基于PLC控制的自動(dòng)噴涂機(jī)的設(shè)計(jì)

焦崢輝 任雪嬌 王美妍 薄文露 張小全

摘? 要：噴涂在各行各業(yè)應(yīng)用廣泛，在分析現(xiàn)有各種噴涂設(shè)備的基礎(chǔ)上，依據(jù)我國(guó)中小民營(yíng)企業(yè)工件噴涂作業(yè)的具體情況，設(shè)計(jì)了一種通用型噴涂機(jī)。文章首先對(duì)噴涂機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上完成控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，該控制系統(tǒng)使用PLC作為控制器。所設(shè)計(jì)的噴涂機(jī)可適用于不同類型工件的噴涂任務(wù)，同時(shí)有效提高了工作效率。

關(guān)鍵詞：噴涂機(jī);PLC;控制

中圖分類號(hào)：U468.2? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）09-0043-03

Abstract： Spraying is widely used in various industries. Based on the analysis of existing spraying equipment and the specific conditions of workpiece spraying operation in small and medium-sized private enterprises in China， a general-purpose sprayer is designed. First of all， this paper designs the structure of the sprayer， and completes the design of the control system on the basis of the mechanism design. The control system uses PLC as the controller. The designed sprayer is suitable for spraying tasks of different types of workpieces， and the work efficiency is effectively improved at the same time.

Keywords： sprayer; PLC; control

前言

噴涂應(yīng)用于各行各業(yè)，噴涂機(jī)器人作為噴涂自動(dòng)化設(shè)備技術(shù)進(jìn)步的典型代表，并體現(xiàn)出了工業(yè)自動(dòng)化水平，在進(jìn)行噴涂作業(yè)時(shí)具有速度快、柔性大、反復(fù)定位精度高、適用范圍廣、工作靈活等優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于對(duì)汽車整車及零部件產(chǎn)品的噴涂。[1]但是噴涂機(jī)器人成本高、控制復(fù)雜，應(yīng)用噴涂機(jī)器人需要有與之相應(yīng)的投資與技術(shù)支撐，以及相應(yīng)的企業(yè)管理水平，而目前我國(guó)中小民營(yíng)企業(yè)還依靠人工進(jìn)行噴涂，[2]完全采用機(jī)器人進(jìn)行噴涂作業(yè)不符合我國(guó)現(xiàn)階段工業(yè)水平，因此我們需要從我國(guó)國(guó)情出發(fā)，設(shè)計(jì)開發(fā)出簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)又使用可靠的噴涂生產(chǎn)系統(tǒng)，以幫助廣大中小企業(yè)實(shí)現(xiàn)較好的自動(dòng)噴涂功能。能夠用最簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)的噴涂設(shè)備實(shí)現(xiàn)滿足生產(chǎn)要求的功能。

1 噴涂機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

通用型自動(dòng)噴涂機(jī)，主要由工作臺(tái)和噴槍支架兩部分組成。

工作臺(tái)包括支座、支撐臺(tái)和工作臺(tái)面板，支撐臺(tái)通過(guò)水平設(shè)置的銷軸安裝在支座上并可繞著銷軸翻轉(zhuǎn)，底座上安裝有驅(qū)動(dòng)支撐臺(tái)沿銷軸擺動(dòng)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，工作臺(tái)面板通過(guò)轉(zhuǎn)軸和軸承安裝在支撐臺(tái)上且能夠自由轉(zhuǎn)動(dòng)，支撐臺(tái)安裝有驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)面板旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。

噴槍支架包括支撐底座、支撐桿和設(shè)置在支撐底座上豎直放置的絲杠螺母機(jī)構(gòu)，支撐底座為十字滑臺(tái)，絲杠螺母機(jī)構(gòu)帶動(dòng)水平設(shè)置的支撐桿上下移動(dòng)，支撐桿的末端安裝有使噴槍在支撐桿所在豎直平面內(nèi)擺動(dòng)的旋轉(zhuǎn)裝置。

