基于PLC的自動化定量涂膠系統設計與實現

中圖分類號：TQ639.3;TH122 文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2025）10-0070-04

Design and implementation of automatic quantitative coating systembasedonPLC

HE Xiaoqiong，WANG Xiaokang， ZHOU Jun （China State Shipbuilding Changjiang Technology Co.，Ltd.，Chongqing 4041Oo，China）

Abstract：Aiming at the demand of high precision and automatic coating process in automobile，new energy，3C electronics and other industries，aquantitativecoating systembasedon programmable logic controllr（PLC））is designed and developed.The system consists of a quantitative coating machine and a quantitative coating control system.The mechanical part adopts a precision measuring mechanism of roller screw driven by servo motor，which integrates pressure sensing，temperature control and position detection units. Based on PLC，the quantitative coating control systemrealizes thecoordinated managementof servo motioncontrol，temperature control，multi-sensorcommunication and human-computer interaction.A gluecontrol algorithm based onreal-time feedback of robot speed is proposed to realize the adaptive matching of glueflow and trajectory speed.An experimental platform including a six-axis robot was built，and the gluecoating experimentsof diamond，Z-shaped，S-shaped and other trajectories were carried out.The results show that the system has stable glue output and uniform glue shape，which can ffectively support the automatic glue coating operation of complex trajectories and has good engineering application prospects.

Key words： quantitative glue application; PLC control;servo drive;glue type control

汽車制造、新能源電池、光伏組件及3C電子等高端制造業對生產過程的高效性、智能化和無人化提出了更高要求，涂膠作為產品封裝、粘接、密封、導熱等關鍵工藝環節，其質量直接影響到產品的可靠性、安全性與使用壽命。傳統的手工或半自動涂膠方式存在膠料浪費大、膠型一致性差、效率低下等問題，難以滿足現代工業對高精度、高效率涂膠的需求[1-3]。

精密定量涂膠技術是實現自動化涂膠的核心，其關鍵在于如何實現對高黏度流體材料的精確計量、穩定輸送和按軌跡精確涂覆。目前的研究多集中于涂膠閥本身的改進或機器人路徑規劃，而對于將精密機械結構、多參數閉環控制與機器人運動深度耦合的集成化系統研究相對較少。特別是面對不同形狀的膠型要求，如何通過精確控制出膠流量與機器人移動速度的實時匹配，成為技術難點[4]

針對上述問題，開發了一套集成化的定量涂膠系統。系統以PLC為控制核心，結合伺服電機驅動的定量缸機構，通過膠型控制算法，實現了出膠量與機器人運動速度的協同控制[57]。本文將從系統機械結構設計、控制系統開發以及實驗驗證三個方面展開論述該系統的有效性和實用性。

1自動化定量涂膠機機械結構設計

定量涂膠機是系統的執行終端，其設計目標是實現膠料的精確、穩定擠出。本文設計的定量涂膠機機械結構如圖1所示，其主要由定量機、進口閥、涂膠閥、檢測與溫控四大模塊組成。工作時，定量涂膠機整體安裝于機器人末端執行器上，膠料由供膠泵通過管路輸送至定量涂膠機內，機器人帶動定量涂膠機將膠料涂覆在工件上。

圖2定量涂膠機工作原理 Fig.2Principleof quantitative glueapplicator

1.1 定量機

如圖2所示，定量機采用絕對值編碼器的伺服電機作為動力源，其能夠精確控制轉速、扭矩、位移量、轉動方向，是實現高精度、高可靠性定量涂膠的核心為保障系統可靠性，集成了多類傳感器：保障。伺服電機通過減速機和聯軸器將動力傳遞至滾柱絲桿，滾柱絲桿將電機的旋轉運動轉換為絲桿螺母的高精度直線運動，絲桿螺母與推桿剛性連接，推桿伸入定量缸內部，通過控制伺服電機的轉速和轉角，即可精確控制推桿的位移和速度，從而實現對擠出膠料體積的精確計量。

