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粉末冶金是金屬冶煉中廣泛使用的方法，粉末合金通常是用不同的金屬純粉，按一定比例混合后經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成，金屬純粉的制備是粉末冶金的基礎(chǔ)，而金屬純粉是用金屬氧化物或金屬鹽粉末通過(guò)還原獲得，以鋁粉生產(chǎn)為例，典型的還原生產(chǎn)過(guò)程如圖1所示。

上述作業(yè)循環(huán)中，原料粉還原是在950Y以上的高溫密封還原爐內(nèi)采用還原氣體，通過(guò)還原反應(yīng)完成。金屬粉末還原加工中，為了保證還原質(zhì)量的一致性，除了穩(wěn)定工藝參數(shù)外,對(duì)料粉的裝料準(zhǔn)確性和平整性要求越來(lái)越高，即對(duì)原料粉稱(chēng)重裝舟作業(yè)環(huán)節(jié)中的裝料精度和刮平的平整度要求越來(lái)越高。在自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)中，常用的裝料方法有容積式裝料法⑴和直接稱(chēng)重裝料法。容積式裝料法以轉(zhuǎn)鼓體積為最小單元，該方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但裝料精度受最小容積的限制，相對(duì)裝料精度通常只能達(dá)到5%~10%。目前，鑰粉還原加工的工藝要求裝料精度為2500g±2.5g,即相對(duì)精度為±0.1%，這樣的精度要求對(duì)容積式裝料法是難以實(shí)現(xiàn)的。直接稱(chēng)重裝料法可以分為上稱(chēng)重法和下稱(chēng)重法3],上稱(chēng)重法是對(duì)裝有料粉的料斗進(jìn)行稱(chēng)重測(cè)量，通過(guò)控制料斗重量的減少量來(lái)控制裝料量。在鑰粉還原生產(chǎn)實(shí)踐中，料斗加料粉的質(zhì)量在1000kg以上，而每次裝料要求2500g±2.5g,故稱(chēng)重分辨率要求很高，控制難度很大。下稱(chēng)重法則直接對(duì)裝有料粉的料舟進(jìn)行稱(chēng)重，料舟和料粉的總重量不超過(guò)10kg,這給精密稱(chēng)重和控制提供了方便,但是,在自動(dòng)化還原生產(chǎn)線(xiàn)中,裝一舟粉料的時(shí)間必須控制在30s以?xún)?nèi)，裝料時(shí)的粉塵飛揚(yáng)也一直是困擾裝料作業(yè)自動(dòng)化的難點(diǎn)。
鑒于鉗粉還原生產(chǎn)的實(shí)際狀況,稱(chēng)重裝舟的速度和稱(chēng)重精度直接關(guān)系到鑰粉還原爐整個(gè)生產(chǎn)線(xiàn)生產(chǎn)的效率和產(chǎn)品的質(zhì)量，且稱(chēng)重精度與稱(chēng)重時(shí)間又是一對(duì)矛盾，目前我國(guó)在工業(yè)生產(chǎn)這方面特殊用途的稱(chēng)重產(chǎn)品少且功能不齊全。本文根據(jù)鑰粉還原自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)工作的實(shí)際要求，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種稱(chēng)重與刮平相結(jié)合，全密封、高精度、髙可靠裝料與自適應(yīng)刮平的裝料稱(chēng)重裝置，達(dá)到了工藝要求，且該裝置控制精度高，實(shí)時(shí)性好,尤其適用于粉末冶金行業(yè)料粉裝舟的自動(dòng)化裝料稱(chēng)重作業(yè),具有較大的工程應(yīng)用價(jià)值。
1裝料稱(chēng)重裝置的機(jī)構(gòu)組成
全密封裝料稱(chēng)重與自適應(yīng)刮平一體化裝置的組成如圖2所示。

