專利名稱：固體物料自動取樣機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于化工生產(chǎn)中處于流動狀態(tài)下的固體物料自動取樣機。
背景技術：
1、固體化工物料包括粉末、小顆粒、小晶體。例如應用非常廣泛的化工原料一硫酸鋅是一種白色粉末結晶物料。2、《GB/T 6679固體化工產(chǎn)品采樣通則》(4. 3采樣方法——4. 3. 1粉末、小顆粒、 小晶體的采樣——4.3.1.2散裝——b)運動物料)規(guī)定用自動采樣器、勺子或其他合適的工具從皮帶運輸機或物質的落流中隨機地或按一定的時間間隔獲取截面樣品。3、傳統(tǒng)方法測定硫酸鋅含量時，需要取樣工用不銹鋼取樣器在出料槽口由一邊斜插至底邊槽深的3/4處取樣，這樣才能保證流動物料樣品的新鮮和取樣代表性。4、在取樣現(xiàn)場踏勘時發(fā)現(xiàn)取樣工難于保證守在出料口定時定量采集流動物料樣品，而是在堆積的靜止物料上隨意找一個點取樣；不是按多點分布同時取樣而是每半小時取樣^ig,分成多個樣品單元送檢驗，有時還會人為延長取樣間隔時間，增大單次取樣量?，F(xiàn)有的硫酸鋅取樣完全依靠人工操作，取樣工勞動強度過大，工效很低，取樣間隔時間隨意性很大，人工瞬時取樣代表性差，在這樣的條件下要求取樣工定時定量準確采樣也是不現(xiàn)實的。原手工取樣方式即使?jié)M負荷操作最快每5分鐘取樣一次，每小時共取樣12次，工效僅為20%，取樣工勞動強度過大。實際取樣工效現(xiàn)場抽查的結果與滿負荷手工操作仍然有一定差距。對取樣工效的抽查情況進行了統(tǒng)計分析，以60分鐘的單位時間為限，采集4名取樣工所完成的取樣次數(shù)進行數(shù)理統(tǒng)計，取平均值，得到取樣工效僅為2. 8%。現(xiàn)有的硫酸鋅取樣方式完全依靠人工操作，隨機性很大，無法定時定量準確考核。 要解決提高取樣工效的問題，從傳統(tǒng)的管理手段入手，很難有明顯的實效。研制自動取樣機，在確保樣品總體代表性的前提下，從根本上解決提高取樣工效的問題。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種固體物料自動取樣機，以解決流動固體物料取樣中目前人工操作的不規(guī)范和勞動強度過大問題；既保證取樣的科學性，又把取樣工效由現(xiàn)在的 2. 8%提高到90%以上。尤其適用于化工固體物料的取樣。固體物料自動取樣機，由取樣控制機箱和自動控制系統(tǒng)兩部分構成，其中取樣控制機箱由箱體、支撐臂、接料槽、料斗、抽屜構成，具體是機箱1做成長方框體，在機箱上部傾斜固裝支撐和安放步進電機支撐臂2，支撐臂下方側部的箱體上安裝接料槽3，接料槽 3接通到箱體下部的抽屜7內，接料槽3的上口部安裝接近開關8，支撐臂下端固定86步進電機6 ,86步進電機6的軸端的延伸部垂直并以轉動方式裝有料斗部件4，延伸部的軸端安裝57步進電機5，機箱的下部側面裝有儲料抽屜7，自動控制系統(tǒng)安裝在箱體內腔上部構成；自動控制系統(tǒng)由PLC、步近電機、步近電機驅動器、傳感器、觸摸屏電信號連接構成； 其中PLC選用歐姆龍的CP1L-M30DT-D，30點CPU單元，DC24V 12入12點晶體管輸出，與觸摸屏和驅動器的連接方式均采用RS232串口，PLC與電腦通過RS232串口連接。支撐臂2的手臂3 — B下端端部做成安裝電機6的殼體形狀，內腔中安裝電機保護罩3 — A及其電機6，電機軸通過軸承座3 - D、軸承套3 - E用四顆螺釘3-C固定在手臂3 — B上，軸承3 - F與帶動料斗4動作的軸3 -G轉動連接。料斗4的上端制作有圓形容器狀的料勺4 一 A，下端制成軸套4 一 D，料勺與軸套間是管形料斗柄4 一 B，料斗柄內腔下部安裝有滑動螺母絲桿4 一 C。