孕鑲金剛石鉆頭制造專用數(shù)控中頻熱壓機的研制

劉全心 劉 青 胡郁樂

(①鄂州職業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院，湖北 鄂州436000;②湖北長江精工材料技術(shù)有限公司，湖北鄂州436000;③中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)，湖北 武漢430074)

金剛石鉆頭是地質(zhì)勘探行業(yè)必不可少且無可替代的加工工具，其一般是采用粉末冶金方法來制造。傳統(tǒng)的鉆頭壓燒制造過程中，壓力、溫度兩個參數(shù)不能精確控制，且匹配作用效果差，所生產(chǎn)制造的鉆頭質(zhì)量不穩(wěn)定，鉆探效率低［1］。發(fā)達(dá)國家如德國、韓國、意大利等，早已淘汰傳統(tǒng)式的熱壓設(shè)備，選用德國飛羽、韓國DIEX 等世界先進(jìn)的全自動品牌熱壓機，應(yīng)用于金剛石鉆頭制造。當(dāng)前，這些設(shè)備在國際上擁有較高的市場占有率，但價格昂貴。

工欲善其事，必先利其器，研制新一代全自動金剛石鉆頭熱壓設(shè)備，勢在必行。為了滿足金剛石鉆頭制造過程中產(chǎn)品質(zhì)量更好、自動化程度更高、功能更齊全的行業(yè)需求，本項目專門研制了一種新型緊湊、高效智能、穩(wěn)定安全的金剛石鉆頭熱壓用數(shù)控中頻熱壓機。本熱壓機的特點是:突破傳統(tǒng)高頻設(shè)備的束縛，消化吸收了國內(nèi)外同類產(chǎn)品的優(yōu)點，以數(shù)控、節(jié)能和簡便為特征，具有自動化程度高、控制精度高、能耗低、安全環(huán)保等性能，同時進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)備的高端性能，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的監(jiān)控和數(shù)據(jù)管理。設(shè)備中所有零部件的國產(chǎn)化率達(dá)到95%，完全取代昂貴的進(jìn)口產(chǎn)品，其綜合性能顯著優(yōu)于進(jìn)口產(chǎn)品水平。該熱壓機應(yīng)用于金剛石工具行業(yè)，可進(jìn)一步提升系列裝備的自動化水平，推動金剛石工具行業(yè)產(chǎn)品的提檔升級，促進(jìn)金剛石行業(yè)的規(guī)?；l(fā)展。

1 系統(tǒng)組成與工作原理

本數(shù)控中頻熱壓機采用模塊組合結(jié)構(gòu)，由壓燒主機、中頻電源和控制臺等3 部分組成，是一款集光、機、電、液壓于一體的自動化設(shè)備。其中，壓燒主機主要利用液壓系統(tǒng)，依照壓力曲線對鉆頭坯體施壓;中頻電源則專門進(jìn)行頻率發(fā)生和加熱能量調(diào)整，在施壓同時加熱燒結(jié);控制臺則主要實現(xiàn)參數(shù)設(shè)置、參數(shù)監(jiān)控和調(diào)整等功能作用。該機型內(nèi)含工控機、可控硅控制發(fā)熱單元、紅外測溫儀、電液比例閥總成和壓力傳感器等部件，系統(tǒng)組成如圖1 所示。本機型運用了數(shù)字化測控方法來測控溫度參數(shù)，即采用帶數(shù)字通訊接口的紅外測溫儀和數(shù)字溫度控制器等新型元器件，構(gòu)成溫度測控單元系統(tǒng)，其元器件連接如圖2 所示。

