電解液注入(注液)工序是堿性鋅錳(堿錳)電池生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前，我國堿錳電池生產(chǎn)多采用氣動柱塞泵注液。氣動驅(qū)動具有自動化、維護(hù)簡單、承載過載能力好等特點，但存在氣壓波動影響動作執(zhí)行、頻率較低、速度控制精度差等問題，會影響電池的放電性能，難以適用于高速堿錳電池生產(chǎn)線。

　　伺服驅(qū)動的最大特點是可控，可以通過輸入控制信號電壓來執(zhí)行相應(yīng)的動作，且執(zhí)行動作即時反饋；一旦除去控制信號電壓，設(shè)備就立即停止相應(yīng)的動作?？删幊绦蚩刂破?PLC)作為中央處理單元，運算速度高、指令豐富、可靠性高，在工業(yè)控制領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。觸摸屏具有人機交換功能，伺服電機的多種工藝參數(shù)可通過觸摸屏與PLC的組合，直接對設(shè)備進(jìn)行操作，并可實時監(jiān)控設(shè)備的生產(chǎn)速度、產(chǎn)量和合格率；且系統(tǒng)具有報警能力，可顯示故障發(fā)生的時間、次數(shù)及解決辦法。

　本文作者結(jié)合觸摸屏監(jiān)視器、PLC和伺服驅(qū)動系統(tǒng)的特點，提出了伺服驅(qū)動注液系統(tǒng)的概念，并進(jìn)行了可行性分析，研究了伺服驅(qū)動在注液過程中的關(guān)鍵問題，自行開發(fā)設(shè)計了新型電解液注入系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)的開發(fā)與設(shè)計

　　1.1 系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

　　注液系統(tǒng)是注液機的核心，直接決定電池生產(chǎn)的質(zhì)量。設(shè)計的注液系統(tǒng)采用伺服驅(qū)動的精密計量泵為執(zhí)行部分，觸摸屏與PLC組合為控制部分。

　　整個注液系統(tǒng)由注液執(zhí)行元件——精密計量泵、伺服驅(qū)動元件和觸摸屏與PLC組合的控制元件等3個部分組成。

　　1.2 注液系統(tǒng)的注液執(zhí)行部分

　　精密計量泵結(jié)構(gòu)簡單可靠。在本系統(tǒng)中，柱塞為陶瓷，具有高精度、高硬度及高耐磨等特點，在高速注液工況下可長期(1 a以上)使用。

　　在回程時(吸入行程)，液體被抽進(jìn)泵頭膛內(nèi)，入口單向閥在吸人行程時打開，出口單向閥一直處于關(guān)閉位置；在向前行程時(吐出行程)，出口單向閥打開，入口單向閥關(guān)閉，液體被泵出泵頭膛。液體的吐出量等于吐量活塞的行程容量。吐量活塞吸入行程或吐出行程不足，都會導(dǎo)致注液量不足；注液速度過快，會導(dǎo)致電解液濺出。高速注液系統(tǒng)要求驅(qū)動元件能夠快速響應(yīng)、閉環(huán)控制，確保每次注液量的精確，注液速度的平穩(wěn)。

1.3 注液系統(tǒng)的注液驅(qū)動部分

　　采用由伺服馬達(dá)及傳動系統(tǒng)組成注液系統(tǒng)的注液驅(qū)動部分。伺服馬達(dá)根據(jù)控制電壓信號，提供正、反轉(zhuǎn)動作，且轉(zhuǎn)速與信號電壓成正比；一旦除去控制信號電壓，可立即停止轉(zhuǎn)動。通過傳動系統(tǒng)的絲桿、螺母與直線導(dǎo)軌，伺服馬達(dá)將控制信號轉(zhuǎn)換成吐量活塞的行程，即注液量。

　　注液系統(tǒng)高性能的多功能伺服馬達(dá)系統(tǒng)，控制模式有位置控制、速度控制和轉(zhuǎn)矩控制等3種；還可進(jìn)行位置／速度控制、速度／轉(zhuǎn)矩控制、轉(zhuǎn)矩／位置控制等組合控制。伺服馬達(dá)集成控制模塊體積小、便于安裝。

　　原氣動驅(qū)動注液系統(tǒng)在頻率為0.7 Hz(對應(yīng)的生產(chǎn)速度為440只／min)時，就容易產(chǎn)生吐量活塞行程不穩(wěn)定的問題，導(dǎo)致注液量不足，影響電池性能；且注液速度不易控制，不能實現(xiàn)勻加速注液，氣壓稍有波動或氣源有雜質(zhì)，就會導(dǎo)致電解液濺出。

