高精度微量給料系統的設計研究

沈祥兵, 楊 盼, 高 超, 鄭永權

(湖北省地質勘查裝備中心,湖北 武漢 430034)

地質部門常采用發射光譜法對各種地質樣品進行元素分析,其中對樣品重量有著非?？量痰囊?100±0.3 mg)。目前國內外尚無相關儀器實現定量給料,實驗室均采用人工稱量的方式進行給料,其操作難度大、效率低[1]。為了提高實驗室光譜分析中樣品粉末定量給料的生產效率和控制精度,實現定量給料流程自動化,筆者團隊研發了一套高精度微量(100±0.3 mg)給料系統。該系統采用直線運動模塊作為動力源,驅動高精度微量給料儀給料,經高精度稱量系統及控制系統的綜合運算及控制,自動完成高精度微量給料的操作[2]。

1 設計方案與結構概述

1.1 設計方案

由于塞柱式給料儀具有給料控制穩定性、簡潔性、適應性的特點[3],筆者團隊首先以塞柱式高精度微量給料儀為基礎進行攻關。

塞柱式高精度微量給料儀采用直線運動模塊作為驅動[4],利用高精度活塞桿進行給料,采用高精度稱量系統實施給料計量,通過單片機編程實施精確給料控制[5],可實現給料的自動化。由人工將樣品粉末裝填到給料儀料倉,啟動給料程序,即可完成自動給料操作。

1.2 結構

高精度微量給料系統主要結構是由電控系統、塞柱式高精度微量給料儀、高精度稱量系統、接料系統、減震隔振系統組成,如圖1所示。

1.電控系統;2.塞柱式高精度微量給料儀;3.封裝盒;4.高精度稱量系統;5.料盤提升系統;6.料盤定位系統;7.減震隔振系統

該系統中直線運動模塊驅動塞柱式高精度微量給料儀給料,以達到精確下料的目的;而減震隔振系統主要是保證高精度稱量系統不受外界和給料系統本身產生的振動干擾,以達到穩定稱量的目的;給料的樣品由接料系統接料,高精度稱量系統實時監測給料重量,當給料重量達到目標值時,單次給料結束;接料系統自動切換至下一給料工位,重新給料,以達到連續給料的目的。

2 關鍵部分設計概述

2.1 塞柱式高精度微量給料儀

塞柱式高精度微量給料儀(圖2)主要由腔體、主軸、直線運動模塊等部件組成。主軸下部為異型(斜楔)式腔體,該異型結構與腔體底部圓柱孔形成給料腔。直線運動模塊作為動力源,驅動主軸做上下運動,由主軸的上下往復運動而下料,從而實現高精度微量給料。該給料儀具有給料穩定、可控的特點,在控制系統和稱量系統的配合下可以實現精準下料,同時,該儀器結構及加工工藝簡單,可操作性強。

1.腔體;2.主軸;3.直線運動模塊

該儀器的主要零件是主軸(圖3),筆者團隊采用SolidWorks軟件建模,利用Simulation有限元仿真分析軟件進行分析。

圖3 主軸示意圖(單位:mm)

直線運動模塊的最大驅動力為25 N,最大行程為12 mm,故該仿真分析的邊界條件為:部件尺寸,如圖3所示;壓力為25 N;網格劃分采用1.25 mm的四面體結構網格;約束為底部固定;材料為0CR18Ni9;仿真分析云圖,如圖4所示。

圖4 有限元仿真分析云圖

由應力云圖(圖4-a)可知,主軸的最大應力為1.278×107MPa,而材料0CR18Ni9的屈服應力為2.068×108MPa,安全系數為1.6,應力滿足材料的力學性能。由位移云圖(圖4-b)可知,最大位移為8.043×10-4mm,滿足項目要求。由應變云圖(圖4-c)可知,最大應變為3.185×10-5,滿足材料性能要求。因此該主軸設計可滿足項目設計要求。

2.2 高精度稱量系統

該系統采用十萬分之一的高精度稱量模塊,顯示精度為0.01 mg,稱量精度可以達到0.1 mg。主要功能由2部分組成:①讀取功能,能識別稱重數據;②數據交互功能,其與控制系統進行數據交互。

2.3 接料系統

該系統由坩堝(接料用)、旋轉(分度)系統和(上、下)提升系統構成(圖5),三者相互關聯、相互配合。接料托盤上開有系列錐形圓孔,坩堝外側也是錐形圓孔。當坩堝與稱量模塊上的稱量凸臺正對時,接料托盤下降,坩堝就會脫離接料托盤,完全孤立在稱量凸臺上。此時,稱量模塊上顯示的重量即為坩堝及其樣品(下料)的總重量。

