基于編碼器的柱塞桿表面熱噴涂控制系統(tǒng)

強(qiáng)明輝 張彥龍 張富邦

(1.蘭州理工大學(xué)電氣工程與信息工程學(xué)院，蘭州 730050；2.蘭州理工合金粉末有限責(zé)任公司，蘭州 730050)

基于編碼器的柱塞桿表面熱噴涂控制系統(tǒng)

強(qiáng)明輝1張彥龍1張富邦2

(1.蘭州理工大學(xué)電氣工程與信息工程學(xué)院，蘭州 730050；2.蘭州理工合金粉末有限責(zé)任公司，蘭州 730050)

針對柱塞桿表面熱噴涂系統(tǒng)中通過讀取變頻器頻率來計(jì)算氣缸升降時刻并控制其升降存在的問題，在分析柱塞桿表面處理工藝的基礎(chǔ)上，提出將與移動電機(jī)同軸連接的編碼器的角度值用于協(xié)調(diào)控制9個支撐氣缸升降時刻的方法。實(shí)踐證明：該控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了各氣缸升降時刻的在線調(diào)節(jié)，提高了系統(tǒng)的靈活度，并且控制精度也有所提高。

協(xié)調(diào)控制 柱塞桿 熱噴涂 PLC 氣缸升降時刻 編碼器角度

柱塞桿大多由于表面局部磨損、腐蝕及氧化等造成變形甚至損壞，使之不能正常工作，影響它所應(yīng)用行業(yè)的生產(chǎn)安全和工作效率[1]。為了提高柱塞桿的使用壽命，使之達(dá)到防腐、耐磨及抗氧化等功能，各種表面處理技術(shù)迅速發(fā)展。

熱噴涂是一種利用某種熱源(電弧、燃燒火焰及等離子體等)將噴涂材料(合金粉末或絲材)加熱至熔融或半熔融狀態(tài)，利用高速氣流將霧化后形成的熔滴，以一定速度噴射到經(jīng)過預(yù)處理的基體材料表面，形成具有一定結(jié)合強(qiáng)度的涂層，進(jìn)而提高基體材料性能的工藝方法[2，3]。由于熱噴涂技術(shù)與其他表面處理技術(shù)相比具有成本低、操作簡單、施工方便、工藝靈活且工件變形小等優(yōu)點(diǎn)[4～6]，因此，人們設(shè)計(jì)了許多熱噴涂處理系統(tǒng)以改善柱塞桿的性能。但目前噴粉與重熔的控制系統(tǒng)獨(dú)立，且每個系統(tǒng)多為手動操作[7]，這既浪費(fèi)時間又會消耗大量人力，效率低下?；谥麠U表面熱噴涂系統(tǒng)的自動化水平低下，文獻(xiàn)[7]通過檢測移動電機(jī)的變頻器頻率，得到車體移動速度，結(jié)合氣缸與加熱環(huán)的距離，計(jì)算氣缸升降時刻并控制其升降[7]，將噴涂工藝的各個步驟綜合成一個系統(tǒng)執(zhí)行，從而提高其自動化水平。但在該系統(tǒng)中，當(dāng)頻率發(fā)生變化時，小車移動速度隨之變化，而受PLC計(jì)算速度和掃描周期的影響，當(dāng)前仍以小車原速度計(jì)算，加之氣缸與加熱環(huán)之間距離較小，導(dǎo)致氣缸升降時刻誤差大(當(dāng)頻率升高時氣缸升降滯后，當(dāng)頻率降低時氣缸升降超前)，甚至發(fā)生碰撞。

針對上述問題，筆者將與移動電機(jī)同軸相連的絕對值編碼器的角度值用于協(xié)調(diào)控制支撐氣缸的升降時刻，以提高支撐氣缸升降時刻調(diào)節(jié)的靈活性和控制精度，并避免氣缸與加熱環(huán)等相撞，使氣缸及時升起對柱塞桿予以支撐。

1 柱塞桿表面噴涂工藝①

火焰噴熔工藝過程包括工件表面制備、預(yù)熱、噴粉、重熔和冷卻5個步驟[7]。筆者主要針對噴粉和重熔兩個工藝環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)自動控制系統(tǒng)，以提高柱塞桿表面噴涂的效率和質(zhì)量。

