基于PLC的自動(dòng)噴砂裝置設(shè)計(jì)與應(yīng)用

薛瀅蕾 劉夢(mèng)佳 牛炳鶴 王子騰

（華北水利水電大學(xué)機(jī)械學(xué)院，河南 鄭州 450045）

0 引言

近年來，多種輕量化材料的混合粘接發(fā)展迅速。粘接技術(shù)具有應(yīng)力分布均勻、承載能力強(qiáng)、電化學(xué)腐蝕小、對(duì)連接材料無損傷、耐疲勞等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、軌道車輛等領(lǐng)域［1］。粘接技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高速列車輕量化的關(guān)鍵技術(shù)之一，粘接技術(shù)在高鐵上的應(yīng)用如圖1 所示。在使用過程中，粘接結(jié)構(gòu)易受環(huán)境影響，如高溫、高濕環(huán)境會(huì)導(dǎo)致粘接結(jié)構(gòu)過早失效，對(duì)車輛安全運(yùn)行造成一定威脅［2］。粘接基體表面的處理方式是影響粘接接頭性能的重要因素之一。

圖1 粘接技術(shù)在高鐵上的應(yīng)用

噴砂處理是一種常用的表面處理方法，因其操作簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)性好、適用范圍廣而受到國(guó)內(nèi)外研究人員的青睞［3］。噴砂處理一般是用噴砂機(jī)來實(shí)現(xiàn)的，噴砂機(jī)是一種借助壓縮空氣動(dòng)力，將磨料噴射到工件表面的一種機(jī)械設(shè)備。將磨料以高速噴射到被處理的工件表面，對(duì)其進(jìn)行沖擊研磨，使工件表面形狀或整體形狀發(fā)生變化。磨料對(duì)工件表面產(chǎn)生沖擊和切削作用，工件表面獲得一定的清潔度和不同的粗糙度，使工件表面的機(jī)械性能得到改善，增加其與涂層的附著力，延長(zhǎng)涂膜的耐久性，有利于涂料的流平和裝飾［4］。處理前后的鋁合金表面形貌如圖2 所示，經(jīng)噴砂處理的鋁合金片表面明顯出現(xiàn)不規(guī)則的凹槽，這是砂粒對(duì)表面沖擊而形成的。

圖2 鋁合金的表面形貌

目前，大多數(shù)實(shí)驗(yàn)室所用的噴砂機(jī)為小型箱體式手動(dòng)噴砂機(jī)，即人工操作一把噴槍，操作人員左手拿工件，右手拿噴槍，對(duì)著要噴砂的工件部位進(jìn)行處理。此類噴砂機(jī)占地面積較小、操作簡(jiǎn)便，可用于去除殘?jiān)?、工件翻新等。但這種噴砂機(jī)的工作效率較低，工件所受噴砂處理不均勻，并不適用于對(duì)噴砂工藝的深度研究。目前，已有的自動(dòng)化噴砂機(jī)可分為四類，即輸送式自動(dòng)噴砂機(jī)、轉(zhuǎn)盤式自動(dòng)噴砂機(jī)、滾籃式自動(dòng)噴砂機(jī)、履帶式自動(dòng)噴砂機(jī)。自動(dòng)化噴砂機(jī)通過履帶帶動(dòng)待噴工件移動(dòng)，磨料對(duì)工件表面進(jìn)行沖擊和切削，使工件的表面獲得一定清潔度和不同粗糙度［5］。盡管自動(dòng)化噴砂機(jī)在某種程度上實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化噴砂，但其噴砂效果充滿不確定性，僅適用于清潔表面等簡(jiǎn)單用途，且此類噴砂機(jī)造價(jià)高昂，并不適用于高校實(shí)驗(yàn)室和研究所等。為降低人工勞動(dòng)成本、增加表面處理質(zhì)量、滿足實(shí)驗(yàn)室噴砂工藝需求，對(duì)小型廉價(jià)自動(dòng)噴砂機(jī)的研制刻不容緩。

1 自動(dòng)噴砂裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

噴砂機(jī)是處理工件表面的設(shè)備，為滿足實(shí)驗(yàn)室噴砂工藝需求、降低人工勞動(dòng)成本、增加表面處理質(zhì)量，基于小型箱體式噴砂機(jī)，設(shè)計(jì)出一款自動(dòng)噴砂裝置，整體結(jié)構(gòu)示意如圖3 所示，包括機(jī)箱、噴砂執(zhí)行裝置、PLC控制器、固定工件夾具和開關(guān)按鈕。