使用ex-Programmer是歐姆龍PLC的編程軟件的微機編程直接和PLC進行串口通訊；CP1L-M30DT-D內置了控制步進電機的脈沖輸出電路，Y2為高速脈沖的輸出端口，利用 CPlL搭載的4軸IOOkHz的高速計數(shù)器功能計數(shù)脈沖個數(shù)；并設置了電機手動/自動控制、 正/反轉運行、加速/減速運行、暫停/復位控制指令電路。在程序中采用了頻率加減速控制指令(ACC)進行控制，采用與二相86系列PLC相配套的專用HMI (人機界面)設備MT506MV觸摸屏，利用觸摸屏自帶的fesybuid2000組態(tài)軟件設計2個控制輸入界面，分別是界面一“固體物料自動取樣機”和界面二“系統(tǒng)設置”。取樣極限位置的信號檢測由PLC程序對步進電機的行程和總轉角控制來實現(xiàn)；控制程序分為4部分電機手動/自動控制、正/反轉運行、加速/減速運行、暫停/復位； PLC做控制信號源，用PMM8713四相步進電機的脈沖分配器、SI-7300A集成功率放大器，組成四相步進電機功率驅動電路；兩相脈沖由PLC MVDC輸出端產(chǎn)生，選用PLC的20 kHz高速脈沖輸出口輸出高速脈沖，高速計數(shù)采用接近開關采集數(shù)據(jù)，兩個步進電機作為執(zhí)行器， 與4-C滑動螺母絲桿軸轉動連接。兩相步進電機的固有步距角是1. 8°，通過驅動器精確控制步進電機的相電流，實現(xiàn)驅動器以1/20細分，則每個脈沖為0. 09°。取樣脈沖的計數(shù)采用的是接近開關非接觸式檢測，3mm的接近開關安裝在料斗的極限位置槽口處。按照上述方案，把取樣控制機箱做成立式箱體，箱體內腔分成上下兩倉，下部設置儲料抽屜滑行導軌，箱體側壁開口，安裝接料槽，其下口處于儲料抽屜的上方。上倉作為電器部分的安裝室，自動控制電器組裝后即安裝在上倉內。這樣制成的固體物料自動取樣機， 是一種機電一體化的固體物料取樣機。使用時，工作人員只需要利用系統(tǒng)設置界面和固體物料自動取樣機進行固體物料取樣的操作。即可準確、定時，科學的按規(guī)定取好物料的樣品。在確保樣品總體代表性的前提下，從根本上解決提高取樣工效的問題。


圖1是整機立體圖。圖2是機箱立體圖。圖3是支撐臂。圖4是接料槽主視圖。圖5接料槽俯視圖。圖6是料斗部件主視圖。圖7是料斗部件側視圖。
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圖8是料柄滑動螺母及絲桿傳動方式示意圖。圖9是自動控制系統(tǒng)。圖10是PLC控制步進電機原理圖。圖11是人機界面操作圖。
具體實施例方式以下結合附圖，作為實施例，對技術方案具體說明。參照圖1，圖中部件序號說明1是機箱、2是支撐臂、3是接料槽、4是料斗部件、5 是57步進電機、6是86步進電機、7是儲料抽屜、8是接近開關。電機5的轉軸與料斗柄套接后用銷子固定；電機6安裝在支撐臂的電機保護罩內3-A，通過軸承、軸與料斗部件連接， 接近開關8安裝在拌料槽3 口部下方，傳遞了取樣次數(shù)的信號。參照圖2，機箱1的箱框2-E用角鐵做成，箱框底部安裝導軌2-A，作為儲料抽屜7 的滑行導軌；箱框上部中間固定墊板2-B，角鐵2-C、角鐵2-D固定在箱框一側的框體上。箱框做好后，用不銹鋼板材封閉各個面，并留有安裝支撐臂、接料槽和儲料抽屜的安裝口。其作用是a、密閉保護箱內電器設備不受粉塵污染；b、作為采樣裝置的支撐體。參照圖3，支撐臂2由7個部分組成電機保護罩3-A、手臂3_B、螺釘3_C、軸承座 3-D、軸承套3-E、軸承3-F、軸3-G。通過軸承套，用4顆GB70-85-M6 X 30內六角圓柱頭螺釘固定安裝在手臂3-B上，支撐臂的作用為支撐和安放步進電機6。裝配好的支撐臂2斜向固定在機箱上部，安裝有步進電機6的下端即伸出在機箱底的外面。