基于PLC控制的自動噴涂機的設(shè)計

焦崢輝 任雪嬌 王美妍 薄文露 張小全

摘? 要：噴涂在各行各業(yè)應(yīng)用廣泛，在分析現(xiàn)有各種噴涂設(shè)備的基礎(chǔ)上，依據(jù)我國中小民營企業(yè)工件噴涂作業(yè)的具體情況，設(shè)計了一種通用型噴涂機。文章首先對噴涂機的結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，在機構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)上完成控制系統(tǒng)的設(shè)計，該控制系統(tǒng)使用PLC作為控制器。所設(shè)計的噴涂機可適用于不同類型工件的噴涂任務(wù)，同時有效提高了工作效率。

關(guān)鍵詞：噴涂機;PLC;控制

中圖分類號：U468.2? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）09-0043-03

Abstract： Spraying is widely used in various industries. Based on the analysis of existing spraying equipment and the specific conditions of workpiece spraying operation in small and medium-sized private enterprises in China， a general-purpose sprayer is designed. First of all， this paper designs the structure of the sprayer， and completes the design of the control system on the basis of the mechanism design. The control system uses PLC as the controller. The designed sprayer is suitable for spraying tasks of different types of workpieces， and the work efficiency is effectively improved at the same time.

Keywords： sprayer; PLC; control

前言

噴涂應(yīng)用于各行各業(yè)，噴涂機器人作為噴涂自動化設(shè)備技術(shù)進步的典型代表，并體現(xiàn)出了工業(yè)自動化水平，在進行噴涂作業(yè)時具有速度快、柔性大、反復(fù)定位精度高、適用范圍廣、工作靈活等優(yōu)點，目前已廣泛應(yīng)用于對汽車整車及零部件產(chǎn)品的噴涂。[1]但是噴涂機器人成本高、控制復(fù)雜，應(yīng)用噴涂機器人需要有與之相應(yīng)的投資與技術(shù)支撐，以及相應(yīng)的企業(yè)管理水平，而目前我國中小民營企業(yè)還依靠人工進行噴涂，[2]完全采用機器人進行噴涂作業(yè)不符合我國現(xiàn)階段工業(yè)水平，因此我們需要從我國國情出發(fā)，設(shè)計開發(fā)出簡單經(jīng)濟又使用可靠的噴涂生產(chǎn)系統(tǒng)，以幫助廣大中小企業(yè)實現(xiàn)較好的自動噴涂功能。能夠用最簡單、經(jīng)濟的噴涂設(shè)備實現(xiàn)滿足生產(chǎn)要求的功能。

1 噴涂機結(jié)構(gòu)的設(shè)計

通用型自動噴涂機，主要由工作臺和噴槍支架兩部分組成。

工作臺包括支座、支撐臺和工作臺面板，支撐臺通過水平設(shè)置的銷軸安裝在支座上并可繞著銷軸翻轉(zhuǎn)，底座上安裝有驅(qū)動支撐臺沿銷軸擺動的驅(qū)動機構(gòu)，工作臺面板通過轉(zhuǎn)軸和軸承安裝在支撐臺上且能夠自由轉(zhuǎn)動，支撐臺安裝有驅(qū)動工作臺面板旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)。

噴槍支架包括支撐底座、支撐桿和設(shè)置在支撐底座上豎直放置的絲杠螺母機構(gòu)，支撐底座為十字滑臺，絲杠螺母機構(gòu)帶動水平設(shè)置的支撐桿上下移動，支撐桿的末端安裝有使噴槍在支撐桿所在豎直平面內(nèi)擺動的旋轉(zhuǎn)裝置。

