鎂錠切削機自動化改造技術研究

劉勇軍，余愛香，李鑫

(鶴壁職業技術學院機電工程學院，河南鶴壁458030)

由于鎂合金具有密度小、比強度高、彈性模量大、承受沖擊載荷能力大等特點而廣泛應用于航空、航天、汽車等工業部門。在金屬冶煉的過程中添加鎂粉便可加工出鎂合金。鎂粉的加工方法有:銑削法、噴霧法、球磨法等［1］。國內鎂粉生產過程主要是先將鎂礦冶煉成鎂錠，然后由鎂錠切削機切成顆粒再磨制而成的。鎂粉顆粒的均勻度和尺寸大小對合金的性能有較大的影響，所以控制鎂粉顆粒的質量非常重要。而鎂粉顆粒質量與鎂錠切削機有直接關系，所以研究鎂錠切削機對提高鎂粉加工產品的成品率具有重要意義。

由于金屬鎂的產量較小，對鎂產品加工裝備的研究較少［2］，目前使用的鎂錠切削機大多為手動控制，鎂顆粒尺寸無法自動調節，廢品率較高。作者針對這一問題，提出利用PLC 和PID 技術對現有鎂錠切削機進行改造升級，從而提高鎂粒加工的成品率。

1 鎂錠切削機簡介

1.1 鎂錠切削機工作原理

鎂錠切削機是把鎂錠切削成鎂顆粒的設備，目前廣泛使用的鎂錠切削機的結構如圖1所示。切削機主軸上裝有刀輥1，主軸在電動機的帶動下做旋轉運動，刀輥上沿螺旋線方向安裝有刀片。正常運行時，將鎂錠3 放在進給缸6 前，按下啟動按鈕，進給缸推動鎂錠進給，當鎂錠到達壓緊缸2 下面時，壓緊缸壓緊鎂錠，此時鎂錠繼續進給，直至與刀輥接觸開始切削。由于鎂錠無法全部被切削，在鎂錠進給到位后，進給缸開始縮回，卸料缸5 縮回，壓緊缸上升，余料落下，一個循環結束。由于進給液壓缸回程和上料需要時間，為了提高工作效率，通常采用兩個進給缸輪流工作。傳統的鎂錠切削機上沒有推料缸4，為了自動化改造重新設計了自動上料機構。鎂錠切削顆粒大小的調節是通過人工調節進給缸液壓回路中的節流閥來實現的。

由此可以看出，傳統的鎂錠切削機存在著自動化程度低、需有人值守、效率低、顆粒尺寸波動大且不易控制等缺點，為此需要對其進行改造。改造的思路是保持進給速度不變，利用PLC、光電編碼器、變頻器對主軸轉速實現閉環控制［3－5］，從而做到主軸恒轉速運行。顆粒尺寸設定可以通過觸摸屏來完成。

圖1 鎂錠切削機結構簡圖

1.2 自動上料機構改造

傳統的鎂錠切削機是手工送料，即操作人員一直守在機器旁，當一根鎂錠切削完畢且進給缸縮回到位處于等待狀態時，人工放入一根鎂錠，費時費力。為了對設備進行自動化改造，必須設計自動上料機構，根據現有的鎂錠切削機結構特點，設計的自動上料機構如圖2所示。料倉1 內可以一次裝多塊鎂錠，當進給缸縮回到位后，提放缸10 通過鋼絲繩9、掛鉤3 將料倉內的鎂錠提起(導向輪8 保證掛鉤能夠鉤住鎂錠)，推料缸7 推動最下面的鎂錠至鎂錠導槽4 中，推料缸縮回后，提放缸伸出，鎂錠下降。在料倉底部裝有緩沖器5，當鎂錠接觸緩沖器后，掛鉤會碰到導向輪6 而與鎂錠脫開，提拉缸帶動掛鉤上升，完成一個循環。

圖2 自動上料機構

2 鎂錠顆粒大小調節與控制方式

2.1 手動、自動控制方式比較

目前鎂錠切削機切削顆粒大小的調整方法普遍采用的是靠進給缸的節流閥來人工調節，這種調節方式無法做到精確控制顆粒大小，完全靠經驗來完成，控制精度低，導致產品的廢品率比較高。而且人工調整還存在以下缺陷:(1)如果不慎調整進給量過大則會導致電機過載停機;(2)若進給過小則有可能導致鎂粒太小，在篩分時作為次品處理;(3)手動調節方式假設主軸轉速是恒定的，實際上在鎂錠與刀輥接觸時，負載突然增加，電機轉速會略有降低，此時切削的鎂粒尺寸會變大。所以嚴格控制鎂粒大小對提高鎂粉生產的合格率尤為重要。

