旋轉編碼器在球磨機自動對位系統中的應用

張勉 張建 鄭洪業

摘 要：本文介紹了球磨機自動對位系統的特點及對比分析了自動對位對現有手動對位的優缺點。自動對位系統通過旋轉編碼器實時顯示當前球磨機狀態及料口位置，通過程序控制實現自動對位。相比傳統的手動對位成本低、自動化程度高、操作人性化、安全性高，性能更優。

關健詞：球磨機；自動對位；旋轉編碼器；自動化操作

1 前言

隨著陶瓷產業的發展，陶瓷已廣泛應用在人們生活的各個領域（建材、日用、衛浴等等）。中國陶瓷業經歷了從傳統到現代工業化的轉變；現在正向資源節約型、環境友好型的產業轉變，向新型的、現代的、先進的、新興的、有特色的、有優勢的的產業轉變[1]。隨著中國制造2025的推進，陶瓷產業正向著自動化、無人化、智能化的方向邁進。

以建材陶瓷行業為例，成型車間、深加工車間、包裝車間均已實現自動化，工人的工作就是維護巡邏，而原料車間依然保留著原始的面貌。隨著電子產業的發展，越來越多的年輕人傾向于在辦公室通過終端控制生產流程；現在陶瓷廠原料車間的工作環境比較惡劣，工人的平均年齡都很高，年輕人不愿在這種環境下工作，這就意味著原料車間如果不實現自動化，將出現無人可用的情況。面對已經來臨的用工荒和日益高漲的用工成本，推出自動化設備是解決陶瓷企業用人成本壓力的必經之路。[2]

2 技術背景

球磨機是目前工業上廣泛使用的粉末機械。根據生產的規模和條件等的不同，有種種不同形式的球磨機。不過，就陶瓷工業來說，由于生產工藝要求以及從結構簡單、操作維修方便、使用上機動靈活等方面考慮，通常采用間歇式球磨機[3]。以下簡稱球磨機。

球磨機在加料和放漿時需將球磨機料口轉向上，對準平臺加料口。考慮到在筒體上開孔對球磨機筒體整體強度的影響，加料口直徑只能做成55 cm。為保證大的泥團（通常有30 ～ 40 cm）能從下料口進入，同時要求加料速度快，加料料斗口要夠大，為此，加料斗口徑一般設計成45 cm。需要加料或放漿時，需將球磨機的放漿口或加料口正對操作平臺的加料口，對位偏差只允許5 cm內，以便加料斗能插入球磨機筒體內進行加料。

目前的球磨機是采用如下方式進行對位的：如圖1、圖2所示，筒體01內裝有研磨介質（球石），泥石料加入到筒體01內，軸頭支撐在軸承座02上，筒體01在變頻主電機03、減速機04、皮帶輪05和皮帶06的帶動下轉動，實現研磨體對物料的研磨。當物料磨到一定的時間時，需將加料口07轉到正上方，以便取樣檢驗。此時需按停機按鈕，待筒體01停止運轉后，人工拉動拔叉08將牙嵌式離合器09接合。按點動按鈕，松開剎車10，同時輔助電機20運轉，帶動輔機減速機30、減速機04、皮帶輪05和皮帶06，使筒體01慢速轉動。由于定位要求較高，一般需有操作經驗的人站在加料口平臺處專門指揮。當筒體01轉到超過正上方加料口一定位置時，指揮人員發出停機指令，操作人員按停機按鈕，輔助電機20失電，同進剎車10剎住皮帶05等機構，筒體01停止轉動，具體停機位置受操作者與指揮者間的配合度的影響。然后操作者按反轉按鈕，筒體01往反向轉動，當加料口07轉到正上方，對準平臺加料口時，指揮人員發出停機指令，操作人員按下“停止”按鈕，筒體01停住。同理，放漿操作類似。

此種操作方式存在如下不足和缺陷：

（1）通常需要有操作經驗的人員進行指揮，或者操作者上下、來回跑，檢查對位情況，費工且人很累、效率不高。

（2）采用了“牙嵌式離合器”，在接合時，需開動輔助電機轉動一下，再扳動離合器操縱桿讓“牙齒”相互滑入，稍有不慎就會“打齒”，損傷離合器，對操作技能要求很高。有時因為設備使用太久，機架會有些變形，離合器就更難“接合”。

（3）“牙嵌式離合器”對位后需“分開”時，需反向扳動離合器操縱桿讓“牙齒”滑出，由于放漿后內部球石面呈傾斜狀，有較大偏心力作用，使“牙嵌式離合器”的齒面緊密壓合，操作者只能憑感覺來回“點動”輔機電機來消除、減少附加在“牙嵌式離合器”上的作用力，往往要持續好久才能退出，工作效率低。且若遇到性情急燥的人，在“離合器”久分不開的情況下，往往會強行扳動“離合器”操縱桿，往往扳彎、損壞離合器操縱桿，影響生產。

