智能化金剛石選型機(jī)控制系統(tǒng)的研制

梅懷帥++蘇建勇+++張帥++張西茂++周帥華

摘 要：本文闡述了一款在第一代人造金剛石選型機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行智能數(shù)字化改造并升級(jí)金剛石選型機(jī)，詳細(xì)說(shuō)明了設(shè)備控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，工作原理和生產(chǎn)使用效果。

關(guān)鍵詞：人造金剛石；分選智能化選型機(jī)；控制；原理

中圖分類號(hào)：TP31 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0.引言

中國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展帶動(dòng)了金剛石制造業(yè)蓬勃發(fā)展，為中國(guó)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)做出巨大貢獻(xiàn)的同時(shí)，也存在不少問(wèn)題，產(chǎn)品質(zhì)量低，品牌產(chǎn)品少，高檔產(chǎn)品以進(jìn)口為主。企業(yè)勞動(dòng)密集，耗費(fèi)較多的人工。尤其是因?yàn)榧夹g(shù)的原因造成的企業(yè)勞動(dòng)密集的問(wèn)題，在中國(guó)的人口紅利漸漸遠(yuǎn)去的今天和未來(lái)，顯得尤為突出。

近年來(lái)，工業(yè)4.0的提出得到了很大的重視。在金剛石選型工藝段，需要大量的選型設(shè)備，由于原來(lái)的設(shè)備操作不便，需要大量的技術(shù)性工人來(lái)調(diào)試選型機(jī)，由于人工的干預(yù)造成了產(chǎn)品質(zhì)量不可控，由此我們研發(fā)一款智能化人造金剛石選型機(jī)。

1.選型機(jī)的工作原理

工作原理是：利用振動(dòng)和摩擦的作用以及二者的相互作用和影響，通過(guò)調(diào)整具有一定表面粗糙度的三角形分選盤面的縱向和橫向傾角及振動(dòng)頻率和振幅，來(lái)達(dá)到分選的目的。但對(duì)于單個(gè)顆粒金剛石來(lái)說(shuō)，它在盤面上的運(yùn)動(dòng)又是很復(fù)雜的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，因此，各個(gè)金剛石顆粒在不同的選型機(jī)上從出料口出料的位置并不相對(duì)固定，只是從概率論的層面上來(lái)講，集中在出料端的某一位置區(qū)域。那么，外形略好于以及略差于某類的另外兩類物料在出料端的位置區(qū)域則應(yīng)位于該類物料的下方或者上方，但分布不會(huì)有明顯的界限，而是相互疊加的，故對(duì)應(yīng)于出料端上某一料斗，會(huì)有多種外形相近的金剛石落入其中，只是某一種分布區(qū)域中心正對(duì)著該料斗的物料落入其中的幾率最大。這就使得在振動(dòng)選型的過(guò)程中，選完幾遍之后，往往中間有些料斗收集的物料有一部分是上一等級(jí)的，又有一部分是下一等級(jí)的，即有不同等級(jí)的料還是混在一起，需要進(jìn)一步分選。但這種分選只是一個(gè)漸近過(guò)程，永遠(yuǎn)也難以將不同等級(jí)的顆粒決然分別開(kāi)來(lái)。

2.選型機(jī)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)要求

2.1選型機(jī)的設(shè)備結(jié)構(gòu)

該設(shè)備作為一種小型振動(dòng)設(shè)備，分別有兩個(gè)工作的動(dòng)力源：分選振動(dòng)器和給料振動(dòng)器。分選振動(dòng)器給振動(dòng)盤的微震提供動(dòng)力，保證分選過(guò)程正常有序；給料振動(dòng)器使大容量給料裝置為設(shè)備工作提供源源不斷的原料，且通過(guò)調(diào)整振動(dòng)器的電壓可以精準(zhǔn)控制下料的速度。

