高精度微量螺旋給料的設計研究

沈祥兵，高超，楊盼，程磊磊，王小麗

（湖北省地質勘查裝備中心，湖北 武漢430034）

隨著科學技術的發展，高精度微量給料的應用需求日益增加，如光譜實驗室在通過平面光柵攝譜儀對礦物質進行光譜分析時，必須精確控制礦物的重量（一般要求為100±0.3 mg）。本文探討了一種新的高精度微量給料方式——高精度螺旋給料儀，以期實現高精度微量自動給料。

1 機械部分的設計

本節研究的核心是如何利用機械結構來實現高精度微量自動給料。綜合考慮給料的連續性、精確度及效率多方面因素，本研究擬采用螺旋微量給料的方式進行給料，其中，礦樣給料的精準控制是實現最終高精度微量螺旋給料的關鍵步驟之一。要準確迅速地對礦樣進行給料，就要求給料裝置能提供均勻連續的礦樣，并能對供料進行精確控制。本節將從螺旋軸結構尺寸設計、動力設計、螺旋軸強度仿真分析以及自動稱量平臺的設計方面入手研究高精度微量螺旋給料儀的機械部分設計。

1.1 螺旋軸結構尺寸的設計

螺旋給料器的結構尺寸是由所設計的高精度微量螺旋給料儀的稱量范圍及精度決定的。在設計中需要確定的結構尺寸主要有螺旋軸直徑、螺旋葉片直徑及節距、螺旋軸的轉速等，正確地確定這幾個主要尺寸參數是整個項目研究的基礎[1]。這幾個主要零部件尺寸（包括其形位公差）的確定直接影響高精度微量螺旋給料儀的給料精度，在高精度微量螺旋給料時，要求對給料進行精確控制，也即一個標準重量（目前每份礦樣為100±0.3 mg）達到時，應立即停止給料。

實際工作時，礦樣在輸送過程中的慣性和螺旋軸停轉時螺旋葉片相對于出料口停止位置的隨機性均會使少部分礦樣在給料目標完成后，繼續落入量杯中（一般礦樣的堆密度約為1.75 mg/mm3），這是給料后產生誤差的主要原因之一[2]。因此，設計的關鍵是把這個誤差控制在合適的范圍內。

一般而言，螺旋葉片的直徑越大、節距越長，一節距螺旋內所儲存的礦樣就越多，礦樣的慣性越大，給料誤差也就增大；同時，螺旋給料器內螺旋葉片和出料口構成空間的變化（隨機）也越大，因給料未完全終止而引起的給料后誤差范圍也會增大。同時，如果螺旋葉片直徑過小、節距過小，不但螺旋葉片加工工藝困難，還可能導致螺旋給料器的輸送能力變差、給料系統效率過低。另外，因為過細粉體的團聚性，如果節距過小，還會導致螺旋給料儀對粉體的適應性變差，甚至不能給料。因此，合理地確定螺旋葉片的直徑和節距不僅能有效消除給料系統的給料后誤差，還能改善因礦樣（粉體）的團聚性而造成的給料困難現象。

1.1.1 螺旋節距的確定

考慮到礦樣的粒度（一般為-200目，即≤0.074 mm）及實際要求的效率，結合礦樣（本文以200目干燥土壤粉為例）的安息角（≤40°），因此[2]：

式中：t為螺旋葉片螺距，mm；D為螺旋軸直徑，mm。

1.1.2 螺旋型態的確定

要求螺旋給料器提供連續均勻的給料，因此，螺旋軸上的葉片應采用實體面型連續的螺旋，如圖1所示。

圖1 實體面型連續螺旋軸

結合本研究給料量100 mg的微量性（體積約0.1 mL）及其可靠性，本項目采用實體圓截面螺旋作為輸送螺旋，如圖2所示。其優點在于每個單元內儲存的礦樣相對較少，易于（就重量）分度，便于相對精確地給料。在充分考慮螺旋軸強度和剛度的條件下，根據給料精度確定D、t及螺旋圓直徑d，并完成試算。

