基于PLC的注漿成型自動(dòng)脫?？刂葡到y(tǒng)設(shè)計(jì)

謝彥音，陳端平，廖慨欽

（1.廣東恒潔衛(wèi)浴有限公司，潮州 515646；2.廣東省智能制造研究所，廣州 510070）

作為世界上最大的陶瓷生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，中國(guó)衛(wèi)生潔具產(chǎn)銷(xiāo)量約占世界總量的30%，2013年衛(wèi)生潔具市場(chǎng)規(guī)模已經(jīng)超過(guò)1000億元，但是歐美發(fā)達(dá)國(guó)家發(fā)起新產(chǎn)業(yè)革命，使制造業(yè)面臨新的挑戰(zhàn)與機(jī)遇[1-2]。伴隨“中國(guó)制造2025”國(guó)家戰(zhàn)略的推進(jìn)，傳統(tǒng)制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)也進(jìn)入關(guān)鍵階段。陶瓷衛(wèi)浴產(chǎn)業(yè)作為典型的勞動(dòng)密集型制造業(yè)，如今依然高度依賴工人經(jīng)驗(yàn)和技藝，造成產(chǎn)品精度差、性能不穩(wěn)定，也無(wú)法快速適應(yīng)市場(chǎng)多樣化和個(gè)性化需求。陶瓷衛(wèi)浴產(chǎn)業(yè)近年從勞動(dòng)密集向機(jī)械化與自動(dòng)化方向發(fā)展，采用高度自動(dòng)化設(shè)備和生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)[3]。

注漿成型作為陶瓷衛(wèi)浴產(chǎn)品的主要成型方法，具有成型工藝簡(jiǎn)單及生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)，適用于尺寸大和形狀復(fù)雜的坯體成型。陶瓷衛(wèi)浴行業(yè)主要采用石膏模具進(jìn)行產(chǎn)品坯體的制作，但是有些產(chǎn)品的石膏模具體積龐大且質(zhì)量重，需要多人協(xié)同操作且勞動(dòng)強(qiáng)度大。本文設(shè)計(jì)一種應(yīng)用在注漿成型中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)脫模工藝的自動(dòng)控制系統(tǒng)，能夠減少注漿成型工藝對(duì)人工的依賴及提高生產(chǎn)的自動(dòng)化水平。

1 工藝流程

注漿成型工藝通過(guò)石膏模具內(nèi)氣孔的小毛細(xì)管力吸干料漿中水分，使料漿吸附在石膏模具上，該坯料吃漿會(huì)逐漸形成和模具形狀結(jié)構(gòu)相同的坯泥層，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間吃漿，當(dāng)吸附的泥漿層厚度達(dá)到要求時(shí)，就排掉多余的泥漿，干燥后實(shí)現(xiàn)上下模分離，再經(jīng)過(guò)脫模將坯體分離，制成坯體[4-5]。

陶瓷衛(wèi)浴產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝流程如圖1如示，經(jīng)過(guò)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)和外形進(jìn)行石膏模具制作，在注漿成型前，制備符合濕度、流動(dòng)性及稠化度性能要求的料漿，當(dāng)前期條件準(zhǔn)備就緒后，就可以進(jìn)行注漿成型工藝，經(jīng)過(guò)坯體成型后，得到產(chǎn)品坯體經(jīng)過(guò)干燥修坯后，進(jìn)行噴釉工藝，再經(jīng)過(guò)修坯貼標(biāo)，最后經(jīng)過(guò)裝窖燒，檢驗(yàn)合格則得到最終產(chǎn)品。

圖1 產(chǎn)品生產(chǎn)工藝流程Fig.1 Flow chart of product production

脫模工序作為注漿成型工藝中實(shí)現(xiàn)泥坯與石膏模具分離的關(guān)鍵步驟，是自動(dòng)注漿成型生產(chǎn)線中必不可少的工序，下文將介紹自動(dòng)脫模機(jī)的軟硬件設(shè)計(jì)。

2 硬件系統(tǒng)構(gòu)成

圖2所示為設(shè)備整體模型示意，主要包括支撐機(jī)架、水平移動(dòng)機(jī)架、豎直升降機(jī)架和升降機(jī)構(gòu)、夾具伸出和翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及壓緊蓋板機(jī)構(gòu)。