1.2 進口閥與涂膠閥

定量涂膠機包含1個進口閥和1個涂膠閥，2個閥均采用高性能電磁閥進行開關控制。進口閥通過管路連接至外部供膠泵，補膠時進口閥打開，涂膠閥關閉，膠料在供膠泵壓力下充填人定量缸；定量缸內填滿膠料后，進口閥關閉，涂膠閥打開，同時推桿推動定量缸內的膠料擠出，將膠料均勻涂覆在工件上。2個閥門通過PLC程序進行互鎖邏輯控制，確保在擠膠過程中進口閥關閉、涂膠閥開啟，從而保證所有擠壓力均作用于膠料擠出，避免內泄和出膠不穩。

1.3 檢測與溫控單元

圖1定量涂膠機結構 Fig.1 Structure of quantitative glue applicator

定量涂膠機工作原理如圖2所示，進口閥一端連接供膠泵、另一端連接至定量機的膠料入口端，涂膠閥一端連接至定量機的膠料出口端，另一端將膠料涂覆在工件上，定量涂膠控制系統同時與定量機、進口閥、涂膠閥連接，并實現對整個定量涂膠機的控制。

（1）壓力傳感器：安裝于定量缸底部，實時監測定量缸內膠料的壓力，壓力異常時可觸發報警并停機，保護設備安全；

（2）接近開關：安裝于推桿行程的起點和終點，分別作為推桿的下限位和上限位開關，用于機械限位和推桿初始位置校準；

（3）溫度控制：在定量缸、進口閥和涂膠閥內部均嵌入加熱棒和溫度傳感器，構成閉環PID溫度控制回路，確保膠料在整個擠出過程中處于恒定的最佳工作溫度，有效降低因溫度波動導致的膠料黏度變化，是保證出膠穩定性的關鍵。

2自動化定量涂膠控制系統開發

控制系統是定量涂膠系統的大腦，其硬件核心為PLC，負責所有輸人輸出信號的處理、控制邏輯的執行以及與各外設的通訊。軟件部分則包括控制程序、模型算法及人機交互界面（HMI）。

2.1定量涂膠控制系統組成

定量涂膠控制系統包含PLC、機器人、伺服電機、伺服驅動器、壓力傳感器、溫度傳感器、加熱棒、接近開關、電磁閥、觸摸屏。定量涂膠控制系統架構和通訊如圖3所示，PLC通過EtherCAT總線與伺服驅動器通訊，實現伺服電機的精確運動控制；通過模擬量輸入模塊采集壓力傳感器信號8；通過數字量輸入/輸出模塊控制電磁閥開關、采集接近開關信號；通過PID溫度控制模塊溫度傳感器和加熱棒組成溫控回路。所有控制單元集成于一體，響應迅速，可靠性高。

人機交互界面TCP/P進口閥壓力傳感器 IO I0 電磁閥加熱棒 IO PLC I0 加熱棒控制系統 IOIO 溫度傳感器溫度傳感器IO I0 電磁閥接近開關 IO加熱棒伺服電機 伺服驅動器 EtherCAT IO 溫度傳感器定量機 Profinet 涂膠閥機器人

2.2膠型控制算法的系統實現出膠流量與機器人移動速度的在線協同算法如下：伺服電機轉速-膠料體積流量模型如下，

式中： p 為滾柱絲桿的導程， mm ： i 為減速機的減速比， u_t 為推桿上下運動的直線速度， mm/s ： n 為電機轉速， r/min 。

擠出膠料的體積流量 1 （mm³/s） 為：

式中： A 為定量缸內部的截面積， mm² ： D 為定量缸內徑， mm 。

由式（1）～（2）可知，若已知減速比、滾柱絲桿導程、定量缸等硬件參數，可通過控制伺服電機的轉速來控制膠料的體積流量。

膠寬控制模型：假設膠型為半圓形截面，即膠寬為半圓形的直徑，則膠寬 （W） 、膠料體積流量 Q 和機器人移動速度 u_r（mm/s） 滿足以下關系：

因此，為保持膠寬 W 恒定，系統需實時根據機器人的移動速度 u_r 調整伺服電機轉速 n ，其關系如下：

實際工程應用中，膠料特性、環境溫度等因素會導致膠型截面偏離理想的半圓形，僅依靠上述理想模型難以保證復雜軌跡上的涂膠一致性，本研究基于該理論模型，在實際應用中作了如下優化：

（1）實時速度協同：通過PLC與機器人控制器建立實時通訊，動態獲取機器人末端的實時速度 u_r ，并依據上述模型快速計算伺服電機轉速 n ，這種深度的系統集成與實時響應能力是工程應用的關鍵；

