基于PLC控制的自動噴涂機的設計

焦崢輝 任雪嬌 王美妍 薄文露 張小全

摘? 要：噴涂在各行各業應用廣泛，在分析現有各種噴涂設備的基礎上，依據我國中小民營企業工件噴涂作業的具體情況，設計了一種通用型噴涂機。文章首先對噴涂機的結構進行設計，在機構設計的基礎上完成控制系統的設計，該控制系統使用PLC作為控制器。所設計的噴涂機可適用于不同類型工件的噴涂任務，同時有效提高了工作效率。

關鍵詞：噴涂機;PLC;控制

中圖分類號：U468.2? ? ? ? ?文獻標志碼：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

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

1 噴涂機結構的設計

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，支撐臺通過水平設置的銷軸安裝在支座上并可繞著銷軸翻轉，底座上安裝有驅動支撐臺沿銷軸擺動的驅動機構，工作臺面板通過轉軸和軸承安裝在支撐臺上且能夠自由轉動，支撐臺安裝有驅動工作臺面板旋轉的旋轉驅動機構。

噴槍支架包括支撐底座、支撐桿和設置在支撐底座上豎直放置的絲杠螺母機構，支撐底座為十字滑臺，絲杠螺母機構帶動水平設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擺動的旋轉裝置。

支撐桿由前端部和后端部兩部分組成， L型轉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置在L型轉折頭轉角位置，支撐桿前端部在水平面內實現90°旋轉，L型轉折頭兩拐臂上分別開設有插銷孔，支撐桿前端部擺動到分別與L型轉折頭兩拐臂位置重合后通過插銷固定，其結構如圖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構圖

2 工作過程

進行噴涂作業時首先通過夾具將產品或者零件裝夾在工作臺面板上，對于普通回轉類產品使工作臺旋轉、傾斜以及噴槍上下移動可完成噴涂任務;對于細長軸類產品，首先將應將工作臺面板傾斜90°，將細長軸類產品安裝在夾具上，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，調整到合適的噴涂距離并進行固定，噴涂時使噴槍沿著產品軸線方向移動完成噴涂任務;噴涂產品的平面時，將產品固定在工作臺面板上之后，通過控制系統使噴槍在垂直于底座和豎直方向上移動完成噴涂任務。

3 電氣控制系統設計

3.1 控制方案設計

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

整個控制系統主要由三部分組成，即PLC控制系統、觸摸屏系統和上位機系統。（1）PLC控制系統的核心是以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行設備，從而實現系統的控制操作;（2）觸摸屏系統主要實現了人機交互功能，用戶通過觸摸屏系統選擇工件類型并設置相應的參數;（3）上位機系統主要實現了實時監控的功能，該系統以PC機為主要設備，通過網絡連接訪問和獲取PLC設備中的數據，顯示到監控設備中。

3.2 硬件設計

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

對于控制器，由于西門子SIMATIC S7-1200 具有模塊化設計以及可擴展的功能。作為與機器設備之間的接口，集中或分散提供了各種各樣的輸入輸出信號模塊、用于執行特殊工藝功能（如計數）的工藝模塊以及通信模塊，故選用為本系統的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，不能滿足該系統的需求，因此還需要配備輸出輸出模塊，根據實際情況選用SM1223 8×24V DC輸入/8×繼電器輸出。

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

驅動工作臺面板作連續旋轉的動力源選用三相異步電動機，并用變頻器對其進行調速，變頻器的型號為臺達VFD007EL23A。驅動滾珠絲杠及支撐臺翻轉的動力源均選用交流伺服電機，采用臺達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，用于控制噴槍移動的行程;選用型號是LX25-111/1115的限位開關，保護滾珠絲杠的安全運行，限位開關決定機械設備運動的極限位置，當機械設備上行程開關的觸頭碰到擋塊時，就會切斷控制電路，設備會根據控制器的命令停止運行或者改變運行方向。

3.3 軟件設計

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的設定，按下操作面板上的啟動按鈕，工作臺及噴槍支架按照設定的參數運行。[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，主程序能夠調用子程序，并對整個機構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備，所以系統在運行前必須對PLC控制器進行初始化，從而減少系統的故障。在初始化之后，系統進入自動控制的狀態。此時，系統程序根據觸摸屏的輸入指令執行操作，即各種不同類型工件模式的自動選擇。[6]

4 結束語

本文首先對噴涂設備進行了分析，從我國國情出發，設計開發出了一種簡單經濟又使用可靠的噴涂生產系統，以幫助廣大中小企業實現較好的自動噴涂功能。然后完成該噴涂機的結構設計，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。最后以PLC為控制器對噴涂機的控制系統進行設計，包括硬件和軟件的設計。該噴涂機解決了我國中小民營企業工件噴涂作業的難題，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：

[1]吳月琴.某智能噴涂生產系統的設計與開發[D].南京理工大學，2014.

[2]劉文.多噴頭漆料霧化噴涂機結構創新設計研究[D].湘潭大學，2013.

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

[4]金建軍.基于伺服電機驅動的十字滑臺PLC控制系統設計[J].自動化應用，2018（2）：36-37.

[5]張小娟.基于PLC控制立體車庫的設計[J].電子設計工程，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].煙臺職業學院學報，2018，78（01）：89-92.