基于PLC控制的全自动免熔铅制粒机的研究.pdf

1 5 2 机 械 设 计 与 制 造 Ma c h i n e r y De s i g nMa n u f a c t u r e 第 6期 2 0 1 3年 6月 基 于 P L C控制的全 自动免熔铅制粒机的研究 孙翔鸿， 朱家诚 合肥工业大学 机械与汽车工程学院， 安徽 合肥2 3 0 0 0 9 摘要 目前国内铅酸电池行业多用岛津法生产铅粉， 需将电解铅铸造成铅球或铅段， 再利用球磨机磨碎成铅粉， 由于受 铅粒铸造工艺的影响， 致使整个生产铅粉流程高污染、 高能耗。对此， 全自动免熔铅制粒机的开发势在必行。主要介绍了 全自动免熔铅制粒机的机械原理、 控制原理、 主要设备及功能。该全自动免熔铅制粒机已经通过企业使用证明， 能在冷态 工作状态下将铅锭转化成大小均等的铅粒， 并且集聚性能稳定、 操作简单、 节能环保、 大大提高生产效率等优点。 关键词 制粒机； 铅粒； 控制系统； P L C 中图分类号 T H1 6 ； T M 9 l l 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 3 0 6 - 0 t 5 2 0 3 De v e l o p me n t o f F u l l y Au t o ma t e d No - Mo l t e n L e a d Pe l l e t Mi l l B a s e d o n PL C Co n t r o l S UN Xi a n g h o n g ，Z HU J i a - c h e n g S c h o o l o f Me c h a n i c a l a n d A u t o m o t i v e E n g i n e e r i n g ， H e f e i U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， A n h u i H e i 2 3 0 0 0 9 ， C h i n a A b s t r a c t N o w a d a y s ， t h e d o m e s t ic 2 e n d 一 ∞ b a t t e r y i n d u s t r y o 2“ e m a n u f a c t u r e d b y s h i m a d z u l e ad p o w d e r ， w h i c h a l w a y s c a s t i n t o t h e e l e c t r o l y t i c l e ad s h o t o r l e ad p a r a g r a p h ， r e c y c l i n g t h e b all mi l l g r i n d i n g i n t o l e a d p o w d e r ， d u e t o t h e i m p a c t o fl e ad s h o t c ast i n g p r o c e s s ， r e s u l t i n gi n h i g h p o l l u t i o n a n d h ig h e uer b ／ d u n n gt h e p r o d u c t i o n o fl e ad p o w d e r flo w ． I nt h i s r e g ard ， t h e d e v e l o p m e n t off u l l y a u t o m at e d n o - m o l t e n le ad p e l l e t m i l l is i m p e r ati v e ． h m a i n l y d e s c r i b e s t h e m e c h ani c a l p r i n c ip l e s ， c o n t r o l t h e o ry， t h e m n e q u i p me n t a n d f e at u r e s o f f u l l y a u t o m at e d n o - m o l t e n l e ad p e l l e t mi l 1 ． T h e l l y a u t o m a t e d n o - m o l t e n le a d p e l t mi l l h a s p ass e d c o r p o r a t e use ofp r o v e n ，w h ic h w i l l l e ad i n g o t s i n t o e q u a l s