圖2 本項目螺旋軸

試算方法如下：

因本項目礦樣的安息角為40°，故初步取值t＝0.766D。

基于給料系統的高精度，本項目采用步進電機驅動，為確保實際給料精度達到±0.3 mg，設計給料精度必須小于±0.3 mg。假設給料控制精度為±0.1 mg，即步進電機的一個脈沖對應給料量為±0.1 mg，同時圓形螺旋的螺旋截面圓直徑暫定為0.8 mm，則：

式中：Q為螺旋軸的輸送能力，mg；ρ為礦樣（粉）密度，本項目取值1.75 mg/mm3；β為步進電機一脈沖的（轉）角度，本項目取值1.8°[3]；α為螺旋的位置，本算例取0－β°；dθ為積分因子，對應的位置角α。

令Q＝0.1 mg，則有D≈4.17 mm，取整得D＝4 mm，則t≈3.064 mm，取整得t＝3 mm。

則有：t/D＝0.75＜0.766。滿足礦樣安息角條件。

則一個脈沖內螺旋軸給料量為0.0347 mg，遠小于設計要求的給料精度±0.3 mg。

即D＝4 mm、t＝3 mm、d＝0.8 mm的螺旋軸滿足設計要求。

1.1.3 螺旋軸的極限轉速

一般對于螺旋給料器而言，螺旋軸轉速越高，其給礦效率也越高，但當速度大過一定值后，轉速繼續增加其給料效率反而會降低。這是因為，當轉速達到一定值后，礦樣會因離心力過大而向槽體外拋灑，降低效率，甚至無法給料。故螺旋軸的轉速不能過高，需滿足[6]：

式中：n0為螺旋軸的極限轉速，r/min；?為螺旋軸的螺旋角， ?= arctan= 9.030°；γ為礦樣與螺旋表面間的摩擦角，取值30°；f為礦樣與外殼（桶體內壁）間的摩擦系數，取值0.1；r為礦樣與螺旋中心的平均距離，取值0.003 m；g為重力加速度，取值9.8 m/s2。

計算得：n0＝767 r/min。

1.1.4 螺旋軸給料能力的校驗

為避免進料口礦樣因葉片的高速拋擲而使螺旋給料儀（槽）內容納的礦樣減少，從而影響實際給料速度[3]，螺旋軸轉速在滿足生產效率的前提下應盡可能取低值。經試驗對比，電機標定轉速在200 r/min時，螺旋給料儀的給料效果較好。由式（1）知，給料系統在一個旋轉周期內（即步進電機運行一轉）的給礦量[5]為：

β取值0～360°，計算得：M′′＝12.494 mg

即螺旋軸每旋轉一圈，能給料12.494 mg，給料到目標值（100±0.2 mg的礦樣）大約需要轉8圈左右。

螺旋給料儀每秒輸送的礦樣重量[4]為：

式中：n為螺旋軸轉速，取200 r/m＝3.335 r/s。

計算得：M＝41.645 mg。

在考慮稱重模塊穩定充分延時（稱量時，控制系統給稱量模塊有2 s的延時，使稱量系統穩定，稱量系統穩定后，即可輸出稱量值）的情況下，每輸送100 mg礦樣大約需要6 s，每分鐘給料（制樣）約10份，滿足實際生產要求。

故，根據生產效率需求的螺旋給料能力和由螺旋幾何尺寸所確定的輸送能力基本相符。

1.2 動力設計

動力設計主要是確定螺旋軸的輸入功率。螺旋軸在本項目中主要起給料（即輸送）作用，其長度最長40 mm。因此，輸送過程中的阻力矩較小。螺旋軸輸入功率[4]的計算過程如下：

式中：V水平、V切、V總為螺旋軸出料口礦樣的水平、切向和總速度，mm/s。

計算得：V水平＝20.01 mm/s，V切＝26.67 mm/s，V總＝33.33 mm/s。

礦料動能變化量為：

計算得：δ動能＝4.5×10-5J。

螺旋給料儀有效長度不同，阻力矩也不同，其阻尼系數為：

式中：K為阻尼系數；L為螺旋給料儀給料口到出料口中心的距離，本項目取值15 mm。

式中：η為電動機的機械效能，本項目取值0.9；N為電機功率，W。

計算得：N＝4.73 W。

相對而言，礦樣動能變化所需的機械能（電機）較小。這里忽略了礦樣粉體間的摩擦（其值非常小）。同時考慮到系統的可靠性及市場采購的便捷性，選用扭矩為2 N·m的通用型步進電機（本項目中相當于6.67 W），動力安全系數為1.4。

