陶瓷噴釉控制系統(tǒng)及其設(shè)計(jì)研究

田麗欣

摘 要：陶瓷噴釉是瓷器生產(chǎn)中的一個(gè)非常重要的工藝過程，噴釉對釉料噴涂的均勻性要求極其嚴(yán)格，其直接影響著瓷器產(chǎn)品質(zhì)量的好壞。以歐姆龍CP1H系列PLC為瓷器噴釉控制系統(tǒng)的核心控制器，控制噴釉機(jī)噴槍升降軸和承坯臺旋轉(zhuǎn)軸伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)對兩軸的動(dòng)作精確控制，達(dá)到釉料均勻噴涂，以歐姆龍NB7W-TW00B觸摸屏作為系統(tǒng)HMI，實(shí)現(xiàn)友好的人機(jī)交互。該控制系統(tǒng)可用于圓形瓷器產(chǎn)品生產(chǎn)線的釉料噴涂工藝中，實(shí)現(xiàn)噴釉自動(dòng)化，可大幅度提高瓷器產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：陶瓷；噴釉；PLC；控制系統(tǒng)

中圖分類號：TB 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A doi：10.19311/j.cnki.16723198.2019.33.108

1 引言

在陶瓷的生產(chǎn)過程中，施釉是極其重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，噴釉法施釉的特點(diǎn)是釉層厚度比較均勻，易于控制，有利于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化。這種方法適用于大型、薄壁以及形狀復(fù)雜的坯體，特別是對于薄壁小件易碎的生坯更為合適。傳統(tǒng)手工噴釉工人作業(yè)環(huán)境惡劣，勞動(dòng)強(qiáng)度大，噴釉質(zhì)量波動(dòng)大，且容易造成釉漿的損失等。為解決人工噴釉弊端，自動(dòng)噴釉系統(tǒng)成為發(fā)展趨勢。自動(dòng)噴釉系統(tǒng)不僅可以解決坯體輸送、坯體精確定位和坯體施釉三大難題，而且可以提高系統(tǒng)的通用性，具有較高的推廣價(jià)值。利用機(jī)器人噴釉可以提高釉面品質(zhì)，從而滿足高品質(zhì)成品的要求。本文設(shè)計(jì)了陶瓷噴釉自動(dòng)控制系統(tǒng)，采用可編程控制器PLC作為核心控制單元，通過PLC控制承坯臺的轉(zhuǎn)動(dòng)和實(shí)現(xiàn)對噴槍的運(yùn)動(dòng)控制，從而實(shí)現(xiàn)對噴釉生產(chǎn)線陶瓷器件的自動(dòng)噴涂，噴釉質(zhì)量高，且可用于批量化成產(chǎn)，工作系統(tǒng)具有很高的可靠性和穩(wěn)定性。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該陶瓷噴釉控制系統(tǒng)用于瓷器生產(chǎn)線中，將瓷器輸送線上的半成品取下，放到瓷器承載臺上，由陶瓷噴釉機(jī)根據(jù)工藝要求自動(dòng)噴釉，可以實(shí)現(xiàn)多層和多色噴釉等，噴涂效果均勻。噴釉完成后瓷器由承坯臺卸下。根據(jù)工藝流程控制要求，陶瓷噴釉控制系統(tǒng)硬件主要由可編程控制器PLC、觸摸屏、伺服電機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器、電磁閥和接近開關(guān)等組成。PLC軟硬件抗干擾能力強(qiáng)，耐受工作溫度和工作濕度高，具有高可靠性，能夠滿足自動(dòng)陶瓷噴釉系統(tǒng)工作環(huán)境惡劣的要求。其中PLC選用歐姆龍的CP1H-XA40DT-D，觸摸屏采用歐姆龍的NB7W-TW00B，伺服電機(jī)型號為R88M-KE10030H，功率為0.1kW，額定轉(zhuǎn)速為3000r/min，滿足噴釉機(jī)噴槍和承坯臺的運(yùn)動(dòng)需求。

本設(shè)計(jì)采用可編程序控制器PLC作為陶瓷噴釉系統(tǒng)的控制核心。采用觸摸屏作為人機(jī)交互界面，輸入工作模式選擇、工作參數(shù)以及操作指令等給下位機(jī)PLC，并顯示相關(guān)運(yùn)行參數(shù)和數(shù)據(jù)等。由PLC根據(jù)不同待加工陶瓷器件的要求發(fā)出一定頻率和數(shù)量的脈沖信號給伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制噴槍的行程和運(yùn)動(dòng)速度，同時(shí)在PLC的控制下承坯臺以一定的脈沖數(shù)和脈沖頻率旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，通過噴槍和承坯臺的聯(lián)合運(yùn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)釉料的均勻噴涂。采用位置檢測傳感器限定噴槍的最大運(yùn)動(dòng)行程，并設(shè)定噴槍升降軸原點(diǎn)參數(shù)。本系統(tǒng)具有自動(dòng)控制和手動(dòng)控制兩種控制方式，可以實(shí)現(xiàn)陶瓷自動(dòng)噴釉和手動(dòng)操作，陶瓷噴釉控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