i z e l e ad s h o t t h e c o l d s t at e ，and w h ic h h a s t h e adv ant a g e s of s t o b l e p e 咖r m e ， s i m p l e o p e r ati o n ， e n e r g y s a v i n g a n d e a v i r o n m e n t p r o t e c t i o n ，and g r e at l y i m p r o v i n gt h e e f f w i e n c y o f p r o d uct ion and S O O n ． Ke y W o r d s P e l l e t Mi l l ； Le a d S h o t ；Co n t r o l S y s t e m； PLC 1引言 随着近些年电动车行业的快速发展，铅酸电池行业的发展 也突飞猛进 ， 铅作为生产铅酸电池必备的原材料， 其市场需求也 大大提高。铅粒的制造是铅酸电池企业加工必须经历的环节， 传 统的铅粒制造是通过将铅锭在熔铅炉中熔化 ， 再将铅液流入铅粒 铸造机中冷却， 或铸造成棒状再切断” 。 此生产环节会产生大量铅 烟、 铅尘， 既伤害人体健康又污染环境， 同时熔铅炉需要大量电 能， 使得生产成本大大提高。 制粒是用机械将粉末状配合原料挤压成颗粒状物料，颗粒 状物料体积小、 密度大、 便于运输、 储存[2 - 3 ] ， 因此通常制粒机用于 医药、 化工、 饲料加工等行业。将探究一种新型的冷态铅制粒机， 将铅锭先切片， 再制粒， 所有制造工艺都在常温下完成， 简单、 方 便、 易操作。 2免熔铅制粒机的工作原理 免熔铅制粒机的机械结构， 如图 1 所示。主要由进料总成 、 切片总成、 滚切总成、 减速器、 三相异步电机、 机架、 夹紧机构及控 制系统等部分组成。进料总成输送铅锭至切片总成， 剪切后的铅 片下落至滚切总成的双滚筒间， 在三相异步电机带动下， 动力经 减速器传至双滚筒， 从而将铅片轧制成大小均等的铅粒。 成 图 I机械原理图 F i g ． 1 Me c h a n i c a l S c h e ma t i c s 1 进料总成由伺服步进电机提供动力， 采用链传动输送铅 锭， 光电传感器控制铅锭的进给位移， 保证铅锭连续的进料。 2 切片总成由液压缸提供动力对铅锭进行切片， 采用液压系 统切片可以保证剪切力稳定， 铅片厚度均匀， 剪切过程迅速、 有效。 3 滚切总成由三相异步电机提供动力， 经减速器将动力传 至滚筒， 双滚筒通过滚压式原理将铅锭轧制成铅粒。 来稿 日期 2 0 1 2 - 0 8 - 0 7 作者简介 孙翔鸿， 1 9 8 8 一 ， 男， 安徽人， 在读硕士研究生， 主要研究方向 机计算机集成制造系统； 朱家诚， 1 9 5 9 一 ， 男， 安徽人， 博士， 硕士生导师， 主要研究方向 机电产品设计、 应用软件开发、 机电 控制 第 6期 孙翔鸿等 基于 P L C控制的全 自动免熔铅制粒机的研究 1 5 3 4 夹紧机构由气缸提供动力， 对铅锭侧向夹紧， 这样切片 过程中铅锭就不会翘起、 倾斜。 5 控制系统以 P I C为中心 ， 触摸屏和 P L C之间实行双向 通信， 控制进料总成、 夹紧机构、 切片总成、 滚切总成。 3主要参数计算 3 ． 1剪切力 采用的液压系统的压力P 1 2 MP a ，液压油缸直径 D - 1 2 5 mm， 所能产生的切力为 ，l_ D2 p0 ．25 1 25 2 3．1 4 1 2 1 4 7 0 0 0 N 1 4 3 ． 2滚切条件 滚切机构的受力情况， 如图 2 所示。 滚筒受到两个力即法向 力 与切向力 死， 铅片受到滚筒的作用力为 与 等大反向 ， 角为咬人角 、 图 2滚切机构受力分析图 Fi g ． 2 Ro l l Cu t I n s t i t u t i o n s S t r e s s An a l y s i s 滚筒咬入的条件是 2 2 Ⅳ 1 ， 即 2 T c o s 2 N s i n c t 设 厂 和 是滚筒和铅片之间的摩擦系数和摩擦角 t t a n ， 则 。得 f t a n s ， 即 所以， 当滚筒和铅片之间的摩擦角必须大于等于咬人角时， 滚切过程才能建立。 4结构设计 4 ． 1进料总成设计 主要有进料槽、 单排链轮、 链 、 伺服电机和光电传感器。采用 槽形进给， 主要是为了防止铅锭跑偏， 两根单排链索引是为了保 证无弹性滑动以及结构设计紧凑， 即将铅锭放置在链上， 随链向 前运动， 实现进给。