筒狀貯箱自動噴涂裝置控制系統(tǒng)設(shè)計

王 春，李 爭，林 盛

(大連交通大學機械工程學院，遼寧大連116028)

0 引 言

筒狀貯箱是石油、化工、航天業(yè)中常見的一種儲存設(shè)備。針對貯箱在不同工作環(huán)境中的耐腐蝕、耐高溫、耐銹蝕等特殊要求，需要對貯箱進行科學的防腐處理。隨著我國經(jīng)濟高速發(fā)展，科技不斷進步，大型貯箱需求的進一步增加，貯箱防腐新技術(shù)也得到了應用和發(fā)展，如貯箱底板的陰極保護技術(shù)，貯箱外壁的熱噴鋅、鋁技術(shù)等［1］。但貯箱的涂料涂裝保護仍然是貯箱防護的一種重要手段。

國外噴涂行業(yè)常采用柔性仿形自動噴涂機器人進行自動噴涂［2］，噴涂機器人是一種靈活性好、噴涂效率高、編程容易、操作靈活方便的智能自動噴涂設(shè)備，但成本較高。國內(nèi)筒形貯箱的噴涂技術(shù)相對單一，洞庫大型油罐的除銹、噴漆等一直采用傳統(tǒng)依靠腳手架的人工作業(yè)方式，不僅效率和質(zhì)量低下，而且工作環(huán)境惡劣，嚴重威脅著施工人員的身心健康［3］。目前表面噴涂設(shè)備主要有水平往復自動噴涂機、垂直往復自動噴涂機、旋轉(zhuǎn)噴涂機、多軸頂噴機和噴涂機器人等［4］。各種噴涂機也因工件表面的多樣性和復雜性使得噴涂機使用受限。隨著離線編程技術(shù)的興起，且當PLC 不斷小型化，集成化，以其強大的功能取代了傳統(tǒng)的繼電器實現(xiàn)邏輯控制，通過在計算機上編輯PLC 并與人機界面相結(jié)合來實現(xiàn)噴涂自動化，成為一種適用于我國中小企業(yè)發(fā)展的新方向。

本研究將采用西門子PLC 與FM357-2 位置控制模塊，結(jié)合人機界面技術(shù)，選型、設(shè)計、開發(fā)筒狀貯箱自動噴涂控制系統(tǒng)，并通過帶入實際控制參數(shù)，完成對不同型號貯箱的自動噴涂控制的驗證，以達到替代原有手工噴涂的目的。

1 噴涂裝置組成與噴涂原理

筒狀貯箱自動噴涂裝置主要由噴涂運動控制機構(gòu)、貯箱回轉(zhuǎn)機構(gòu)、機架和地軌支架等部分組成。噴涂裝置示意圖如圖1 所示。噴涂運動控制機構(gòu)有4 個運動軸，包括沿筒段軸線方向的X 軸，水平徑向方向的Y軸，豎直方向的Z 軸以及噴槍擺動運動的C 軸。貯箱經(jīng)運送車置于回轉(zhuǎn)機構(gòu)上，由電機驅(qū)動貯箱旋轉(zhuǎn)，以便調(diào)節(jié)貯箱的轉(zhuǎn)動速度。貯箱自身繞A 軸回轉(zhuǎn)，配合X、Y、Z 和C 軸的噴涂運動，實現(xiàn)全方位、無遺漏噴涂。

圖1 噴涂機構(gòu)示意圖

根據(jù)噴涂的工藝要求，筒狀貯箱的完整噴涂過程分為筒段和前、后箱底噴涂3 個部分。具體噴涂原理如下:筒段部分采用螺旋線式噴涂工藝。噴槍快速定位到筒段的噴涂起點處，調(diào)整噴槍垂直于筒段表面，回轉(zhuǎn)貯箱達到預定速度后，噴槍開始沿箱體母線軸向運動，噴槍、貯箱均連續(xù)勻速運動，噴涂路徑為螺旋曲線。在筒身螺旋曲線兩端頭部分通過補噴完成。前、后箱底噴涂部分采用等距線式噴涂工藝。由于前、后箱底為橢球面，噴涂過程如下:噴槍快速定位到箱底的噴涂起點處，調(diào)整噴槍繞C 軸擺動，使噴槍出料方向垂直于待噴面，控制箱體保持勻線速度轉(zhuǎn)動，同時保持噴槍在橢球面的等距線上靜止，等貯箱回轉(zhuǎn)一圈噴涂完畢后，噴槍移動到下一個等距線上并調(diào)整噴頭擺角，同時調(diào)整貯箱轉(zhuǎn)動速度來保持其線速度不變，再噴一圈，以此類推，直到箱底噴涂完畢。