支撐桿由前端部和后端部兩部分組成， L型轉(zhuǎn)折頭安裝在支撐桿后端部上，用于連接支撐桿前端部和后端部的銷軸設(shè)置在L型轉(zhuǎn)折頭轉(zhuǎn)角位置，支撐桿前端部在水平面內(nèi)實現(xiàn)90°旋轉(zhuǎn)，L型轉(zhuǎn)折頭兩拐臂上分別開設(shè)有插銷孔，支撐桿前端部擺動到分別與L型轉(zhuǎn)折頭兩拐臂位置重合后通過插銷固定，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1-底座;2-支座;3-第一齒輪;4-扇形齒板;5-支撐臺;6-第二齒輪;7-第三齒輪;8-工作臺面板;9-旋轉(zhuǎn)氣缸;10-支撐桿;11-上支撐板;12-滑動板;13-絲杠;14-光桿;15-下支撐板;16-第一伺服電機;17-底板;18-滑塊一;19-滑塊二

圖1 通用型自動噴涂機結(jié)構(gòu)圖

2 工作過程

進行噴涂作業(yè)時首先通過夾具將產(chǎn)品或者零件裝夾在工作臺面板上，對于普通回轉(zhuǎn)類產(chǎn)品使工作臺旋轉(zhuǎn)、傾斜以及噴槍上下移動可完成噴涂任務(wù);對于細(xì)長軸類產(chǎn)品，首先將應(yīng)將工作臺面板傾斜90°，將細(xì)長軸類產(chǎn)品安裝在夾具上，在另一端通過增加尾座進行支撐，同時噴槍支架沿垂直于底座的方向移動，調(diào)整到合適的噴涂距離并進行固定，噴涂時使噴槍沿著產(chǎn)品軸線方向移動完成噴涂任務(wù);噴涂產(chǎn)品的平面時，將產(chǎn)品固定在工作臺面板上之后，通過控制系統(tǒng)使噴槍在垂直于底座和豎直方向上移動完成噴涂任務(wù)。

3 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 控制方案設(shè)計

根據(jù)噴涂機的功能需求，本文主要以PLC為主控制器，利用以太網(wǎng)PROFINET與觸摸屏、上位機等其他設(shè)備進行通信，從而建立一個完整的控制系統(tǒng)。其主要運行過程可以概括為，傳感器或行程開關(guān)檢測噴涂機的運行狀態(tài)，將數(shù)據(jù)傳送至控制器，隨后PLC利用觸摸屏和上位機的輸入信號進行控制，將數(shù)據(jù)傳送給執(zhí)行設(shè)備，完成噴涂機的具體運行。[3]其具體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

整個控制系統(tǒng)主要由三部分組成，即PLC控制系統(tǒng)、觸摸屏系統(tǒng)和上位機系統(tǒng)。（1）PLC控制系統(tǒng)的核心是以PLC為核心的CPU控制器，利用傳感器進行信號采集，并將信號輸送給CPU，控制器對這些信號進行識別、分析和處理，然后將控制命令傳送到執(zhí)行設(shè)備，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的控制操作;（2）觸摸屏系統(tǒng)主要實現(xiàn)了人機交互功能，用戶通過觸摸屏系統(tǒng)選擇工件類型并設(shè)置相應(yīng)的參數(shù);（3）上位機系統(tǒng)主要實現(xiàn)了實時監(jiān)控的功能，該系統(tǒng)以PC機為主要設(shè)備，通過網(wǎng)絡(luò)連接訪問和獲取PLC設(shè)備中的數(shù)據(jù)，顯示到監(jiān)控設(shè)備中。

3.2 硬件設(shè)計

該系統(tǒng)中應(yīng)用到的硬件主要包括光電、接近和限位開關(guān)等信號檢測模塊、PLC控制器等控制模塊以及伺服電機等執(zhí)行模塊，下面分別介紹這些具體的硬件設(shè)備。

對于控制器，由于西門子SIMATIC S7-1200 具有模塊化設(shè)計以及可擴展的功能。作為與機器設(shè)備之間的接口，集中或分散提供了各種各樣的輸入輸出信號模塊、用于執(zhí)行特殊工藝功能（如計數(shù)）的工藝模塊以及通信模塊，故選用為本系統(tǒng)的CPU，同時考慮到需要和觸摸屏及編程器通信，所以選用有2個PROFINET以太網(wǎng)通信端口的控制器，型號為CPU1215 C DC/DC/DC。由于控制器本體的I/O接口有限，不能滿足該系統(tǒng)的需求，因此還需要配備輸出輸出模塊，根據(jù)實際情況選用SM1223 8×24V DC輸入/8×繼電器輸出。

