顆粒狀物料計量機的設計與制造

周銘強，張 清

（禾欣可樂麗超纖皮（嘉興）有限公司，浙江嘉興 314003）

0 引言

在無紡布超細纖維紡絲工藝生產(chǎn)過程中，常常會有二種顆粒狀物料要同步進行配比連續(xù)生產(chǎn)，常用比例PA∶PE在0.95～1.05之間，顆粒形狀相差不大，PA為圓柱體狀，大小為φ3 mm×4 mm左右，PE為雞蛋狀，外形為φ5 mm×4 mm左右，不同廠家生產(chǎn)的原料有不同的外形，造成堆積密度不一。由于有較高的防潮要求，不適合在開放式的環(huán)境中進行配比，因此考慮在密封的環(huán)境中進行混合。傳統(tǒng)方法采用稱重攪拌混和法[1-3]，但由于密度原因在混合過程中易分層導致混和不均，實踐證明結果不是最理想，并且由于不能實施過程調整，一旦出現(xiàn)配料不均就導致大量原料浪費[4]。經(jīng)過改進，采用旋轉量杯方法，結合PLC觸摸屏在線自動調整反饋系統(tǒng)，作者設計出不銹鋼計量機，有效地解決了上述問題。

1 總體方案設計和工作原理

圖1是計量機的總體設計框架，由于有兩種料進行配比，所以計量機有兩個取料器，這兩個取料器分別有對應的伺服驅動器、伺服電機、減速器和測速裝置。計量機由一個可編程控制器（PLC）控制，同時控制2個伺服驅動器和兩種料對應的進料閥。人機界面采用觸摸屏方式，簡單易懂，所以本計量機操作非常方便。

系統(tǒng)正常運行時，設置完成各類參數(shù)，一鍵啟動后，由PLC給出信號分別控制進料閥門1、進料閥門2的開關操作，延時1秒后，同時運行伺服驅動器，驅動伺服電機帶動取料器中的計量盤旋轉進料，PLC同時高速采集計量盤上感應開關檢測信號，經(jīng)過處理計算，得到計量盤旋轉速度，從而得出各計量機實際產(chǎn)量。另外，實際檢測得到的速度如果不在正常設定范圍內(nèi)，PLC會報警，甚至停機保護。

圖1 計量機總體設計示意圖

2 計量機組成結構

2.1 取料器

取料器主要有殼體、計量盤、軸、軸承及端蓋等零件組成，見圖2，它的關鍵零件是計量盤，其圓周上分布著兩排量杯孔，每排16個，總共32個。

圖2 取料器結構

為保證較好的防銹性能，與物料接觸部分均采用1Cr18Ni9作為主材料，軸承端蓋等采用Q235。

2.2 測速裝置

測速裝置由測速轉盤和測量傳感器二部分組成，測速轉盤上有16個等分的沿徑向伸展的圓棒，測量傳感器為AUTONICS接近開關，型號PR18-8DN。該裝置安裝在取料器的軸上，如圖3所示。

圖3 測速裝置

2.3 伺服電機及驅動器

為保證較高的控制精度，電機采用三菱伺服電機HF-SE152JW1-S100，其最高轉速為2 000 r/min；驅動器采用三菱伺服MR-JE-200A。

2.4 減速機

減速機采用APEX日本新寶減速機AT090-FL1。該裝置和取料器的軸相連接。

2.5 可編程控制器及觸摸屏

可編程控制器為三菱品牌的MITSUBISHI Q系列PLC，人機界面采用三菱GT1575-VNBA觸摸屏。

3 配比計算

在無紡布超細纖維紡絲工藝生產(chǎn)過程中，PA和PE這二種原料按需要的比例進行混合，才能保證紡絲的生產(chǎn)質量。

PA和PE取料器的計量盤上量杯孔總體積分別為：

其中：V1、V2——PA和PE取料器上計量盤上量杯孔的總體積（m3）；

r1、r2——計量盤上量杯孔的半徑（mm）；

h1、h2——計量盤上的量杯孔的深度（mm）；

S1、S2——計量盤上的量杯孔的數(shù)量。

則原料PA和PE每小時的出料量分別為：

其中：M1、M2——分別是PA和PE取料器的出料量（kg/h）；

i1、i2——PA和PE取料器對應的減速箱減速比；

n1、n2——PA和PE取料器對應的伺服電機轉速（r/min）；

ρ1、 ρ2——原料PA和PE的堆積密度（kg/m3）；

所以，由式（3）和（4）得到原料PA和PE在取料混合后的總質量為：

原料PA和PE的配比為:

所以，根據(jù)上述各式知，在硬件參數(shù)確定后，可以通過控制伺服電機的轉速來確定原料PA和PE的配比。

4 計量機控制系統(tǒng)

圖4為計量機的軟件控制系統(tǒng)程序流程圖，控制系統(tǒng)以PLC為核心，通過人機界面設置不同品種產(chǎn)品的配比，實時監(jiān)視運轉，統(tǒng)計生產(chǎn)所消耗的原材料數(shù)量，并能保存歷史記錄。說明如下。

（1）在觸摸屏上設定配比及總進料量，總進料量即是生產(chǎn)線運行時需要的產(chǎn)量；配比和產(chǎn)量確定后，程序就自動計算出各伺服驅動電機所需要的運轉速度。

（2）確認無故障，開啟系統(tǒng)運轉，首先開啟進料閥門，確認閥門都開啟后，各驅動器按照計算要求的速度同時運行，開始均勻混料。

（3）運轉時，轉盤計數(shù)器同步采集料的流量，信號反饋到PLC控制器，與設定的流量進行比較，偏差小范圍進行報警提示，大范圍停機運行，減少損失和不良品。

（4）整個系統(tǒng)中，采樣器是自動控制的重要組成部分，它是以脈沖取樣的方式輸入到PLC中，由PLC計算出當前旋轉速度，進一步得出當前產(chǎn)量。

圖4 控制系統(tǒng)程序流程圖

5 實例

圖5 實際運行界面

實際生產(chǎn)中，原料PA堆積密度為 ρ1=720 kg/m3，原料PE堆積密度為 ρ2=550kg/m3，設計每小時的產(chǎn)量為M=1 000kg/h，計量盤的量杯孔半徑為r1=r2=12 mm，深度h1=h2=30 mm，量杯孔數(shù)量S1=S2=32個，PA減速箱減速比i1=1∶40，PE減速箱減速比i2=1∶25。由于配比不同，對應于PA取料器的伺服電機實際運行轉速范圍為1 039～1 093 r/min，對應于PE取料器的伺服電機實際運行轉速范圍為851～895 r/min。圖5為實際運行界面。

6 結論

采用旋轉量杯方法，結合PLC觸摸屏在線自動調整反饋系統(tǒng)，設計出顆粒狀物料配比計量機。該設備經(jīng)過生產(chǎn)中實際使用，自動化程度高、計量準確、生產(chǎn)效率高，大大降低了勞動強度。

［1］張西良，毛翠云.固體物料定量填充技術綜述［J］.包裝自動化技術，2002（5）：18-20.

［2］賈麗娜，張輝，陳文慶.顆粒狀物料自動稱量機研究［J］.機電工程，2012，29（1）：46-48.

［3］呼英俊，劉志平，孫立達.全自動制袋包裝機計量裝置的方案設計［J］.輕工機械，2002（2）：19-23.

［4］胡紅梅，陳亮.新型稱重式粉粒狀物料充填機［J］.包裝與食品機械，2002，20（5）：18-20.