2 系統(tǒng)控制方案與硬件設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)控制要求，自動噴涂裝置的控制方案采用西門子S7-300 系列CPU315-2DP 型PLC、FM357-2位置控制模塊、MP277 觸摸屏及伺服系統(tǒng)等部分組成［5］。PLC 負責系統(tǒng)的協(xié)調(diào)調(diào)度工作，控制FM357-2模塊，存儲傳遞數(shù)據(jù)，控制Z 軸伺服，接收啟停、限位、報警等輸入信號，發(fā)送噴槍噴嘴開閉、涂料攪拌等輸出信號來完成整個系統(tǒng)的過程控制。觸摸屏用于人機交互，設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)，顯示系統(tǒng)工作狀態(tài)信息，并與PLC通信。FM357-2 位置控制模塊控制X、Y、A 和C 軸，實現(xiàn)筒段噴涂運動及前后箱底多軸聯(lián)動噴涂運動控制。伺服驅(qū)動器選擇三菱公司的MR-J2S 系列。A 軸轉(zhuǎn)速2 r/min～7 r/min，噴涂時貯箱回轉(zhuǎn)速度較低，而且驅(qū)動貯箱回轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)矩比較大，因此通過擺線針輪減速器帶動一對齒輪傳動來實現(xiàn)貯箱噴涂時的低轉(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩的噴涂要求。擺線針輪減速器的傳動比i =1∶43。小齒輪安裝在減速器的輸出軸上，大齒輪通過螺栓連接固定在貯箱的連接法蘭上，齒輪傳動的傳動比i =1∶8。根據(jù)貯箱折算到電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量和負載轉(zhuǎn)矩，A 軸驅(qū)動電機選擇三菱公司的HC-SF353B 伺服電機。X、Y、Z 軸選用HC-RF103 伺服電機，噴涂速度200 mm/min～1 050 mm/min，快速10 000 mm/min，定位精度±0． 2 mm，C 軸選用HC-UFS23 伺服電機加RV25 減速機控制，定位精度±0．1°?？刂茊卧到y(tǒng)框圖如圖2 所示。

FM357-2 是西門子公司推出的用于S7-300 系列PLC 的多軸位置控制功能模塊［6］，非常適宜于多達四軸的聯(lián)動插補控制，可用于控制伺服電機和步進電機。定位模塊的一個附加優(yōu)點是，它們可以不受控制程序的干擾對各軸進行定位控制。FM357-2 模塊直接采用標準NC 語言編程，子程序可以采用嵌套，最大調(diào)用次數(shù)9 999 次。FM357-2 可以使用手動進給、增量進給、回參考點、MDI、自動、單段等操作方式進行定位操作與控制［7］。FM357-2 前面板圖如圖3 所示，F(xiàn)M357-2模塊有X1 到X8 共8 個接口。其中X1 為I/O 接口，包括:8 路數(shù)字量輸出;18 路數(shù)字量輸入，其中4 路接近開關(guān)輸入，2 路測量脈沖輸入，12 路一般數(shù)字量輸入。X2 為連接器端口，最多可連接4 個步進驅(qū)動器或4 個伺服驅(qū)動器。X3、X4、X5、X6 分別為4 根軸的編碼器輸入端口，可連接增量型或是絕對型編碼器。X8為Profibus-DP 驅(qū)動接口，可以通過接口連接到數(shù)字伺服驅(qū)動器。FM357-2 通過位置指令脈沖的輸出形式經(jīng)由數(shù)字伺服驅(qū)動傳送位置反饋信號，實現(xiàn)位置控制，它的最高位置脈沖輸出頻率為250 kHz［8］。根據(jù)系統(tǒng)要求，本研究在離線狀態(tài)下于機器數(shù)據(jù)MD block 中對X、Y、A、C 四軸分別進行如下設(shè)置:在通道配置中將X、Y 軸設(shè)為幾何軸，A、C 軸設(shè)為同步軸。在軸配置中激活1，2，3，4 軸分別對應X、Y、A、C 軸，將X、Y 軸設(shè)置為直線軸伺服驅(qū)動，A、C 軸設(shè)為旋轉(zhuǎn)軸伺服驅(qū)動，將X3、X4、X5、X6 分別設(shè)為對應四軸的編碼器輸入端口，設(shè)置好電機參數(shù)并打開軸仿真輸出。

