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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還原獲得，以鋁粉生產(chǎn)為例，典型的還原生產(chǎn)過程如圖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,對料粉的裝料準(zhǔn)確性和平整性要求越來越高，即對原料粉稱重裝舟作業(yè)環(huán)節(jié)中的裝料精度和刮平的平整度要求越來越高。在自動化生產(chǎn)線中，常用的裝料方法有容積式裝料法⑴和直接稱重裝料法。容積式裝料法以轉(zhuǎn)鼓體積為最小單元，該方法結(jié)構(gòu)簡單，但裝料精度受最小容積的限制，相對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,即相對精度為±0.1%，這樣的精度要求對容積式裝料法是難以實現(xiàn)的。直接稱重裝料法可以分為上稱重法和下稱重法3],上稱重法是對裝有料粉的料斗進(jìn)行稱重測量，通過控制料斗重量的減少量來控制裝料量。在鑰粉還原生產(chǎn)實踐中，料斗加料粉的質(zhì)量在1000kg以上，而每次裝料要求2500g±2.5g,故稱重分辨率要求很高，控制難度很大。下稱重法則直接對裝有料粉的料舟進(jìn)行稱重，料舟和料粉的總重量不超過10kg,這給精密稱重和控制提供了方便,但是,在自動化還原生產(chǎn)線中,裝一舟粉料的時間必須控制在30s以內(nèi)，裝料時的粉塵飛揚也一直是困擾裝料作業(yè)自動化的難點。
鑒于鉗粉還原生產(chǎn)的實際狀況,稱重裝舟的速度和稱重精度直接關(guān)系到鑰粉還原爐整個生產(chǎn)線生產(chǎn)的效率和產(chǎn)品的質(zhì)量，且稱重精度與稱重時間又是一對矛盾，目前我國在工業(yè)生產(chǎn)這方面特殊用途的稱重產(chǎn)品少且功能不齊全。本文根據(jù)鑰粉還原自動化生產(chǎn)線工作的實際要求，設(shè)計開發(fā)了一種稱重與刮平相結(jié)合，全密封、高精度、髙可靠裝料與自適應(yīng)刮平的裝料稱重裝置，達(dá)到了工藝要求，且該裝置控制精度高，實時性好,尤其適用于粉末冶金行業(yè)料粉裝舟的自動化裝料稱重作業(yè),具有較大的工程應(yīng)用價值。
1裝料稱重裝置的機構(gòu)組成
全密封裝料稱重與自適應(yīng)刮平一體化裝置的組成如圖2所示。

1.線性滑執(zhí)；2.稱重支承板；3,電磁鐵；4,線性軸承；5.載舟架；6.密封橡膠板；7.密封板；8.封料汽缸；9.送料計數(shù)器；10.送料計數(shù)輪；11.送料電機；12.螺旋送料器；13.布料刮平料斗；14.料舟；15.稱重傳感器；16.布料刮平汽釘；17.機架；18.電動缸
圖2裝料稱重裝置組成圖
該裝置可分為全密封螺旋進(jìn)給裝料、精密稱重和分層布料刮平三個部分。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、送料計數(shù)器9、送料計數(shù)輪10、送料電機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;裝料計數(shù)輪與螺旋送料器同步轉(zhuǎn)動，其余零部件均安裝在機架上。布料刮平料斗的下端是開口的，以便裝料時料粉可以進(jìn)入料舟,而螺旋送料器的進(jìn)料口與裝有攪拌器和倉壁振動器的布料料斗連接。精密稱重部分由稱重支承板2、電磁鐵3、線性軸承4、載舟架5、料舟14、稱重傳感器15等零部件組成。其中線性軸承的導(dǎo)桿與載舟架固聯(lián)，線性軸承的導(dǎo)套、電磁鐵及稱重傳廖器均安裝在稱重支承板上,稱重支承板固定聯(lián)接在電動缸的推桿軸上，可以與電動缸的推桿軸一起做升降移動。電磁鐵的作用暈在布料刮平時將載舟架抬起，使之與稱重傳感器脫離接觸，確保稱重傳感器不會被破壞。以稱重傳感器為中心對稱布置的4個線性軸承用于防止載舟架升降時產(chǎn)生偏歪，以減小稱重誤差。分層布料刮平部分由線性滑軌1、布料刮平汽缸16和電動缸18組成。其中線性滑軌的導(dǎo)軌和布料刮平汽缸安裝在機架17上，電動缸與線性滑軌的滑塊固定連接，布料刮平汽缸的活塞桿則與電動缸固定連接。因此,當(dāng)控制電動缸18的推桿軸上升時，帶動精密稱重部分上升，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,實現(xiàn)全密封裝料;當(dāng)控制電動缸的推桿軸做垂直方向的上下移動時，可以實現(xiàn)步進(jìn)式精密稱重;當(dāng)布料刮平汽缸的活塞桿伸縮時，通過電動缸帶動載舟架和料舟一起左右移動，利用料斗實現(xiàn)分層布料刮平。