圖2 整體模型Fig.2 Whole model

硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖3所示，采用匯川H2u系列 PLC作為自動(dòng)脫模系統(tǒng)的控制器，Pro-face GC4000系列觸摸屏作為人機(jī)交互平臺(tái)，PLC與HMI觸摸屏通過(guò)RS485通訊，由5臺(tái)驅(qū)動(dòng)器控制5個(gè)電機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)脫模系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制，在HMI觸摸屏上設(shè)定運(yùn)動(dòng)控制參數(shù)，觸摸屏將參數(shù)傳輸給PLC，PLC按控制程序邏輯發(fā)送控制指令給驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器控制伺服電機(jī)完成指定運(yùn)動(dòng)軌跡。

圖3 硬件系統(tǒng)構(gòu)成Fig.3 Structure of hardware system

自動(dòng)脫模設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)平移方向、升降方向、右?jiàn)A緊方向、翻轉(zhuǎn)方向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)還有左夾緊兩節(jié)氣缸的伸縮運(yùn)動(dòng)，以及4個(gè)壓緊托板氣缸的伸縮運(yùn)動(dòng)。平移方向運(yùn)動(dòng)是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)脫模機(jī)沿導(dǎo)軌從一條石膏模輸送線移動(dòng)到另一條坯體輸送線，升降方向運(yùn)動(dòng)是實(shí)現(xiàn)夾模時(shí)的高度調(diào)整，通過(guò)左夾緊兩節(jié)氣缸的伸縮以及右?jiàn)A緊伺服運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)石膏模具的夾緊，翻轉(zhuǎn)方向運(yùn)動(dòng)則實(shí)現(xiàn)對(duì)石膏模整體的翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，另外通過(guò)4個(gè)氣缸的伸縮運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)托板的壓緊。

3 自動(dòng)脫?？刂葡到y(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)PLC的編程軟件是AutoShop，該軟件是匯川PLC編程軟件，集PLC設(shè)計(jì)、調(diào)試、模擬、維護(hù)于一體的編程工具[6]，支持多種編程語(yǔ)言，本系統(tǒng)采用梯形圖語(yǔ)言編程。觸摸屏采用GP-Pro EX4.0，該軟件支持腳本編程及邏輯編程功能。

伺服驅(qū)動(dòng)器的3種運(yùn)行模式為位置控制、速度控制、轉(zhuǎn)矩控制運(yùn)行模式。位置模式依據(jù)發(fā)出的脈沖個(gè)數(shù)確定運(yùn)動(dòng)位移，依據(jù)發(fā)出的脈沖頻率確定運(yùn)動(dòng)速度；速度模式依據(jù)模擬量輸入或數(shù)字量給定運(yùn)動(dòng)速度；轉(zhuǎn)矩模式是依據(jù)實(shí)時(shí)改變模擬量值的設(shè)定來(lái)改變力矩大小。本控制系統(tǒng)對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器采用位置控制和轉(zhuǎn)矩控制模式，位置模式采用絕對(duì)定位，通過(guò)定位指令DRVA（）實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制，如圖4所示，由TO（）指令讀取模擬量值大小實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩控制。

圖4 加減速曲線Fig.4 Curve of deceleration

3.1 運(yùn)動(dòng)控制流程

圖5 程序設(shè)計(jì)流程Fig.5 Flow chart of program design

根據(jù)衛(wèi)浴產(chǎn)品自動(dòng)脫模工藝需求，設(shè)計(jì)本自動(dòng)脫模控制系統(tǒng)工作流程，如圖5所示。當(dāng)自動(dòng)運(yùn)行條件就緒時(shí)，將該控制系統(tǒng)切換到自動(dòng)運(yùn)行模式，當(dāng)傳感器檢測(cè)到石膏模，自動(dòng)運(yùn)輸線體上的定位氣缸就會(huì)升，將石膏模由傾斜頂成水平，然后，升降伺服降到夾石膏模高度，左邊夾持用的兩節(jié)氣缸伸出將夾具卡到石膏模邊框上，采集到氣缸伸到位傳感器信號(hào)，啟動(dòng)以力矩控制模式驅(qū)動(dòng)右邊夾持用的電機(jī)將夾具卡到石膏模另一邊框上。當(dāng)夾具在正常工作位置時(shí)，然后升降伺服升把石膏帶離傳輸線體，之后平移伺服和翻轉(zhuǎn)伺服運(yùn)動(dòng)將石膏模在傳輸線體和放坯體傳輸線之間翻轉(zhuǎn)180°后把石膏模放置到脫模線體上，最后完成脫模工藝后回到開(kāi)始夾石膏的初始位置和工作狀態(tài)。