　　經(jīng)測試，本系統(tǒng)采用1.4 Hz左右的頻率注液，實現(xiàn)了穩(wěn)定注液，每只電池的注液量偏差在0.02 g以內(nèi)，且運行順暢。注液(吐量活塞吐出)、補液(吐量活塞吸人)速度均設(shè)為3段加速，實現(xiàn)了平穩(wěn)注液，消除了電解液飛濺的現(xiàn)象。

　　1.4 注液系統(tǒng)的控制部分

　　本系統(tǒng)由定位模塊、伺服驅(qū)動器、伺服馬達(dá)等重要部分組成。

　　注液量的設(shè)置直接轉(zhuǎn)換為定位模塊的脈沖量控制，定位模塊輸出的是脈沖串，輸出的脈沖串由驅(qū)動裝置中的偏差計數(shù)器計數(shù)并存儲在驅(qū)動裝置中的偏差計數(shù)器中。在伺服馬達(dá)旋轉(zhuǎn)時，連接到伺服馬達(dá)的脈沖發(fā)生器生成反饋脈沖，頻率與旋轉(zhuǎn)速度成正比。

　　伺服馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)速度與脈沖頻率成正比，而總的伺服馬達(dá)旋轉(zhuǎn)角與定位模塊輸出的總脈沖數(shù)成正比。通過軟件設(shè)置定位模塊參數(shù)，可實現(xiàn)馬達(dá)速度、加減速度、位置的精確控制?？蓪崿F(xiàn)注液系統(tǒng)注液量、故障報警的實時監(jiān)控。

　　伺服注液系統(tǒng)可設(shè)置多達(dá)9組注液工藝參數(shù)。通過觸摸屏預(yù)先設(shè)置好不同的參數(shù)，在生產(chǎn)不同規(guī)格的電池時，直接選取即可，操作方便、可靠。

　　FX2N系列PLC控制系統(tǒng)(日本產(chǎn))共有96個I/O開關(guān)量，其中輸出32個、輸入64個，通過I／O來控制繼電器和接觸器皿；同時，PLC可與觸摸屏進(jìn)行實時通訊，為觸摸屏的顯示提供數(shù)據(jù)，并對觸摸屏輸人的信息進(jìn)行處理。

觸摸屏的監(jiān)視器(PT)可與PLC、伺服器等進(jìn)行通訊，且不需要編寫通訊程序，直接在PT中相應(yīng)位置指定PLC地址即可。通過主從方式通訊，實現(xiàn)PT與PLC之間的數(shù)據(jù)傳送，通過數(shù)據(jù)存儲區(qū)(如DM600)，實現(xiàn)各種顯示功能及故障提示。

　　根據(jù)實際工況可能出現(xiàn)的各種故障設(shè)定報警頁面，并在相應(yīng)的位置顯示報警燈。在顯示故障的同時，在頁面的下方顯示解除故障的方法、發(fā)生時間和次數(shù)。

　　為了解決工業(yè)現(xiàn)場發(fā)生的問題的需要，在觸摸屏頁面中，設(shè)計加入大量的幫助頁面，包括伺服注液系統(tǒng)的維護(hù)、使用和參數(shù)設(shè)置等。

2 應(yīng)用效果

　　采用伺服驅(qū)動進(jìn)行注液與普通的氣動驅(qū)動相比，注液量的精度得到了明顯的提高。對在相同速度(880只／min)下運行的氣動驅(qū)動注液機與伺服驅(qū)動注液機單個工位上的每次注液量進(jìn)行比較。

　　氣動驅(qū)動注液的注液量偏差較大，最高達(dá)1．00 g；伺服驅(qū)動注液的注液量偏差較小，最高僅為0.02 g。

　　伺服驅(qū)動注液是一項高效率的技術(shù)，其優(yōu)越性有：

　?、賹⑺欧?qū)動系統(tǒng)應(yīng)用于注液機，通過結(jié)合PLC和PT，組成的伺服驅(qū)動注液系統(tǒng)速度可達(dá)880只／min；

　?、谠撟⒁簷C可在1．4 Hz左右實現(xiàn)穩(wěn)定注液，每只電池的注液量偏差可控制在0．02 g以內(nèi)，注液精度、重復(fù)注液精度高，且不會出現(xiàn)注液量不足、漏注等現(xiàn)象；

　?、跴LC控制和觸摸屏監(jiān)視器，可實現(xiàn)各工藝參數(shù)的快速修改，具有良好的實際應(yīng)用價值。

3 結(jié)論

　　研制的新型伺服驅(qū)動注液機已在中銀(寧波)電池有限公司的高速堿錳生產(chǎn)線中推廣使用，工作穩(wěn)定、性能良好。與傳統(tǒng)的氣動驅(qū)動注液機相比，具有高速運行、注液精度高的特點，可大幅提高工作效率，降低工人的勞動強度，提高機械的自動化水平。