3 噴釉控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

PLC作為噴釉控制系統(tǒng)的核心，主要實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制和自動(dòng)控制。手動(dòng)控制方式可實(shí)現(xiàn)對承坯臺和噴槍等各個(gè)軸的單獨(dú)控制，可用于系統(tǒng)調(diào)試期間檢測各個(gè)設(shè)備是否能夠正常運(yùn)行、設(shè)備檢修以及進(jìn)行運(yùn)動(dòng)工作參數(shù)的設(shè)置等，主要包括噴槍上升、噴槍下降、承坯臺旋轉(zhuǎn)+、承坯臺旋轉(zhuǎn)-和噴槍開關(guān)等操作功能。自動(dòng)控制主要實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)線陶瓷半成品的自動(dòng)噴釉功能。在陶瓷噴釉控制程序設(shè)計(jì)前，需要對系統(tǒng)的基礎(chǔ)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，以使系統(tǒng)達(dá)到最高的工作效率，完成對陶瓷噴釉程序的精確控制。

3.1 系統(tǒng)的基礎(chǔ)參數(shù)配置

鑒于歐姆龍CP1H-XA40DT-D型PLC的脈沖輸出接口為集電極開路型，其最大頻率輸出為200KHz，選用16位編碼器的分辨率為216PPR（Pulse Per Revolution），代入公式（1）：

f=Pt×N060（1）

其中：Pt為編碼器的分辨率[PLS/REV]；

N0為伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度[rev/min]。

可得出伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度約為183 r/m。由此可見與伺服電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速3000 r/m相比，不能達(dá)到伺服電機(jī)的額定工作轉(zhuǎn)速，從而造成電機(jī)的工作效率低下。此時(shí)需要設(shè)置伺服驅(qū)動(dòng)器的電子齒輪比參數(shù)，使其能在額定轉(zhuǎn)速下工作。

以下為計(jì)算伺服驅(qū)動(dòng)器的電子齒輪比過程。將編碼器的分辨率、伺服電機(jī)額定旋轉(zhuǎn)速度以及PLC最大輸出頻率代入公式（2）：

通過以上的設(shè)置，可使伺服電機(jī)在上位機(jī)于200KHz的頻率控制下達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，從而滿足噴釉控制系統(tǒng)對伺服電機(jī)的高效率的工作要求。

對于噴槍的原點(diǎn)與軟限位的設(shè)置，在設(shè)置工作位置前，需要先設(shè)置噴槍的機(jī)械原點(diǎn)，然后設(shè)置噴槍的軟限位，并統(tǒng)一記錄于PLC的內(nèi)存中，用于規(guī)定實(shí)際工作的基準(zhǔn)與行程限制。

3.2 自動(dòng)控制方式

系統(tǒng)上電后，進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，編輯噴槍工作位置和速度并存儲工作參數(shù)。進(jìn)入自動(dòng)模式時(shí)，噴槍先自動(dòng)返回原點(diǎn)，由拾取裝置在坯體輸送線上拾取待加工陶瓷器件到承坯臺，承坯圓臺開始旋轉(zhuǎn)，噴槍自動(dòng)下降到陶瓷器件噴釉加工位的預(yù)定位置H，噴槍打開同時(shí)并移動(dòng)到預(yù)定位置L，根據(jù)設(shè)定位置參數(shù)噴槍完成噴釉，噴釉完成后噴槍關(guān)閉并上升返回原點(diǎn)位置，拾取裝置將陶瓷器件取走，等待下一待噴釉器件到位繼續(xù)下一周期工作。自動(dòng)模式下的噴釉工作可以根據(jù)待加工不同陶瓷器件的大小高低設(shè)置噴釉位置和速度，并能完成不同陶瓷器件對釉料層次和顏色的需求，自動(dòng)模式下主程序單工作周期的控制流程圖如圖2所示。

3.3 多類型陶瓷噴釉工作參數(shù)設(shè)置

為能夠適用于對不同陶瓷器件進(jìn)行噴釉，例如對碗、盤、杯子以及瓷瓶等各種瓷器，該控制系統(tǒng)在觸摸屏人機(jī)交互界面上可以對不同類型的陶瓷器件的工作位置和噴槍運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行設(shè)置，包括工作高度H（mm）、工作高度L（mm）和運(yùn)動(dòng)速度（mm/min）、旋轉(zhuǎn)速度（r/min）噴涂時(shí)間（s）等幾個(gè)參數(shù)的設(shè)置，根據(jù)不同類型陶瓷器件的工作高度H和工作高度L計(jì)算出噴槍的開始施釉位置和結(jié)束位置，在預(yù)定速度下通過噴槍運(yùn)動(dòng)和承坯臺的聯(lián)合旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)最終實(shí)現(xiàn)釉料的均勻噴涂。

4 結(jié)論

該陶瓷噴釉控制系統(tǒng)采用可編程控制器PLC作為核心控制器結(jié)合伺服系統(tǒng)，運(yùn)用噴釉的方式可實(shí)現(xiàn)對陶瓷器件進(jìn)行均勻施釉，系統(tǒng)的抗干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定性高?？筛鶕?jù)待加工陶瓷器件的大小和高低設(shè)置不同的噴釉位置和噴釉速度，滿足對不同待加工陶瓷器件的要求，實(shí)用性強(qiáng)。系統(tǒng)采用觸摸屏完成人機(jī)交互，人機(jī)界面設(shè)計(jì)友好，交互性強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了控制模式選擇以及各種運(yùn)行參數(shù)輸入，并能顯示噴槍升降軸和圓臺旋轉(zhuǎn)軸的位置和運(yùn)行速度等現(xiàn)場數(shù)據(jù)。在陶瓷生產(chǎn)中應(yīng)用該自動(dòng)噴釉控制系統(tǒng)能大大提高自動(dòng)化程度，實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)，且使釉料噴涂均勻，最大程度的提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本。

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