2.2根據(jù)客戶提出的要求，分析設(shè)備的具體參數(shù)如下：

（1）四路脈沖，控制4個(gè)步進(jìn)電機(jī)。

（2）四路模擬量輸入。

①2路電壓調(diào)節(jié)，精度是0.5V，②2路角度調(diào)節(jié)，精度是0.2度。

（3）通信：以太網(wǎng)通信。

（4）下位機(jī)能實(shí)現(xiàn)參數(shù)存儲(chǔ)，10組配方。

3.系統(tǒng)硬件配置

如圖1所示：

由于設(shè)備的要求是4路脈沖，一般小型的PLC只能帶3路，所以控制器選擇西門子的1200系列CPU1214C PLC；觸摸屏選用的西門子的TP700；步進(jìn)電機(jī)和步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器選用的是明志的迷你型的，步進(jìn)電機(jī)型號(hào)AM17HDB410-01N，驅(qū)動(dòng)器型號(hào)：SR3-mini。

3.1 PLC簡(jiǎn)介

西門子PLC S7-1200系列是一款中小型西門子PLC，可以在各種自動(dòng)化項(xiàng)目中進(jìn)行應(yīng)用。S7-1200系列設(shè)計(jì)較為緊湊，經(jīng)濟(jì)性較好，而且指令功能較為強(qiáng)大，因此在各種自動(dòng)化控制解決方案中有較廣泛的應(yīng)用。作為西門子PLC S7-200系列的升級(jí)版，西門子PLC S7-1200具有很多集成在CPU上的功能，與此同時(shí)，它的組態(tài)軟件博圖V14具有運(yùn)動(dòng)控制塊，可以很方便實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制的組態(tài)。

3.2步進(jìn)電機(jī)簡(jiǎn)介

由于電壓調(diào)節(jié)和角度調(diào)節(jié)的精度太高，一般的直流電機(jī)不可行，伺服系統(tǒng)成本過(guò)高，不可行，所以只能選步進(jìn)系統(tǒng)。步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開(kāi)環(huán)控制電機(jī)，是現(xiàn)代數(shù)字程序控制系統(tǒng)中的主要執(zhí)行元件，應(yīng)用極為廣泛。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的。可以通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有快速起停、精確步進(jìn)和定位等特點(diǎn)，所以常用作工業(yè)過(guò)程控制及儀器儀表，使用PLC可編程控制器實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，可使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，既可實(shí)現(xiàn)精確定位控制，又能降低控制成本，還有便于維護(hù)。

4.系統(tǒng)控制原理

4.2 電壓調(diào)節(jié)

4.2.1 電壓調(diào)節(jié)的原理

如圖3所示，PLC控制器發(fā)出脈沖信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一定的角度，控制調(diào)壓器的輸出，來(lái)調(diào)節(jié)振動(dòng)線圈的電壓，來(lái)改變給料和選料振幅的大小，改變物料在分選板上的運(yùn)行軌跡。

4.2.2 調(diào)壓器的結(jié)構(gòu)改造

原裝調(diào)壓器是手動(dòng)調(diào)節(jié)的，市場(chǎng)上沒(méi)有類似數(shù)字調(diào)壓器，需要專門為這個(gè)設(shè)計(jì)一個(gè)結(jié)構(gòu)，改造成數(shù)字可調(diào)的，結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

4.2.3 電壓調(diào)節(jié)的控制方法

電壓調(diào)節(jié)最終目的是滿足客戶的需求，所以電壓調(diào)節(jié)的精度滿足客戶要求的前提下，采取更加優(yōu)化的方法，因?yàn)橐惶?4小時(shí)之內(nèi)，每個(gè)時(shí)間階段的電壓不一樣，會(huì)有波動(dòng)，白天上午和下午的電壓不一樣，晚上和白天的電壓也不一樣，因此為了更好地控制調(diào)壓器輸出的電壓，我們采用閉環(huán)跟隨控制方法，根據(jù)設(shè)定值和實(shí)際供電電壓的高低實(shí)時(shí)控制調(diào)壓器的輸出，當(dāng)供電電壓高于設(shè)定值時(shí)，調(diào)壓器輸出減小，當(dāng)供電電壓小于設(shè)定值時(shí)，調(diào)壓器輸出增大；來(lái)解決客戶提出電壓波動(dòng)的問(wèn)題，同時(shí)分選板的振幅更加穩(wěn)定，選型的效果符合客戶的要求。

