砂型3D 打印機(jī)混料模塊下料準(zhǔn)確性研究

麥恒佳，劉 軼，周志軍

（共享智能裝備有限公司，寧夏 銀川 750021）

工業(yè)級(jí)鑄造砂型3D 打印機(jī)推動(dòng)鑄造行業(yè)的變革，帶動(dòng)鑄造行業(yè)進(jìn)一步發(fā)展?；炝夏K是砂型3D打印機(jī)中必不可少的一部分?；炝夏K的功能主要是：將一定重量的粉料與液料按照固定比例混合均勻。混料模塊主要由加料部分、下料稱重系統(tǒng)、液料加入模塊、攪拌混合裝置、卸料幾個(gè)部分組成?；炝夏K的工作過程為：加料部分將地面或者較遠(yuǎn)處的粉料從粉料庫(kù)加入到稱量模塊中，再由下料稱重系統(tǒng)稱取固定重量的粉料加入到攪拌混合裝置中，液料加入模塊同時(shí)向攪拌混合裝置中加入與粉料重量比例匹配的液料；粉料與液料加入完成后，攪拌混合裝置則會(huì)將其內(nèi)部的粉料、液料混合均勻；最后，再由卸料部分將混合好的粉料轉(zhuǎn)運(yùn)至其他部件以供使用。本文分析了混料模塊下料準(zhǔn)確性的影響因素，并對(duì)減少飛料量、改進(jìn)控制方式提高下料準(zhǔn)確性等方法進(jìn)行了研究。

1 系統(tǒng)分析

1.1 下料稱量系統(tǒng)組成

一種常見的下料稱重系統(tǒng)如圖1 所示。系統(tǒng)主要由加料閥門、儲(chǔ)料斗、稱重傳感器、下料閥門、下料管組成。當(dāng)加料閥門打開、下料閥門關(guān)閉時(shí)，粉料庫(kù)中粉料由于重力作用進(jìn)入儲(chǔ)料斗，向儲(chǔ)料斗添料。當(dāng)加料閥門關(guān)閉、下料閥門打開時(shí)，儲(chǔ)料斗內(nèi)粉料由于重力作用進(jìn)入攪拌混合裝置，實(shí)現(xiàn)下料稱重系統(tǒng)的一次稱量功能。儲(chǔ)料斗內(nèi)粉料的減少量即為下料稱重系統(tǒng)的下料量。一般下料稱重系統(tǒng)的稱量流程如圖2 所示：首先會(huì)讀取下料前的初始值S1以及下料設(shè)定值S0；下料閥門打開過程中，實(shí)時(shí)對(duì)比S0 與S1-S2 的差值，兩者相等時(shí)關(guān)閉下料閥門。則，S1-S2 的值就是下料稱重系統(tǒng)的下料量。

圖1 下料稱重系統(tǒng)組成

圖2 稱量系統(tǒng)工作流程

1.2 下料準(zhǔn)確性要求

混合攪拌裝置的混合能力有上限值，當(dāng)超過上限值長(zhǎng)期使用時(shí)，會(huì)損傷電機(jī)以及出現(xiàn)混合不均勻情況。同樣，也有混合量下限值，如果混合量太少，混合攪拌裝置里的葉片等不能被粉料覆蓋，導(dǎo)致所加入的液料粘在葉片等零件上，不能充分將液料與粉料混合。另外，下料偏差過大對(duì)液料加入比例、原料總耗費(fèi)的統(tǒng)計(jì)等均有直接影響。所以，有必要對(duì)下料準(zhǔn)確性進(jìn)行研究，在設(shè)計(jì)以及使用下料稱重系統(tǒng)中減小相關(guān)誤差。

1.3 下料準(zhǔn)確性影響因素

整個(gè)混砂下料模塊系統(tǒng)誤差主要有靜態(tài)稱量誤差、控制精度、環(huán)境影響三部分組成。

稱量誤差主要取決于設(shè)備稱重傳感器以及變送系統(tǒng)。傳感器量程與實(shí)際使用時(shí)的工作點(diǎn)不匹配時(shí)，存在一定的誤差。變送器在轉(zhuǎn)換信號(hào)以及傳輸過程中也同樣存在誤差。一般情況下，綜合考慮系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性以及稱量穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)原則是要稱重的重量為稱體最大稱重范圍的80%～90%[2].變送系統(tǒng)則要與傳感器匹配，綜合考慮其靈敏度、線性誤差、零點(diǎn)漂移等。

