基于PLC控制與伺服驅動的實驗涂布機的研制

王蘭軍，孫家新

（山東勞動職業技術學院 電氣自動化系，山東 濟南 250022）

1 引言

涂布技術是感光膠片生產中的重要環節，所謂涂布,是將感光乳劑以一定的厚度連續涂抹分布在運轉的支持體(片基或紙基)上的一種工藝過程。感光材料涂層結構十分復雜，有的彩色膠片的涂層數多達十幾層，而總厚度僅20μm左右。因此，在照相感光材料生產過程中,對感光乳劑涂布和干燥的要求十分嚴格，諸如涂層薄而均勻，性能一致而穩定，表面潔凈而平整，不能有各種劃傷、條道、疵點等弊病。為此，必須采用特別精密的涂布方法和裝置。天津天感數碼影像產業孵化器有限公司與山東勞動職業技術學院合作研制了這款SYTB150B實驗涂布機，該設備采用坡流擠壓涂布，設計合理，自動化程度高，與同類產品相比較在多方面實現了創新。

2 SYTB150B實驗涂布機的工藝要求和技術參數

2.1 涂布基材

材料：BOPET（滌綸片基）；片環長度：最大2500mm；片基寬度：最大180mm；片基厚度：100－175um 。

2.2 技術參數

生產車速：15－30m/min；涂布寬度：150mm；涂布輥直徑：128mm；工作臺移動距離：70mm；控制方式：PLC；重復定位精度：0.01mm；涂布輥驅動：進口交流伺服電機。

2.3 涂布工藝

（1）涂布液、水溶性或溶劑性樹脂類涂料：溶劑的主要成分為醇類、酯類以及丁酮、甲苯等，水溶性涂料的稀釋劑主要為水、醇類溶劑等；

（2）涂布方法：坡流擠壓式涂布（三層）；

（3）涂布量：乳劑層為110ml/m2，護膜層1為47m l/m2，護膜層2為24ml/m2；

（4）冷凝箱溫度：根據工藝條件確定。

2.4 公用工程條件

（1）用電為三相380V±10%、50Hz±2%，單相220V±10%、50Hz±2%；

（2）壓縮空氣的壓力為0.6MPa，露點溫度為-20℃，無水、無塵、無油；

（3）恒溫水，溫度根據工藝條件確定，經過過濾，除去藻類和粒徑大于100μm的固體顆粒物，壓力為0.1MPa。

3 系統組成與原理簡介

本實驗涂布機主要由乳液供應、涂布操作臺、冷凝箱、涂布背輥傳動、臥柱、氣動系統、調偏張緊裝置、底座等部分組成。

3.1 乳液供應

乳液供應部分主要由超聲波消泡器、計量泵、管道、閥門等組成。每套配備3個料罐，可處理3種不同的乳液。計量泵配3臺，可調速。所有與介質接觸的部位均采用耐腐蝕的優質不銹鋼材料和其他材料。

3.2 涂布操作臺

涂布操作臺示意圖如圖1所示。主要由擠壓嘴、擠壓嘴固定架、負壓箱、接水盤、涂布位置微調機構、氣缸、行程開關、直線導軌等組成。

圖1 涂布操作臺示意圖

擠壓嘴由4片經精細加工的特殊不銹鋼組成，完成3層涂布的需要。內含恒溫水套，具有穩定不變形的特點，以滿足涂層均勻的需求。擠壓嘴與水平面的角度由工藝定，現暫定為23°，與背輥中心的垂直距離為25mm。

負壓箱整體由316L不銹鋼焊接拼裝而成，由聚氟乙烯材料密封。由3G真空泵提供負壓動力。

為提高涂布的精度和穩定性，氣缸、行程開關、氣動元件均采用進口名牌元件。為便于清潔，接水盤采用不銹鋼材料制成，并設有排污口。

涂布操作臺的工作原理：在接到片環接頭信號后，氣缸動作，在程序控制下，完成快進、工進、涂布、快退的功能。

涂布位置微調機構與擠壓嘴固定架上的調節機構用于調節擠壓嘴與涂布背輥間的最佳位置。

3.3 涂布背輥傳動

涂布背輥傳動部分是涂布機的關鍵部件。主要由背輥、伺服電機、彈性聯軸器等組成。伺服電機為無級調速，功率為0.85k W，扭矩為24.4NM，背輥徑向跳動精度為0.005mm，優質碳素鋼表面鍍鉻磨光，背輥直徑為128mm。