1.3 螺旋軸強度仿真分析

本項目最關鍵的零件為旋轉螺旋軸，故對其進行仿真力學分析。

建模軟件：SolidWorks。

邊界條件：假定粉體與腔體間的摩擦為零，螺旋軸僅承受電機輸出的2 N·m的扭矩、自重及粉體的質量。D＝4 mm，d＝0.8 mm，t＝3 mm。

固定方式：軸端面固定。

網格劃分：四面體連續網格。

載荷施加：圓周方向2 N·m的扭矩，垂直方向1 N。

由圖3～5可知，螺旋軸的最大應力為1.8×108N·m2，材料（本研究采用0Cr18Ni9）屈服應力為2.08×108N·m2，安全系數1.16＞1，軸的應力是安全的；最大位移1.67×10-2mm，在本研究中，此位移量是被允許的；最大應變6.359×10-4。滿足材料的力學性能[7]。

圖3 螺旋軸應力云圖

圖4 螺旋軸位移云圖

圖5 螺旋軸應變云圖

1.4 自動稱量平臺的設計

自動稱量平臺也是本項目的重要設計部分，其承擔著給料精度的控制、自動連續給料的實現等任務。主要由三個部分組成：高精度稱量模塊、旋轉（分度）系統、（上下）提升系統。如圖6所示。

圖6 自動秤量平臺

1.4.1 高精度稱量模塊

本項目采用十萬分之一的高精度稱量模塊，顯示精度0.01 mg，稱量精度可達0.1 mg。同時，該模塊對稱量環境的變化極為敏感，實驗室輕微的振動，即可導致其狀態不穩定。

稱量模塊的穩定，是指整個稱量系統不受外界及系統自身環境干擾，這樣模塊才能準確輸出稱量值，如果模塊沒有穩定，顯示屏上的顯示數值將一直跳變，且不輸出到控制系統，并有不穩定標識；系統穩定則顯示屏上有穩定標志，且數值穩定，數值也將被控制系統采集。

故此，設計了低中頻降阻尼系統，以隔振減震，如圖7所示；并采用封閉式稱量環境，以實現稱量模塊的抗干擾能力，如圖8所示。稱重模塊穩定所需時間從大于5 s降到1 s左右。

圖7 低中頻減震系統示意圖

圖8 封裝效果圖

1.4.2 提升系統

旋轉系統驅動托料盤帶著（接料）坩堝旋轉，當目標坩堝與秤量模塊的秤量凸臺對正時，旋轉電機停止，提升電機驅動托料盤下降，使坩堝與稱量凸臺接觸，并脫離接料盤，稱重模塊對坩堝初始稱重（皮重）并記錄，接著加料系統對坩堝加料，稱量系統實時監測，達到目標值后，停止給料，提升電機工作，驅動料盤上升，料盤與坩堝接觸，并帶動坩堝脫離稱量模塊的凸臺。

1.4.3 旋轉（分度）系統

旋轉（分度）系統主要是針對連續循環（給料）稱量而設計的。它是由一步進電機驅動托料盤，托料盤沿外緣均勻分布若干分（接料）坩堝。當坩堝脫離給料盤后，給料系統向坩堝給料，稱重模塊稱重，當坩堝中礦樣重量達到目標值后，提升系統提升料盤，使坩堝脫離稱重模塊。步進電機旋轉一定角度，使下一個坩堝轉到稱量模塊凸臺，系統繼續接給料。

2 流程設計

高精度微量給料儀由PLC控制攪拌系統、螺旋給料系統、料盤升降系統、料缽自動旋轉接料系統、稱量系統按設定流程動作，從而實現批量自動獲得目標重量的礦樣。本系統的動作流程及結構如圖9、圖10所示。

