CN202994523U - 固体物料自动取样机 - Google Patents

Abstract

固体物料自动取样机，由取样机箱和控制系统构成，其中机箱做成长方框体，在机箱上部倾斜固装支撑和安放步进电机支撑臂，支撑臂下方的箱体上安装接料槽，并接通到箱体下部的抽屉内，接料槽的上口安装接近开关，支撑臂下端固定86步进电机，86步进电机的轴端的延伸部垂直并以转动方式装有料斗部件，延伸部的轴端安装57步进电机，机箱的下部侧面装有储料抽屉，自动控制系统安装在箱体内腔上部构成；控制系统由PLC、步近电机及驱动器、传感器、触摸屏电信号连接构成；其中PLC选用欧姆龙的CP1L-M30DT-D，30点CPU单元,DC24V12入12点晶体管输出，与触摸屏和驱动器的连接方式均采用RS232串口，PLC与电脑通过RS232串口连接。

Description

固体物料自动取样机

技术领域

本发明属于化工生产中处于流动状态下的固体物料自动取样机。 

背景技术

1、固体化工物料包括粉末、小颗粒、小晶体。例如应用非常广泛的化工原料—硫酸锌是一种白色粉末结晶物料。 

2、《GB/T 6679 固体化工产品采样通则》（4.3 采样方法——4.3.1粉末、小颗粒、小晶体的采样——4.3.1.2 散装——b)运动物料） 规定：用自动采样器、勺子或其他合适的工具从皮带运输机或物质的落流中随机地或按一定的时间间隔获取截面样品。 

3、传统方法测定硫酸锌含量时，需要取样工用不锈钢取样器在出料槽口由一边斜插至底边槽深的3/4处取样，这样才能保证流动物料样品的新鲜和取样代表性。 

4、在取样现场踏勘时发现：取样工难于保证守在出料口定时定量采集流动物料样品，而是在堆积的静止物料上随意找一个点取样；不是按多点分布同时取样而是每半小时取样2Kg，分成多个样品单元送检验，有时还会人为延长取样间隔时间，增大单次取样量。 

现有的硫酸锌取样完全依靠人工操作，取样工劳动强度过大，工效很低，取样间隔时间随意性很大，人工瞬时取样代表性差，在这样的条件下要求取样工定时定量准确采样也是不现实的。 

原手工取样方式即使满负荷操作最快每5分钟取样一次，每小时共取样12次，工效仅为20%，取样工劳动强度过大。 

实际取样工效现场抽查的结果与满负荷手工操作仍然有一定差距。对取样工效的抽查情况进行了统计分析，以60分钟的单位时间为限，采集4名取样工所完成的取样次数进行数理统计，取平均值，得到取样工效仅为2.8%。 

现有的硫酸锌取样方式完全依靠人工操作，随机性很大，无法定时定量准确考核。要解决提高取样工效的问题，从传统的管理手段入手，很难有明显的实效。研制自动取样机，在确保样品总体代表性的前提下，从根本上解决提高取样工效的问题。 

发明内容

本发明的目的是提供一种固体物料自动取样机，以解决流动固体物料取样中目前人工操作的不规范和劳动强度过大问题；既保证取样的科学性，又把取样工效由现在的2.8%提高到90%以上。尤其适用于化工固体物料的取样。 

固体物料自动取样机，由取样控制机箱和自动控制系统两部分构成，其中取样控制机箱由箱体、支撑臂、接料槽、料斗、抽屉构成，具体是机箱１做成长方框体，在机箱上部倾斜固装支撑和安放步进电机支撑臂２，支撑臂下方侧部的箱体上安装接料槽３，接料槽３接通到箱体下部的抽屉7内，接料槽3的上口部安装接近开关8，支撑臂下端固定86步进电机６，86步进电机６的轴端的延伸部垂直并以转动方式装有料斗部件４，延伸部的轴端安装57步进电机５，机箱的下部侧面装有储料抽屉７，自动控制系统安装在箱体内腔上部构成；自动控制系统由PLC、步近电机、步近电机驱动器、传感器、触摸屏电信号连接构成；其中PLC选用欧姆龙的CP1L-M30DT-D ，30点CPU单元, DC24V 12入12点晶体管输出，与触摸屏和驱动器的连接方式均采用RS232串口，PLC与电脑通过RS232串口连接。 

支撑臂２的手臂3－Ｂ下端端部做成安装电机６的壳体形状，内腔中安装电机保护罩3－Ａ及其电机６，电机轴通过轴承座3－D、轴承套3－E用四颗螺钉3-C固定在手臂3－B上，轴承3－F与带动料斗部件４动作的轴3－G转动连接。料斗部件４的上端制作有圆形容器状的料勺４－Ａ，下端制成轴套４－Ｄ，料勺与轴套间是管形料斗柄４－Ｂ，料斗柄内腔下部安装有滑动螺母丝杆４－Ｃ。 