3.4 冷凝箱

冷凝箱主要由箱體、開合氣缸、行程開關、活動風盒、密封門、測溫/測濕傳感器等組成。冷凝箱體內部材料為不銹鋼，風嘴為條形風嘴；冷凝風由室內空調通過風道提供。行程開關為保險裝置，只有當密封門閉合，行程開關動作，涂布機才能正常工作。活動風盒由同步開合氣缸控制，涂布時打開，冷凝時閉合，由程序控制。氣缸帶有磁性檢測開關，以確保動作準確到位。

冷凝箱外觀經噴塑處理，主體顏色為計算機灰（也可由用戶自定）。密封門采用不銹鋼材料，外觀經研花處理?；顒语L盒采用不銹鋼材料，外觀經拋光處理。整體效果美觀、整潔、大方。測溫傳感器（表）安裝于箱體上，探頭位于箱體內，主要用于觀察檢測箱體內風的溫度。測濕傳感器（表）安裝于箱體上，探頭位于箱體內，主要用于觀察檢測箱體內風的濕度。

3.5 調偏張緊裝置

調偏張緊裝置主要由主軸、被動輥、手動調偏機構、張緊機構等組成。

被動輥為優質碳素鋼表面鍍鉻磨光，端部裝有圓弧形紅色警示蓋，與被動輥圓滑過渡，便于穿片。被動輥本體徑向跳動精度為0.005mm，直徑為228mm。手動調偏機構主要用于片環運行過程中的跑偏，需在每次涂布前調整一次，以糾正片環制作過程中的不足。主要由手輪、刻度盤、連桿、齒輪箱等組成。

張緊機構主要用于片環運行過程中的漲緊和片環的裝卸。主要由帶磁性開關的單作用氣缸、直線導軌副（4套）、彈簧座、限位裝置等組成。

3.6 底座、臥柱

底座、臥柱均采用碳鋼組焊件，經時效處理消除內應力，然后經機械加工。底座底部配有7個減震墊，同時可調整機水平。臥柱上裝有冷凝箱、涂布背輥、調偏張緊裝置，同時裝有片環接頭檢測紅外光電開關，用于PLC信號采集；紅外光電開關的波長在膠片感光波長范圍之外（用戶提供遠紅外光感光波長范圍）。

4 電氣系統軟硬件設計

4.1 電氣部分的硬件設計

4.1.1 硬件組成

電氣部分基本采用進口器件。

（1）電氣控制部分主要由PLC可編程序控制器、MR-J2S伺服電機驅動控制器、FV0變頻控制器、磁性開關、接近開關、紅外開關元件等組成；

圖2 涂布機的電氣控制系統框圖

（2）氣動系統：壓縮機、電磁閥；

（3）負壓系統：真空泵；

（4）超聲波消泡：采用超聲波發射儀1臺；

（5）計量泵3臺：0.4k W,FV0變頻器3臺；

圖3 涂布機主電路原理圖

（6）主軸電機：采用HC-SFS81（B）交流伺服電機（MR-J2S100B伺服電機驅動控制器）。

4.1.2 電氣控制線路設計

（1）主電路設計

該實驗涂布機的電氣控制系統框圖如圖2所示，主電路如圖3所示。料泵電機采用FV0變頻控制器進行變頻調速，變頻器的輸入信號由PLC的輸出端提供。涂布輥是該設備的關鍵部件，直接關系到涂布的精度和穩定性，涂布輥采用HC-SFS81（B）交流伺服電機（MR-J2S100B伺服電機驅動控制器）進行伺服驅動。伺服電機驅動控制器的輸入信號由PLC的相應的輸出端子提供。此外，該涂布機的漲緊閥、工進閥、快進閥、快退閥以及消泡真空泵均由PLC直接控制。