3.2 配方管理及安全性

依據(jù)產(chǎn)品定位和外觀設(shè)計(jì)的差別，一條自動(dòng)化生產(chǎn)線上需要適應(yīng)不同產(chǎn)品型號(hào)的生產(chǎn)，適應(yīng)柔性生產(chǎn)制造，從而降低生產(chǎn)成本投入，提高適應(yīng)產(chǎn)品更新?lián)Q代能力。

本系統(tǒng)具有存儲(chǔ)、修改產(chǎn)品配方的功能，產(chǎn)品配方數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在觸摸屏的備份存儲(chǔ)器（SRAM）中，通過(guò)人機(jī)界面的內(nèi)部寄存器進(jìn)行傳輸。

為了保證生產(chǎn)的安全性，防止工人生產(chǎn)的誤操作及修改參數(shù)，對(duì)控制系統(tǒng)觸摸屏的相關(guān)操作都設(shè)計(jì)了用戶權(quán)限等級(jí)及密碼功能。

4 測(cè)試

石膏模具重量約200 kg，坯體重量約40 kg。系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)完成后對(duì)功能、穩(wěn)定及可靠性進(jìn)行測(cè)試。圖6所示是自動(dòng)脫模系統(tǒng)程序的自動(dòng)運(yùn)行界面，由速度參數(shù)設(shè)置、位置參數(shù)設(shè)置、運(yùn)行狀態(tài)指示燈、界面切換按鈕等構(gòu)成。

圖7是該自動(dòng)脫模系統(tǒng)生產(chǎn)試驗(yàn)效果圖，整個(gè)自動(dòng)脫模過(guò)程時(shí)間是1 min左右，而人工脫模則需要幾個(gè)壯漢耗時(shí)5～6 min，提高了注漿成型脫模效率，也避免了人工脫模和搬運(yùn)過(guò)程對(duì)石膏模的損壞，提高了成形胚體的成品率，極大降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提升傳統(tǒng)衛(wèi)浴行業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)水平。

圖7 脫模效果圖Fig.7 Demould effect diagram

5 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了基于PLC自動(dòng)脫?？刂葡到y(tǒng)設(shè)計(jì)，完成了系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)，本系統(tǒng)極大地減輕了注漿成型工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)的自動(dòng)化水平及生產(chǎn)效率，且具有穩(wěn)定、可靠及操作靈活等優(yōu)點(diǎn)，滿足了注漿成型工藝中自動(dòng)脫模生產(chǎn)工藝需求，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

[1] 王琳.我國(guó)陶瓷產(chǎn)品發(fā)展的現(xiàn)狀、原因及出口策略——基于意大利伊莫拉公司“蜜蜂”瓷磚的經(jīng)驗(yàn)[J].對(duì)外經(jīng)貿(mào)實(shí)務(wù)，2013（12）：51-54.

[2] 徐穎，嚴(yán)文杰.“十三五”時(shí)期我國(guó)陶瓷產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)研究——基于對(duì)四川夾江和廣東清遠(yuǎn)陶瓷產(chǎn)業(yè)的調(diào)查 [J].中國(guó)統(tǒng)計(jì)，2016（4）：69-71.

[3] 王文林，朱釩，朱位秋.陶瓷墻地磚生產(chǎn)線自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展綜述[J].中國(guó)陶瓷，2006，42（1）：4-7.

[4] 劉昊，沈春英，丘泰.注凝成型工藝的研究進(jìn)展[J].中國(guó)陶瓷，2011（3）：1-3.

[5] 晏伯武.凝膠注模成型工藝的研究[J].中國(guó)陶瓷，2006，42（2）：8-11.

[6] 肖明耀.匯川PLC應(yīng)用技能實(shí)訓(xùn)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2011.