智能離子熱噴涂生產系統設計

謝建云，高峰磊

（中山市川上智能設備有限公司，廣東 中山 528400）

本公司的某客戶需要使用離子熱噴涂技術對某工件進行離子熱噴處理，要求的工藝是首先對工件進行噴砂處理，然后再進行離子熱噴涂處理。客戶原來的加工方法是使用簡易電機帶動工件進行噴砂后再進行離子熱噴涂處理，但這種方法存在很多缺點：①加工效率低，30分鐘才能加工一個工件；②噴砂作業時砂塵很大，而且工件是不規則的型狀，不能對其表面完整處理；③離子熱噴涂機工作時也會產生高溫、高噪音、電磁干擾等問題，作業員工無法長期承受在這種環境下作業。應客戶要求為客戶開發全自動智能噴砂噴涂設備，以解決客戶該問題。

1 整體解決方案

1.1 機械方案

圖1 設備方案俯視圖

設備方案如圖1所示：分為旋轉噴涂機、機器人（EPSON）、噴砂機、上料機構。加工流程是：①上料機構對工件進行自動上料；②機器人從上料機構處夾工件；③夾好工件后把工件插入到噴砂機內，噴砂機啟動進行噴砂；④噴砂完成后，機器人從噴砂機取料并插到噴涂機；⑤噴涂機進行旋轉噴涂；⑥噴涂完畢后機器人把成品放入成品架。

1.2 電氣控制方案

旋轉噴涂機、機器人、噴砂機均有獨立的控制器，為了使其聯動本套生產設備使用RS485總線按自由協議進行通訊，電氣控制如下圖2所示。

圖2 電氣控制圖

2 旋轉噴涂機

2.1 旋轉噴涂機機械結構

本旋轉噴涂機是為客戶專門設計的，因為使用環境惡劣，本機沒有采用常規下置式工位結構，而是采用工位倒裝式的結構，這樣可以避免砂塵的積聚，這也是本機的機械設計特色之一。

本機分為5個工位，使用臺達B2系列750W伺服電機通過同步帶輪帶動，經實測工位的重復定位精度可以達到0.05mm以內，速度和定位精度都可以滿足要求。

離子熱噴涂槍通過步進電機和同步帶模組進行帶動，離子熱噴涂槍的行程、速度等均在HMI上開放給客戶自由設定。為了讓工件噴涂時旋轉，各個工位均安裝三相電機，速度由變頻器進行VVVF控制。此外旋轉噴涂機還包括上料機構，該上料機構以氣缸為動力，配合連桿結構可以實現穩定的工件供給，不會發生卡料或多料的現象，配合光電傳感器，當工件使用完畢后會及時以蜂鳴的方式通知員工補充工件。

2.2 旋轉噴涂電氣結構

采用三菱FX3U PLC作為控制單元，該PLC提供三軸的高速脈沖輸出，可滿足本設備的控制要求，程序架構分為錯誤處理模塊、自動控制模塊、手動控制模式、通訊模塊，其中自動控制模塊由SFC語言根據動作順序進行編程，程序結構圖如圖3所示。

圖3 旋轉噴涂機程序結構圖

3 噴砂機

目前市售的噴砂機并不適合于該工件的噴砂作業，為此我們重新設計了一套旋轉噴砂一體機，其工件夾持機構為可旋轉式，另一側由步進電機帶動真空噴砂槍上下運動，通過HMI可設置其轉速及位置等參數。控制系統使用臺達DVP32MT對步進電機及氣缸等進行控制，PLC采用SFC語言進行編寫，部分SFC程序如圖4所示。

4 機器人

經過計算選型，本套生產設備采用EPSON 6軸機器人，該款機器人重復精度可達0.04mm，編程指令豐富，性價比高。此外我們為機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行夾取。程序設計采用SPEL+語言，程序分為5個模塊，分別是取原料模塊、噴砂機取料插料模塊、旋轉噴涂機取料插料模塊、成品放置模塊、通訊模塊，與設備相關的動作銜接由通訊模塊進行數據交換來執行和完成。如圖5所示為部分程序結構及部分SPEL+程序。

圖4 噴砂機部分SFC程序

圖5 部分程序結構示意圖

5 通訊

為了減少現場接線工作量，節省I/O點數、方便修改程序，本套系統采用RS485總線的進行通訊，由于EPSON機器人僅帶有RS232接口不支持RS485接口，所以還需配RS232-RS485的轉換器進行轉換，三菱FX3U不直接支持通訊功能，所以外加485BD擴展模塊，臺達EH3系列PLC自帶RS485接口，不需要額外增加硬件。

由于EPSON機器人和三菱485BD模塊都不支持MODBUS等現成的協議，所以本設備采用自由協議進行通訊。三方的通訊格式參數均為9600bps，8，E，1，使用主-從輪詢的通訊機制，三菱 FX3U 被定義為主機其它為從機，采用CRC16的算法進行校驗。

圖6 部分PLC通訊梯形圖

此外為了當其中某一設備出現問題時可以被其它設備感應到，本自由協議參考CANOPEN協議的做法，加入心跳信號檢測，即各臺設備在短時間內不斷更新數據，只要主機檢測到從機有數據更數則說明從機的工作是正常的，若檢測到數據在規定時間內沒有更新，則說明該設備出錯，從而轉入錯誤處理程序模塊進行處理。

報文格式：地址碼+功能碼+數據區+CRC16校驗。

6 結論

本套設備提供一種實用及低成本的全自動化離子熱噴涂生產設備組，實際運行表明該套設備性能穩定，產量可達60PCS/H，與原來相比提高了30倍，原來需要兩名員工配合作業，現在基本實現無人自動化作業。該套設備組已運行了一年，為客戶產生了較大的經濟效益，且本設備組本公司亦已申請了發明專利。

[1]中達電通股份有限公司.DVP-PLC應用技術手冊[M].中達電通股份有限公司，2012：10-300.

[2]愛普生(中國)有限公司.SPEL+語言參考[M].愛普生(中國)有限公司，2015：50-100.

[3]周立功，黃曉清，嚴寒亮.現場總線CANOPEN設計與應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2013：100-180.

[4]三菱電機.FX3U系列微型可編程控制器用戶手冊 [定位控制篇][M].三菱電機，2005：30-150.