（2）壓力反饋輔助調節：系統引入壓力傳感器的實時反饋，當系統檢測到定量缸內部壓力異常波動時，可動態微調伺服電機轉速，以抵消堵膠或空膠。

2.3人機交互界面（HMI）的搭建

為提高系統的易用性，將膠量控制算法結合PLC編寫了定量涂膠控制系統程序，搭建了定量涂膠控制系統人機交互界面。系統參數界面如圖4所示，通過該界面可設置推桿運行的上限值和下限值、伺服電機扭矩上限值、定量缸缸體半徑值，定量機按照該界面設置參數進行工作，涂膠工作過程中，系統可記錄涂膠工件的數量。

圖4系統參數界面Fig.4Systemparameterinterface

參數設置界面如圖5所示，人工通過該界面可設置定量機的運行速度、出膠量、出膠體積流量等，可手動控制閥口開關、控制定量機上行或下行，同時可以實時檢測電機扭矩、定量機實時位置、各個區域的溫度、壓力等參數，當溫度、壓力、電機扭矩參數超過設定值出現異常時，系統報警停機，以此來保護系統硬件結構，便于用戶操作與工藝調試[10]。

3 實驗與分析

搭建了如圖6所示的自動涂膠實驗平臺，主要包括：定量涂膠機、定量涂膠控制系統、六軸工業機器人、電控柜、供膠泵、帶加熱功能的輸膠管路及保溫套，選用LY-QD-05型玻璃微珠折邊膠為實驗膠料。定量涂膠機安裝于機器人末端執行器上，供膠泵通過加熱管路連接至定量機的進口閥，為定量機進行供膠，定量涂膠機、機器人均與電控柜連接，并通過電控柜進行信號交互，電控柜內部安裝有PLC、伺服驅動器及其他電氣元件，電控柜既實時讀取機器人速度、壓力傳感器、溫度傳感器數據，監測是否觸發定量機上下限位的接近開關，又對所有數據進行綜合處理，將電機轉速、電磁閥開關、加熱等信號下發到伺服電機、電磁閥、加熱棒上，以此實現對整個系統的控制。

圖6自動涂膠實驗平臺

采用菱形、Z形、S形、腰形、斜坡、直角坡六種不同軌跡進行測試，在人機交互界面上設置目標膠寬W為 5mm ，設定定量缸、進口閥、涂膠閥的加熱溫度為 30^qC ，定量涂膠控制系統讀取機器人實時速度，并調整伺服電機的轉速，使出膠流量與機器人速度精確協同，涂膠實驗效果如圖7～圖11所示。

圖7 菱形涂膠效果 Fig.7 iamond-shaped gluingeffect

圖10 斜坡涂膠效果Fig.10 Glueapplicationeffect on slope

上述實驗表明，在各種復雜軌跡上，膠型連續、均勻、無斷膠、堆膠、拉絲現象，在軌跡曲率變化劇烈的區域和速度變化區域，如Z形、菱形、直角坡的拐點，膠寬保持了較高的一致性，證明了本文設計的定量涂膠系統及其控制算法的有效性和可靠性，該系統能夠很好地適應自動化生產線對復雜、高精度涂膠作業的需求。

4結語

開發的自動化定量涂膠系統，設計了一套集成化的定量涂膠機，采用伺服電機與滾柱絲桿相結合的精密機械驅動方案，并集成溫控與傳感單元，為精確出膠提供了穩定的硬件基礎。開發了以PLC為核心的定量涂膠控制系統，實現了多設備的協同控制，并提出了基于機器人速度實時反饋的膠型控制算法，從軟件層面保障了復雜軌跡上膠型的均勻性。實驗結果表明：該系統能夠實現菱形、Z形、S形、腰形等多種復雜二維、三維軌跡的高質量涂膠，出膠穩定，控制精確，滿足汽車、3C電子、新能源等行業對自動化精密涂膠的應用要求。

由于實驗條件有限，包括膠料黏度、溫度、管路、復雜三維軌跡涂膠等實驗條件的局限性，無法完全模擬所有復雜涂膠工況和不同速度、膠量的涂膠需求，該系統的魯棒性需在實際應用中進一步優化完善[11-3]

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