圖5 接料系統

2.4 減震隔振系統

由于高精度微量給料系統采用十萬分之一的高精度稱量模塊,其對環境細微的變化非常敏感,輕微的振動會影響稱量模塊的穩定性。如果說高精度微量給料儀是設計的關鍵點,那減震隔振系統則是設計的關鍵核心點?；谌冶鹉z高彈態和高黏態的特點[6],筆者團隊采用閉孔發泡的三元乙丙橡膠作為減震隔振材料。影響高精度微量給料系統穩定性的因素主要有3個方面:①整個系統的固有頻率;②直線運動系統給料所產生的激振;③外界產生的高頻激振(如地板的敲擊、工業聲源的激振等)[7]。減震隔振類型可分為主動減震和被動隔振。主動減震是以設備本身為振源,減震的目的是減少設備對系統的干擾;被動隔振是為了減少周圍環境(設備)對系統的影響。該系統需要與周圍環境(地基、承臺)隔離開來,防止周圍的振源傳給系統。為了便于理解減震隔振的基本原理,本文建立了一個簡化的模型(圖6)來加以說明。

M.系統質量;C.系統阻尼系數;K.彈簧剛度;X0.系統響應振幅;Xi.系統激勵振幅

該模型采用彈性基礎,將減震隔振系統簡化為單自由度的簡諧振動系統,假設阻尼器在穩態正弦激勵下的傳遞率為T[8],即有:

(1)

對系統質量M,本征頻率(fn)和臨界阻尼(CC)可用公式表示為:

(2)

(3)

式中:K為彈簧剛度。

由公式(1)即可求得系統傳遞率(T)與激勵頻率比(r)的關系,如圖7所示。

圖7 傳遞率與激勵頻率比的關系

根據Snowdon隔振系統的推導有[9]:

(4)

式中:tanδ為阻尼系數;Kn為共振頻率下的彈簧剛度。

(5)

在較高頻率(即f≥fn)且tanδ較小時,可簡化為:

(6)

式中:ω為角速度。

從公式(5)、(6)可以得出,在評估材料的減震隔振性能時,采用高振幅低頻率下的阻尼系數(tanδ)和低振幅高頻率下的彈簧剛度(K)為宜。

基于此理論,筆者團隊設計了特殊的低中頻降阻尼系統——三級減震隔振系統,如圖8所示。

1.高精度微量給料儀框架;2.一級減震;3.稱量平臺;4.二級減震;5.高精度微量給料儀;6.限位墊;7.底部框架

2.4.1一級減震隔振墊設計

橡膠阻尼性能不僅取決于橡膠分子的結構,還與其形狀相關[10]。故本級減震隔振系統采用閉孔發泡三元乙丙橡膠,其主要吸收來自直線運動模塊產生的振動。據相關生產廠家提供的產品數據,直線運動模塊的運動頻率在2～3 Hz,本次采用雙層20 mm厚度、孔徑約0.3 mm的閉孔發泡三元乙丙橡膠作為一級減震隔振墊的基材。直線運動模塊常用的頻率有3個:3.17、2.58、2.58 Hz。當第一階段給料時,系統下料的頻率為3.17 Hz,該階段所使用的時間最長;當第二階段給料時,系統下料的頻率為2.58 Hz,但該階段每次下料時系統會有1 500 ms的延時;當第三階段給料時,系統下料的頻率也為2.58 Hz,但該階段每次下料時系統會有2 500 ms的延時。故系統第二、第三階段的頻率可以不討論,只需要討論第一階段的頻率。根據橡膠傳遞的滯后性,采用雙層墊的設計加強一級減震系統彈簧剛度(K)值的黏性(即K值會隨著頻率變化而變化),使本級減震隔振系統能完全吸收(消納)直線運動模塊振動所產生的機械能。

為更好實現減震隔振系統的作用,采用Simulation有限元仿真分析軟件對減震隔振墊進行頻率分析。將給料的重量簡化為減震隔振墊的平面載荷,則其邊界條件如下:建模采用SolidWorks軟件建模;材料為三元乙丙橡膠;尺寸(長×寬×高)為50 mm×50 mm×20 mm;約束為底面軟彈簧;網格類型為四面體實體網格;模式數為5;解算器類型為Direct sparse解算器;載荷為平面加載65 333 Pa;