參照圖4及圖5，接料槽3的做成橫截面呈U字形的長形槽，直接焊接在箱體上，上口伸出在箱體外，以接收料勺4 一 A取來的固體物料，下口伸入在箱體內腔中的儲料抽屜7 上方；同時它還托住支撐臂2，防止震顫，在其槽口下方安裝位置接近開關8。參照圖6、圖7及圖8，料斗部件4由4個部分組成料勺4_A、料斗柄4_B同時起到絲桿螺母的作用、滑動絲桿4-C、料斗軸套4-D。料勺和料斗柄、料斗軸套焊接成一體，通過料斗軸套4 一 D安裝在步進電機5連接軸上，取代了人工操作時使用的鏟子，便于物料自動取樣。參照滑動螺母絲桿傳動方式示意圖8?；瑒勇菽附z桿4 一 C和4 一 B是料斗部件 4的組成部分，在圖1中電機5帶動滑動螺母4 - B旋轉，圖6及圖7中料斗柄腔內的絲桿 4 一 C上下伸縮，推動料斗柄即絲桿螺母4 一 B前后擺動，完成取料和投料動作。因為固體物料中化工物料大多具有腐蝕性，所以要求控制機箱所有部件使用不銹鋼材料進行加工。電機5的轉軸與料斗柄末端套接后用銷子固定，電機6安裝在支撐臂的電機保護罩3-A內，通過軸承、軸與料斗部件的料斗軸套4-D連接。電機5轉動后通過料斗柄內部的單頭滑動絲桿傳動，電機5帶動料斗柄腔內的滑動螺母旋轉，絲桿隨之上下伸縮，推動料斗柄前后擺動，完成取料和投料動作，實現(xiàn)旋轉運動與直線運動之間的相互轉換，從而使料勺伸展到接料位置，接完后電機反轉收回料勺，然后轉動電機6把物料倒入接料槽3中。參照自動控制系統(tǒng)圖9，固體物料取樣機的自動控制系統(tǒng)與控制機箱、PLC、開關電源、步進電機及其驅動器、傳感器、觸摸屏通過電信號聯(lián)接構成，其中控制機箱用于安裝自動控制系統(tǒng)的各個部分。系統(tǒng)通過人機界面進行人、機信息交換；由PLC完成設定的邏輯運算，并向步進電機驅動器下達執(zhí)行指令當用戶按下“運行”按鈕時，啟動PLC內部的采樣程序，控制兩個步進電機開始采樣。圖1中的電機5轉動，接近開關找到支撐臂的起始位置； 電機5轉動后通過料斗柄內部的單頭滑動絲桿傳動，實現(xiàn)旋轉運動與直線運動之間的相互轉換，從而使料勺伸展到接料位置，接完后電機反轉收回料勺，然后轉動電機6把物料倒入箱體。電機轉動的距離由定位PLS2指令設定輸出固定脈沖來控制，在取料位置等待的時間由TIM指令進行設定；當達到設定時間時，取料勺自動返回，返回路程由定位PLS2指令設定輸出脈沖個數(shù)來控制。返回后，電機5轉動，路程同樣由定位PLS2指令設定輸出脈沖個數(shù)來控制，完成一輪取樣。開關電源為PLC提供穩(wěn)定可靠的電源輸入；采用接近開關采集數(shù)據(jù)，監(jiān)控執(zhí)行結果，把信息及時反饋到智能控制中心。控制機箱上的兩個步進電機作為執(zhí)行器完成帶動絲桿伸縮和軸轉動的操作動作。參照PLC控制步進電機原理圖10，為了配合步進電機的控制，歐姆龍PLC—CPlL 內置了脈沖輸出功能電路。歐姆龍系統(tǒng)設置了相應的控制指令，配以細分型的驅動器，可以很好地對步進電機進行控制?？刂破骺梢酝ㄟ^控制脈沖的個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。PLC是控制信號源，不能直接驅動步進電機，必須使用專業(yè)的集成驅動器。用 PMM8713四相步進電機的脈沖分配器、SI-7300A集成功率放大器，組成四相步進電機功率驅動電路，以提高集成度和可靠性。兩相步進電機的固有步距角是1.8°，經(jīng)過驅動器以1/20細分，則每個脈沖為 0.09°。細分是通過驅動器精確控制步進電機的相電流實現(xiàn)的，與電機本身無關。讓定子通電相電流并不一次升到位，而斷電相電流并不一次降為(繞組電流波形不再是近似方波， 而是N級近似階梯波)，則定子繞組電流所產(chǎn)生的磁場合力，會使轉子有N個新的平衡位置 (形成N個步距角)。