圖3 自動(dòng)噴砂裝置整體結(jié)構(gòu)示意

為滿足實(shí)驗(yàn)室對(duì)不同類型工件噴砂工藝研究的需求，設(shè)計(jì)兩組固定待噴工件的夾具，如圖4 所示。其中，a組為搭接工件固定夾具，在鋁合金導(dǎo)軌側(cè)部開出凹槽，用于放置待處理片狀工件，上部開出螺紋孔，配合特制螺栓，使工件在接受噴砂時(shí)位置保持穩(wěn)定；b組為對(duì)接工件固定夾具，在鋁合金導(dǎo)軌上側(cè)開出凹槽，用于放置待處理長(zhǎng)方體狀工件。上述兩導(dǎo)軌左右兩端皆開有螺紋孔，搭配螺栓，使鋁合金導(dǎo)軌與噴砂機(jī)箱緊緊相連，保證噴砂過程能穩(wěn)定進(jìn)行。

圖4 待噴工件固定夾具

自動(dòng)噴砂裝置核心噴砂執(zhí)行機(jī)構(gòu)如圖5 所示。該噴砂執(zhí)行裝置由單線滑臺(tái)、噴頭支架、噴砂槍頭、步進(jìn)電機(jī)、接近開關(guān)和固定夾具組成。單線滑臺(tái)固定于機(jī)箱內(nèi)部上側(cè)，噴砂槍頭與單線滑臺(tái)用噴頭支架相連，步進(jìn)電機(jī)安裝于單線滑臺(tái)左側(cè)，接近開關(guān)安裝于單線滑臺(tái)兩側(cè)，固定夾具安置在噴砂槍頭下方。通過單線滑臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)來帶動(dòng)噴砂槍頭執(zhí)行噴砂功能。

圖5 噴砂執(zhí)行裝置

噴砂參數(shù)調(diào)整示意如圖6 所示，噴頭支架與噴砂槍頭之間采用螺栓連接，有需要的時(shí)候可松動(dòng)螺栓，從而調(diào)整噴砂槍頭相對(duì)待噴工件的角度。由圖6（b）可知，單線滑臺(tái)在與機(jī)箱相連的同時(shí)，其后部開有矩形空心滑道，可實(shí)現(xiàn)單線滑臺(tái)相對(duì)工件進(jìn)行上下移動(dòng)來調(diào)整噴砂距離。此類設(shè)計(jì)主要針對(duì)實(shí)驗(yàn)室研究人員探討噴砂距離和噴砂角度等因素對(duì)材料黏接性能的影響。

圖6 噴砂參數(shù)調(diào)整示意

1.2 自動(dòng)噴砂裝置工作原理

當(dāng)自動(dòng)噴砂裝置正常運(yùn)行時(shí)，PLC 控制器用于發(fā)出指令，控制整個(gè)噴砂運(yùn)行過程。傳感器用于檢測(cè)噴砂槍頭距單線滑臺(tái)的邊緣距離，PLC 控制器基于傳感器反饋信號(hào)來確定是否控制單線滑臺(tái)轉(zhuǎn)向，開關(guān)按鈕用于系統(tǒng)的啟動(dòng)和關(guān)閉。單線滑臺(tái)用于協(xié)助噴砂槍頭左右移動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)用于單線滑臺(tái)供能，噴砂槍頭上端連著輸砂管道，用于砂粒輸送和砂粒輸出。

2 控制系統(tǒng)組成及其工作原理

2.1 控制系統(tǒng)硬件選型

自動(dòng)噴砂裝置信號(hào)的采集和控制指令的發(fā)出是通過控制系統(tǒng)硬件來實(shí)現(xiàn)的。因此，硬件系統(tǒng)的優(yōu)劣將直接影響自動(dòng)噴砂裝置的性能。在確定自動(dòng)噴砂裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路的基礎(chǔ)上，根據(jù)項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求，對(duì)PLC 控制系統(tǒng)硬件及各部分進(jìn)行選型設(shè)計(jì)。

2.1.1 數(shù)字量和模擬量點(diǎn)數(shù)估算。自動(dòng)噴砂裝置的信號(hào)點(diǎn)數(shù)要對(duì)控制參數(shù)類別和數(shù)目有明確的了解，才能對(duì)系統(tǒng)硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)。

①設(shè)備明細(xì)。根據(jù)要求，需要安裝1 個(gè)步進(jìn)電機(jī)、1個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、2個(gè)接近開關(guān)、4個(gè)按鈕。

②I∕O 點(diǎn)數(shù)估算。數(shù)字量信號(hào)包括輸入和輸出兩部分，輸入數(shù)字量信號(hào)主要用于接收設(shè)備的反饋信號(hào)，如啟動(dòng)按鈕、停止按鈕等，輸出信號(hào)主要用于控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的脈沖輸出、使能輸出、方向輸出等。模擬量信號(hào)同樣包括輸入、輸出兩部分，作用與數(shù)字量相同，只是傳遞信號(hào)的方式不同。自動(dòng)噴砂裝置數(shù)字量和模擬量的點(diǎn)數(shù)估算見表1。