2裝料稱重裝置的工作原理
全密封裝料稱重與自適應(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，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）檢測到有空載料舟到位時,則啟動裝料稱重刮平工藝過程,首先使電磁鐵的銜鐵下落,載舟架和料舟隨之下落,與稱重傳感器接觸,使稱重傳感器處于稱重測量狀態(tài)，此時稱重傳感器上的載荷為載舟架和空料舟重量之和，記為Goo
第三步控制電動缸推桿上升，通過電動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稱重傳感器上的載荷開始增加，通過試驗測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)稱重傳感器上的載荷增加到G,=G0+AG時電動缸的推桿停止上升,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，打開螺旋送料器的出料口,送料電機工作，開始容積式裝料。為了提高裝料效率，可根據(jù)需要安排多個螺旋送料器同時送料，容積式裝料時湧過送料計數(shù)輪和送料計數(shù)器控制裝料量，根據(jù)試驗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)換為送料計數(shù)器的計數(shù)值，當(dāng)送料計數(shù)器的計數(shù)值達(dá)到終止裝料量的計數(shù)值時停止容積式裝料。
第五步完成容積式裝料后，電動缸的推桿下降,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,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，此時僅用一個螺旋送料器送料，裝料量的控制方式也改為稱重控制，當(dāng)稱重傳感器上的重量G=G,+G„（Gn為額定裝料量）時送料電機停止工作，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，使料舟與稱重傳感器脫離接觸,保證在布料刮平時稱重傳感器不承受載荷。此后，電動缸推桿每下降一定距離，布料刮平汽缸的活塞桿往復(fù)運動一次，布料一層，如此循環(huán)，最終完成布料和刮平。
第七步顯示裝料稱重的數(shù)值并發(fā)送控制字和稱重量給上位機，完成一舟料的裝料和刮平，恢復(fù)至下一個裝料刮平循環(huán)過程。
3裝料稱重裝置控制器的設(shè)計
雖然現(xiàn)在很多商用電子桌面秤都具備有扣重、歸零、累計、計價、警示等功能，也擁有串口通訊功能,能夠簡化設(shè)計任務(wù),但是工業(yè)生產(chǎn)線用電子秤不單單只是稱重重量的輸出顯示，更重要的是要輸出控制信號0。根據(jù)上文的工作原理可知，該裝置的執(zhí)行機構(gòu)有2個汽缸、1個電機、1個電磁鐵、1個電動缸，再加上面板指示燈，共需要10個以上的數(shù)字輸出控制量，而輸入數(shù)字控制量至少在16個以上，另需要2個模擬量輸入口和1個RS485通訊口。而鉗粉還原生產(chǎn)線中對稱重單元的實時性要求很高，稱重精度要求控制在±0.1%,故釆用商用電子桌面秤將實時的重量數(shù)據(jù)通過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化生產(chǎn)線特點的基礎(chǔ)上，設(shè)計了裝料稱重和刮平一體化裝置在線稱重控制器，其設(shè)計思想是利用CPLD器件和ADuC824單片機構(gòu)建模塊化測控系統(tǒng)平臺，完成稱重模擬量的釆集和裝料稱重刮平工藝環(huán)節(jié)的一體化自動控制，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和單片機智能控制器主板是本測控平臺的核心單元，完成所有輸入和輸出信號狀態(tài)的釆集、稱重值的實時處理、自動控制邏輯時序處理、輸出稱重控制信號、過程指示信號和報警信號，并與現(xiàn)場主控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。