微量粉体自动加样设备的设计

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非金属矿是关乎国计民生的重要矿产资源，中国是非金属矿大国目前国内已探明的非金属矿种类有91种，但由于开发利用晚，产业集中度过低，国家重视程度不够，国内技术开发水平普遍不高。

我国非金属矿性能地区差异大，设备水平相对落后，常用检测指标以人工操作为主，检测人员很大精力消耗在重复简单的劳动中。此外，同种产品由于检测人员操作习惯不同，测试结果可能有很大差异，也经常出现由此产生的争议。

这-点在膨润土关键指标膨胀指数和耐久性的测试中表现尤为突出，《钠基膨润土防水毯》 (JG/T193-2006)中关于该指标是这样描述的：称取 2 g干燥过 200目筛的膨润土粉样，分多次放入已加有 90mL去离子水的量筒内，每次在大约 30 S内缓慢加入不大于0.1 g的膨润土，待膨润土沉至量筒底部后再次添加膨润土，相邻两次时问间隔不少于 10 min，直至2 g膨润土完全加入到量筒中，补水至 100 mL静置24 h后读数。

由标准可知，该检测操作并不复杂，但每次检测时间起码 3 h以上，期间实验人员每 10 min左右就要把小于0.1 g的膨润土在大约 30 S内加入，很考验人员的耐心，也会影响其他工作；此外，标准中要求膨润土沉至量筒底部后再次添加膨润土，笔者了解过有-个检测人员遇到-个难下沉的样品，-个测试操作了- 个整晚，非常辛苦。

问题不仅仅反映在检测时间过长等问题，更多细节问题会在实际操作中出现。首先，20次以上的粉体加样除非每次精确称重称重，才能保证每次加样基本相同，但这非常繁杂；其次由于标准语言含糊，即使在标准的允许范围内加样品操作也会导致测试结果偏差，这种争议很难调和。

以上情况都说明该检测简单中存在繁杂，不适合人力操作。为解决上述问题，笔者研制了-种 自动检测设备。

2 设备原理2.1 已有设备微量粉体加样技术比较成熟，但非金属矿行业中采用的并不普遍。目前 ，国内外微量粉体加样设备主要有重量、体积两种方法。重量法采用检重天平为核心原件，这种设备精确、稳定、自动化程度高，但价格昂贵。体积法送料方式主要有螺旋送料、盘式给料、振动给料，但经调查和实际使用，普遍存在加样不匀、存料的问题，且这些设备基本用于长时间稳定供料，并不适应膨润土指标的检测。同时，由于粉体密度有0.6～0.9 mL/g的变化范围，尽管采用此法每次加样的粉体体积大体相同，不同粉体还是会有5～10次的加样差异 ，加样时间也会有 1～2 h的差异，不利于统收稿日期：2013-03-13作者简介：王士民(1963-)，男，北京人，工程师，主要从事膨润土等非金属矿深加工研究。

· 123·设计与制造 2013年第2期(第26卷，总第124期)·杌械研究与应用 ·- 读数和判断完成时间。

2.2 设备结构笔者研制的 BS-2型微量粉体 自动加样设备是在已成型 BS-1型设备基础上改进的，已申请专利。

原理是采用可以精确控制转动的步进电机通过丝杠、活塞缓慢推动预装在料筒中的粉体，设备结构图如图1所示4(a) (b)图 1 BS-2设备结构图1.量筒 2.料桶 3.活塞 4.顶柱 5.丝杠 6.步进电机7.控制系统 8.光控开关设备采用的步进电机为 BS42HB33-01型，步进角度为 1.8。，保持转矩为 0.16 N·m，额定电流为0。