由于铅锭时需要间歇进给， 且进给量需要控 制， 所以采用伺服步进电机和减速器为进给驱动源， 保证了链传 动的低速、 稳定等特性， 并由进给槽前方传感器实现进给运动、 进 给量的控制。 4 - 2切片总成设计 切片总成主要由液压油缸、 切刀 、 v型直线导轨、 夹紧机构 、 导向块、 机身组成。1 2 M P a液压油缸作为动力源可以保证切片的 均匀性和稳定性， v型直线导轨的导向精度高 、磨损可以自动补 偿且有利于排屑I3 }， 对于切刀的上下移动有利。切刀采用 钢， 刀 刃处淬火处理 H R C 4 8 5 3 ， 导向块由内六角螺钉固定在机身处， 为铅锭的进给做导向作用。 铅锭步进到位时， 采用气缸侧向夹紧。 4 ． 3滚切总成设计 滚动机由滚筒、 顶杆 、 偏心轴、 三相异步电机、 减速器 、 传动 齿轮、 机体等部分组成， 如图 3 所示。 动力经三相异步电机传至减 速器， 经过减速后传至传动齿轮， 继而带动偏心轴转动 ， 形成双滚 筒轧制。三相异步电机采用 7 ．5 k W， 配备传动比i 5 0的减速器。 双滚筒表面采用凸凹面设计， 表面热处理中频淬火 H R C 5 1 5 5 ， 凹面内嵌可活动的顶杆， 由偏心轴驱动顶杆上、 下移动， 其中辊缝 值 为 2 ram。 I 图 3滚切机构示意图 F i g ． 3 Ro l l -C u t I n s t i t u t i o n s Di a g r a m 5控制系统设计 5 ． 1硬件部分 控制系统的硬件部分主要 由P L C 、 触摸屏、 伺服电机、 三相 异步电机 、 电磁阀、 换向阀等组成。 由于步进伺服电机具有结构简 单 、 运行可靠、 控制方便、 控制性能好等优点， 可将脉冲信号变换 为相应的直线位移， 其位移量与脉冲数成正比， 移动速度与脉冲 频率成正比 。使用步进伺服电机作为进给装置， 不仅能实现精 确定位， 还可方便调节进料机构的移动速度。 图 4控制系统原理 图 Fi g ．4 C o n t r o l S y e m S c h e ma t i c s 控制系统以 P L C为中心， 触摸屏与 P L C之间双向通信。通 过触摸屏操作 ， 可以设定不同的进料速度， 改变步进伺服电机的 转速； P L C通过控制驱动器，实现步进伺服电机相应时停止 ， 与 此同时， 触摸屏上弹出故障窗口， 提示故障原因； 当设备运行中 遇到紧急情况的运动。当电机在运行中出现故障， 系统会 自动 产生急停信号， 切断动力电源 ， 确保设备及需要停止时， 可按下 控制柜外部的急停按钮来切断动力电源。气缸活塞的运动行程 l 5 4 机械 设 计 与制造 NO ． 6 J u n e ． 2 01 3 可通过外部传感器来检测， 即铅锭步进到位时， 传感器将检测到 的信号输入 P L C系统 ， P L C系统将根据接收的信号对电磁阀和 换向阀作出指令， 从而对液压油缸和气缸做出相应的控制， 其控 制原理图， 如图4所示。 5 _ 2软件部分 整个铅制粒机的控制部分都是通过 P L C编程实现，为了充 分展现出P L C软件的优点，编程时通过对流程工艺及 P L C指令 系统的分析 ， 采用模块化结构思想， 实现了整个模块的分解以及 各模块之间的逻辑互锁功能，以此来完成整个 P L C系统程序的 编制， 制粒机控制系统共分为手动操作、 自动运行、 参数设置及报 警显示四个基本的模块目 。信号的输入以步进到位传感器、 切刀 上 、 下极限传感器接受的信号为准， 输出信号为P L C控制系统对 换向阀、 伺服驱动器 、 电磁阀等发出指令。具体的工作流程图， 如 图 5 所示 。 图 5工作流程 图 Fi g ．5 Wo r k F l o w C h a r t 6新旧工艺对 比 替换原铅粉生产工艺中熔铸法铅制粒方法，由于本产品采 用物理剪切方法实现铅制粒， 没有铅污染 ， 且能耗低。 新老工艺指 标对照， 如表 1 所示。 表 1新I B- r 艺对照表 T a b ． 1 Ne w a n d Ol d T e c h n o l o g y Co mp a r is o n Ta b le 7结束语 免熔铅制粒机有效的解决了冷态加工铅粒的制造工艺 ， 为 铅酸电池的生产搭建了一个低污染， 低能耗的平台。经生产厂家 使用证实，免熔铅制粒机极大的提高了铅粒生产的经济效益， 具 有良 好的应用价值和市场前景。并且 P L C所具有的自 动控制功 能极大的减轻了操作者的劳动强度， 提高了劳动效率。 参考文献 [ 1 ] 周龙瑞， 王俊． 动力型铅酸电池生产设备的现状及改进[ J ] ． 蓄电池， 2 0 0 9 4 1 7 7 1 8 0 ． Z h o u L o n g - 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