伺服驅動注液機的設計與開發

王正雍,楊上華,鄭 躍

[中銀(寧波)電池有限公司,浙江 寧波 315040]

電解液注入(注液)工序是堿性鋅錳(堿錳)電池生產的關鍵環節。目前,我國堿錳電池生產多采用氣動柱塞泵注液。氣動驅動具有自動化、維護簡單、承載過載能力好等特點,但存在氣壓波動影響動作執行、頻率較低、速度控制精度差等問題,會影響電池的放電性能,難以適用于高速堿錳電池生產線[1]。

伺服驅動的最大特點是可控,可以通過輸入控制信號電壓來執行相應的動作,且執行動作即時反饋;一旦除去控制信號電壓,設備就立即停止相應的動作[2]?？删幊绦蚩刂破?PLC)作為中央處理單元,運算速度高、指令豐富、可靠性高,在工業控制領域應用廣泛[3]。觸摸屏具有人機交換功能,伺服電機的多種工藝參數可通過觸摸屏與PLC的組合,直接對設備進行操作,并可實時監控設備的生產速度、產量和合格率;且系統具有報警能力,可顯示故障發生的時間、次數及解決辦法。

本文作者結合觸摸屏監視器、PLC和伺服驅動系統的特點,提出了伺服驅動注液系統的概念,并進行了可行性分析,研究了伺服驅動在注液過程中的關鍵問題,自行開發設計了新型電解液注入系統。

1 系統的開發與設計

1.1 系統的基本結構

注液系統是注液機的核心,直接決定電池生產的質量。設計的注液系統采用伺服驅動的精密計量泵為執行部分,觸摸屏與PLC組合為控制部分。

整個注液系統由注液執行元件——精密計量泵、伺服驅動元件和觸摸屏與PLC組合的控制元件等3個部分組成,如圖1所示。

圖1 伺服注液系統的構成框圖Fig.1 The schematic diagram of the servo injection system

1.2 注液系統的注液執行部分

精密計量泵結構簡單可靠。在本系統中,柱塞為陶瓷,具有高精度、高硬度及高耐磨等特點,在高速注液工況下可長期(1 a以上)使用。系統所用泵的基本結構和功能見圖2。

圖2 注液執行機構簡圖Fig.2 The schematic diagram of the servo injection actuator

在回程時(吸入行程),液體被抽進泵頭膛內,入口單向閥在吸入行程時打開,出口單向閥一直處于關閉位置;在向前行程時(吐出行程),出口單向閥打開,入口單向閥關閉,液體被泵出泵頭膛。液體的吐出量等于吐量活塞的行程容量。吐量活塞吸入行程或吐出行程不足,都會導致注液量不足;注液速度過快,會導致電解液濺出。高速注液系統要求驅動元件能夠快速響應、閉環控制,確保每次注液量的精確,注液速度的平穩。

1.3 注液系統的注液驅動部分

采用由伺服馬達及傳動系統組成注液系統的注液驅動部分。伺服馬達根據控制電壓信號,提供正、反轉動作,且轉速與信號電壓成正比;一旦除去控制信號電壓,可立即停止轉動。通過傳動系統的絲桿、螺母與直線導軌,伺服馬達將控制信號轉換成吐量活塞的行程,即注液量。

注液系統高性能的多功能伺服馬達系統,控制模式有位置控制、速度控制和轉矩控制等3種[4];還可進行位置/速度控制、速度/轉矩控制、轉矩/位置控制等組合控制。伺服馬達集成控制模塊體積小、便于安裝。

原氣動驅動注液系統在頻率為0.7 Hz(對應的生產速度為440只/min)時,就容易產生吐量活塞行程不穩定的問題,導致注液量不足,影響電池性能;且注液速度不易控制,不能實現勻加速注液,氣壓稍有波動或氣源有雜質,就會導致電解液濺出。

經測試,本系統采用1.4 Hz左右的頻率注液,實現了穩定注液,每只電池的注液量偏差在0.02 g以內,且運行順暢。注液(吐量活塞吐出)、補液(吐量活塞吸入)速度均設為3段加速,實現了平穩注液,消除了電解液飛濺的現象。