95 A；驱动器为 AM-2H型，可将转动角度细分为 1、2、4、8，具有脉冲、方向、脱机等控制功能；双头丝杠，螺距4 mm；51单片机控制系统，可在0.01 S～99 h中任意调节工作和停止时间，同时可以控制脉冲信号频率从而控制步进电机。

多次实验证明，该设备具有以下特点：加样准确、加料稳定、多因素可调、无噪音震动，特殊的光控系统可在加样完毕后报警并 自动计时，到点提醒读数。

2.3 设备原理该设备料筒内径 12 mm，2 g粉料由于堆积密度不同，会导致装入其中的料柱长度差异。因此，需在加样前期，通过压力将不同料柱均匀压缩到 20 mm，每毫米料柱长度对应0.1 g物料∩以计算，步进电机每转动360。，丝杆推动4 mm，出料 0.4 g。转动与出料关系如表 1所列。

表1 转动与出料量关系由表 1可以发现电机转动与出料量的关系，由于步进电机的转动是靠脉冲信号引发的，表中总步进数即为脉冲信号数，而脉冲信号频率等很容易在 51单· 124·片机系统中实现 。因此，设备出料量便和脉冲信号紧密联系。以细分数 1为例，每-次脉冲信号，通过步进电机和丝杠精确对应出料 0.002 g，按照标准不大于0.1 g出料，则单次工作时间脉冲信号数量不大于50次即可。

3 实验结果3.1 稳定性实验为验证设备的稳定性和重复性，进行了多次实验，设置步进角度 1.8(。)(细分数设置为 1)，脉冲信号发射频率 2 Hz，工作时间分别设置为20 s(25次)，停止时问10 min，测试单次加样重量的波动。并与人工估计加料法(25次，大多数实验员的操作方法)进行比对，数据如图2、3所示。

- - r - - 。 - .， -I图2 设备加样稳定性实验(25次)0 5 ∞ l5 2O 25加样次数图3 人工加样稳定性实验(25次)通过实验可以看到设备稳定、精确，各种情况下单次加样量基本相同，远远超过人工估计的精度。

3.2 指标检测为保证设备实用性，该设备配置了 1#、2#、3#、4，4个加样口。综合测试要求和时间长短，实验选择25次加样，测试人工、设备加样之后指标，结果如表 2所列。由结果可以看出，同-样品采用人工与设备不同出料口测试数据基本相同，数据证明设备检测结果可信。

4 结 论BS-2型微量粉体自动加样设备是在早期设备基础上研发的，多次验证性实验证明该设备完全可以取代人工实现自动加样，同时加样准确、加料稳定、多因素可调、无噪音震动、料蜕以报警计时。目前已在(下转第 126页)设计与制造 2013年第2期(第26卷，总第124期)·机械研究与应用 ·的圆柱表面上与圆柱中心线夹角为 1.5。(剪切角)的若干条等半径，其中心又沿 83.5。方向不断移动的螺旋线所构成的曲面。

图3 刀架上刀片贴合面结构5 刀片贴合曲面加工为加工上述螺旋曲面，利用本公司现有龙门刨床，设计了专用工装，如图4所示。

1纵 向导轨2横向爵轨3.纵 向导轮4导槽板5横向导轮6导轨工装导槽板固定于纵向导轨 1下方，其上有圆弧槽，槽中心半径为刀架回转半径，刀架与导轨 6按-定距离固定于工作台上，横向导轮5置于导轨 6中，纵向导轮3置于导槽板 4中。加工时工作台纵向移动，导轨6带动横向导轮 5横向移动，同时纵向导轮3在导槽中滑动，带动纵向导轨 1上下运动，纵向导轨带动横向导轨2同时带动刨床刀架上下运动，刨床工作台往复-次完成-次切削，加工出 1条螺旋线，之后刀架横向进给-定距离，再按上述运动完成-次加工，如此反复直至加工完成，得到所需空间曲面。

6 结 语基于上述曲面设计原理和加工方案，笔者进行了6台份样品试制，经过在线检测和实际剪切试验，加工曲面完全符合剪切要求，试件剪切直线度均达到0.25 mm/m(国家 I级精度)，4台份试件剪切平行度达到0.15 mm/m(国家 I级精度)，2台份试件剪切平行度达到0.20 mm/m(国家I级精度)，取得了预期效果。