伺服驅(qū)動注液機的設(shè)計與開發(fā)

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(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前,我國堿錳電池生產(chǎn)多采用氣動柱塞泵注液。氣動驅(qū)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(zhí)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(chǎn)線[1]。

伺服驅(qū)動的最大特點是可控,可以通過輸入控制信號電壓來執(zhí)行相應(yīng)的動作,且執(zhí)行動作即時反饋;一旦除去控制信號電壓,設(shè)備就立即停止相應(yīng)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(yè)控制領(lǐng)域應(yīng)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(shù)可通過觸摸屏與PLC的組合,直接對設(shè)備進行操作,并可實時監(jiān)控設(shè)備的生產(chǎn)速度、產(chǎn)量和合格率;且系統(tǒng)具有報警能力,可顯示故障發(fā)生的時間、次數(shù)及解決辦法。

本文作者結(jié)合觸摸屏監(jiān)視器、PLC和伺服驅(qū)動系統(tǒng)的特點,提出了伺服驅(qū)動注液系統(tǒng)的概念,并進行了可行性分析,研究了伺服驅(qū)動在注液過程中的關(guān)鍵問題,自行開發(fā)設(shè)計了新型電解液注入系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)的開發(fā)與設(shè)計

1.1 系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

注液系統(tǒng)是注液機的核心,直接決定電池生產(chǎn)的質(zhì)量。設(shè)計的注液系統(tǒng)采用伺服驅(qū)動的精密計量泵為執(zhí)行部分,觸摸屏與PLC組合為控制部分。

整個注液系統(tǒng)由注液執(zhí)行元件——精密計量泵、伺服驅(qū)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(tǒng)的構(gòu)成框圖Fig.1 The schematic diagram of the servo injection system

1.2 注液系統(tǒng)的注液執(zhí)行部分

精密計量泵結(jié)構(gòu)簡單可靠。在本系統(tǒng)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(tǒng)所用泵的基本結(jié)構(gòu)和功能見圖2。

圖2 注液執(zhí)行機構(gòu)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(nèi),入口單向閥在吸入行程時打開,出口單向閥一直處于關(guān)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(guān)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(dǎo)致注液量不足;注液速度過快,會導(dǎo)致電解液濺出。高速注液系統(tǒng)要求驅(qū)動元件能夠快速響應(yīng)、閉環(huán)控制,確保每次注液量的精確,注液速度的平穩(wěn)。

1.3 注液系統(tǒng)的注液驅(qū)動部分

采用由伺服馬達及傳動系統(tǒng)組成注液系統(tǒng)的注液驅(qū)動部分。伺服馬達根據(jù)控制電壓信號,提供正、反轉(zhuǎn)動作,且轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動。通過傳動系統(tǒng)的絲桿、螺母與直線導(dǎo)軌,伺服馬達將控制信號轉(zhuǎn)換成吐量活塞的行程,即注液量。

注液系統(tǒng)高性能的多功能伺服馬達系統(tǒng),控制模式有位置控制、速度控制和轉(zhuǎn)矩控制等3種[4];還可進行位置/速度控制、速度/轉(zhuǎn)矩控制、轉(zhuǎn)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(qū)動注液系統(tǒng)在頻率為0.7 Hz(對應(yīng)的生產(chǎn)速度為440只/min)時,就容易產(chǎn)生吐量活塞行程不穩(wěn)定的問題,導(dǎo)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(xiàn)勻加速注液,氣壓稍有波動或氣源有雜質(zhì),就會導(dǎo)致電解液濺出。

經(jīng)測試,本系統(tǒng)采用1.4 Hz左右的頻率注液,實現(xiàn)了穩(wěn)定注液,每只電池的注液量偏差在0.02 g以內(nèi),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(shè)為3段加速,實現(xiàn)了平穩(wěn)注液,消除了電解液飛濺的現(xiàn)象。

1.4 注液系統(tǒng)的控制部分

本系統(tǒng)由定位模塊、伺服驅(qū)動器、伺服馬達等重要部分組成,如圖3所示。

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

注液量的設(shè)置直接轉(zhuǎn)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(qū)動裝置中的偏差計數(shù)器計數(shù)并存儲在驅(qū)動裝置中的偏差計數(shù)器中。在伺服馬達旋轉(zhuǎn)時,連接到伺服馬達的脈沖發(fā)生器生成反饋脈沖,頻率與旋轉(zhuǎn)速度成正比。

伺服馬達的旋轉(zhuǎn)速度與脈沖頻率成正比,而總的伺服馬達旋轉(zhuǎn)角與定位模塊輸出的總脈沖數(shù)成正比。通過軟件設(shè)置定位模塊參數(shù),可實現(xiàn)馬達速度、加減速度、位置的精確控制?？蓪崿F(xiàn)注液系統(tǒng)注液量、故障報警的實時監(jiān)控。

伺服注液系統(tǒng)可設(shè)置多達9組注液工藝參數(shù)。通過觸摸屏預(yù)先設(shè)置好不同的參數(shù),在生產(chǎn)不同規(guī)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(tǒng)(日本產(chǎn))共有 96個I/O開關(guān)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(shù)據(jù),并對觸摸屏輸入的信息進行處理。

觸摸屏的監(jiān)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(yīng)位置指定PLC地址即可。通過主從方式通訊,實現(xiàn)PT與PLC之間的數(shù)據(jù)傳送,通過數(shù)據(jù)存儲區(qū)(如DM600),實現(xiàn)各種顯示功能及故障提示。

根據(jù)實際工況可能出現(xiàn)的各種故障設(shè)定報警頁面,并在相應(yīng)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(fā)生時間和次數(shù)。

為了解決工業(yè)現(xiàn)場發(fā)生的問題的需要,在觸摸屏頁面中,設(shè)計加入大量的幫助頁面,包括伺服注液系統(tǒng)的維護、使用和參數(shù)設(shè)置等。

2 應(yīng)用效果

采用伺服驅(qū)動進行注液與普通的氣動驅(qū)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(qū)動注液機與伺服驅(qū)動注液機單個工位上的每次注液量進行比較,結(jié)果見圖5。

圖5 速度為880只/min時氣動驅(qū)動與伺服驅(qū)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(qū)動注液的注液量偏差較大,最高達1.00 g;伺服驅(qū)動注液的注液量偏差較小,最高僅為0.02 g。

伺服驅(qū)動注液是一項高效率的技術(shù),其優(yōu)越性有:

①將伺服驅(qū)動系統(tǒng)應(yīng)用于注液機,通過結(jié)合PLC和PT,組成的伺服驅(qū)動注液系統(tǒng)速度可達880只/min;

②該注液機可在1.4 Hz左右實現(xiàn)穩(wěn)定注液,每只電池的注液量偏差可控制在0.02 g以內(nèi),注液精度、重復(fù)注液精度高,且不會出現(xiàn)注液量不足、漏注等現(xiàn)象;

③PLC控制和觸摸屏監(jiān)視器,可實現(xiàn)各工藝參數(shù)的快速修改,具有良好的實際應(yīng)用價值。

3 結(jié)論

研制的新型伺服驅(qū)動注液機已在中銀(寧波)電池有限公司的高速堿錳生產(chǎn)線中推廣使用,工作穩(wěn)定、性能良好。與傳統(tǒng)的氣動驅(qū)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(shè)計大典(第 5卷)[M].Nanchang(南昌):Jiangxi Science&Technology Press(江西科學(xué)技術(shù)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(yè)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(yè)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(shù)[M].Beijing(北京):China Machine Press(機械工業(yè)出版社),2006.38-40.