陶瓷噴釉控制系統及其設計研究

田麗欣

摘 要：陶瓷噴釉是瓷器生產中的一個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格，其直接影響著瓷器產品質量的好壞。以歐姆龍CP1H系列PLC為瓷器噴釉控制系統的核心控制器，控制噴釉機噴槍升降軸和承坯臺旋轉軸伺服電機的運動從而實現對兩軸的動作精確控制，達到釉料均勻噴涂，以歐姆龍NB7W-TW00B觸摸屏作為系統HMI，實現友好的人機交互。該控制系統可用于圓形瓷器產品生產線的釉料噴涂工藝中，實現噴釉自動化，可大幅度提高瓷器產品的生產效率和生產質量。

關鍵詞：陶瓷；噴釉；PLC；控制系統

中圖分類號：TB 文獻標識碼：A doi：10.19311/j.cnki.16723198.2019.33.108

1 引言

在陶瓷的生產過程中，施釉是極其重要的一個環節，噴釉法施釉的特點是釉層厚度比較均勻，易于控制，有利于實現機械化和自動化。這種方法適用于大型、薄壁以及形狀復雜的坯體，特別是對于薄壁小件易碎的生坯更為合適。傳統手工噴釉工人作業環境惡劣，勞動強度大，噴釉質量波動大，且容易造成釉漿的損失等。為解決人工噴釉弊端，自動噴釉系統成為發展趨勢。自動噴釉系統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，而且可以提高系統的通用性，具有較高的推廣價值。利用機器人噴釉可以提高釉面品質，從而滿足高品質成品的要求。本文設計了陶瓷噴釉自動控制系統，采用可編程控制器PLC作為核心控制單元，通過PLC控制承坯臺的轉動和實現對噴槍的運動控制，從而實現對噴釉生產線陶瓷器件的自動噴涂，噴釉質量高，且可用于批量化成產，工作系統具有很高的可靠性和穩定性。

2 控制系統硬件設計

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

本設計采用可編程序控制器PLC作為陶瓷噴釉系統的控制核心。采用觸摸屏作為人機交互界面，輸入工作模式選擇、工作參數以及操作指令等給下位機PLC，并顯示相關運行參數和數據等。由PLC根據不同待加工陶瓷器件的要求發出一定頻率和數量的脈沖信號給伺服電機驅動器控制噴槍的行程和運動速度，同時在PLC的控制下承坯臺以一定的脈沖數和脈沖頻率旋轉運動，通過噴槍和承坯臺的聯合運動從而實現釉料的均勻噴涂。采用位置檢測傳感器限定噴槍的最大運動行程，并設定噴槍升降軸原點參數。本系統具有自動控制和手動控制兩種控制方式，可以實現陶瓷自動噴釉和手動操作，陶瓷噴釉控制系統硬件結構圖如圖1所示。

3 噴釉控制系統軟件設計

PLC作為噴釉控制系統的核心，主要實現手動控制和自動控制。手動控制方式可實現對承坯臺和噴槍等各個軸的單獨控制，可用于系統調試期間檢測各個設備是否能夠正常運行、設備檢修以及進行運動工作參數的設置等，主要包括噴槍上升、噴槍下降、承坯臺旋轉+、承坯臺旋轉-和噴槍開關等操作功能。自動控制主要實現對生產線陶瓷半成品的自動噴釉功能。在陶瓷噴釉控制程序設計前，需要對系統的基礎參數進行設置，以使系統達到最高的工作效率，完成對陶瓷噴釉程序的精確控制。

3.1 系統的基礎參數配置

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為伺服電機旋轉速度[rev/min]。

可得出伺服電機旋轉速度約為183 r/m。由此可見與伺服電機的額定轉速3000 r/m相比，不能達到伺服電機的額定工作轉速，從而造成電機的工作效率低下。此時需要設置伺服驅動器的電子齒輪比參數，使其能在額定轉速下工作。

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

通過以上的設置，可使伺服電機在上位機于200KHz的頻率控制下達到額定轉速，從而滿足噴釉控制系統對伺服電機的高效率的工作要求。

對于噴槍的原點與軟限位的設置，在設置工作位置前，需要先設置噴槍的機械原點，然后設置噴槍的軟限位，并統一記錄于PLC的內存中，用于規定實際工作的基準與行程限制。

3.2 自動控制方式

系統上電后，進入待機狀態，編輯噴槍工作位置和速度并存儲工作參數。進入自動模式時，噴槍先自動返回原點，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，噴槍自動下降到陶瓷器件噴釉加工位的預定位置H，噴槍打開同時并移動到預定位置L，根據設定位置參數噴槍完成噴釉，噴釉完成后噴槍關閉并上升返回原點位置，拾取裝置將陶瓷器件取走，等待下一待噴釉器件到位繼續下一周期工作。自動模式下的噴釉工作可以根據待加工不同陶瓷器件的大小高低設置噴釉位置和速度，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設置

為能夠適用于對不同陶瓷器件進行噴釉，例如對碗、盤、杯子以及瓷瓶等各種瓷器，該控制系統在觸摸屏人機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動速度進行設置，包括工作高度H（mm）、工作高度L（mm）和運動速度（mm/min）、旋轉速度（r/min）噴涂時間（s）等幾個參數的設置，根據不同類型陶瓷器件的工作高度H和工作高度L計算出噴槍的開始施釉位置和結束位置，在預定速度下通過噴槍運動和承坯臺的聯合旋轉運動最終實現釉料的均勻噴涂。

4 結論

該陶瓷噴釉控制系統采用可編程控制器PLC作為核心控制器結合伺服系統，運用噴釉的方式可實現對陶瓷器件進行均勻施釉，系統的抗干擾能力強、穩定性高。可根據待加工陶瓷器件的大小和高低設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，實用性強。系統采用觸摸屏完成人機交互，人機界面設計友好，交互性強，實現了控制模式選擇以及各種運行參數輸入，并能顯示噴槍升降軸和圓臺旋轉軸的位置和運行速度等現場數據。在陶瓷生產中應用該自動噴釉控制系統能大大提高自動化程度，實現批量化生產，且使釉料噴涂均勻，最大程度的提高產品質量，降低生產成本。

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