麥恒佳，劉 軼，周志軍

（共享智能裝備有限公司，寧夏 銀川 750021）

工業(yè)級鑄造砂型3D 打印機推動鑄造行業(yè)的變革，帶動鑄造行業(yè)進一步發(fā)展?；炝夏K是砂型3D打印機中必不可少的一部分?；炝夏K的功能主要是：將一定重量的粉料與液料按照固定比例混合均勻?；炝夏K主要由加料部分、下料稱重系統(tǒng)、液料加入模塊、攪拌混合裝置、卸料幾個部分組成?；炝夏K的工作過程為：加料部分將地面或者較遠處的粉料從粉料庫加入到稱量模塊中，再由下料稱重系統(tǒng)稱取固定重量的粉料加入到攪拌混合裝置中，液料加入模塊同時向攪拌混合裝置中加入與粉料重量比例匹配的液料；粉料與液料加入完成后，攪拌混合裝置則會將其內(nèi)部的粉料、液料混合均勻；最后，再由卸料部分將混合好的粉料轉(zhuǎn)運至其他部件以供使用。本文分析了混料模塊下料準確性的影響因素，并對減少飛料量、改進控制方式提高下料準確性等方法進行了研究。

1 系統(tǒng)分析

1.1 下料稱量系統(tǒng)組成

一種常見的下料稱重系統(tǒng)如圖1 所示。系統(tǒng)主要由加料閥門、儲料斗、稱重傳感器、下料閥門、下料管組成。當加料閥門打開、下料閥門關(guān)閉時，粉料庫中粉料由于重力作用進入儲料斗，向儲料斗添料。當加料閥門關(guān)閉、下料閥門打開時，儲料斗內(nèi)粉料由于重力作用進入攪拌混合裝置，實現(xiàn)下料稱重系統(tǒng)的一次稱量功能。儲料斗內(nèi)粉料的減少量即為下料稱重系統(tǒng)的下料量。一般下料稱重系統(tǒng)的稱量流程如圖2 所示：首先會讀取下料前的初始值S1以及下料設(shè)定值S0；下料閥門打開過程中，實時對比S0 與S1-S2 的差值，兩者相等時關(guān)閉下料閥門。則，S1-S2 的值就是下料稱重系統(tǒng)的下料量。

圖1 下料稱重系統(tǒng)組成

圖2 稱量系統(tǒng)工作流程

1.2 下料準確性要求

混合攪拌裝置的混合能力有上限值，當超過上限值長期使用時，會損傷電機以及出現(xiàn)混合不均勻情況。同樣，也有混合量下限值，如果混合量太少，混合攪拌裝置里的葉片等不能被粉料覆蓋，導(dǎo)致所加入的液料粘在葉片等零件上，不能充分將液料與粉料混合。另外，下料偏差過大對液料加入比例、原料總耗費的統(tǒng)計等均有直接影響。所以，有必要對下料準確性進行研究，在設(shè)計以及使用下料稱重系統(tǒng)中減小相關(guān)誤差。

1.3 下料準確性影響因素

整個混砂下料模塊系統(tǒng)誤差主要有靜態(tài)稱量誤差、控制精度、環(huán)境影響三部分組成。

稱量誤差主要取決于設(shè)備稱重傳感器以及變送系統(tǒng)。傳感器量程與實際使用時的工作點不匹配時，存在一定的誤差。變送器在轉(zhuǎn)換信號以及傳輸過程中也同樣存在誤差。一般情況下，綜合考慮系統(tǒng)的經(jīng)濟性以及稱量穩(wěn)定性，設(shè)計原則是要稱重的重量為稱體最大稱重范圍的80%～90%[2].變送系統(tǒng)則要與傳感器匹配，綜合考慮其靈敏度、線性誤差、零點漂移等。

控制精度對下料的準確性影響至關(guān)重要，與控制算法、系統(tǒng)整體設(shè)計有關(guān)。此系統(tǒng)中的下料管較長并且頂部呈漏斗狀，能夠儲存一定重量的粉料。關(guān)閉下料閥門后，一定時間內(nèi)下料管內(nèi)儲存的粉料才會完全落下，變送器采集到的示數(shù)才會穩(wěn)定，這部分粉料也叫做飛料。另外，下料閥門響應(yīng)也需要一定時間。通常情況下，下料管內(nèi)儲存的粉料量是一定的，所以通過一定補償或者提前關(guān)閉閥門可以抵消此部分的影響。但實際上，由于粉料流動是一個復(fù)雜的過程，其受到粉料的粒度分布、剛度、密度、粘著性、附著性等的影響，并且可能伴有偏析以及架橋現(xiàn)象[3]。上述現(xiàn)象的發(fā)生以及各物理條件的變化均會引起下料誤差。所以，控制算法需要考慮采集重量時間、補償飛料量等情況，給出的補償方法[1]。

環(huán)境中的震動會影響稱重傳感器的信號采集準確性，環(huán)境中的溫度變化一般不會產(chǎn)生較大影響，主要是通過影響粉料中的水分間接影響測量精度。

2 提高下料準確性方法

2.1 減小飛料量

通過前述分析，可以通過減小下料閥門口徑來減小下料管漏斗口處儲存的粉料（飛料），從而在閥門關(guān)閉后，飛料會減少，偏差也會對應(yīng)減少。

將粉料近似為流體，借用流體相關(guān)知識：在壓力一定情況下，流體流量與管徑平方呈正比。所以，減小下料管直徑，可以減小流量。從而在閥門關(guān)閉的瞬間，多余下落的粉料會減少，偏差也會隨著有一定降低。下料偏差如式（1）:

其中：Δm—下料偏差；q—流量；Δt—下料閥門響應(yīng)時間；Δm1—下料管儲存粉料質(zhì)量；k1—流量系數(shù)；D—下料管直徑。

分別使用不同的管徑測量下料偏差，其中一組實驗數(shù)據(jù)如圖3 所示?？梢悦黠@看出，管徑越小的下料系統(tǒng)偏差也越小。同時，管徑越小，因為下料流量對應(yīng)減小，總的下料時間也會對應(yīng)增加。所以，不能完全通過減小管徑來提高下料進度，需要綜合考慮下料時間以及下料偏差。

圖3 不同管徑下料量偏差

2.2 控制軟件改進

為了減小飛料量，可以設(shè)置提前關(guān)閉閥門的時間。提前關(guān)閉閥門的補償量可以通過迭代學(xué)習(xí)計算得出。常見的迭代方法有高階迭代、帶遺忘因子、濾波器型、開閉環(huán)PID 學(xué)習(xí)率等。迭代流程如圖4 所示，在每次稱重完成后，計算并保存當前實際下料的偏差ε1，然后結(jié)合前面n-1次的偏差值，計算n次平均偏差作為補償量，在下一次稱量時使用該補償量作為提前關(guān)門量，如公式（3）.其中當前偏差ε1由公式（4）計算得出。

圖4 迭代流程

使用管徑21 mm 的下料管進行測試，其測試結(jié)果如圖5 所示。對比圖3 中的數(shù)據(jù)，下料量的偏差進一步減小，說明控制算法改進是有益的。

圖5 迭代后下料量偏差

3 結(jié)語

混料模塊作為砂型3D 打印機中重要的組成部分，其下料稱重系統(tǒng)顯得尤為重要。下料準確性的影響因素主要為：靜態(tài)稱量誤差、控制精度、環(huán)境影響。在傳感器以及變送器一定情況下，可以通過減小飛料量并結(jié)合改進控制方式來提高下料準確性。