針對手動控制存在的缺點，作者提出了利用PID技術調節主軸的轉速、而進給缸保持恒定進給速度的改造方案。主軸電動機由變頻器驅動，編碼器將主軸的實時轉速值傳給可編程控制器(PLC)，PLC 通過將主軸電機的轉速同設置轉速進行PID 計算，將計算值反饋給變頻器實現對主軸轉速的閉環控制。改造前后的技術方案與優缺點如表1所示。

表1 控制方式比較

2.2 自動化改造電氣原理圖

鎂錠切削機自動化改造PID 閉環控制的電氣原理圖如圖3所示，3 相電源經變頻器MM440 接至主軸電機，主軸電機上聯接有編碼器PG，編碼器將主軸電機的旋轉角度轉化為脈沖傳給可編程控制器CPU224XP，PLC 通過高速計數器將脈沖信號計數并計算主軸電機的轉速，并將轉速值與設定值進行PID運算，運算后的結果通過模擬量通道反饋給變頻器，構成閉環控制，使主軸電機的轉速維持一個恒定的值，從而保證切削鎂粒尺寸的穩定，提高產品的成品率。

圖3 PID 閉環控制原理圖

3 PID 控制算法

PID 控制是工業過程中最常用的一種控制方法，它由比例控制、積分控制、微分控制3 個部分共同控制控制器的輸出，達到穩定的無差控制。

3.1 PID 數學模型

PID 因具有結構簡單、穩定性好、工作可靠、調整方便等優點，是目前工業生產中最常用的一種控制方式，PID 控制的數學模型為:

式中:M(t)是PID 的輸出，KC、TI、TD分別是PID回路的增益、積分時間和微分時間，MI是回路的初始值。

3.2 PID 模型的數字化

PID 數學模型中的數值是連續變化的，要想在控制器中實現，就必須數字化，也即將采樣值進行離散。數字化后的數學模型為:

式中:Mn是PID 的輸出，KC、KI、KD分別是PID 回路的增益、積分常數和微分常數，MX 是上次的積分項。這樣每次計算只需保存上次計算的誤差值en－1和積分項MX 即可完成對PID 輸出值的計算，只要誤差存在，PID 就會一直計算，直至消除誤差。

4 控制程序

西門子S7－200 型PLC 提供了8 個回路的PID 功能，用以實現需要按照PID 控制規律進行自動調節的控制任務［6］。PID 功能的核心是PID 指令，PID 功能是通過PID 指令功能塊實現。通過定時(按照采樣時間)執行PID 功能塊，按照PID 運算規律，根據當時的給定、反饋、比例－積分－微分數據，計算出控制量。PID 的輸入值是主軸轉速設定值，反饋值是編碼器測量的主軸轉速值，PID 運算是在PLC 中完成的，為此作者重點編寫了轉速測量程序和PID 運算程序。

4.1 主程序

Network1

LD SM0.1

CALL SBR_0:SBR0 /調用子程序0

CALL SBR_1:SBR1 /調用子程序1

Network2

LDN T32 /采樣時間

TON T32，1000

4.2 轉速測量子程序

轉速測量是靠光電編碼器來完成，PLC 通過讀取光電編碼器單位時間發出的脈沖數來計算轉速值［7］，并將其歸一化。光電編碼器的線數為1 000，變頻器的輸出頻率30 Hz，最大頻率50 Hz，接收模擬量為0 ～10 V。