觸摸屏作為人機交互界面，也是該系統(tǒng)的重要組成部分，選用型號為KTP 600 Basic color DP的觸摸屏。

驅(qū)動工作臺面板作連續(xù)旋轉(zhuǎn)的動力源選用三相異步電動機，并用變頻器對其進行調(diào)速，變頻器的型號為臺達(dá)VFD007EL23A。驅(qū)動滾珠絲杠及支撐臺翻轉(zhuǎn)的動力源均選用交流伺服電機，采用臺達(dá)B2/0.4KW伺服電機套裝。

在傳感器模塊中，選用直流三線NPN常開型的光電開關(guān)檢測工作臺上是否有待噴涂工件;選用直流二線常開型的接近開關(guān)，用于控制噴槍移動的行程;選用型號是LX25-111/1115的限位開關(guān)，保護滾珠絲杠的安全運行，限位開關(guān)決定機械設(shè)備運動的極限位置，當(dāng)機械設(shè)備上行程開關(guān)的觸頭碰到擋塊時，就會切斷控制電路，設(shè)備會根據(jù)控制器的命令停止運行或者改變運行方向。

3.3 軟件設(shè)計

噴涂機在工作之前要進行初始化，讓噴槍支架返回原點，根據(jù)待噴涂工件類型的不同進行模式的選擇，并且通過人機界面進行參數(shù)的設(shè)定，按下操作面板上的啟動按鈕，工作臺及噴槍支架按照設(shè)定的參數(shù)運行。[4-5]具體工作流程如圖3所示。

具體的程序編寫主要包括主程序和子程序兩部分，主程序能夠調(diào)用子程序，并對整個機構(gòu)的運行狀況進行全方位的管控。首先，需要編寫的是初始化程序，由于PLC控制器具有諸多的寄存器等記憶設(shè)備，所以系統(tǒng)在運行前必須對PLC控制器進行初始化，從而減少系統(tǒng)的故障。在初始化之后，系統(tǒng)進入自動控制的狀態(tài)。此時，系統(tǒng)程序根據(jù)觸摸屏的輸入指令執(zhí)行操作，即各種不同類型工件模式的自動選擇。[6]

4 結(jié)束語

本文首先對噴涂設(shè)備進行了分析，從我國國情出發(fā)，設(shè)計開發(fā)出了一種簡單經(jīng)濟又使用可靠的噴涂生產(chǎn)系統(tǒng)，以幫助廣大中小企業(yè)實現(xiàn)較好的自動噴涂功能。然后完成該噴涂機的結(jié)構(gòu)設(shè)計，主要包括工作臺和噴槍支架，可適用于不同類型的工件噴涂任務(wù)。最后以PLC為控制器對噴涂機的控制系統(tǒng)進行設(shè)計，包括硬件和軟件的設(shè)計。該噴涂機解決了我國中小民營企業(yè)工件噴涂作業(yè)的難題，有效地降低了人工成本，提高了工作效率和可靠性。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳月琴.某智能噴涂生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)[D].南京理工大學(xué)，2014.

[2]劉文.多噴頭漆料霧化噴涂機結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計研究[D].湘潭大學(xué)，2013.

[3]薛媛麗，張婷.基于PLC的智能車庫控制系統(tǒng)的研究[J].自動化與儀器儀表，2018，230（12）：60-63.

[4]金建軍.基于伺服電機驅(qū)動的十字滑臺PLC控制系統(tǒng)設(shè)計[J].自動化應(yīng)用，2018（2）：36-37.

[5]張小娟.基于PLC控制立體車庫的設(shè)計[J].電子設(shè)計工程，2014（12）：66-68.

[6]楊一曼.PLC控制的升降橫移式自動化立體車庫研究[J].煙臺職業(yè)學(xué)院學(xué)報，2018，78（01）：89-92.