細分后6 ο- t; r! a( ν- f. M步進電機運行更加平穩(wěn)。然后傳動主軸，帶動料勺取樣。當料勺柄進入接近開關的有效作用區(qū)(3mm)時，接近開關就發(fā)出一高電平信號。以 PLC為核心的控制器根據(jù)這一信號控制驅動器啟動步進電機，驅動主軸轉動，開始一次采樣的計數(shù)。電機是57BYG048型電壓式步進電機，驅動電壓為直流MV。通過實踐證明該步進電機功率驅動電路控制系統(tǒng)結構簡單、性能穩(wěn)定、效率高、矩頻特性好，可廣泛應用于小型機電一體化設備中。參照人機界面操作圖11，實現(xiàn)人機對話，方便操作，降低勞動強度?！肮腆w物料”的字樣可以視具體使用物料的名稱修改。根據(jù)固體物料取樣要求，設置了固體物料自動取樣機和系統(tǒng)設置兩部分構成的人機界面。其中固體物料自動取樣界面上設置了取樣時間、取樣間隔時間和取樣記數(shù)以及系統(tǒng)設置和運行操作標識，系統(tǒng)設置界面由返回、取樣間隔時間、取樣時間、電機轉速增、電機轉速減和記數(shù)器清零標識，提供操作人員使用。工作原理
1、步進電機驅動電路
PLC對步進電機的控制PLC輸出的高速脈沖信號經(jīng)步進電機功率驅動電路驅動放大處理后，驅動步進電機轉動。、驅動信號檢測
取樣脈沖的計數(shù)采用的是接近開關非接觸式檢測。3mm的接近開關8安裝在料斗的極限位置槽口處。取樣極限位置的信號檢測由PLC程序對步進電機的行程和總轉角控制來實現(xiàn)。為了配合步進電機的控制，利用PLC內置的高速脈沖輸出功能，設置了相應的控制指令，輸出脈沖的數(shù)目及脈沖頻率分別由設置脈沖指令(PULS)及速度輸出指令(SPED) 設置，PLC程序設定的該指令對步進電機進行控制。、實現(xiàn)人機界面自動控制取樣
PLC程序設計該系統(tǒng)采用CX-programmer 5. 0編程軟件完成了控制系統(tǒng)的軟件設計。 控制程序按功能主要分為4部分，分別為電機手動/自動控制、正/反轉運行、加速/減速運行、暫停/復位。兩相脈沖由PLC MVDC輸出端產(chǎn)生，為了得到精確的控制脈沖，選用PLC 的20 kHz高速脈沖輸出口輸出高速脈沖，用高速計數(shù)器計數(shù)脈沖個數(shù)。采用與二相86系列PLC相配套的專用HMI (人機界面)設備MT506MV觸摸屏，利用觸摸屏自帶的fesybuid2000組態(tài)軟件設計2個控制輸入界面。歐姆龍PLC — CPlL與觸摸屏和驅動器的連接方式均采用串口 RS232。其余電路連接采用排線或導線焊接。電自動控制的電器部分通過機箱1上倉中的角鐵2 — C和2 — D固定在機箱內腔上部。操作面板及人機界面系統(tǒng)固定在機箱上部一側。使用時，取樣工作人員只需把取樣時間，取樣的間隔時間，一定時間內的取樣次數(shù)在面板輸入確定運行，取樣機即可自動按要求取樣。利用面板上的系統(tǒng)設置人機界面，返回，還可以重新根據(jù)需要設定取樣間隔時間， 取樣時間、電機轉速的增加和減少以及計數(shù)器清零等操作。
權利要求
1.固體物料自動取樣機，由取樣控制機箱和自動控制系統(tǒng)構成，其特征在于具體是機箱(ι )做成長方框體，在機箱上部傾斜固裝支撐和安放步進電機支撐臂(2 )，支撐臂下方側部的箱體上安裝有接料槽(3)，接料槽(3)接通到箱體下部的抽屜內，接料槽(3)的上口部安裝接近開關(8)，支撐臂下端固定86步進電機(6 )，電機(6 )的軸端的延伸部垂直并以轉動方式裝有料斗部件(4 )，延伸部的軸端安裝57步進電機(5 )，機箱的下部側面裝有儲料抽屜(7 )，自動控制系統(tǒng)安裝在箱體內腔上部構成；自動控制系統(tǒng)由PLC、步近電機及其驅動器、傳感器、觸摸屏電信號連接構成；其中PLC選用歐姆龍的CP1L-M30DT-D，30點 CPU單元，DC24V 12入12點晶體管輸出，與觸摸屏和驅動器的連接方式均采用RS232串口，PLC與電腦通過RS232串口連接。
