智能離子熱噴涂生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

謝建云，高峰磊

（中山市川上智能設(shè)備有限公司，廣東 中山 528400）

本公司的某客戶需要使用離子熱噴涂技術(shù)對某工件進(jìn)行離子熱噴處理，要求的工藝是首先對工件進(jìn)行噴砂處理，然后再進(jìn)行離子熱噴涂處理?？蛻粼瓉淼募庸し椒ㄊ鞘褂煤喴纂姍C(jī)帶動(dòng)工件進(jìn)行噴砂后再進(jìn)行離子熱噴涂處理，但這種方法存在很多缺點(diǎn)：①加工效率低，30分鐘才能加工一個(gè)工件；②噴砂作業(yè)時(shí)砂塵很大，而且工件是不規(guī)則的型狀，不能對其表面完整處理；③離子熱噴涂機(jī)工作時(shí)也會產(chǎn)生高溫、高噪音、電磁干擾等問題，作業(yè)員工無法長期承受在這種環(huán)境下作業(yè)。應(yīng)客戶要求為客戶開發(fā)全自動(dòng)智能噴砂噴涂設(shè)備，以解決客戶該問題。

1 整體解決方案

1.1 機(jī)械方案

圖1 設(shè)備方案俯視圖

設(shè)備方案如圖1所示：分為旋轉(zhuǎn)噴涂機(jī)、機(jī)器人（EPSON）、噴砂機(jī)、上料機(jī)構(gòu)。加工流程是：①上料機(jī)構(gòu)對工件進(jìn)行自動(dòng)上料；②機(jī)器人從上料機(jī)構(gòu)處夾工件；③夾好工件后把工件插入到噴砂機(jī)內(nèi)，噴砂機(jī)啟動(dòng)進(jìn)行噴砂；④噴砂完成后，機(jī)器人從噴砂機(jī)取料并插到噴涂機(jī)；⑤噴涂機(jī)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)噴涂；⑥噴涂完畢后機(jī)器人把成品放入成品架。

1.2 電氣控制方案

旋轉(zhuǎn)噴涂機(jī)、機(jī)器人、噴砂機(jī)均有獨(dú)立的控制器，為了使其聯(lián)動(dòng)本套生產(chǎn)設(shè)備使用RS485總線按自由協(xié)議進(jìn)行通訊，電氣控制如下圖2所示。

圖2 電氣控制圖

2 旋轉(zhuǎn)噴涂機(jī)

2.1 旋轉(zhuǎn)噴涂機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)

本旋轉(zhuǎn)噴涂機(jī)是為客戶專門設(shè)計(jì)的，因?yàn)槭褂铆h(huán)境惡劣，本機(jī)沒有采用常規(guī)下置式工位結(jié)構(gòu)，而是采用工位倒裝式的結(jié)構(gòu)，這樣可以避免砂塵的積聚，這也是本機(jī)的機(jī)械設(shè)計(jì)特色之一。

本機(jī)分為5個(gè)工位，使用臺達(dá)B2系列750W伺服電機(jī)通過同步帶輪帶動(dòng)，經(jīng)實(shí)測工位的重復(fù)定位精度可以達(dá)到0.05mm以內(nèi)，速度和定位精度都可以滿足要求。

離子熱噴涂槍通過步進(jìn)電機(jī)和同步帶模組進(jìn)行帶動(dòng)，離子熱噴涂槍的行程、速度等均在HMI上開放給客戶自由設(shè)定。為了讓工件噴涂時(shí)旋轉(zhuǎn)，各個(gè)工位均安裝三相電機(jī)，速度由變頻器進(jìn)行VVVF控制。此外旋轉(zhuǎn)噴涂機(jī)還包括上料機(jī)構(gòu)，該上料機(jī)構(gòu)以氣缸為動(dòng)力，配合連桿結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的工件供給，不會發(fā)生卡料或多料的現(xiàn)象，配合光電傳感器，當(dāng)工件使用完畢后會及時(shí)以蜂鳴的方式通知員工補(bǔ)充工件。

2.2 旋轉(zhuǎn)噴涂電氣結(jié)構(gòu)

采用三菱FX3U PLC作為控制單元，該P(yáng)LC提供三軸的高速脈沖輸出，可滿足本設(shè)備的控制要求，程序架構(gòu)分為錯(cuò)誤處理模塊、自動(dòng)控制模塊、手動(dòng)控制模式、通訊模塊，其中自動(dòng)控制模塊由SFC語言根據(jù)動(dòng)作順序進(jìn)行編程，程序結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 旋轉(zhuǎn)噴涂機(jī)程序結(jié)構(gòu)圖