圖4 伺服驅動器的接線圖

（2）涂布輥的伺服驅動

涂布輥伺服電機與伺服驅動器的連接示意圖如圖4所示，伺服驅動器的CN1B伺服端子與PLC的輸出端子之間的連接如圖5所示，伺服電機的伺服開啟、急停、正傳啟動、終端行程控制以及模擬量的速度設置均由PLC輸出端子提供信號給伺服驅動端子（CN1B）來實現。MR-J2S100B伺服電機驅動控制器具有位置控制、速度控制和轉矩控制等控制模式，該涂布機的伺服驅動采用速度控制模式，其基本參數設置如下。

NO.0=0002，控制模式為速度控制模式。

NO.1=0012，輸入濾波3555ms,使用電磁制動器互鎖信號。

NO.2=0105：自動調整模式中響應速度。

NO.8=1000：內部速度指令1設為1000r/min。（參考值，根據不同的工藝要求可以設置不同的值）

NO.11=3000：加速度時間常數3000ms。

NO.12=5000：減速度時間常數5000ms。

NO.13=0：S字加減速時間，不使用。

圖5 伺服端子與PLC的接線圖

4.2 電氣部分軟件設計

電氣控制系統采用PLC可編程序控制器?？刂瓶煽糠€定，調試簡潔、靈活?？梢酝瑫r實現手動控制和自動控制。

（1）手動控制

真空泵，超聲波消泡機，漲緊輥，工作臺，各供料泵，涂布輥都能實現手動啟/?？刂?。

（2）自動循環過程

涂布嘴系統安裝于工作臺之上，通電后，放片，人工糾偏，觸摸啟動鍵進入循環，循環的起始條件是片環門封閉，風盒門打開，工作臺位置原位，主軸電機、真空泵、3臺計量泵、消泡皆在工作狀態。循環的過程如圖6所示。按啟動，工作臺從原位進至工進起始位，讀片頭信號延時后轉為慢速工進，至工進到底時，開始涂布，再次讀出片頭信號時，延時工作臺快退回原位。伺服電機帶動片環按設定時間繼續運轉，冷凝后停機。中間循環過程中，出現緊急情況時，可拍動急停按鈕終止循環，工作臺退回原位，所有電機停機。

圖6 自動循環過程控制流程圖

5 調試

調試前需確認伺服驅動器和電機插頭的連接，相序是否正確；伺服驅動器CN2和伺服電機編碼器聯接正確，確認伺服驅動器CN1B接插件螺絲擰緊，和外部控制連接正確，接插件螺絲擰緊。該型涂布機的調試步驟如下。

（1）檢測封門位置，按SB5片環漲緊，按SB16循環啟動。

（2）涂布輥工作，工作臺快進。

（3）SQ4（工進信號）發信后快進結束，工作臺開始待位。

（4）SQ3（接頭信號）發信后渦旋風泵供料泵開始工作。

（5）當膠片接頭繞過涂布嘴后，待位結束，工作臺工進到涂布位置開始涂布（接頭不涂）。

（6）當涂布至膠片接頭前（接頭不涂），涂布結束工作臺快退至原位，同時渦旋風泵、供料泵停止工作，報警提示。

（7）膠片烘干后，涂布輥停止工作。

（8）出現緊急情況時，可拍動急停按鈕終止循環。

6 結論

該涂布機在工廠進行了單體試車,機械聯動試車及投料試車，各傳動部件要求調速范圍均正常,運轉平穩,無不正常的噪音和發熱現象。該設備在實際投入運行中，各項性能指標均達到技術要求，設備運行穩定、可靠。

［1］三菱公司.MR－J2S伺服驅動器使用說明書.

［2］史文浩，馮清化.基于VXD的交流伺服電機運動控制器的研究［J］.電氣傳動，2008，38（10）：62－64.

［3］陳立定，吳玉香.電氣控制與可編程控制器［M］.廣州：華南理工大學出版社，2000.

［4］王炳實，王蘭軍.機床電氣控制［M］.北京：機械工業出版社，2010.