使用CX-Programmer是欧姆龙PLC的编程软件的微机编程直接和PLC进行串口通讯；CP1L-M30DT-D内置了控制步进电机的脉冲输出电路，Y2为高速脉冲的输出端口，利用CP1L搭载的4轴100kHz的高速计数器功能计数脉冲个数；并设置了电机手动／自动控制、正／反转运行、加速／减速运行、暂停／复位控制指令电路。 

在程序中采用了频率加减速控制指令（ACC）进行控制，采用与二相86系列PLC相配套的专用HMI(人机界面)设备MT506MV触摸屏，利用触摸屏自带的Easybuid2000组态软件设计2个控制输入界面，分别是：界面一“固体物料自动取样机”和界面二“系统设置”。 

取样极限位置的信号检测由PLC程序对步进电机的行程和总转角控制来实现；控制程序分为4部分：电机手动／自动控制、正／反转运行、加速／减速运行、暂停／复位；PLC做控制信号源，用PMM8713四相步进电机的脉冲分配器、SI-7300A集成功率放大器，组成四相步进电机功率驱动电路；两相脉冲由PLC 24VDC输出端产生，选用PLC的20 kHz高速脉冲输出口输出高速脉冲，高速计数采用接近开关采集数据，两个步进电机作为执行器，与4-C滑动螺母丝杆轴转动连接。 

两相步进电机的固有步距角是1.8°，通过驱动器精确控制步进电机的相电流，实现驱动器以1/20细分，则每个脉冲为0.09°。取样脉冲的计数采用的是接近开关非接触式检测，3mm的接近开关安装在料斗的极限位置槽口处。 

按照上述方案，把取样控制机箱做成立式箱体，箱体内腔分成上下两仓，下部设置储料抽屉滑行导轨，箱体侧壁开口，安装接料槽，其下口处于储料抽屉的上方。上仓作为电器部分的安装室，自动控制电器组装后即安装在上仓内。这样制成的固体物料自动取样机，是一种机电一体化的固体物料取样机。使用时，工作人员只需要利用系统设置界面和固体物料自动取样机进行固体物料取样的操作。即可准确、定时，科学的按规定取好物料的样品。在确保样品总体代表性的前提下，从根本上解决提高取样工效的问题。 

附图说明

图1是整机立体图。 

图2是机箱立体图。 

图3是支撑臂。 

图4是接料槽主视图。 

图5接料槽俯视图。 

图6是料斗部件主视图。 

图7是料斗部件侧视图。 

图8是料柄滑动螺母及丝杆传动方式示意图。 

图9是自动控制系统。 

图10是PLC控制步进电机原理图。 

图11是人机界面操作图。 

具体实施方式

以下结合附图，作为实施例，对技术方案具体说明。 

参照图1，图中部件序号说明：1是机箱、2是支撑臂、3是接料槽、4是料斗部件、5是57步进电机、6是86步进电机、7是储料抽屉、8是接近开关。电机5的转轴与料斗柄套接后用销子固定；电机6安装在支撑臂的电机保护罩内3-A，通过轴承、轴与料斗部件连接，接近开关8安装在拌料槽3口部下方，传递了取样次数的信号。 

参照图2，机箱1的箱框2-E用角铁做成，箱框底部安装导轨2-A，作为储料抽屉7的滑行导轨；箱框上部中间固定垫板2-B，角铁2-C、角铁2-D固定在箱框一侧的框体上。箱框做好后，用不锈钢板材封闭各个面，并留有安装支撑臂、接料槽和储料抽屉的安装口。其作用是：a、密闭保护箱内电器设备不受粉尘污染；b、作为采样装置的支撑体。 

参照图3，支撑臂2由7个部分组成：电机保护罩3-A、手臂3-B、螺钉3-C、轴承座3-D、轴承套3-E、轴承3-F、轴3-G。通过轴承套，用4颗GB70-85-M6×30内六角圆柱头螺钉固定安装在手臂3-B上，支撑臂的作用为支撑和安放步进电机6。装配好的支撑臂2斜向固定在机箱上部，安装有步进电机6的下端即伸出在机箱底的外面。 

参照图4及图5，接料槽3的做成横截面呈U字形的长形槽，直接焊接在箱体上，上口伸出在箱体外，以接收料勺4－A取来的固体物料，下口伸入在箱体内腔中的储料抽屉７上方；同时它还托住支撑臂２，防止震颤，在其槽口下方安装位置接近开关８。 