（4）由于操作靠經驗來完成，對位時無法控制球石面的傾斜度，從而導致球石偏心力矩或大或小。當球石偏心矩較大時，作用在剎車上的力將隨著泥漿液面的降低（放漿）越來越大，筒體轉動的趨勢越來越強烈。此時若人站在筒體上進行相關操作（如擰螺栓、檢查球石量等），存在安全隱患。

3 球磨機自動對位裝置

3.1 球磨機自動對位裝置工藝流程

針對手動對位的種種不足之處，提出了一種新型的球磨對位裝置，通過旋轉編碼器自動檢測筒體的旋轉角度，變頻電機、減速機及剎車機構根據檢測到的角度，做出相應的動作，自動化操作，定位準確，操作簡單，效率高，并簡化了球磨裝置的結構，節約成本，降低了操作人員的勞動強度并消除了安全隱患。

球磨機自動對位裝置對位方式如下：如圖3、4、5所示，需要入料或對筒體1內部物料進行抽樣檢驗時，筒體1在變頻電機及減速機的控制下，筒體1由工作轉速自動降低到以低速對位轉速轉動，位于筒體1主軸上的旋轉編碼器3自動檢測筒體1旋轉的角度，當旋轉編碼器捕捉到放漿口12過了平臺加料口200位置時，再轉動一個預設的角度α（一般為人為預設，用于消除筒體1轉動的滯后角度，保證筒體放漿口12位于所述平臺加料口200的正下方）后，變頻電機啟動剎車功能，筒體1在變頻主電機的制動力和筒體偏心力的作用下緩慢往回轉動， 當旋轉編碼器3檢測到筒體加料口11位于平臺加料口200正下方時，空壓碟剎制動器81剎住剎車盤82，實現準確定位，減小偏心距，從而剎車更穩定、安全，自動化生產，消除人工操作的安全隱患。

同樣的，當檢測合格后需放漿液入漿池時，換上放漿閥，筒體在變頻主電機及減速機7的控制下，筒體以對位轉速緩慢轉動，位于筒體1主軸上的旋轉編碼器3檢測筒體旋轉的角度，當其捕捉到加料口11過了平臺加料口200位置時，再轉動一個預設的角度β（一般為人為預設，用于消除筒體轉動的滯后角度及加料口11與平臺加料口200之間的角度差，保證加料口11正對漿池）后，變頻主電機啟動剎車功能，筒體1在在變頻主電機的制動力和筒體偏心力的作用下緩慢轉動，當旋轉編碼器3檢測到筒體放漿口12正對漿池時，空壓碟剎制動器81剎住剎車盤82，使放漿口12正對漿池，打開放漿閥，開始放漿。

3.2 旋轉編碼器組件

旋轉編碼器組件（見圖6）是將筒體的轉動傳遞到旋轉編碼器的機械結構，包含連接塊1、防護罩2、旋轉編碼器3、萬向聯軸節4和安裝架5。

4 推廣應用

目前第一批安裝自動對位裝置的16臺60 T球磨機已在西樵蒙娜麗莎投產，現場對位精度能保證15 mm以內，達到設計目標，客戶也比較滿意，后續采集現場數據進行優化。

蒙娜麗莎車間還有同行興某司的60 T自動對位球磨機，其采用光電開關確定筒體位置，在封頭處安裝兩個光電開關，分別對應入料口和出料口；據客戶反映，球磨機對位精度尚在接受范圍，但是經常要多轉一圈才能定位；觀察其對位過程，準備自動對位時，剎車裝置提前一圈開始電動剎車減速，當感應到對應的光電開關時（對應入料口或者出料口）剎車啟動，筒體停止，此時筒體內球石處于偏心狀態，并未發現球磨機有消除球石偏心的動作；隨著漿液的排出，筒體很大幾率出現打滑，存在安全隱患；而且在整個放漿加料周期內，皮帶、減速機、聯軸器、剎車裝置承受很大的載荷，降低使用壽命。因其產品問題，使用一周后電機處聯軸節與傳動軸處聯軸器柱銷全部斷裂，減速機因底板安裝面不平整有很大的異響。現由我司接手維修工作。

5 結語

信息化高速發展的今天，中國制造2025的推進，各行各業對自動化生產的需求越來越強烈；各種傳感器的飛速發展給自動化生產注入動力。蒙娜麗莎項目的成功象征著陶瓷原料車間向自動化生產邁進了一步。相比傳統的手動對位，自動對位更安全，更精準；旋轉編碼器相比光電開關，更先進、更智能、自動化程度更高。

參考文獻

[1] 蔡飛虎， 馮國娟. 陶瓷墻地磚生產技術[M]. 武漢理工大學出版社， 2011.

[2] 張柏清， 陳華龍. 中國陶瓷機械的發展現狀和展望[J]. 中國陶瓷工業， 2014， 21（1）：40-42.

[3] 張柏清， 林云萬. 陶瓷工業機械與設備[M]. 中國輕工業出版社， 1999.

[4] 歐姆龍E6B2說明書.