厚度為20 mm、長寬均為50 mm的減震隔振橡膠墊1的1-5階頻率振幅云圖如圖9所示。

圖9 橡膠墊1的1-5階頻率振幅云圖

在振動頻率分析時,一般只考慮系統的1階、2階與擊振源頻率的關系,由圖9-a～c可知減震隔振墊采用20 mm墊時,系統的固有頻率分別為:1階39.287 Hz;2階39.378 Hz;3階39.488 Hz;而39.287/3.17=12.39,39.488/3.17=12.46,48.242/3.17=15.22,固有頻率與擊振頻率的比值均>5。根據圖7可知,在r>5時,系統的傳遞率趨近于0,減震隔振效果非常明顯,即該減震系統是有效的。同時在系統振動頻率分析時,還需分析系統安全性,其中主要考慮激振頻率與系統各階頻率的1、3、5倍的重合共振帶。一般認為系統的固有頻率需超過激振頻率的±20%～40%,系統就是安全的(不會產生共振)。3.17×3=9.51,3.17×5=15.85,即各階固有頻率在激振頻率的1、3、5倍之上且不是整數倍時,其減震隔振系統就是安全的。

綜上所述,在第一階段采用雙層20 mm厚度的三元乙丙橡膠作為減震隔振墊塊是安全有效的。

2.4.2二級減震隔振墊設計

二級減震隔振系統主要是吸收來自接料系統振動產生的能量。據相關生產廠家提供的產品數據,接料系統電機的運動頻率為10 Hz,同時因為接料系統與高精度稱量系統連接為一個相對的整體,所以本級減震隔振系統需完全吸收(消納)接料系統產生的振動。相對于閉孔發泡三元乙丙橡膠來說,其發泡的孔徑越大,橡膠的滯后效應越明顯,即減震性能更好,故采用孔徑約0.5 mm、厚度為35 mm的閉孔發泡三元乙丙橡膠,以吸收(消納)來自接料系統的振動。圖10為橡膠墊2的頻率振幅云圖,可知本級減震隔振系統采用35 mm 厚度的三元乙丙橡膠減震隔振是合理有效的。

2.4.3三級減震隔振墊設計

本級減震隔振系統主要是消除整個給料系統外部的震動和干擾。減震最根本和最好的方法是減少或者消除震動源的震動,但實際上要想完全消除震動源的震動是不可能的,因此必須采取其他控制震動的方法。比如利用橡膠既有高彈態又有高黏態,采用孔徑約0.5 mm、厚度為20 mm、邊長為50 mm的減震隔振墊,以吸收外部各種振動源所產生的振動(能量)。經三級減震隔振系統,外加處于封裝盒半密封狀態(圖11),整個給料系統相對較為穩定,高精度稱量系統可以快速響應,達到了減震隔振的效果。

圖11 封裝盒封裝效果圖

3 控制系統的設計

3.1 硬件選型與設計

根據塞柱式高精度微量給料儀的需求,先確定需要的關鍵元器件:2個步進電機、2個接近開關、1個電磁開關(給料儀)、微量稱重模塊。需要用到的關鍵技術:RS485通信端口、RS232通信端口、Modbus協議等[11],本設計選用YS-F4Pro開發板。

3.2 控制系統概述

3.2.1核心開發板

YS-F4Pro開發板為本設計的核心開發板,運用到了兩路步進電機接口、RS485通信端口、RS232通信端口、兩路光電開關輸入端口、一路震動馬達輸入端口、一路直流電機接口。兩路步進電機分別控制給料儀轉盤的旋轉和坩堝的升降。RS485通信端口實現微量稱量模塊與單片機之間的數據信息交互,RS232通信端品實現單片機與上位機顯示屏之間的數據信息交互,兩路光電開關輸入端口分別作為旋轉電機和升降電機的零點標志位,一路震動馬達輸入端口控制震動馬達的開關,加快下料速度;一路直流電機接口控制電磁開關的開合,通過控制脈沖寬度調制PWM(Pulse Width Modulation)占空比和有效時間來控制下料的頻率和單次下料量。

3.2.2電磁開關下料儀驅動板

此驅動板最高可以驅動600 W(60 V,10 A)的直流有刷電機,具有電流采集、電壓輸出、過流保護、過壓保護、低壓保護的功能。將帶有有刷電機的驅動板與YS-F4Pro開發板連接[12],如圖12所示,YS-F4Pro開發板使用無刷電機接口1來作為控制端口,直接使用排線連接2塊板子即可。電機則接到驅動板的電機接口,電源使用電機標注的額定電源,此例程里面驅動板與電機共用一個電源,可支持12～60 V的電壓輸入。

圖12 有刷驅動板與YS-F4Pro開發板連接示意圖

3.2.3稱重模塊

稱重模塊精度為0.1 mg,帶有LCD液晶顯示屏,使屏幕更加清晰明亮,方便用戶讀取稱重結果。該模塊采用標準的RS232通信端口,可實現與電腦、打印機或其他設備之間的數據通信及多種稱重單位的相互轉換[13]。