1.線(xiàn)性滑執(zhí)；2.稱(chēng)重支承板；3,電磁鐵；4,線(xiàn)性軸承；5.載舟架；6.密封橡膠板；7.密封板；8.封料汽缸；9.送料計(jì)數(shù)器；10.送料計(jì)數(shù)輪；11.送料電機(jī)；12.螺旋送料器；13.布料刮平料斗；14.料舟；15.稱(chēng)重傳感器；16.布料刮平汽釘；17.機(jī)架；18.電動(dòng)缸
圖2裝料稱(chēng)重裝置組成圖
該裝置可分為全密封螺旋進(jìn)給裝料、精密稱(chēng)重和分層布料刮平三個(gè)部分。全密封螺旋進(jìn)給裝料部分由密封橡膠板6、密封板7、封料汽缸8、送料計(jì)數(shù)器9、送料計(jì)數(shù)輪10、送料電機(jī)11、螺旋送料器12和布料刮平料斗13等零部件組成。上述零部件中，密封橡膠板固定安裝在密封板上，密封板與布料刮平料斗連接;裝料計(jì)數(shù)輪與螺旋送料器同步轉(zhuǎn)動(dòng)，其余零部件均安裝在機(jī)架上。布料刮平料斗的下端是開(kāi)口的，以便裝料時(shí)料粉可以進(jìn)入料舟,而螺旋送料器的進(jìn)料口與裝有攪拌器和倉(cāng)壁振動(dòng)器的布料料斗連接。精密稱(chēng)重部分由稱(chēng)重支承板2、電磁鐵3、線(xiàn)性軸承4、載舟架5、料舟14、稱(chēng)重傳感器15等零部件組成。其中線(xiàn)性軸承的導(dǎo)桿與載舟架固聯(lián)，線(xiàn)性軸承的導(dǎo)套、電磁鐵及稱(chēng)重傳廖器均安裝在稱(chēng)重支承板上,稱(chēng)重支承板固定聯(lián)接在電動(dòng)缸的推桿軸上，可以與電動(dòng)缸的推桿軸一起做升降移動(dòng)。電磁鐵的作用暈在布料刮平時(shí)將載舟架抬起，使之與稱(chēng)重傳感器脫離接觸，確保稱(chēng)重傳感器不會(huì)被破壞。以稱(chēng)重傳感器為中心對(duì)稱(chēng)布置的4個(gè)線(xiàn)性軸承用于防止載舟架升降時(shí)產(chǎn)生偏歪，以減小稱(chēng)重誤差。分層布料刮平部分由線(xiàn)性滑軌1、布料刮平汽缸16和電動(dòng)缸18組成。其中線(xiàn)性滑軌的導(dǎo)軌和布料刮平汽缸安裝在機(jī)架17上，電動(dòng)缸與線(xiàn)性滑軌的滑塊固定連接，布料刮平汽缸的活塞桿則與電動(dòng)缸固定連接。因此,當(dāng)控制電動(dòng)缸18的推桿軸上升時(shí)，帶動(dòng)精密稱(chēng)重部分上升，從而使料舟的上邊沿與密封橡膠板密封接觸，即可形成完全密封的裝料空間,實(shí)現(xiàn)全密封裝料;當(dāng)控制電動(dòng)缸的推桿軸做垂直方向的上下移動(dòng)時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)步進(jìn)式精密稱(chēng)重;當(dāng)布料刮平汽缸的活塞桿伸縮時(shí)，通過(guò)電動(dòng)缸帶動(dòng)載舟架和料舟一起左右移動(dòng)，利用料斗實(shí)現(xiàn)分層布料刮平。
2裝料稱(chēng)重裝置的工作原理
全密封裝料稱(chēng)重與自適應(yīng)刮平一體化裝置工作原理詳述如下。
第一步當(dāng)裝料空閑時(shí)，封料汽缸的活塞桿伸出,封堵住螺旋送料器的出料口，防止料粉泄漏；電磁鐵將載舟架升起，使其與稱(chēng)重傳感器脫離接觸;布料刮平汽缸的活塞桿位于最低位置，便于空載料舟容易進(jìn)入裝料工位。
第二步當(dāng)裝料傳感器（圖中未畫(huà)）檢測(cè)到有空載料舟到位時(shí),則啟動(dòng)裝料稱(chēng)重刮平工藝過(guò)程,首先使電磁鐵的銜鐵下落,載舟架和料舟隨之下落,與稱(chēng)重傳感器接觸,使稱(chēng)重傳感器處于稱(chēng)重測(cè)量狀態(tài)，此時(shí)稱(chēng)重傳感器上的載荷為載舟架和空料舟重量之和，記為Goo