参照图6、图7及图８，料斗部件4由4个部分组成：料勺4-A、料斗柄4-B同时起到丝杆螺母的作用、滑动丝杆4-C、料斗轴套4-D。料勺和料斗柄、料斗轴套焊接成一体，通过料斗轴套4－D安装在步进电机5连接轴上，取代了人工操作时使用的铲子，便于物料自动取样。 

参照滑动螺母丝杆传动方式示意图8。滑动螺母丝杆4－C和4－B是料斗部件4的组成部分，在图1中电机5带动滑动螺母4－B旋转，图6及图7中料斗柄腔内的丝杆4－C上下伸缩，推动料斗柄即丝杆螺母4－B前后摆动，完成取料和投料动作。 

因为固体物料中化工物料大多具有腐蚀性，所以要求控制机箱所有部件使用不锈钢材料进行加工。 

电机5的转轴与料斗柄末端套接后用销子固定，电机6安装在支撑臂的电机保护罩3-A内，通过轴承、轴与料斗部件的料斗轴套4-D连接。电机5转动后通过料斗柄内部的单头滑动丝杆传动，电机5带动料斗柄腔内的滑动螺母旋转，丝杆随之上下伸缩，推动料斗柄前后摆动，完成取料和投料动作，实现旋转运动与直线运动之间的相互转换，从而使料勺伸展到接料位置，接完后电机反转收回料勺，然后转动电机6把物料倒入接料槽3中。 

参照自动控制系统图９，固体物料取样机的自动控制系统与控制机箱、PLC、开关电源、步进电机及其驱动器、传感器、触摸屏通过电信号联接构成，其中控制机箱用于安装自动控制系统的各个部分。系统通过人机界面进行人、机信息交换；由PLC完成设定的逻辑运算，并向步进电机驱动器下达执行指令：当用户按下“运行”按钮时，启动PLC内部的采样程序，控制两个步进电机开始采样。图1中的电机5转动，接近开关找到支撑臂的起始位置；电机5转动后通过料斗柄内部的单头滑动丝杆传动，实现旋转运动与直线运动之间的相互转换，从而使料勺伸展到接料位置，接完后电机反转收回料勺，然后转动电机6把物料倒入箱体。 

电机转动的距离由定位PLS2指令设定输出固定脉冲来控制，在取料位置等待的时间由TIM指令进行设定；当达到设定时间时，取料勺自动返回，返回路程由定位PLS2指令设定输出脉冲个数来控制。返回后，电机5转动，路程同样由定位PLS2指令设定输出脉冲个数来控制，完成一轮取样。 

开关电源为PLC提供稳定可靠的电源输入；采用接近开关采集数据，监控执行结果，把信息及时反馈到智能控制中心。控制机箱上的两个步进电机作为执行器完成带动丝杆伸缩和轴转动的操作动作。 

参照PLC控制步进电机原理图10，为了配合步进电机的控制，欧姆龙PLC—CP1L内置了脉冲输出功能电路。欧姆龙系统设置了相应的控制指令，配以细分型的驱动器，可以很好地对步进电机进行控制。控制器可以通过控制脉冲的个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。PLC是控制信号源，不能直接驱动步进电机，必须使用专业的集成驱动器。用PMM8713四相步进电机的脉冲分配器、SI-7300A集成功率放大器，组成四相步进电机功率驱动电路，以提高集成度和可靠性。 

两相步进电机的固有步距角是1.8°，经过驱动器以1/20细分，则每个脉冲为0.09°。细分是通过驱动器精确控制步进电机的相电流实现的，与电机本身无关。让定子通电相电流并不一次升到位，而断电相电流并不一次降为（绕组电流波形不再是近似方波，而是N级近似阶梯波），则定子绕组电流所产生的磁场合力，会使转子有N个新的平衡位置（形成N个步距角）。细分后6 o- t; r! a( v- f. M步进电机运行更加平稳。然后传动主轴，带动料勺取样。 

当料勺柄进入接近开关的有效作用区（3mm）时，接近开关就发出一高电平信号。以PLC为核心的控制器根据这一信号控制驱动器启动步进电机，驱动主轴转动，开始一次采样的计数。 

电机是57BYG048型电压式步进电机，驱动电压为直流24V。通过实践证明该步进电机功率驱动电路控制系统结构简单、性能稳定、效率高、矩频特性好，可广泛应用于小型机电一体化设备中。 

参照人机界面操作图11，实现人机对话，方便操作，降低劳动强度。“固体物料”的字样可以视具体使用物料的名称修改。根据固体物料取样要求，设置了固体物料自动取样机和系统设置两部分构成的人机界面。其中固体物料自动取样界面上设置了取样时间、取样间隔时间和取样记数以及系统设置和运行操作标识，系统设置界面由返回、取样间隔时间、取样时间、电机转速增、电机转速减和记数器清零标识，提供操作人员使用。 