工作原理:本機型將溫度和壓力兩個關(guān)鍵參數(shù)耦合集成到一臺設(shè)備裝置上來，實現(xiàn)金剛石鉆頭制造的安全高效、質(zhì)量穩(wěn)定、節(jié)能環(huán)保等功效。工作時，熱壓機利用壓力傳感器實時檢測壓模施加的壓力，并通過PID 控制來調(diào)節(jié)液壓缸的工作壓力，使壓力控制在工藝曲線范圍內(nèi)。在施壓同時，熱壓機利用紅外測溫儀實時檢測燒結(jié)溫度，將之與預(yù)設(shè)溫度相比較，得出溫差信號;接著工控機結(jié)合PID 控制和變步長算法，來調(diào)節(jié)可控硅的移相角大小;最后中頻電源利用晶閘管元器件，將工頻電流通過三相橋式整流、電抗器平波和逆變橋逆變，變成恒定中頻電流，并由感應(yīng)線圈和補償電容器組成并聯(lián)諧振電路輸出［2］，來改變加熱電流大小，從而精準(zhǔn)調(diào)節(jié)壓模和工件的溫度，使其保持在設(shè)定的范圍內(nèi)。整個壓燒過程，壓力和溫度參數(shù)是按照預(yù)先設(shè)置工藝曲線進(jìn)行耦合匹配作用的。

為了解決燒結(jié)工藝誤差大、產(chǎn)品質(zhì)量不一致的問題，達(dá)到工藝操作執(zhí)行準(zhǔn)確，產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的目的，本機型同時預(yù)存和設(shè)置100 組以上的溫度和壓力工藝數(shù)據(jù)(均為生產(chǎn)實踐摸索總結(jié)出的有效數(shù)據(jù))，并可通過擴大微機系統(tǒng)存儲單元來存儲更多的工藝曲線。在燒結(jié)過程中，可以根據(jù)具體的工藝需要，方便靈活地選擇多種不同的溫度曲線，以滿足不同用戶及不同配方材料的要求，并可保證生產(chǎn)工藝過程全自動化，避免造成燒結(jié)體產(chǎn)品質(zhì)量不一致，質(zhì)量不穩(wěn)定的問題。

2 測控算法設(shè)計

本系統(tǒng)引入變步長算法，結(jié)合PID 控制技術(shù)，實現(xiàn)對溫度和壓力的精確控制。工作時，系統(tǒng)在傳統(tǒng)的“功率放大器+比例閥”基礎(chǔ)上，增加被控對象如壓力(比例壓力閥)或流量(比例流量閥)的檢測與反饋環(huán)節(jié)，并依據(jù)數(shù)字PID 控制算法進(jìn)行調(diào)節(jié)，以獲得較高的精度、穩(wěn)定度與較好的動態(tài)特性［3］。這里采用了常用的在線整定法，并在操作界面上設(shè)置了參數(shù)輸入功能，在現(xiàn)場通過輸入不同的系數(shù)，觀察壓力實時曲線的變化，從而找到系統(tǒng)的最優(yōu)控制參數(shù)?；赑ID 的電液比例控制器的工作原理設(shè)計如圖3 所示。

各組成單元及功能:

(1)PID(P 為比例調(diào)節(jié)，I 為積分調(diào)節(jié)，D 為微分調(diào)節(jié))調(diào)節(jié)單元，是系統(tǒng)的核心控制單元，其功能是:根據(jù)檢測到的偏差e(t)=g(t)-r(t)進(jìn)行PID 調(diào)節(jié)，產(chǎn)生輸出u(t)。

根據(jù)有關(guān)控制理論［4］，PID 調(diào)節(jié)單元的輸出為:

式中:Kp為比例系數(shù);TI為積分時間常數(shù);TD為微分時間常數(shù)。

(2)功率放大器。功能是將PID 調(diào)節(jié)單元輸出的電壓控制信號u(t)線性地轉(zhuǎn)換為電流驅(qū)動信號i(t)，以驅(qū)動比例閥的電磁鐵。

(3)比例閥。內(nèi)部含有比例電磁鐵，能產(chǎn)生與驅(qū)動電流i(t)成比例的力Fd，控制閥芯的位置，從而獲得與控制信號成比例的液壓參數(shù)(壓力P或流量Q)。