4.3 角度調(diào)節(jié)

4.3.1 角度調(diào)節(jié)的原理

如圖5所示，PLC控制器發(fā)出脈沖信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一定的角度，通過(guò)推桿的變換，角度控制轉(zhuǎn)換為直線控制，來(lái)調(diào)節(jié)振動(dòng)平臺(tái)的升降，來(lái)改變分選板的前后角，改變振動(dòng)平臺(tái)傾斜角度，物料在分選板上的運(yùn)行軌跡會(huì)根據(jù)角度的變化而變化。

4.3.2 角度調(diào)節(jié)的結(jié)構(gòu)改造

調(diào)節(jié)振動(dòng)平臺(tái)的推桿，市場(chǎng)上小功率的都直流電動(dòng)推桿，步進(jìn)電動(dòng)推桿都是蝸輪蝸桿的大扭矩，體型比較大，選型機(jī)的內(nèi)部改造空間比較小，所以沒(méi)有合適的推桿，需要從新定做，推力是1200N*M，推桿伸縮距離是200mm，精度是0.1mm。

4.3.3 角度調(diào)節(jié)的控制方法

角度調(diào)節(jié)最終目的是滿足客戶的需求，所以角度調(diào)節(jié)的精度滿足客戶要求的前提下，采取更加優(yōu)化的方法，我們采用閉環(huán)控制，角度設(shè)定值和角度傳感器測(cè)回的實(shí)際角度作比較實(shí)時(shí)控制分選振動(dòng)平臺(tái)的升降，當(dāng)實(shí)際值高于設(shè)定值時(shí)，分選板控制平臺(tái)降低，當(dāng)實(shí)際值小于設(shè)定值時(shí)，分選板控制平臺(tái)升高。

5.設(shè)備安裝調(diào)試

5.1設(shè)備組裝

設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)安裝要求地面比較平整，設(shè)備擺放到位后，四角必須調(diào)平固定，不能出現(xiàn)晃動(dòng)現(xiàn)象，否則設(shè)備就無(wú)法調(diào)試到需要的狀態(tài)，因?yàn)槊恳粋€(gè)細(xì)節(jié)的變化，比如四角不穩(wěn)，減震不一樣，分選板粗糙度不一樣，角度變化精度不一樣等等都會(huì)改變?cè)O(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，所以盡量避免一些可以避免的多變量的變化。

5.2設(shè)備通電調(diào)試

設(shè)備上電后，給料電壓，選料電壓，左面角度和后面角度4個(gè)參數(shù)設(shè)定后，一建啟動(dòng)，就可以了，設(shè)備自動(dòng)運(yùn)行到需要的參數(shù)，如果參數(shù)不合理，重新設(shè)定參數(shù)，在次啟動(dòng)設(shè)備觸摸屏的啟動(dòng)按鈕就好了。參數(shù)符合要求后，保存為自己名字的配方，下次使用直接調(diào)用對(duì)應(yīng)配方的名字，可以保存10組不同的配方，也就是說(shuō)設(shè)備可以對(duì)不同的人造金剛石進(jìn)行分選，僅僅需要點(diǎn)下按鈕，操作非常簡(jiǎn)單。

由以上曲線（圖6）可知，導(dǎo)致每臺(tái)設(shè)備的參數(shù)不一樣原因，設(shè)備元器件的加工精度，電氣元器件的參數(shù)誤差（線圈），設(shè)備焊接時(shí)的要求精度等都會(huì)造成設(shè)備的參數(shù)不一樣，但是選出的人造金剛石的結(jié)果是一樣的。

結(jié)論

從實(shí)際運(yùn)行情況分析，智能化金剛石選型機(jī)控制系統(tǒng)的研制，降低了人工的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了產(chǎn)品的穩(wěn)定性，同時(shí)為整個(gè)車間的數(shù)據(jù)采集，網(wǎng)絡(luò)化提供基礎(chǔ)。

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