旋转编码器在球磨机自动对位系统中的应用

    张勉 张建 郑洪业

    摘 要：本文介绍了球磨机自动对位系统的特点及对比分析了自动对位对现有手动对位的优缺点。自动对位系统通过旋转编码器实时显示当前球磨机状态及料口位置，通过程序控制实现自动对位。相比传统的手动对位成本低、自动化程度高、操作人性化、安全性高，性能更优。

    关健词：球磨机；自动对位；旋转编码器；自动化操作

    1 前言

    随着陶瓷产业的发展，陶瓷已广泛应用在人们生活的各个领域（建材、日用、卫浴等等）。中国陶瓷业经历了从传统到现代工业化的转变；现在正向资源节约型、环境友好型的产业转变，向新型的、现代的、先进的、新兴的、有特色的、有优势的的产业转变[1]。随着中国制造2025的推进，陶瓷产业正向着自动化、无人化、智能化的方向迈进。

    以建材陶瓷行业为例，成型车间、深加工车间、包装车间均已实现自动化，工人的工作就是维护巡逻，而原料车间依然保留着原始的面貌。随着电子产业的发展，越来越多的年轻人倾向于在办公室通过终端控制生产流程；现在陶瓷厂原料车间的工作环境比较恶劣，工人的平均年龄都很高，年轻人不愿在这种环境下工作，这就意味着原料车间如果不实现自动化，将出现无人可用的情况。面对已经来临的用工荒和日益高涨的用工成本，推出自动化设备是解决陶瓷企业用人成本压力的必经之路。[2]

    2 技术背景

    球磨机是目前工业上广泛使用的粉末机械。根据生产的规模和条件等的不同，有种种不同形式的球磨机。不过，就陶瓷工业来说，由于生产工艺要求以及从结构简单、操作维修方便、使用上机动灵活等方面考虑，通常采用间歇式球磨机[3]。以下简称球磨机。

    球磨机在加料和放浆时需将球磨机料口转向上，对准平台加料口。考虑到在筒体上开孔对球磨机筒体整体强度的影响，加料口直径只能做成55 cm。为保证大的泥团（通常有30 ～ 40 cm）能从下料口进入，同时要求加料速度快，加料料斗口要够大，为此，加料斗口径一般设计成45 cm。需要加料或放浆时，需将球磨机的放浆口或加料口正对操作平台的加料口，对位偏差只允许5 cm内，以便加料斗能插入球磨机筒体内进行加料。

    目前的球磨机是采用如下方式进行对位的：如图1、图2所示，筒体01内装有研磨介质（球石），泥石料加入到筒体01内，轴头支撑在轴承座02上，筒体01在变频主电机03、减速机04、皮带轮05和皮带06的带动下转动，实现研磨体对物料的研磨。当物料磨到一定的时间时，需将加料口07转到正上方，以便取样检验。此时需按停机按钮，待筒体01停止运转后，人工拉动拔叉08将牙嵌式离合器09接合。按点动按钮，松开刹车10，同时辅助电机20运转，带动辅机减速机30、减速机04、皮带轮05和皮带06，使筒体01慢速转动。由于定位要求较高，一般需有操作经验的人站在加料口平台处专门指挥。当筒体01转到超过正上方加料口一定位置时，指挥人员发出停机指令，操作人员按停機按钮，辅助电机20失电，同进刹车10刹住皮带05等机构，筒体01停止转动，具体停机位置受操作者与指挥者间的配合度的影响。然后操作者按反转按钮，筒体01往反向转动，当加料口07转到正上方，对准平台加料口时，指挥人员发出停机指令，操作人员按下“停止”按钮，筒体01停住。同理，放浆操作类似。

    此种操作方式存在如下不足和缺陷：

    （1）通常需要有操作经验的人员进行指挥，或者操作者上下、来回跑，检查对位情况，费工且人很累、效率不高。

    （2）采用了“牙嵌式离合器”，在接合时，需开动辅助电机转动一下，再扳动离合器操纵杆让“牙齿”相互滑入，稍有不慎就会“打齿”，损伤离合器，对操作技能要求很高。有时因为设备使用太久，机架会有些变形，离合器就更难“接合”。

    （3）“牙嵌式离合器”对位后需“分开”时，需反向扳动离合器操纵杆让“牙齿”滑出，由于放浆后内部球石面呈倾斜状，有较大偏心力作用，使“牙嵌式离合器”的齿面紧密压合，操作者只能凭感觉来回“点动”辅机电机来消除、减少附加在“牙嵌式离合器”上的作用力，往往要持续好久才能退出，工作效率低。且若遇到性情急燥的人，在“离合器”久分不开的情况下，往往会强行扳动“离合器”操纵杆，往往扳弯、损坏离合器操纵杆，影响生产。