第三步控制電動(dòng)缸推桿上升，通過(guò)電動(dòng)缸推桿上支承面使載舟架和料舟一起上升，當(dāng)料舟的上邊緣與密封橡膠板接觸時(shí)稱(chēng)重傳感器上的載荷開(kāi)始增加，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定料舟的上邊緣與密封橡膠板可靠接觸所必須的載荷增加量AC,當(dāng)稱(chēng)重傳感器上的載荷增加到G,=G0+AG時(shí)電動(dòng)缸的推桿停止上升,并保持此位置不變，至此，料舟的上邊緣與密封橡膠板可靠接觸,形成全密封裝料狀態(tài)，而布料刮平料斗的下口與料舟底面之間保持5~10mm的距離。
第四步封料汽缸活塞桿縮回，打開(kāi)螺旋送料器的出料口,送料電機(jī)工作，開(kāi)始容積式裝料。為了提高裝料效率，可根據(jù)需要安排多個(gè)螺旋送料器同時(shí)送料，容積式裝料時(shí)湧過(guò)送料計(jì)數(shù)輪和送料計(jì)數(shù)器控制裝料量，根據(jù)試驗(yàn)確定容積式裝料的終止裝料量，例如，為總裝料量的90%，并將其轉(zhuǎn)換為送料計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值，當(dāng)送料計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值達(dá)到終止裝料量的計(jì)數(shù)值時(shí)停止容積式裝料。
第五步完成容積式裝料后，電動(dòng)缸的推桿下降,使料舟與密封橡膠板脫離接觸,保證作用在稱(chēng)重傳感器上的載荷變化僅與裝載的料粉的變化有關(guān);此時(shí),料舟與密封橡膠板雖然已脫離接觸，但是，料舟與布料刮平料斗之間的料粉對(duì)后續(xù)的落料形成了新的密封層，因此，裝料仍處于全密封狀態(tài)。為了便于控制裝料量，此時(shí)僅用一個(gè)螺旋送料器送料，裝料量的控制方式也改為稱(chēng)重控制，當(dāng)稱(chēng)重傳感器上的重量G=G,+G„（Gn為額定裝料量）時(shí)送料電機(jī)停止工作，封料汽缸活塞桿伸出,封堵螺旋送料器的出料口，防止料粉泄漏，至此完成裝料。
第六步裝料完成后電磁鐵伸出將載舟架和料舟托起，使料舟與稱(chēng)重傳感器脫離接觸,保證在布料刮平時(shí)稱(chēng)重傳感器不承受載荷。此后，電動(dòng)缸推桿每下降一定距離，布料刮平汽缸的活塞桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)一次，布料一層，如此循環(huán)，最終完成布料和刮平。
第七步顯示裝料稱(chēng)重的數(shù)值并發(fā)送控制字和稱(chēng)重量給上位機(jī)，完成一舟料的裝料和刮平，恢復(fù)至下一個(gè)裝料刮平循環(huán)過(guò)程。
3裝料稱(chēng)重裝置控制器的設(shè)計(jì)
雖然現(xiàn)在很多商用電子桌面秤都具備有扣重、歸零、累計(jì)、計(jì)價(jià)、警示等功能，也擁有串口通訊功能,能夠簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)任務(wù),但是工業(yè)生產(chǎn)線(xiàn)用電子秤不單單只是稱(chēng)重重量的輸出顯示，更重要的是要輸出控制信號(hào)0。根據(jù)上文的工作原理可知，該裝置的執(zhí)行機(jī)構(gòu)有2個(gè)汽缸、1個(gè)電機(jī)、1個(gè)電磁鐵、1個(gè)電動(dòng)缸，再加上面板指示燈，共需要10個(gè)以上的數(shù)字輸出控制量，而輸入數(shù)字控制量至少在16個(gè)以上，另需要2個(gè)模擬量輸入口和1個(gè)RS485通訊口。