3 噴砂機(jī)

目前市售的噴砂機(jī)并不適合于該工件的噴砂作業(yè)，為此我們重新設(shè)計(jì)了一套旋轉(zhuǎn)噴砂一體機(jī)，其工件夾持機(jī)構(gòu)為可旋轉(zhuǎn)式，另一側(cè)由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)真空噴砂槍上下運(yùn)動(dòng)，通過HMI可設(shè)置其轉(zhuǎn)速及位置等參數(shù)?？刂葡到y(tǒng)使用臺達(dá)DVP32MT對步進(jìn)電機(jī)及氣缸等進(jìn)行控制，PLC采用SFC語言進(jìn)行編寫，部分SFC程序如圖4所示。

4 機(jī)器人

經(jīng)過計(jì)算選型，本套生產(chǎn)設(shè)備采用EPSON 6軸機(jī)器人，該款機(jī)器人重復(fù)精度可達(dá)0.04mm，編程指令豐富，性價(jià)比高。此外我們?yōu)闄C(jī)器人安裝了成品氣夾和原料氣夾，可分別對成品及原材料進(jìn)行夾取。程序設(shè)計(jì)采用SPEL+語言，程序分為5個(gè)模塊，分別是取原料模塊、噴砂機(jī)取料插料模塊、旋轉(zhuǎn)噴涂機(jī)取料插料模塊、成品放置模塊、通訊模塊，與設(shè)備相關(guān)的動(dòng)作銜接由通訊模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換來執(zhí)行和完成。如圖5所示為部分程序結(jié)構(gòu)及部分SPEL+程序。

圖4 噴砂機(jī)部分SFC程序

圖5 部分程序結(jié)構(gòu)示意圖

5 通訊

為了減少現(xiàn)場接線工作量，節(jié)省I/O點(diǎn)數(shù)、方便修改程序，本套系統(tǒng)采用RS485總線的進(jìn)行通訊，由于EPSON機(jī)器人僅帶有RS232接口不支持RS485接口，所以還需配RS232-RS485的轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，三菱FX3U不直接支持通訊功能，所以外加485BD擴(kuò)展模塊，臺達(dá)EH3系列PLC自帶RS485接口，不需要額外增加硬件。

由于EPSON機(jī)器人和三菱485BD模塊都不支持MODBUS等現(xiàn)成的協(xié)議，所以本設(shè)備采用自由協(xié)議進(jìn)行通訊。三方的通訊格式參數(shù)均為9600bps，8，E，1，使用主-從輪詢的通訊機(jī)制，三菱 FX3U 被定義為主機(jī)其它為從機(jī)，采用CRC16的算法進(jìn)行校驗(yàn)。

圖6 部分PLC通訊梯形圖

此外為了當(dāng)其中某一設(shè)備出現(xiàn)問題時(shí)可以被其它設(shè)備感應(yīng)到，本自由協(xié)議參考CANOPEN協(xié)議的做法，加入心跳信號檢測，即各臺設(shè)備在短時(shí)間內(nèi)不斷更新數(shù)據(jù)，只要主機(jī)檢測到從機(jī)有數(shù)據(jù)更數(shù)則說明從機(jī)的工作是正常的，若檢測到數(shù)據(jù)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)沒有更新，則說明該設(shè)備出錯(cuò)，從而轉(zhuǎn)入錯(cuò)誤處理程序模塊進(jìn)行處理。

報(bào)文格式：地址碼+功能碼+數(shù)據(jù)區(qū)+CRC16校驗(yàn)。

6 結(jié)論

本套設(shè)備提供一種實(shí)用及低成本的全自動(dòng)化離子熱噴涂生產(chǎn)設(shè)備組，實(shí)際運(yùn)行表明該套設(shè)備性能穩(wěn)定，產(chǎn)量可達(dá)60PCS/H，與原來相比提高了30倍，原來需要兩名員工配合作業(yè)，現(xiàn)在基本實(shí)現(xiàn)無人自動(dòng)化作業(yè)。該套設(shè)備組已運(yùn)行了一年，為客戶產(chǎn)生了較大的經(jīng)濟(jì)效益，且本設(shè)備組本公司亦已申請了發(fā)明專利。

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