4 設備重點功能

4.1 直線運動模塊分階段運行

直線運動模塊直接驅動高精度微量給料儀的給料頭(軸),給料頭的運動由直線運動模塊的執行頭(軸)的運動狀態決定。目前利用YS-F4Pro開發板控制直線運動模塊電壓的占空比及占空比延時來實現該模塊運動行程的變化,及高精度微量給料儀的給料頭(軸)不同的給料行程[15-16],從而達到改變單次下料量的目的。直線運動模塊的行程主要設置為4個階段,僅以100 mg為例,不同的給料重量(0.04～120 g)均可實現。

整個直線運動模塊的邏輯控制給料過程分為4個階段:初始、穩定、穩定補料和最終補料階段[17]。

(1) 初始階段。該階段是指給料的前期階段,給料系統處于不完全穩定狀態,但該階段系統的不穩定對整體給料精度不造成影響。為提高給料系統效率,在此階段忽略系統的不穩定,直線運動模塊全行程、全速度進行給料,以達到快速給料的目的。

(2) 穩定階段。經過初始階段高效率給料后,給料量接近于目標給料值,為準確獲取已經給料樣品的重量,需要整個系統處于穩定狀態。根據相關稱量系統廠家提供的數據,稱量模塊的穩定時間<2.5 s,因此此階段每次下料后延遲2.5 s,以便整個系統穩定,從而得到準確的樣品重量。

(3) 穩定補料階段。 經過穩定階段后,可準確獲取已給料樣品的重量,此時樣品重量接近于目標給料值(≈95 mg),故此階段給料采取半行程給料(減少單次下料量)、長延時(約1.5 s)的策略進行半精準下料。

(4) 最終補料階段。經過穩定補料階段后,已經給料樣品重量非常接近于目標給料值(≥99.3 mg)。此時整個系統較為穩定,需要明確補料樣品重量,故采用小行程、長延時(約3 s)的給料策略,以保證最終給料樣品的重量達到目標給料值。

4.2 控制系統的數據處理功能

控制系統的數據處理功能,主要是指該系統可根據前道工序的單次給料重量及給料次數等來主動修正后續執行程序,優化給料系統,提高給料效率與精度[18]。

給料系統控制程序如圖13所示。啟動給料系統后,系統基于上次給料數據進行差額預給料,控制系統進行給料次數計數。預給料結束后,稱量系統進行稱重,控制系統進行計算,比對已給料量與目標給料值的差值,以及基于預給料每次下料量的平均值,系統計算出需預補料次數,并發送再次預補料指令給直線運動模塊進行補料,達到預定值(接近目標給料值)之后,控制系統將調節參數,修正單次下料量,再次進行預補料[19]。到達穩定補料階段,系統將根據前面給料信息,調整參數,進一步降低單次下料量,完成最終補料階段,即完成本次給料操作。控制系統的每次補料,均是基于前面給料的數據[20]進行計算與調整,以達到最佳給料狀態。

圖13 給料系統控制程序

4.3 減震隔振系統

本系統采用三級減震隔振系統,分層次對稱量模塊進行減震隔振,再配合封裝盒進行隔離,以達到使稱量模塊稱得準的目的。

5 樣機試驗

5.1 高精度微量給料儀進料試驗

5.1.1試驗器材及目的

試驗器材為高精度微量給料系統1臺、200目碳酸鈉樣品粉末若干。

試驗目的是驗證高精度微量給料系統的可行性、可操作性及可靠性。

5.1.2試驗方法

采用自動單次給料的方式,給料100次,記錄最終結果并予以分析。

5.1.3數據記錄

給料結果如表1所示。

表1 高精度微量給料儀試驗統計

5.1.4 試驗分析處理

從表1及圖14結果看,給料100次,出現超差的只有一次(超差0.99 mg),合格率為99%。給料平均值為99.91 mg,平均偏差為-0.09 mg,滿足預定目標(100±0.3 mg)。

圖14 給料偏差

6 結論

針對地質光譜化學分析實驗中高精度微量給料系統的自動化需求,本文研制了一種代替人工給料的設備——高精度微量給料系統。該系統采用直線運動模塊驅動高精度微量給料儀活塞桿運動,研發了一種圓形螺旋儲料槽的微量給料儀活塞(直徑3 mm),用于微量給料,實現了精細控制;研發了1套基于不同孔徑發泡三元乙丙橡膠減震隔振墊的三級減震隔振裝置,保證了十萬分之一精度測量模塊穩定性運行,及給料精度(100±0.3 mg)。該系統可實現自動差額給料、自動稱重、自動補料全過程自動化運行,經試驗達到了預期目標,為系統下一步的設計研究提供了一定的參考。