系統(tǒng)中的啟停信號是指來自生產(chǎn)線和操作者的啟動和停止控制信號，生產(chǎn)線的啟停信號主要表征的是有無料舟在稱重臺上，操作者主要是控制稱重器開始或結(jié)束工作以及對一些故障的處理。輸入鍵盤是用來設(shè)置一些必要的參數(shù)，比如下料重量、料舟重量、補償量等。功能控制鍵是操作者直接參與控制的入口，操作者通過功能控制鍵能在控制器的某些部件故障時進(jìn)行人工干預(yù)，在設(shè)備發(fā)生故障時能夠保證現(xiàn)場工藝環(huán)節(jié)控制延續(xù)性，減少生產(chǎn)損失。過程指示是用來指示控制器在自動或人工控制時的各個狀態(tài)，有利于操作者對各種故障的排査。聲光報警主要是用于在控制器執(zhí)行自動控制時對已經(jīng)檢測到的故障進(jìn)行報警。數(shù)字量輸入、輸岀對應(yīng)于裝料稱重刮平一體化裝置的現(xiàn)場執(zhí)行器和反饋傳感器（例如線圈和非接觸探頭等）0數(shù)據(jù)通訊是用于該模塊單元與生產(chǎn)線上其他的控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，保證生產(chǎn)線的統(tǒng)一控制。
裝置中稱重傳感器采用HBM公司生產(chǎn)的型號
為PWM15A單點稱重傳感器,量程為0~20kg,傳感器基于惠更斯電橋原理，以模擬量差動信號方式輸出,且具有溫度補償修正功能。而ADuC824單片機內(nèi)部集成了2路差動輸入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，可直接接收來自稱重傳感器的差分輸岀微弱信號，減少了傳感器變送調(diào)理電路,具有集成度高、電路簡単、抗干擾能力強的特點同時，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)，從而大大提高在線稱重控制裝置的性能。
由圖3可知，控制器需要較多的I/O端口用于現(xiàn)場信號的輸入釆集、邏輯運算和輸出控制,而單片機I/O接口有限，因此，采用EPM7128可編程邏輯器件擴展I/O端口，具有靈活度高、編程簡單、可靠性高的特點，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)總線和地址總線,EPM7128內(nèi)部分別對不同的設(shè)備進(jìn)行不同的地址編碼，并且由ADuC824的外部數(shù)據(jù)寫信號給EPM7128內(nèi)部電路鎖存器提供鎖存控制信號。
稱重數(shù)值處理中采用最小二乘法擬合進(jìn)行標(biāo)定，采用動態(tài)預(yù)估原理結(jié)合PID算法進(jìn)行控制。由于系統(tǒng)在還原車間使用,溫度變化顯著，系統(tǒng)中對環(huán)境溫度進(jìn)行了實時補償。系統(tǒng)的標(biāo)定參數(shù)存儲在單片機的內(nèi)部EEPROM中，并具有自動標(biāo)定功能。稱重單元軟件具有數(shù)字濾波功能,以提高測量的穩(wěn)定。

4稱重實驗
在完成軟硬件調(diào)試的基礎(chǔ)上，將該稱重裝置安裝在自行設(shè)計的裝料刮平一體化部件上進(jìn)行了該模塊的調(diào)試實驗，其中摘錄的一組調(diào)試稱重實驗數(shù)據(jù)如表1所示。表中數(shù)據(jù)G1,代表實際稱重時測得的載舟架和空料舟重量之和，數(shù)據(jù)G2代表實際稱重時測得的裝料后的稱重數(shù)值，上述稱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，該稱重裝置的稱重重復(fù)性標(biāo)準(zhǔn)差為1.5g,稱重值為2.4994±0.0045kg,稱重值的最大相對誤差為0.11%,滿足設(shè)計要求。
5結(jié)語
綜上所述,該稱重實驗裝置釆用模塊化的設(shè)計方案，集裝料和刮平于一體,并進(jìn)行了為期1年的試運行。運行結(jié)果表明該裝置實際方案可行，可靠性高,稱重誤差控制精度高，實時性強,滿足了鑰粉還原爐自動化生產(chǎn)線的工藝要求。

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