表1 自動(dòng)噴砂裝置控制點(diǎn)數(shù)

在計(jì)算完系統(tǒng)需要的數(shù)字量及模擬量數(shù)目后，要附加一定的余量，一般取20%，便于后續(xù)改造或升級(jí)。

2.1.2 主要硬件模塊選型。在系統(tǒng)所要控制的數(shù)字量和模擬量點(diǎn)數(shù)確定后，可對(duì)控制器、電源模塊等相關(guān)硬件進(jìn)行選型。各部分選型如下。

①控制器選型。隨著PLC 技術(shù)的推廣普及，PLC 產(chǎn)品的種類越來越多，功能也日趨完善。相對(duì)于單片機(jī)，PLC 具有使用方式簡(jiǎn)單、開發(fā)周期短、可靠性更高等優(yōu)點(diǎn)。目前，國(guó)外生產(chǎn)PLC 產(chǎn)品的廠家有美國(guó)的通用公司和Allen-Bradley 公司、德國(guó)的施耐德和西門子公司、日本的三菱和歐姆龍等。國(guó)內(nèi)自行研發(fā)PLC 產(chǎn)品的有北京西姆宏、中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所（PLC-0088）等。

由于PLC產(chǎn)品眾多，結(jié)構(gòu)形式、性能、指令系統(tǒng)、編程方法和價(jià)格各異。因此，合理選擇PLC 型號(hào)對(duì)控制系統(tǒng)的可靠性起著關(guān)鍵作用。在滿足功能要求的前提下，可選擇可靠性高、維護(hù)使用方便及性價(jià)比高的最優(yōu)化機(jī)型。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、實(shí)現(xiàn)功能、處理速度及技術(shù)支持這4個(gè)條件對(duì)型號(hào)進(jìn)行選擇。

綜上所述，本研究選擇西門子公司的1200 系列產(chǎn)品的PLC。S7-1200 系列PLC 是西門子公司的小型模塊化產(chǎn)品之一，能滿足本系統(tǒng)的控制要求，性價(jià)比和可靠性是同類產(chǎn)品中較高的。該系列PLC 的CPU 處理速度較快、I∕O 擴(kuò)展能力強(qiáng)，非常方便用戶進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，S7-1200 系列PLC 具有循環(huán)周期短、處理速度高、指令集功能強(qiáng)大、可用于復(fù)雜功能、產(chǎn)品設(shè)計(jì)緊湊、可用于空間有限的場(chǎng)合、模塊化結(jié)構(gòu)、適合密集安裝等優(yōu)點(diǎn)。

最終，確定選用S7-1200 系列PLC 中的CPU1215C AC∕DC∕RLY，選用帶網(wǎng)絡(luò)口的，以方便后續(xù)的升級(jí)維護(hù)及組網(wǎng)。

②開關(guān)電源。開關(guān)電源為整個(gè)系統(tǒng)提供電源，必須保證其安全可靠。選用明緯開關(guān)電源生產(chǎn)的RT-125D開關(guān)電源，其具有∕過負(fù)載∕過電壓、自然風(fēng)冷、LED電源指示、100%滿載老化、能承受300 VAC浪涌輸入5 s等性能，其工作溫度高達(dá)70 ℃，能承受5 G振動(dòng)測(cè)試。同時(shí)，具有高效率、長(zhǎng)壽命和高信賴度等優(yōu)點(diǎn)。

③步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器。本研究選用的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為北京時(shí)代超群公司生產(chǎn)的57 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，其為兩相四線大扭矩低噪聲步進(jìn)電機(jī)。按照該步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的銘牌標(biāo)志，固定步距角為1.8°、相電流為3 A、電阻阻值為0.6 Ω。該步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的相電感為4.5 mH、機(jī)身長(zhǎng)為56 mm，驅(qū)動(dòng)型號(hào)為ZD-2HD542，該驅(qū)動(dòng)器接口采用超高速光耦隔離，抗高頻干擾能力強(qiáng)，16 種不同細(xì)分任意切換，自動(dòng)半流鎖定，8 擋電流可調(diào)，支持脫機(jī)、使能、鎖定等功能，過壓、欠壓、過流保護(hù)，適合自動(dòng)噴砂使用。

2.1.3 PLC 控制系統(tǒng)接線原理。自動(dòng)噴砂系統(tǒng)以開關(guān)電源為供電源，PLC 的數(shù)字量輸入點(diǎn)分別啟動(dòng)按鈕和停止按鈕開關(guān)、編碼器等，PLC 的數(shù)字量輸出點(diǎn)分別接步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和接近開關(guān)，如圖7 所示。模擬量輸入點(diǎn)有撥碼開關(guān)，選用模擬量為電壓信號(hào)0～10 V，采用電動(dòng)電位計(jì)進(jìn)行接入，具體接線原理如圖7所示。