圖2 控制單元系統(tǒng)框圖

圖3 FM357-2 前面板圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計與參數(shù)驗證

系統(tǒng)軟件由參數(shù)設(shè)置模塊、回零模塊、手動運行模塊和自動運行模塊組成，系統(tǒng)控制流程圖如圖4 所示。系統(tǒng)啟動初始化，清空運行數(shù)據(jù)并設(shè)置參數(shù)，完成準備工作。設(shè)備進入正常工作狀態(tài)后，PLC 按選擇的工作模式運行。參數(shù)設(shè)置模塊實現(xiàn)用戶參數(shù)和系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置，根據(jù)貯箱型號及噴涂工藝要求輸入箱底橢球冠長半軸長a、短半軸長b、噴槍到被噴面的距離m、等距噴涂運行步長l、貯箱回轉(zhuǎn)速度n 及噴涂進給速度v 等參數(shù)數(shù)據(jù)，計算出運行控制點?；亓隳K實現(xiàn)噴涂機構(gòu)快速回到零位。

圖4 系統(tǒng)控制流程圖

手動運行模式時，系統(tǒng)控制噴槍開閉，連續(xù)或增量點動控制X、Y、Z 軸直線往復運動、A 軸旋轉(zhuǎn)運動及C軸擺動。噴涂作業(yè)前，操作者可在手動模式下調(diào)整噴槍的位置及方向。貯箱安裝在支撐機構(gòu)上后，根據(jù)支撐機構(gòu)與貯箱幾何尺寸可以確定貯箱中心位置及噴涂母線路徑，根據(jù)機床零點位置與機床坐標系下貯箱的中心位置坐標來控制Z 軸移動從而確定噴涂起噴位置。Z 軸由PLC 直接控制，由于涂料在噴涂過程中會因自重下墜并且噴涂的過程為回轉(zhuǎn)噴涂，對Z 軸的控制精度要求并不高，系統(tǒng)對Z 軸采用開環(huán)控制方式，利用PLC 輸出脈沖控制移動，在監(jiān)控界面中確定Z 軸坐標運動至貯箱中心位置坐標，即完成Z 軸方向的定位。

自動運行模式時，系統(tǒng)首先按設(shè)定的參數(shù)計算好控制點并存儲到FM357-2 對應的參數(shù)讀取數(shù)據(jù)塊中，然后快速定位噴槍到噴涂起始位置，噴槍垂直于待噴面，涂料開始攪拌，控制A 軸旋轉(zhuǎn)使貯箱轉(zhuǎn)動至設(shè)定轉(zhuǎn)速值，開啟噴槍，通過FM357-2 位置控制模塊內(nèi)編制好的程序控制噴涂運動機構(gòu)的協(xié)調(diào)運動，根據(jù)設(shè)置好的參數(shù)進行自動噴涂。

由于前、后箱底為橢球冠，噴槍必須在球冠的每個等距線處均垂直于球冠表面，其需要X、Y、C 軸動作使之始終位于球冠法線方向，通過FM357-2 模塊控制噴涂機構(gòu)的X、Y、C 軸聯(lián)動，實現(xiàn)對貯箱箱底曲面的等距噴涂運動。貯箱箱底噴涂路徑如圖5 所示。

按照系統(tǒng)設(shè)計要求，本研究設(shè)箱底表面噴涂路徑的當前點為(X0，Y0)，針對大型筒狀貯箱中，小段弧長可等效為弦長并將其作為噴涂步長，根據(jù)貯箱表面曲線方程及噴涂步長l 可計算出噴涂路徑的下一點(X1，Y1)。由于噴槍實際運行軌跡為箱底表面曲線的等距線，根據(jù)(X1，Y1)點、貯箱表面垂線方程及噴槍距貯箱距離m 可求出噴槍編程控制點(XT，YT)，列出如下方程:

圖5 貯箱箱底噴涂路徑

將橢圓參數(shù)方程(1)代入式(2)的步長距離方程中，可得到關(guān)于a、b、l 和θ 的方程如下:

這樣可以通過設(shè)定的參數(shù):長半軸長a、短半軸長b、噴涂運行步長l 等進行編程，輸入點(X0，Y0)利用公式來求得(X1，Y1)的坐標，聯(lián)合式(2，3)求得編程控制點(XT，YT)的坐標。計算程序如下:

求出(X1，Y1):

求出C 軸擺角φ 和控制點(XT，YT):

本研究在WinCC flexible 中將上述計算程序編寫成腳本程序，腳本可以通過用戶輸入的數(shù)據(jù)將控制點依次迭代計算出來，并將控制點位置坐標存儲在PLC的數(shù)據(jù)塊中，供FM357-2 模塊調(diào)用。將一組實例參數(shù)代入，a =1 155 mm，b =820 mm，噴槍至待噴面距離m=300 mm，步長l =100 mm，貯箱回轉(zhuǎn)A 軸轉(zhuǎn)速n =2 r/min～7 r/min，編程計算得到實際噴涂運行控制參數(shù)如表1 所示。

表1 噴涂運行控制參數(shù)