由于比例閥自身的特性(如電磁鐵的磁滯、閥口的節(jié)流效應(yīng)等)以及系統(tǒng)干擾等因素的影響，液壓參數(shù)與控制信號之間存在非線性，而且在一定范圍內(nèi)波動，即存在偏差，因此必須通過PID 調(diào)節(jié)單元進(jìn)行補償與修正。

(4)檢測環(huán)節(jié)。實時檢測比例閥的輸出量(壓力P或流量Q)，并反饋給PID 調(diào)節(jié)單元計算偏差，然后進(jìn)行調(diào)節(jié)。

依據(jù)上述原理，實現(xiàn)數(shù)字PID 調(diào)節(jié)控制的工作流程如圖4 所示。

3 與當(dāng)前國內(nèi)外同類熱壓機的綜合性能比較

與傳統(tǒng)設(shè)備的比較，本數(shù)控中頻熱壓機具有以下特點:自動化程度高，產(chǎn)品一致性好，質(zhì)量穩(wěn)定;滿足多工藝多規(guī)格產(chǎn)品生產(chǎn)要求，效率高，節(jié)能環(huán)保;便于拓展應(yīng)用范圍，如金屬物件焊接和金屬熱處理等。本熱壓機設(shè)備性能指標(biāo)見表1 所示。

表1 本數(shù)控中頻熱壓機性能指標(biāo)

本機型經(jīng)過進(jìn)一步技術(shù)創(chuàng)新，優(yōu)化設(shè)備的高端性能，形成自身產(chǎn)品特色，建立了企業(yè)內(nèi)部的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(Q/ZCJ003 -2010)。產(chǎn)品中的所有零部件國產(chǎn)化率達(dá)到95%，完全取代昂貴的進(jìn)口產(chǎn)品。表2 所示是中外同類自控?zé)釅涸O(shè)備主要技術(shù)指標(biāo)的比較，從表中可以看出:該型號自控?zé)釅簷C的控溫控壓誤差、波動值、極限真空度，以及工藝曲線組數(shù)，均達(dá)到甚至超過國際水平，產(chǎn)品綜合性能優(yōu)異。

表2 中外同類自控?zé)釅涸O(shè)備主要技術(shù)指標(biāo)比較

4 結(jié)語

(1)本熱壓機型采用模塊組合結(jié)構(gòu)，由壓燒主機、中頻電源和控制臺等3 部分組成。采用耦合形式集成壓力和溫度2 個關(guān)鍵參數(shù)，保證施壓和燒結(jié)協(xié)調(diào)匹配作用效果;引入變步長算法，與PID 控制方法相結(jié)合，實現(xiàn)對金剛石鉆頭燒結(jié)過程中溫度參數(shù)的精確測控;采用預(yù)存多組工藝數(shù)據(jù)曲線的方法，方便滿足不同用戶及不同配方材料的選擇要求。

(2)本機型專門用于壓燒金剛石鉆頭，滿足金剛石鉆頭制造的參數(shù)匹配、安全高效、節(jié)能降耗、操作簡便等特殊工藝要求，并可實現(xiàn)金屬基復(fù)合材料的自動燒結(jié)、焊接和熱處理等，設(shè)備自動化程度高。

［1］張永勤. 國外天然氣水合物勘探現(xiàn)狀及我國水合物勘探進(jìn)展［J］.探礦工程，2010(10):3 -5.

［2］柏建普，高美霞，高志成. 微機控制的晶閘管中頻電源［J］. 工業(yè)加熱，2003(1):40 -41.

［3］武昌俊. PID 模糊控制器的改進(jìn)［J］. 安徽工程科技學(xué)院學(xué)報:自然科學(xué)版，2004(1):22 -24.

［4］陳炳和. 計算機控制原理與應(yīng)用［M］. 北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2008.