工作原理

1、步进电机驱动电路：

PLC对步进电机的控制：PLC输出的高速脉冲信号经步进电机功率驱动电路驱动放大处理后，驱动步进电机转动。

、驱动信号检测：

取样脉冲的计数采用的是接近开关非接触式检测。3mm的接近开关8安装在料斗的极限位置槽口处。

 取样极限位置的信号检测由PLC程序对步进电机的行程和总转角控制来实现。 

为了配合步进电机的控制，利用PLC内置的高速脉冲输出功能，设置了相应的控制指令，输出脉冲的数目及脉冲频率分别由设置脉冲指令（PULS）及速度输出指令（SPED)设置，PLC程序设定的该指令对步进电机进行控制。 

、实现人机界面自动控制取样

PLC程序设计：该系统采用CX-programmer 5.0编程软件完成了控制系统的软件设计。控制程序按功能主要分为4部分，分别为电机手动／自动控制、正／反转运行、加速／减速运行、暂停／复位。两相脉冲由PLC 24VDC输出端产生，为了得到精确的控制脉冲，选用PLC的20 kHz高速脉冲输出口输出高速脉冲，用高速计数器计数脉冲个数。

采用与二相86系列PLC相配套的专用HMI(人机界面)设备MT506MV触摸屏，利用触摸屏自带的Easybuid2000组态软件设计2个控制输入界面。欧姆龙PLC—CP1L与触摸屏和驱动器的连接方式均采用串口RS232。其余电路连接采用排线或导线焊接。 

电自动控制的电器部分通过机箱1上仓中的角铁2－C和2－D固定在机箱内腔上部。操作面板及人机界面系统固定在机箱上部一侧。使用时，取样工作人员只需把取样时间，取样的间隔时间，一定时间内的取样次数在面板输入确定运行，取样机即可自动按要求取样。利用面板上的系统设置人机界面，返回，还可以重新根据需要设定取样间隔时间，取样时间、电机转速的增加和减少以及计数器清零等操作。 

Claims (5)

1.固体物料自动取样机，由取样控制机箱和自动控制系统构成，其特征在于具体是机箱（１）做成长方框体，在机箱上部倾斜固装支撑和安放步进电机支撑臂（２），支撑臂下方侧部的箱体上安装有接料槽（３），接料槽（３）接通到箱体下部的抽屉内，接料槽（3）的上口部安装接近开关（8），支撑臂下端固定86步进电机（６），电机（６）的轴端的延伸部垂直并以转动方式装有料斗部件（４），延伸部的轴端安装57步进电机（５），机箱的下部侧面装有储料抽屉（７），自动控制系统安装在箱体内腔上部构成；自动控制系统由PLC、步近电机及其驱动器、传感器、触摸屏电信号连接构成；其中PLC选用欧姆龙的CP1L-M30DT-D ，30点CPU单元, DC24V 12入12点晶体管输出，与触摸屏和驱动器的连接方式均采用RS232串口，PLC与电脑通过RS232串口连接。

2.根据权利要求１所述的固体物料自动取样机，其特征在于支撑臂（２）的手臂（3－Ｂ）下端端部做成安装电机（６）的壳体形状，内腔中安装电机保护罩（3－Ａ）及其电机（６），电机轴通过轴承座（3－D）、轴承套（3－E）用四颗螺钉（3-C）固定在手臂（3－B）上，轴承（3－F）与带动料斗部件（４）动作的轴（3－G）转动连接。

3.根据权利要求１所述的固体物料自动取样机，其特征在于料斗部件（４）的上端制作有圆形容器状的料勺（４－Ａ），下端制成轴套（４－Ｄ），料勺与轴套间是管形料斗柄（４－Ｂ），料斗柄内腔下部安装有滑动螺母丝杆（４－Ｃ）。

4.根据权利要求１所述的固体物料自动取样机，其特征在于使用CX-Programmer是欧姆龙PLC的编程软件的微机编程直接和PLC进行串口通讯；CP1L-M30DT-D内置了控制步进电机的脉冲输出电路，Y2为高速脉冲的输出端口，利用CP1L搭载的4轴100kHz的高速计数器功能计数脉冲个数；并设置了电机手动／自动控制、正／反转运行、加速／减速运行、暂停／复位控制指令电路。

5.根据权利要求1所述的固体物料自动取样机，其特征在于取样脉冲的计数采用的是接近开关非接触式检测，3mm的接近开关（８）安装在料斗的极限位置槽口处。

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