支撐桿由前端部和后端部?jī)刹糠纸M成， L型轉(zhuǎn)折頭安裝在支撐桿后端部上，用于連接支撐桿前端部和后端部的銷軸設(shè)置在L型轉(zhuǎn)折頭轉(zhuǎn)角位置，支撐桿前端部在水平面內(nèi)實(shí)現(xiàn)90°旋轉(zhuǎn)，L型轉(zhuǎn)折頭兩拐臂上分別開設(shè)有插銷孔，支撐桿前端部擺動(dòng)到分別與L型轉(zhuǎn)折頭兩拐臂位置重合后通過(guò)插銷固定，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1-底座;2-支座;3-第一齒輪;4-扇形齒板;5-支撐臺(tái);6-第二齒輪;7-第三齒輪;8-工作臺(tái)面板;9-旋轉(zhuǎn)氣缸;10-支撐桿;11-上支撐板;12-滑動(dòng)板;13-絲杠;14-光桿;15-下支撐板;16-第一伺服電機(jī);17-底板;18-滑塊一;19-滑塊二

圖1 通用型自動(dòng)噴涂機(jī)結(jié)構(gòu)圖

2 工作過(guò)程

進(jìn)行噴涂作業(yè)時(shí)首先通過(guò)夾具將產(chǎn)品或者零件裝夾在工作臺(tái)面板上，對(duì)于普通回轉(zhuǎn)類產(chǎn)品使工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)、傾斜以及噴槍上下移動(dòng)可完成噴涂任務(wù);對(duì)于細(xì)長(zhǎng)軸類產(chǎn)品，首先將應(yīng)將工作臺(tái)面板傾斜90°，將細(xì)長(zhǎng)軸類產(chǎn)品安裝在夾具上，在另一端通過(guò)增加尾座進(jìn)行支撐，同時(shí)噴槍支架沿垂直于底座的方向移動(dòng)，調(diào)整到合適的噴涂距離并進(jìn)行固定，噴涂時(shí)使噴槍沿著產(chǎn)品軸線方向移動(dòng)完成噴涂任務(wù);噴涂產(chǎn)品的平面時(shí)，將產(chǎn)品固定在工作臺(tái)面板上之后，通過(guò)控制系統(tǒng)使噴槍在垂直于底座和豎直方向上移動(dòng)完成噴涂任務(wù)。

3 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制方案設(shè)計(jì)

根據(jù)噴涂機(jī)的功能需求，本文主要以PLC為主控制器，利用以太網(wǎng)PROFINET與觸摸屏、上位機(jī)等其他設(shè)備進(jìn)行通信，從而建立一個(gè)完整的控制系統(tǒng)。其主要運(yùn)行過(guò)程可以概括為，傳感器或行程開關(guān)檢測(cè)噴涂機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，將數(shù)據(jù)傳送至控制器，隨后PLC利用觸摸屏和上位機(jī)的輸入信號(hào)進(jìn)行控制，將數(shù)據(jù)傳送給執(zhí)行設(shè)備，完成噴涂機(jī)的具體運(yùn)行。[3]其具體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

整個(gè)控制系統(tǒng)主要由三部分組成，即PLC控制系統(tǒng)、觸摸屏系統(tǒng)和上位機(jī)系統(tǒng)。（1）PLC控制系統(tǒng)的核心是以PLC為核心的CPU控制器，利用傳感器進(jìn)行信號(hào)采集，并將信號(hào)輸送給CPU，控制器對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行識(shí)別、分析和處理，然后將控制命令傳送到執(zhí)行設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制操作;（2）觸摸屏系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互功能，用戶通過(guò)觸摸屏系統(tǒng)選擇工件類型并設(shè)置相應(yīng)的參數(shù);（3）上位機(jī)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)控的功能，該系統(tǒng)以PC機(jī)為主要設(shè)備，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接訪問(wèn)和獲取PLC設(shè)備中的數(shù)據(jù)，顯示到監(jiān)控設(shè)備中。

3.2 硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)中應(yīng)用到的硬件主要包括光電、接近和限位開關(guān)等信號(hào)檢測(cè)模塊、PLC控制器等控制模塊以及伺服電機(jī)等執(zhí)行模塊，下面分別介紹這些具體的硬件設(shè)備。