2.根據(jù)權利要求1所述的固體物料自動取樣機，其特征在于支撐臂2的手臂3— B下端端部做成安裝電機6的殼體形狀，內腔中安裝電機保護罩3 — A及其電機6，電機軸通過軸承座3 - D、軸承套3 - E用四顆螺釘3-C固定在手臂3 - B上，軸承3 — F與帶動料斗4動作的軸3 — G轉動連接。
3.根據(jù)權利要求1所述的固體物料自動取樣機，其特征在于料斗(4)的上端制作有圓形容器狀的料勺(4 一 A)，下端制成軸套(4 一 D )，料勺與軸套間是管形料斗柄(4 一 B )， 料斗柄內腔下部安裝有滑動螺母絲桿(4 一 C)。
4.根據(jù)權利要求1所述的固體物料自動取樣機，其特征在于使用CX-Programmer是歐姆龍PLC的編程軟件的微機編程直接和PLC進行串口通訊；CP1L-M30DT-D內置了控制步進電機的脈沖輸出電路，Y2為高速脈沖的輸出端口，利用CPlL搭載的4軸IOOkHz的高速計數(shù)器功能計數(shù)脈沖個數(shù)；并設置了電機手動/自動控制、正/反轉運行、加速/減速運行、 暫停/復位控制指令電路。
5.根據(jù)權利要求1所述的固體物料自動取樣機，其特征在于在程序中采用了頻率加減速控制指令(ACC)進行控制，采用與二相86系列PLC相配套的專用HMI (人機界面)設備 MT506MV觸摸屏，利用觸摸屏自帶的fesybuid2000組態(tài)軟件設計2個控制輸入界面，分別是界面一 “固體物料自動取樣機”和界面二 “系統(tǒng)設置”。
6.根據(jù)權利要求1所述的固體物料自動取樣機，其特征在于取樣極限位置的信號檢測由PLC程序對步進電機的行程和總轉角控制來實現(xiàn)；控制程序分為4部分電機手動/自動控制、正/反轉運行、加速/減速運行、暫停/復位；PLC做控制信號源，用PMM8713四相步進電機的脈沖分配器、SI-7300A集成功率放大器，組成四相步進電機功率驅動電路；兩相脈沖由PLC 24VDC輸出端產(chǎn)生，選用PLC的20 kHz高速脈沖輸出口輸出高速脈沖，高速計數(shù)采用接近開關采集數(shù)據(jù)，兩個步進電機作為執(zhí)行器，與4-C滑動螺母絲桿軸轉動連接。
7.根據(jù)權利要求4所述的固體物料自動取樣機，其特征在于兩相步進電機的固有步距角是1. 8°，通過驅動器精確控制步進電機的相電流，實現(xiàn)驅動器以1/20細分，則每個脈沖為 0.09°。
8.根據(jù)權利要求6所述的固體物料自動取樣機，其特征在于取樣脈沖的計數(shù)采用的是接近開關非接觸式檢測，3mm的接近開關(8 )安裝在料斗的極限位置槽口處。
全文摘要
固體物料自動取樣機，由取樣機箱和控制系統(tǒng)構成，其中機箱做成長方框體，在機箱上部傾斜固裝支撐和安放步進電機支撐臂，支撐臂下方的箱體上安裝接料槽，并接通到箱體下部的抽屜內，接料槽的上口安裝接近開關，支撐臂下端固定86步進電機，86步進電機的軸端的延伸部垂直并以轉動方式裝有料斗部件，延伸部的軸端安裝57步進電機，機箱的下部側面裝有儲料抽屜，自動控制系統(tǒng)安裝在箱體內腔上部構成；控制系統(tǒng)由PLC、步近電機及驅動器、傳感器、觸摸屏電信號連接構成；其中PLC選用歐姆龍的CP1L-M30DT-D，30點CPU單元,DC24V12入12點晶體管輸出，與觸摸屏和驅動器的連接方式均采用RS232串口，PLC與電腦通過RS232串口連接。
文檔編號G01N1/10GK102564808SQ201210000029
公開日2012年7月11日 申請日期2012年1月1日 優(yōu)先權日2012年1月1日
發(fā)明者李瓊, 賀光友, 趙冬梅, 高俊飛 申請人:國營云南機器三廠