圖9 系統流程圖

圖10 機構簡圖

3 程序控制設計

本項目自動控制系統主要由三部分組成：

（1）通訊系統，保證稱重模塊與控制系統（PLC）及步進電機之間的通訊。即PLC可正確讀取稱重（模塊）的數據并轉換成PLC系統可讀取的語言；PLC在與目標值計算比較后，發送對應脈沖數給驅動（步進）電機進行補料（或初始值給料）。

（2）控制執行系統，各系統動作之間閉環反饋。即稱重模塊、控制系統、（給料）執行機構互相配合，獲取正確反饋，并在精確執行后，反饋給下一步。

（3）人機界面。存儲每一步取得的穩定重量值，以備數據查詢，也為系統自學習儲備基礎數據。同時，增加控制系統的自學習能力，以適應實驗室對多種礦樣的給料操作。程序如圖11所示。

圖11 控制程序方框圖

3.1 稱重數據轉換

稱重模塊數據接口是集成RS232/RS485接口，其發送格式如表1所示。按照PLC指令要求重新編制獲得重量命令的PLC程序，使模塊的返回數據格式如表2所示。

表1 發送格式

表2 返回數據格式

3.2 自動控制部分程序

本項目自動控制系統的關鍵在：由于精度為0.1 mg的稱量系統對環境要求很高，微小的振動或空氣擾動均可導致獲取數據出現偏差，故須隨時與模塊通訊請求重量狀態返回，必須在返回重量數據穩定后，才能對取得的重量值進行存儲和計算，并為后續稱量及“自學習”計算做數據上的閉環。故此做了相應的修正。返回的重量狀態存儲在第五字節中，使用比較指令判定。并在觸摸屏上以指示燈的形式顯示其是否處于穩定狀態，亦作為取得穩定讀數的標志將其常開點串入梯形圖。同時，在預給料結束后，增加了一個2 s延時，所有部件均停止機械運動，以保證稱量系統穩定，稱量系統穩定后即可輸出稱量重量值。該值經控制系統分析、判定需補料多少，并計算出需輸出幾個脈沖，發出指令給驅動模塊，驅動模塊發出脈沖信號驅動給料步進電機進行一次補料。完成一次補料后，重新判定給料重量值，如達到目標即完成本次樣品的給料，否則進行更多次補料。

3.3 控制系統的“自學習”能力

“自學習”功能主要是指，本項目控制系統可以根據前道工序的執行情況（如給料、補料的脈沖次數等），主動修正后面的執行程序，以達到優化系統（精化給料效率和精度）的目的。比如，更換一種新的礦樣后，在系統第一次自動適應性給料完成后，系統可以根據這次給料的精度以及補料的脈沖次數，自主修正下一次給料的第一次主動給料的脈沖數。如此循環迭代計算，最后得到一個穩定的給料動作執行數據，并存儲于程序中，后期均按此穩定數據執行給料動作。

3.4 人機界面設計

首頁采用簡潔風格設計，只設計了啟動停止和目標重量等幾個按鈕，如圖12所示，前期調試的按鈕（選項）均放置于第二層界面。并利用觸摸屏的數據存儲及調用、分析等功能，設計了本項目控制系統的數據存儲系統。

圖12 高精度微量給料儀控制面板

本自控系統實現了無人值守并全自動化稱量記錄的功能，讀取及存儲數據均采用modbus數字量進行傳輸，具有高可靠性、高抗干擾等特點。同時在控制系統中增加了“自學習”功能，使得該項目研究成果可適用于多種量程、多種礦樣的自動稱量系統中。如圖13所示。

圖13 高精度微量給料儀產品機芯效果圖

4 試驗效果

為驗證項目產品效果，進行了給料（稱量）試驗，隨機采樣10組數據，如表3所示（表格限制，省略了100 mg的表示），給料精度均達到項目范圍（100±0.3 mg）。

表3 給料（稱量）試驗部分數據

5 結束語

螺旋界面采用半圓形螺旋葉片給料，提高了礦樣的輸送性及輸送量的精準性，加之螺旋給料的連續性，使螺旋給料適合用于高精度微量給料儀。同時，本研究項目的給料儀具備自學習功能，能適應各種（粉體）礦樣的高精度給料。高精度微量螺旋給料儀給料效率高、結構簡潔、易控制，達到了設計目標。