對(duì)于控制器，由于西門子SIMATIC S7-1200 具有模塊化設(shè)計(jì)以及可擴(kuò)展的功能。作為與機(jī)器設(shè)備之間的接口，集中或分散提供了各種各樣的輸入輸出信號(hào)模塊、用于執(zhí)行特殊工藝功能（如計(jì)數(shù)）的工藝模塊以及通信模塊，故選用為本系統(tǒng)的CPU，同時(shí)考慮到需要和觸摸屏及編程器通信，所以選用有2個(gè)PROFINET以太網(wǎng)通信端口的控制器，型號(hào)為CPU1215 C DC/DC/DC。由于控制器本體的I/O接口有限，不能滿足該系統(tǒng)的需求，因此還需要配備輸出輸出模塊，根據(jù)實(shí)際情況選用SM1223 8×24V DC輸入/8×繼電器輸出。

觸摸屏作為人機(jī)交互界面，也是該系統(tǒng)的重要組成部分，選用型號(hào)為KTP 600 Basic color DP的觸摸屏。

驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)面板作連續(xù)旋轉(zhuǎn)的動(dòng)力源選用三相異步電動(dòng)機(jī)，并用變頻器對(duì)其進(jìn)行調(diào)速，變頻器的型號(hào)為臺(tái)達(dá)VFD007EL23A。驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠及支撐臺(tái)翻轉(zhuǎn)的動(dòng)力源均選用交流伺服電機(jī)，采用臺(tái)達(dá)B2/0.4KW伺服電機(jī)套裝。

在傳感器模塊中，選用直流三線NPN常開型的光電開關(guān)檢測(cè)工作臺(tái)上是否有待噴涂工件;選用直流二線常開型的接近開關(guān)，用于控制噴槍移動(dòng)的行程;選用型號(hào)是LX25-111/1115的限位開關(guān)，保護(hù)滾珠絲杠的安全運(yùn)行，限位開關(guān)決定機(jī)械設(shè)備運(yùn)動(dòng)的極限位置，當(dāng)機(jī)械設(shè)備上行程開關(guān)的觸頭碰到擋塊時(shí)，就會(huì)切斷控制電路，設(shè)備會(huì)根據(jù)控制器的命令停止運(yùn)行或者改變運(yùn)行方向。

3.3 軟件設(shè)計(jì)

噴涂機(jī)在工作之前要進(jìn)行初始化，讓噴槍支架返回原點(diǎn)，根據(jù)待噴涂工件類型的不同進(jìn)行模式的選擇，并且通過(guò)人機(jī)界面進(jìn)行參數(shù)的設(shè)定，按下操作面板上的啟動(dòng)按鈕，工作臺(tái)及噴槍支架按照設(shè)定的參數(shù)運(yùn)行。[4-5]具體工作流程如圖3所示。

具體的程序編寫主要包括主程序和子程序兩部分，主程序能夠調(diào)用子程序，并對(duì)整個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)行狀況進(jìn)行全方位的管控。首先，需要編寫的是初始化程序，由于PLC控制器具有諸多的寄存器等記憶設(shè)備，所以系統(tǒng)在運(yùn)行前必須對(duì)PLC控制器進(jìn)行初始化，從而減少系統(tǒng)的故障。在初始化之后，系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)控制的狀態(tài)。此時(shí)，系統(tǒng)程序根據(jù)觸摸屏的輸入指令執(zhí)行操作，即各種不同類型工件模式的自動(dòng)選擇。[6]

4 結(jié)束語(yǔ)

本文首先對(duì)噴涂設(shè)備進(jìn)行了分析，從我國(guó)國(guó)情出發(fā)，設(shè)計(jì)開發(fā)出了一種簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)又使用可靠的噴涂生產(chǎn)系統(tǒng)，以幫助廣大中小企業(yè)實(shí)現(xiàn)較好的自動(dòng)噴涂功能。然后完成該噴涂機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要包括工作臺(tái)和噴槍支架，可適用于不同類型的工件噴涂任務(wù)。最后以PLC為控制器對(duì)噴涂機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括硬件和軟件的設(shè)計(jì)。該噴涂機(jī)解決了我國(guó)中小民營(yíng)企業(yè)工件噴涂作業(yè)的難題，有效地降低了人工成本，提高了工作效率和可靠性。

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