1.4 注液系統的控制部分

本系統由定位模塊、伺服驅動器、伺服馬達等重要部分組成,如圖3所示。

圖3 伺服驅動器接線圖Fig.3 Wiring diagram of the servo drive

注液量的設置直接轉換為定位模塊的脈沖量控制,定位模塊輸出的是脈沖串,輸出的脈沖串由驅動裝置中的偏差計數器計數并存儲在驅動裝置中的偏差計數器中。在伺服馬達旋轉時,連接到伺服馬達的脈沖發生器生成反饋脈沖,頻率與旋轉速度成正比。

伺服馬達的旋轉速度與脈沖頻率成正比,而總的伺服馬達旋轉角與定位模塊輸出的總脈沖數成正比。通過軟件設置定位模塊參數,可實現馬達速度、加減速度、位置的精確控制。可實現注液系統注液量、故障報警的實時監控。

伺服注液系統可設置多達9組注液工藝參數。通過觸摸屏預先設置好不同的參數,在生產不同規格的電池時,直接選取即可,操作方便、可靠。電解液注入流程圖見圖4。

圖4 電解液注入流程圖Fig.4 Chart of the electrolyte injection

FX2N系列 PLC控制系統(日本產)共有 96個I/O開關量,其中輸出32個、輸入64個,通過I/O來控制繼電器和接觸器皿;同時,PLC可與觸摸屏進行實時通訊,為觸摸屏的顯示提供數據,并對觸摸屏輸入的信息進行處理。

觸摸屏的監視器(PT)可與PLC、伺服器等進行通訊,且不需要編寫通訊程序,直接在PT中相應位置指定PLC地址即可。通過主從方式通訊,實現PT與PLC之間的數據傳送,通過數據存儲區(如DM600),實現各種顯示功能及故障提示。

根據實際工況可能出現的各種故障設定報警頁面,并在相應的位置顯示報警燈。在顯示故障的同時,在頁面的下方顯示解除故障的方法、發生時間和次數。

為了解決工業現場發生的問題的需要,在觸摸屏頁面中,設計加入大量的幫助頁面,包括伺服注液系統的維護、使用和參數設置等。

2 應用效果

采用伺服驅動進行注液與普通的氣動驅動相比,注液量的精度得到了明顯的提高。對在相同速度(880只/min)下運行的氣動驅動注液機與伺服驅動注液機單個工位上的每次注液量進行比較,結果見圖5。

圖5 速度為880只/min時氣動驅動與伺服驅動的注液量Fig.5 The electrolyte injection amount of servo-driver and pneumatic driver at the speed of 880 batteries/min

從圖5可知,氣動驅動注液的注液量偏差較大,最高達1.00 g;伺服驅動注液的注液量偏差較小,最高僅為0.02 g。

伺服驅動注液是一項高效率的技術,其優越性有:

①將伺服驅動系統應用于注液機,通過結合PLC和PT,組成的伺服驅動注液系統速度可達880只/min;

②該注液機可在1.4 Hz左右實現穩定注液,每只電池的注液量偏差可控制在0.02 g以內,注液精度、重復注液精度高,且不會出現注液量不足、漏注等現象;

③PLC控制和觸摸屏監視器,可實現各工藝參數的快速修改,具有良好的實際應用價值。

3 結論

研制的新型伺服驅動注液機已在中銀(寧波)電池有限公司的高速堿錳生產線中推廣使用,工作穩定、性能良好。與傳統的氣動驅動注液機相比,具有高速運行、注液精度高的特點,可大幅提高工作效率,降低工人的勞動強度,提高機械的自動化水平。

[1]LI Zhuang-yun(李壯云).中國機械設計大典(第 5卷)[M].Nanchang(南昌):Jiangxi Science&Technology Press(江西科學技術出版社),2002.911-914.

[2]ROU Shou-xin(羅守信).機械工程手冊(第9卷)[M].Beijing(北京):China Machine Press(機械工業出版社),1997.55-57.

[3]Devdas S,Richard A K.Mechatronics System Design[M].Beijing(北京):China Machine Press(機械工業出版社),2006.209-213.

[4]WANG Xiao-chen(汪小澄),YUAN Li-hong(袁立宏),ZHANG Shi-rong(張世榮).可編程序控制器運動控制技術[M].Beijing(北京):China Machine Press(機械工業出版社),2006.38-40.