圖7 控制系統(tǒng)接線原理

自動(dòng)控制系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵核心，擔(dān)負(fù)著對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制和協(xié)調(diào)的任務(wù)，通過自動(dòng)噴砂裝置控制系統(tǒng)對(duì)步進(jìn)電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、編碼器、接近開關(guān)等進(jìn)行控制。控制柜內(nèi)部電氣元件由四大部分組成，即電源部件、西門子1200 PLC模塊、繼電器組、端子排。PLC 柜內(nèi)的組件布局要考慮到電器元件的尺寸、電氣間隙、元器件發(fā)熱等因素。

2.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)軟件功能主要包括自動(dòng)噴砂裝置信號(hào)采集、數(shù)據(jù)處理、輸出控制命令等。結(jié)合具體功能要求，采用TIA Portal V18 編程軟件，設(shè)計(jì)了PLC控制系統(tǒng)程序。程序設(shè)計(jì)是控制系統(tǒng)的主要部分，各部分作用如下。

2.2.1 噴砂槍頭位移傳感器信號(hào)檢測(cè)與量程轉(zhuǎn)換程序。把接收到的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成噴砂槍頭距機(jī)箱邊緣距離，并與控制系統(tǒng)設(shè)定值比較，判斷是否要控制單線滑臺(tái)轉(zhuǎn)向。

2.2.2 動(dòng)作執(zhí)行程序。若噴砂槍頭靠近機(jī)箱邊緣，立即調(diào)整單線滑臺(tái)轉(zhuǎn)向，從而使噴砂槍頭反向作用。

2.2.3 報(bào)警系統(tǒng)。若出現(xiàn)砂粒堵塞、噴砂槍頭無法轉(zhuǎn)向等問題，發(fā)出警告，提示工作人員進(jìn)行維護(hù)。自動(dòng)噴砂裝置工作步驟如圖8所示。

圖8 自動(dòng)噴砂裝置工作步驟

3 使用效果評(píng)價(jià)

本研究分別對(duì)6061 鋁合金進(jìn)行不同的表面處理，以驗(yàn)證自動(dòng)噴砂裝置的實(shí)用性，表面處理結(jié)果如圖9 所示。采用800 目砂紙研磨時(shí)，鋁合金表面整體較平整，原表面劃痕被消除，基本達(dá)到拋光效果。采用100 目砂紙研磨時(shí)，鋁合金表面粗糙度明顯增強(qiáng)，表面出現(xiàn)大量不規(guī)則劃痕，整體表現(xiàn)較差。采用噴砂處理時(shí)，鋁合金表面無明顯劃痕，表面更為細(xì)致，出現(xiàn)均勻且致密的表面形貌，且金屬光澤更為明顯。

圖9 6061鋁合金表面處理

由于表面粗糙度對(duì)黏接性能的影響存在一個(gè)最優(yōu)范圍，較低的表面粗糙度使膠黏劑在金屬表面無法完全鋪展，降低金屬界面與膠黏劑的黏接強(qiáng)度，過高的表面粗糙度會(huì)使金屬表面出現(xiàn)大量不規(guī)則凹坑，黏接時(shí)，膠黏劑與金屬界面中存在氣泡，影響膠黏劑與金屬的結(jié)合面積。綜上所述，噴砂處理所得的表面形貌符合機(jī)械連鎖理論，更有利于提高黏接性能，表明自動(dòng)噴砂裝置效果較優(yōu)。

4 結(jié)語

本研究基于實(shí)驗(yàn)室所用小型箱體式噴砂機(jī)，以S7-1200 PLC 為核心，設(shè)計(jì)了自動(dòng)噴砂裝置控制系統(tǒng)。通過分析自動(dòng)噴砂裝置控制系統(tǒng)的組成及工作原理，對(duì)自動(dòng)噴砂裝置控制系統(tǒng)硬件進(jìn)行選型，主要包括噴砂執(zhí)行裝置、傳感器、PLC 控制器等，并給出PLC 控制系統(tǒng)的接線原理。對(duì)自動(dòng)噴砂裝置控制系統(tǒng)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，并給出軟件設(shè)計(jì)流程，完成對(duì)自動(dòng)噴砂過程信號(hào)的采集、處理，并發(fā)出指令，保證自動(dòng)噴砂裝置的穩(wěn)定性和可靠性。對(duì)自動(dòng)噴砂裝置的實(shí)用性進(jìn)行檢測(cè)，驗(yàn)證自動(dòng)噴砂裝置處理效果的優(yōu)越性和存在的必要性。