    （4）由于操作靠经验来完成，对位时无法控制球石面的倾斜度，从而导致球石偏心力矩或大或小。当球石偏心矩较大时，作用在刹车上的力将随着泥浆液面的降低（放浆）越来越大，筒体转动的趋势越来越强烈。此时若人站在筒体上进行相关操作（如拧螺栓、检查球石量等），存在安全隐患。

    3 球磨机自动对位装置

    3.1 球磨机自动对位装置工艺流程

    针对手动对位的种种不足之处，提出了一种新型的球磨对位装置，通过旋转编码器自动检测筒体的旋转角度，变频电机、减速机及刹车机构根据检测到的角度，做出相应的动作，自动化操作，定位准确，操作简单，效率高，并简化了球磨装置的结构，节约成本，降低了操作人员的劳动强度并消除了安全隐患。

    球磨机自动对位装置对位方式如下：如图3、4、5所示，需要入料或对筒体1内部物料进行抽样检验时，筒体1在变频电机及减速机的控制下，筒体1由工作转速自动降低到以低速对位转速转动，位于筒体1主轴上的旋转编码器3自动检测筒体1旋转的角度，当旋转编码器捕捉到放浆口12过了平台加料口200位置时，再转动一个预设的角度α（一般为人为预设，用于消除筒体1转动的滞后角度，保证筒体放浆口12位于所述平台加料口200的正下方）后，变频电机启动刹车功能，筒体1在变频主电机的制动力和筒体偏心力的作用下缓慢往回转动， 当旋转编码器3检测到筒体加料口11位于平台加料口200正下方时，空压碟刹制动器81刹住刹车盘82，实现准确定位，减小偏心距，从而刹车更稳定、安全，自动化生产，消除人工操作的安全隐患。

    同样的，当检测合格后需放浆液入浆池时，换上放浆阀，筒体在变频主电机及减速机7的控制下，筒体以对位转速缓慢转动，位于筒体1主轴上的旋转编码器3检测筒体旋转的角度，当其捕捉到加料口11过了平台加料口200位置时，再转动一个预设的角度β（一般为人为预设，用于消除筒体转动的滞后角度及加料口11与平台加料口200之间的角度差，保证加料口11正对浆池）后，变频主电机启动刹车功能，筒体1在在变频主电机的制动力和筒体偏心力的作用下缓慢转动，当旋转编码器3检测到筒体放浆口12正对浆池时，空压碟刹制动器81刹住刹车盘82，使放浆口12正对浆池，打开放浆阀，开始放浆。

    3.2 旋转编码器组件

    旋转编码器组件（见图6）是将筒体的转动传递到旋转编码器的机械结构，包含连接块1、防护罩2、旋转编码器3、万向联轴节4和安装架5。

    4 推广应用

    目前第一批安装自动对位装置的16台60 T球磨机已在西樵蒙娜丽莎投产，现场对位精度能保证15 mm以内，达到设计目标，客户也比较满意，后续采集现场数据进行优化。

    蒙娜丽莎车间还有同行兴某司的60 T自动对位球磨机，其采用光电开关确定筒体位置，在封头处安装两个光电开关，分别对应入料口和出料口；据客户反映，球磨机对位精度尚在接受范围，但是经常要多转一圈才能定位；观察其对位过程，准备自动对位时，刹车装置提前一圈开始电动刹车减速，当感应到对应的光电开关时（对应入料口或者出料口）刹车启动，筒体停止，此时筒体内球石处于偏心状态，并未发现球磨机有消除球石偏心的动作；随着浆液的排出，筒体很大几率出现打滑，存在安全隐患；而且在整个放浆加料周期内，皮带、减速机、联轴器、刹车装置承受很大的载荷，降低使用寿命。因其产品问题，使用一周后电机处联轴节与传动轴处联轴器柱销全部断裂，减速机因底板安装面不平整有很大的异响。现由我司接手维修工作。

    5 结语

    信息化高速发展的今天，中国制造2025的推进，各行各业对自动化生产的需求越来越强烈；各种传感器的飞速发展给自动化生产注入动力。蒙娜丽莎项目的成功象征着陶瓷原料车间向自动化生产迈进了一步。相比传统的手动对位，自动对位更安全，更精准；旋转编码器相比光电开关，更先进、更智能、自动化程度更高。

    参考文献

    [1] 蔡飞虎， 冯国娟. 陶瓷墙地砖生产技术[M]. 武汉理工大学出版社， 2011.

    [2] 张柏清， 陈华龙. 中国陶瓷机械的发展现状和展望[J]. 中国陶瓷工业， 2014， 21（1）：40-42.

    [3] 张柏清， 林云万. 陶瓷工业机械与设备[M]. 中国轻工业出版社， 1999.

    [4] 欧姆龙E6B2说明书.