由于實際噴槍噴嘴出料點并不是編程控制點(XT，YT)，而是取決于所夾持的噴槍及其夾持部件結(jié)構(gòu)。噴槍夾持部件要求能夠適用聚脲噴槍，聚氨酯泡沫塑料噴槍和普通噴槍，根據(jù)噴槍型號尺寸不同，系統(tǒng)應進行不同的刀具補償。FM357-2 模塊在MD 數(shù)據(jù)中可以保存29 套刀具數(shù)據(jù)，并在程序中調(diào)用。由于實際噴涂控制點是根據(jù)不同的設(shè)定參數(shù)變化的，需要對FM357-2 中進行變量的寫入與閱讀操作。本研究在OB1 中通過調(diào)用數(shù)據(jù)寫入模塊FB3(FM_PUT)將在WinCC flexible 中計算并存儲在PLC 數(shù)據(jù)塊DB121 中的控制點位置坐標寫入FM357-2 機器數(shù)據(jù)的R 參數(shù)中，其中X 點坐標存入R1x，Y 點坐標存入R3x，C 軸擺角存入R5x，A 軸轉(zhuǎn)速存入R7x，通過在FM357-2 的用戶程序中使用R 參數(shù)作為變量進行控制來適應不同型號貯箱的噴涂運動。FM357-2 模塊的NC 程序格式與功能和SIEMENS 公司的SINUMERIK 810D/840D十分相似，可采用標準NC 語言進行編程，程序的格式、組成、程序段要求均與CNC 基本相同。端面噴涂控制程序如下［9-11］:

;prog1．MPF

N10 DEF REAL START_A=0 ;定義用戶變量

N20 G53 G0 X1400 Y0 G17 ;噴槍快動至準備位置

N30 G54 G0 X1400 Y0 ;工件坐標系選擇

N40 T1 ;噴槍刀具補償

N50 FGROUP(X，Y，C);插補軸組設(shè)定X，Y 為路徑軸，C為同步軸

N60 X=R11 Y =R31 C =R51 F100 ;X，Y 以100 mm/min的速度移動至第一噴涂點，C 軸擺動至指定角度，準備噴涂。

N70 FA［A］=R71 ;指定A 軸轉(zhuǎn)速為計算值

N80 WHEN MYMVA_IM［A］=R71 DO MYMA_OUT［1］=TURE START_A= =MYMVA_IM［A］;當編碼器采集的速度值達到要求時，執(zhí)行開啟噴槍動作開始噴涂，并將A 軸的編碼器反饋值記錄在變量START_A 中

N90 WHEN MYMVA_IM［A］－START_A=R90 DO MYMA_OUT［1］=FALSE X=R12 Y=R22 C =R32 ;A 軸旋轉(zhuǎn)角度增量達到編碼器計算值R90 時，貯箱回轉(zhuǎn)一周噴涂完畢，關(guān)閉噴槍，移動至下一噴涂點

N100 FA［A］=R72 ;繼續(xù)下面的噴涂運動動作

N110 WHEN MYMVA_IM［A］=R72 DO MYMA_OUT［1］=TURE START_A= =MYMVA_IM［A］

N120 WHEN MYMVA_IM［A］－ START_A = R90 DO MYMA_OUT［1］=FALSE X=R13 Y=R23 C=R33

…

N550 WHEN POS［X］= 12000 DO MYMA_OUT［1］=FALSE;當桶身噴涂完畢后關(guān)閉噴槍

…

N960 T0 取消噴槍刀具補償

N970 G0 Y=R20 Y 軸回零位

N980 G0 X=R10 C=R30 X 軸回零位，噴槍復位

N990 M30 ;程序結(jié)束

4 結(jié)束語

本研究設(shè)計開發(fā)的自動噴涂裝置控制系統(tǒng)基于CPU315-2DP 型西門子S7-300 系列PLC、FM357-2 位置控制模塊、觸摸屏及伺服系統(tǒng)，實現(xiàn)了對X、Y、Z、A、C 軸的精確運動控制，能夠滿足設(shè)計要求的各項功能指標及對貯箱筒段及前后箱底的噴涂工藝要求，且能夠噴涂不同尺寸型號的筒狀貯箱，做到了一機多用，是中小型企業(yè)替代同類進口裝置的理想設(shè)備。

系統(tǒng)可控制參數(shù)多、人機交互友好、自動化程度高，解決了傳統(tǒng)手工噴涂方式的涂層涂量不均、噴涂質(zhì)量不高的問題。此外，系統(tǒng)降低了工人的勞動強度，避免了采用手動人工噴涂的大量熟練工人的投入，降低了技能門檻，有利于全面提高生產(chǎn)效率，因此具有良好的應用前景和實用價值。

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