而鉗粉還原生產(chǎn)線(xiàn)中對(duì)稱(chēng)重單元的實(shí)時(shí)性要求很高，稱(chēng)重精度要求控制在±0.1%,故釆用商用電子桌面秤將實(shí)時(shí)的重量數(shù)據(jù)通過(guò)通訊端口傳送到可編程控制器的方案，控制難度很大,且成本很高。因此在分析鉗粉還原自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了裝料稱(chēng)重和刮平一體化裝置在線(xiàn)稱(chēng)重控制器，其設(shè)計(jì)思想是利用CPLD器件和ADuC824單片機(jī)構(gòu)建模塊化測(cè)控系統(tǒng)平臺(tái)，完成稱(chēng)重模擬量的釆集和裝料稱(chēng)重刮平工藝環(huán)節(jié)的一體化自動(dòng)控制，并具有數(shù)據(jù)通信功能，具備構(gòu)建DCS控制系統(tǒng)的最小模塊化單元，其組成框圖如圖3所示。

CPLD和單片機(jī)智能控制器主板是本測(cè)控平臺(tái)的核心單元，完成所有輸入和輸出信號(hào)狀態(tài)的釆集、稱(chēng)重值的實(shí)時(shí)處理、自動(dòng)控制邏輯時(shí)序處理、輸出稱(chēng)重控制信號(hào)、過(guò)程指示信號(hào)和報(bào)警信號(hào)，并與現(xiàn)場(chǎng)主控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。系統(tǒng)中的啟停信號(hào)是指來(lái)自生產(chǎn)線(xiàn)和操作者的啟動(dòng)和停止控制信號(hào)，生產(chǎn)線(xiàn)的啟停信號(hào)主要表征的是有無(wú)料舟在稱(chēng)重臺(tái)上，操作者主要是控制稱(chēng)重器開(kāi)始或結(jié)束工作以及對(duì)一些故障的處理。輸入鍵盤(pán)是用來(lái)設(shè)置一些必要的參數(shù)，比如下料重量、料舟重量、補(bǔ)償量等。功能控制鍵是操作者直接參與控制的入口，操作者通過(guò)功能控制鍵能在控制器的某些部件故障時(shí)進(jìn)行人工干預(yù)，在設(shè)備發(fā)生故障時(shí)能夠保證現(xiàn)場(chǎng)工藝環(huán)節(jié)控制延續(xù)性，減少生產(chǎn)損失。過(guò)程指示是用來(lái)指示控制器在自動(dòng)或人工控制時(shí)的各個(gè)狀態(tài)，有利于操作者對(duì)各種故障的排査。聲光報(bào)警主要是用于在控制器執(zhí)行自動(dòng)控制時(shí)對(duì)已經(jīng)檢測(cè)到的故障進(jìn)行報(bào)警。數(shù)字量輸入、輸岀對(duì)應(yīng)于裝料稱(chēng)重刮平一體化裝置的現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行器和反饋傳感器（例如線(xiàn)圈和非接觸探頭等）0數(shù)據(jù)通訊是用于該模塊單元與生產(chǎn)線(xiàn)上其他的控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，保證生產(chǎn)線(xiàn)的統(tǒng)一控制。
裝置中稱(chēng)重傳感器采用HBM公司生產(chǎn)的型號(hào)
為PWM15A單點(diǎn)稱(chēng)重傳感器,量程為0~20kg,傳感器基于惠更斯電橋原理，以模擬量差動(dòng)信號(hào)方式輸出,且具有溫度補(bǔ)償修正功能。而ADuC824單片機(jī)內(nèi)部集成了2路差動(dòng)輸入24位2-A型高分辨率的A/D轉(zhuǎn)換器，且具有増益可編程的特點(diǎn)，可直接接收來(lái)自稱(chēng)重傳感器的差分輸岀微弱信號(hào)，減少了傳感器變送調(diào)理電路,具有集成度高、電路簡(jiǎn)単、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)同時(shí)，充分利用各種軟件的功能，可以完成硬件難以完成的任務(wù)，從而大大提高在線(xiàn)稱(chēng)重控制裝置的性能。