控制精度對(duì)下料的準(zhǔn)確性影響至關(guān)重要，與控制算法、系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)有關(guān)。此系統(tǒng)中的下料管較長(zhǎng)并且頂部呈漏斗狀，能夠儲(chǔ)存一定重量的粉料。關(guān)閉下料閥門后，一定時(shí)間內(nèi)下料管內(nèi)儲(chǔ)存的粉料才會(huì)完全落下，變送器采集到的示數(shù)才會(huì)穩(wěn)定，這部分粉料也叫做飛料。另外，下料閥門響應(yīng)也需要一定時(shí)間。通常情況下，下料管內(nèi)儲(chǔ)存的粉料量是一定的，所以通過一定補(bǔ)償或者提前關(guān)閉閥門可以抵消此部分的影響。但實(shí)際上，由于粉料流動(dòng)是一個(gè)復(fù)雜的過程，其受到粉料的粒度分布、剛度、密度、粘著性、附著性等的影響，并且可能伴有偏析以及架橋現(xiàn)象[3]。上述現(xiàn)象的發(fā)生以及各物理?xiàng)l件的變化均會(huì)引起下料誤差。所以，控制算法需要考慮采集重量時(shí)間、補(bǔ)償飛料量等情況，給出的補(bǔ)償方法[1]。

環(huán)境中的震動(dòng)會(huì)影響稱重傳感器的信號(hào)采集準(zhǔn)確性，環(huán)境中的溫度變化一般不會(huì)產(chǎn)生較大影響，主要是通過影響粉料中的水分間接影響測(cè)量精度。

2 提高下料準(zhǔn)確性方法

2.1 減小飛料量

通過前述分析，可以通過減小下料閥門口徑來減小下料管漏斗口處儲(chǔ)存的粉料（飛料），從而在閥門關(guān)閉后，飛料會(huì)減少，偏差也會(huì)對(duì)應(yīng)減少。

將粉料近似為流體，借用流體相關(guān)知識(shí)：在壓力一定情況下，流體流量與管徑平方呈正比。所以，減小下料管直徑，可以減小流量。從而在閥門關(guān)閉的瞬間，多余下落的粉料會(huì)減少，偏差也會(huì)隨著有一定降低。下料偏差如式（1）:

其中：Δm—下料偏差；q—流量；Δt—下料閥門響應(yīng)時(shí)間；Δm1—下料管儲(chǔ)存粉料質(zhì)量；k1—流量系數(shù)；D—下料管直徑。

分別使用不同的管徑測(cè)量下料偏差，其中一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖3 所示?？梢悦黠@看出，管徑越小的下料系統(tǒng)偏差也越小。同時(shí)，管徑越小，因?yàn)橄铝狭髁繉?duì)應(yīng)減小，總的下料時(shí)間也會(huì)對(duì)應(yīng)增加。所以，不能完全通過減小管徑來提高下料進(jìn)度，需要綜合考慮下料時(shí)間以及下料偏差。

圖3 不同管徑下料量偏差

2.2 控制軟件改進(jìn)

為了減小飛料量，可以設(shè)置提前關(guān)閉閥門的時(shí)間。提前關(guān)閉閥門的補(bǔ)償量可以通過迭代學(xué)習(xí)計(jì)算得出。常見的迭代方法有高階迭代、帶遺忘因子、濾波器型、開閉環(huán)PID 學(xué)習(xí)率等。迭代流程如圖4 所示，在每次稱重完成后，計(jì)算并保存當(dāng)前實(shí)際下料的偏差ε1，然后結(jié)合前面n-1次的偏差值，計(jì)算n次平均偏差作為補(bǔ)償量，在下一次稱量時(shí)使用該補(bǔ)償量作為提前關(guān)門量，如公式（3）.其中當(dāng)前偏差ε1由公式（4）計(jì)算得出。

圖4 迭代流程

使用管徑21 mm 的下料管進(jìn)行測(cè)試，其測(cè)試結(jié)果如圖5 所示。對(duì)比圖3 中的數(shù)據(jù)，下料量的偏差進(jìn)一步減小，說明控制算法改進(jìn)是有益的。

圖5 迭代后下料量偏差

3 結(jié)語(yǔ)

混料模塊作為砂型3D 打印機(jī)中重要的組成部分，其下料稱重系統(tǒng)顯得尤為重要。下料準(zhǔn)確性的影響因素主要為：靜態(tài)稱量誤差、控制精度、環(huán)境影響。在傳感器以及變送器一定情況下，可以通過減小飛料量并結(jié)合改進(jìn)控制方式來提高下料準(zhǔn)確性。