品機(jī)芯效果圖

4 試驗(yàn)效果

為驗(yàn)證項(xiàng)目產(chǎn)品效果，進(jìn)行了給料（稱量）試驗(yàn)，隨機(jī)采樣10組數(shù)據(jù)，如表3所示（表格限制，省略了100 mg的表示），給料精度均達(dá)到項(xiàng)目范圍（100±0.3 mg）。

表3 給料（稱量）試驗(yàn)部分?jǐn)?shù)據(jù)

5 結(jié)束語(yǔ)

螺旋界面采用半圓形螺旋葉片給料，提高了礦樣的輸送性及輸送量的精準(zhǔn)性，加之螺旋給料的連續(xù)性，使螺旋給料適合用于高精度微量給料儀。同時(shí)，本研究項(xiàng)目的給料儀具備自學(xué)習(xí)功能，能適應(yīng)各種（粉體）礦樣的高精度給料。高精度微量螺旋給料儀給料效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、易控制，達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。