噴粉環(huán)節(jié)采用氧-乙炔混合氣體為火焰噴涂熱源，噴涂粉末依靠自身重力從送料罐內(nèi)自然下落，隨送粉氣流(本系統(tǒng)將氧-乙炔混合氣體既作為噴涂熱源又作為送粉氣，簡化了噴槍結(jié)構(gòu))從噴嘴端部的氧-乙炔混合氣體的燃燒火焰中噴出，高溫熔化并霧化成微小熔滴，在飛行過程中加熱、加速，噴射到經(jīng)過預(yù)處理的基材工件表面形成所需涂層[2，8]。噴粉設(shè)備比較簡單，操作方便，由噴槍、氧-乙炔供給裝置、粉末供給裝置及點(diǎn)火裝置等構(gòu)成[9，10]，如圖1所示。

重熔裝置如圖2所示。重熔環(huán)節(jié)是指通過高溫加熱環(huán)對噴粉形成的柱塞桿涂層進(jìn)行處理，以提高涂層與基材結(jié)合的強(qiáng)度。柱塞桿表面處理裝置的導(dǎo)軌長24m，可加工長度為1～9m的柱塞桿，在導(dǎo)軌的兩端分別安裝行程開關(guān)，用于控制小車的最大行程。為防止柱塞桿變形，在移動小車上安裝了9個支撐氣缸。加熱環(huán)、余料回收裝置及噴粉裝置等固定安裝在軌道中部(即柱塞桿A端)。隨著小車在導(dǎo)軌上移動，柱塞桿從A端穿入加熱環(huán)依次避開9個支撐氣缸從柱塞桿B端穿出，完成重熔。為避免支撐氣缸與加熱環(huán)和余料回收裝置相撞，應(yīng)合理控制9個氣缸的升降時刻。

圖1 噴粉設(shè)備示意圖

圖2 重熔裝置示意圖

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

基于編碼器的柱塞桿表面熱噴涂控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示，系統(tǒng)采用S7-200 PLC作為控制器，配以數(shù)字量擴(kuò)展模塊EM223、控制電磁閥及電動機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)。選用西門子KTP 1000 Basic DP觸摸屏實(shí)現(xiàn)與PLC的數(shù)據(jù)交換，顯示系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)的在線設(shè)置。配有兩臺變頻器，用旋轉(zhuǎn)電機(jī)和移動電機(jī)的速度控制，以滿足不同噴涂材料對工件噴焊性能的要求，PLC可以對變頻器的輸出頻率進(jìn)行設(shè)定并讀取變頻器的實(shí)時輸出頻率值，并在觸摸屏上顯示[11]。移動電機(jī)通過減速器與絕對值編碼器同軸相連，采用Modbus RTU協(xié)議與PLC通信，實(shí)時讀取編碼器的角度值，用以協(xié)調(diào)控制9個氣缸升降運(yùn)動的啟動時刻。

圖3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

3 光電編碼器

3.1選型

按信號原理，光電編碼器可分為增量型和絕對值型[12]。絕對值型編碼器因具有絕對參考零位、重新上電無需初始化等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中廣泛用于角度、位置、速度及加速度等參數(shù)的檢測。

在本系統(tǒng)的應(yīng)用中，要求編碼器在掉電恢復(fù)后保持其角度值，使各氣缸隨當(dāng)前編碼器角度值協(xié)調(diào)動作。因此本系統(tǒng)選用Modbus輸出型智能絕對值編碼器，將它與移動電機(jī)同軸相連，采用Modbus RTU協(xié)議來讀取編碼器的當(dāng)前角度值，用于氣缸升降協(xié)調(diào)控制。

3.2編碼器與PLC的Modbus通信

Modbus協(xié)議提供了ASCII和RTU兩種傳輸模式[13，14]。在實(shí)現(xiàn)編碼器與PLC的Modbus RTU串口通信時，需將主站和從站進(jìn)行初始化，設(shè)置一致的Modbus RTU串口通信基本參數(shù)，包括波特率、數(shù)據(jù)位、停止位及奇偶校驗(yàn)等[15]。

3.2.1主站初始化

通過S7-200 PLC自帶的Modbus協(xié)議庫的主站初始化指令MBUS_CTRL，將PLC設(shè)置為Modbus主站，并完成與編碼器從站設(shè)備的通信。該指令的輸入?yún)?shù)Baud為通信波特率，其值設(shè)為19 200；Parity為奇偶校驗(yàn)位，2表示偶校驗(yàn)；Timeout為從站響應(yīng)時間，若從站在設(shè)定時間內(nèi)無響應(yīng)則報(bào)錯，范圍為1～32 767ms；輸出參數(shù)Done為完成位，1表示該指令正在執(zhí)行；Error輸出錯誤代號。