SBR_0 /子程序

Network1 /高速計數器初始化

LD SM0.1

MOVB 16JHJF8，SMB37

HDEF 0，0 /使用高速計數器0，模式0

MOVB 0，SMB38

HSC 0

ATCH INT_0:INT0，21/中斷連接

ENI /開全局中斷

INT_0 /中斷程序

Network1

LD SM0.0

MOVD HC0，VD200 /讀取脈沖數

DTR VD200，VD200 /轉換為實數

/R 25000.0，VD200 /歸一化

* R 32000.0，VD200 /轉為數字量

ROUND VD200，VD200 /取整作為PID 輸入

Network2

LD SM0.0

MOVD 0，SMD38 /重新計數

HSC 0 /啟動高速計數器

4.3 PID 控制程序

PID 控制程序主要完成PID 參數的設定、PID 的運算及把運算結果轉化為模擬量值輸出等內容。

SBR_1 /PID 初始化

Network 1

LD SM0.0

MOVR 0.75，VD104 //裝入設定值75%

MOVR 0.25，VD112 //裝入增益0.25

MOVR 0.10，VD116 //采樣時間0.1s

MOVR 30.0，VD120 //積分時間30min

MOVR 0.0，VD124 //關閉微分作用

MOVR 0.0，VD128 //積分項前項

MOVR VD200，VD132 //過程變量前值

SBR_1 /PID 處理程序

Network 2

LD SM0.0 //執行PID 控制

PID VB100，0

Network 3

LD SM0.0

MOVR VD108，AC0 /輸出值傳送累加器

* R 32000.0，AC0 /累加器中為刻度值

ROUND AC0，AC0 /轉換成32 位整數

DTI AC0，AQW0 /寫到模擬輸出

5 試驗及結果分析

為了驗證PID 控制技術對鎂粒尺寸質量控制的優越性，分別使用傳統的鎂錠切削機和改造后的鎂錠切削機切削20 塊鎂錠，并經研磨機研磨后隨機抽取100 粒在放大鏡下進行測量，測量結果如表2所示。

表2 改造前后鎂粒尺寸比較

5.1 樣本合格率

鎂粒尺寸在300 ～380 μm 之間的為合格品，不在此范圍內的鎂粒將被振動篩篩分掉。從抽樣的100 粒鎂粒數據可以簡單計算出傳統鎂錠切削機的加工合格率為89%，而改造后的鎂錠切削機的加工合格率為95%，改造后的合格率比改造前提高了6%。

5.2 均值與標準差分析

根據測量結果，求出改造前后加工鎂粒尺寸的均值分別為:345.6 和339.7。從均值可以看出改造前的均值要略大于理想值340，這是由于傳統切削機在鎂錠與切刀接觸的短時間內，電機負載增加，主軸轉速略有降低，從而導致切削進給量增大而造成的，而改造后的切削機由于使用了PID 閉環控制，能夠維持主軸電機恒轉速運行，改造后的均值非常接近理想值。改造前后的標準差分別為:22.4 和17.2，可以看出，改造后的顆粒尺寸更加靠近均值，優良產品的比例更高。

5.3 總體估計

為了能從樣本信息中考察整體情況，需要對改造前后鎂錠切削機加工顆粒尺寸的總體進行估計，根據樣本數據繪制的顆粒尺寸概率密度曲線如圖4所示，可以看出:顆粒尺寸服從正態分布。設X1為改造前的鎂粒尺寸隨機變量，X2為改造后的鎂粒尺寸隨機變量，則:

圖4 改造前后鎂粒尺寸概率密度圖

由式(3)和式(4)可以計算出改造前后鎂粒尺寸在區間［300 380］的概率分別為:

P1{300 ＜X ＜380}= Φ1(380)－ Φ1(300)=0.917

P2{300 ＜X ＜380}= Φ2(380)－ Φ2(300)=0.980

從計算結果可以看出:經過PID 改造后的鎂錠切削機加工鎂粒合格率比改造前提高了6%，改造效果明顯。

6 結論

鎂錠切削顆粒尺寸的大小和均勻度對鎂制品后續加工的質量影響很大，作者所提出的利用PLC 作為主控元件、利用變頻器來控制主軸電機的轉速并把轉速信號通過PLC 中的PID 計算反饋給變頻器的技術方案實現了對主軸轉速的閉環控制，從而可以精確控制鎂粒的尺寸。該技術方案已經在ZMJ-700 型鎂錠切削機上應用，改造后的鎂錠切削機加工產品的合格率比改造前提高了6%，效果明顯。

【1】伍上元.談談鎂粉及顆粒鎂的生產方法［J］.輕金屬，1999(5):40－44.

【2】烏志明，馬培華.鎂、鎂資源及鎂質材料概述［J］.鹽湖研究，2007，15(4):65－72.

【3】唐偉，亓軍祥.基于PLC 的修磨機控制系統設計［J］.組合機床與自動化加工技術，2004(7):79－80.

【4】劉東升，王守芳.基于PLC 與變頻器的恒張力卷繞控制系統［J］.制造業自動化，2011，33(8):131－133.

【5】劉增環，潘明福.基于PLC 及變頻器技術的帶式輸送機控制［J］.煤礦機械，2011，32(9):192－193.

【6】路如旃，李群.基于PLC 的模糊PID 橋式切割機控制系統［J］.制造技術與機床，2009(2):68－71.

【7】趙強，錢曉龍，汪晉寬.高速計數模塊的組態方法［J］.儀器儀表學報，2003，24(4):386－388.