由圖3可知，控制器需要較多的I/O端口用于現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的輸入釆集、邏輯運(yùn)算和輸出控制,而單片機(jī)I/O接口有限，因此，采用EPM7128可編程邏輯器件擴(kuò)展I/O端口，具有靈活度高、編程簡(jiǎn)單、可靠性高的特點(diǎn)，用有限的資源可以完成復(fù)雜的任務(wù)。本智能控制器主板用到兩片EPM7128芯片,分別用作控制面板接口和控制板接口，兩片EPM7128共用ADuC824提供的數(shù)據(jù)總線(xiàn)和地址總線(xiàn),EPM7128內(nèi)部分別對(duì)不同的設(shè)備進(jìn)行不同的地址編碼，并且由ADuC824的外部數(shù)據(jù)寫(xiě)信號(hào)給EPM7128內(nèi)部電路鎖存器提供鎖存控制信號(hào)。
稱(chēng)重?cái)?shù)值處理中采用最小二乘法擬合進(jìn)行標(biāo)定，采用動(dòng)態(tài)預(yù)估原理結(jié)合PID算法進(jìn)行控制。由于系統(tǒng)在還原車(chē)間使用,溫度變化顯著，系統(tǒng)中對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行了實(shí)時(shí)補(bǔ)償。系統(tǒng)的標(biāo)定參數(shù)存儲(chǔ)在單片機(jī)的內(nèi)部EEPROM中，并具有自動(dòng)標(biāo)定功能。稱(chēng)重單元軟件具有數(shù)字濾波功能,以提高測(cè)量的穩(wěn)定。

4稱(chēng)重實(shí)驗(yàn)
在完成軟硬件調(diào)試的基礎(chǔ)上，將該稱(chēng)重裝置安裝在自行設(shè)計(jì)的裝料刮平一體化部件上進(jìn)行了該模塊的調(diào)試實(shí)驗(yàn)，其中摘錄的一組調(diào)試稱(chēng)重實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。表中數(shù)據(jù)G1,代表實(shí)際稱(chēng)重時(shí)測(cè)得的載舟架和空料舟重量之和，數(shù)據(jù)G2代表實(shí)際稱(chēng)重時(shí)測(cè)得的裝料后的稱(chēng)重?cái)?shù)值，上述稱(chēng)重傳感器上的載荷增加量即為粉料的裝舟凈重值（即數(shù)據(jù)G,G=G2-G1,）.在筆者所應(yīng)用的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中，根據(jù)工藝要求,每舟的裝料理論重量（G0）為2500g±2.5g,則裝料誤差為△G=G-G0。

由表1可知，該稱(chēng)重裝置的稱(chēng)重重復(fù)性標(biāo)準(zhǔn)差為1.5g,稱(chēng)重值為2.4994±0.0045kg,稱(chēng)重值的最大相對(duì)誤差為0.11%,滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。
5結(jié)語(yǔ)
綜上所述,該稱(chēng)重實(shí)驗(yàn)裝置釆用模塊化的設(shè)計(jì)方案，集裝料和刮平于一體,并進(jìn)行了為期1年的試運(yùn)行。運(yùn)行結(jié)果表明該裝置實(shí)際方案可行，可靠性高,稱(chēng)重誤差控制精度高，實(shí)時(shí)性強(qiáng),滿(mǎn)足了鑰粉還原爐自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)的工藝要求。

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