3.2.2從站初始化

編碼器作為Modbus從站，用EasyPro智能調(diào)試軟件對其測量模式、單多圈、正反轉(zhuǎn)及通信波特率等進(jìn)行初始化設(shè)置。如將編碼器設(shè)置為單圈循環(huán)角度測量模式、選用與移動電機(jī)運(yùn)動相同的方向?yàn)檎D(zhuǎn)方向，將通信波特率設(shè)置為19200，將單圈對應(yīng)的測量角度值設(shè)為360°等完成初始化設(shè)定。并通過MBUS_INIT參數(shù)讀取指令實(shí)時讀取編碼器角度值并存儲于PLC的寄存器VB100中，其他參數(shù)設(shè)置如圖4所示，以便與主站PLC通信協(xié)議相匹配。

圖4 讀取參數(shù)設(shè)置

3.3協(xié)調(diào)控制

移動電機(jī)通過恰當(dāng)?shù)臏p速比與編碼器相連，使小車從起始位置運(yùn)動到終止位置，此時編碼器剛好轉(zhuǎn)動一圈。通過研究柱塞桿表面噴涂工藝發(fā)現(xiàn)，9個氣缸升降時刻與移動電機(jī)同軸相連的編碼器角度值有密切關(guān)系。因此，可以用編碼器轉(zhuǎn)動一圈的角度值φ(0～360°)來描述各氣缸升降動作的時刻，使氣缸的動作與編碼器的角度值建立對應(yīng)關(guān)系。根據(jù)生產(chǎn)線工藝并結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，可以得出編碼器角度和氣缸升降動作的關(guān)系如圖5所示，其中，上升沿表示氣缸上升，下降沿表示氣缸下降。

圖5 氣缸動作時序圖

4 軟件設(shè)計(jì)

基于噴涂工藝所設(shè)計(jì)的柱塞桿噴粉和重熔工藝環(huán)節(jié)的自動控制流程如圖6所示。

圖6 柱塞桿噴粉和重熔工藝環(huán)節(jié)的自動控制流程

采用WinCC組態(tài)軟件設(shè)計(jì)整個電氣控制系統(tǒng)的監(jiān)控、管理及報(bào)表處理等控制功能[17]。在觸摸屏界面可設(shè)置停機(jī)編碼器角度X值，也可以對各氣缸動作的編碼器角度值進(jìn)行在線設(shè)置。

5 結(jié)束語

針對通過變頻器的頻率控制氣缸升降時刻存在的不足，設(shè)計(jì)了一套基于觸摸屏和PLC控制的柱塞桿表面處理自動控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)將與移動電機(jī)同軸連接的編碼器的角度值用于協(xié)調(diào)控制氣缸的升降時刻，不但提高了控制精度，而且通過觸摸屏可以根據(jù)需要在線調(diào)節(jié)各氣缸的升降時刻，增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性，從而提升了柱塞桿表面涂層的質(zhì)量和效率，有較高的使用價值。使用該方法開發(fā)的控制系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中已取得良好效果，實(shí)踐表明，系統(tǒng)噴涂均勻、節(jié)省涂料、操作方便、故障率低且涂層表面光潔美觀。

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DevelopmentofEncoder-basedControlSystemforThermalSprayingonPlungerSurface

QIANG Ming-hui1, ZHANG Yan-long1, ZHANG Fu-bang2

(1.CollegeofElectricalandInformationEngineering,LanzhouUniversityofTechnology,Lanzhou730050,China;2.LanzhouLGAlloyPowderCo.,Ltd.,Lanzhou730050,China)

Aiming at the matters in calculating air cylinder’s working moment and controlling its operation through reading the frequency transducer equipped to the plunger surface’s thermal spraying system, and basing on analyzing the treatment process for the plunger surface, a method of applying angle value of the encoder connected coaxially with the moved motor to coordination control over the nine support cylinders’ lift working moment was proposed. Practical application shows that this control system can ensure online control over the cylinder working moment, improve the system sensitivity and control accuracy.

coordination control, plunger rod, thermal spraying,PLC，cylinder working moment, encoder angle

2016-04-29(修改稿)

甘肅省發(fā)改委戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)專項(xiàng)資金計(jì)劃資助項(xiàng)目(甘發(fā)改高級[2012]672號)

TH86

B

1000-3932(2016)07-0728-04