基于PLC的复杂表面自动喷涂系统

自动喷涂在复杂表面喷涂中的应用

徐泽宁 于晓光 董恩永 郑文广 毛忠献

辽宁科技大学

摘要：

产品表面喷涂是一道非常关键的工序，尤其是复杂表面涂层的厚度是否均匀直接影响产品的外观和质量。因此对喷涂工艺提出较高要求，需要能够自由调整喷的喷涂角度和漆料的流量。为满足复杂表面自动喷涂的需要，研制出基于PLC的复杂表面自动喷涂系统。无论是机械设备的研发还是控制系统的设计，经过生产检验证明了该机电一体化系统满足了自动化生产线的要求。

关键词：复杂表面 喷涂 自动控制

1.意义

产品表面喷涂是一道非常关键的工序，表面涂层的厚度是否均匀直接影响产品的外观和质量。某工厂操作员手持喷对成型半球面物体进行喷漆，该操作造成喷到半球面物体表面的距离变化幅度大，喷旋转轨迹变化大使表面涂层不均匀，容易发生漏喷现象，并导致次品率居高不下、喷涂效率低、严重影响生产能力。本设计中，采用链传动带动托起及旋转机构使待喷漆半球面物体呈两列沿直线匀速经过喷工作区，通过半球面物体自身的旋转来保证喷漆的均匀，喷由PLC智能模块控制，可以调节开合频率、喷雾浓度和范围、喷到工件表面直线距离，使产品复杂表面涂层的厚度均匀美观。

2.系统的组成及功能 2.1喷涂原理

图1所示为喷涂装置，图2所示为喷的联接图，喷有两个供气回路，分别为控制气源和工作气源，工作气源为常开回路，控制气源回路中接有电磁换向阀，通过在PLC中配合传感器检测信号的程序实现对喷开闭的控制。在喷与空气压缩机之间需要接入压力调整阀来调整供给喷的空气压力，使之被控制在喷的许可压力范围内，防止喷损坏。

另外，喷还有一个供涂料回路，接搅拌桶和双隔膜泵。其作用是提供具有一定压力的涂料。

图1 喷安装图 图2 喷涂系统原理图

Fig.1 fixing status of Painting Gun Fig.2 principle picture of Spray Painting system

1.1 喷控制方案

1.1.1 喷角度调整

在放置喷的横杆头部设有机械调整装置，可以根据需要调整喷工作角度和喷对工件的相对位置，以达到最佳效果。 1.1.2 喷间歇时间控制

在喷控制上，根据现场生产需要，采用间歇工作制，通过传感器检测产品在生产线上的位置，由基于S7-300的PLC控制气动元件来实现喷的控制。 1. 控制系统硬件组成 2.1 上位机

系统采用工控机作为上位机，其机构与外围设备组成原理如图3所示。 2.2下位机

下位机采用的是西门子公司的S7-300系列，包括CPU314、数字量输入模块SM321、数字量输出模块SM322、模拟量输入模块SM331、和模拟量输出模块SM332以及配套的电源、联结器。下位机的实物连接图如图4所示。

图3 工控机与外设 图4 PLC外观

Fig.3 Industrial Control Computer and Peripheral Apparatus Fig.4 Aspect of PLC

2.3 变频器

本次设计采用的是艾默生EV1000-4T0022G变频器。变频器功能接线图如图5所示，

在系统设计中，选用起保停控制、正反转控制、转速反馈等功能接口。

图5.变频器功能线路图 Fig.5 Wiring Diagram of Transducer

2.4 传感器

使用的传感器主要有反射型光电传感器、对射型光电传感器以及测速编码器。 2.5 气动控制元件

气动元件采用费斯托公司产品，主要包括换向阀、单向截流阀、气缸、减压阀等。

2. 控制系统开发

图6为电机控制功能流程图。图7为喷控制功能流程图。

开始开始传感器1信号？无有启动定时器1传感器1信号？无有定时器1计时结束？是定时器1启动喷进入工作状态确认计时结束？有有是传感器2信号定时器2复位启动电机无启动定时器2启动定时器3电机启动？定时器2计时结束？定时器3计时开始？是有传感器2信号？有是是重启动定时器2停机开启喷无计时器2计时结束？是定时器3计时结束？是停机关闭喷

图6 电机控制功能流程图 图7 喷控制流程图

Fig.6 Flow Chart of Motor Controlling System Fig.7 Flow Chart of Painting Gun Controlling System

为了保证待喷漆产品能够合理地通过喷喷雾扇面，对喷的开启时间有着严格的要求。为此，设定了喷延时启动功能，该程序段中采用了S_ODTS保持型接通延时S5定时器。该定时器的特点是在启动（S）输入端出现上升延时，启动定时器，输入端的信号无论怎么变化，定时器都按照设定时间计时，当计时结束，不受输入端信号影响，输出端Q的值为True。图8所示状态为等待定时器启动信号，即等待产品通过检测区。

图8 喷等待启动信号

Fig.8 painting gun waiting for signal

在产品通过信号出现后，如图9所示，输入地址I0.4对应对话框中出现标志，定时器启动。

图9 喷延时启动

Fig.9 time-lapse start-up of painting gun

在定时器计时结束后，喷控制状态寄存器M1.2被赋值为True。

图10 喷间歇工作

Fig.10 intermittent working estate of painting gun

为了节省涂料，同时减少涂料喷雾对环境的损害，喷的工作方式为间歇式。图11所示为喷间歇工作控制过程。在喷启动后，每检测到一个信号（局部输入变量＃Sensor_In处有一个脉冲信号出现），喷开启一次，同时定时器计时，计时结束后，喷控制线圈（#Gun_Control）被赋值为False,喷停止工作。

图11 喷一次喷涂完成

Fig.11 painting gun finish one painting

3. 控制系统参数确定

PID的参数的选择直接影响到控制系统的性能。在本系统中，采用临界比例度法整定PID控制器的参数。

图12 控制系统Simulink模型

Fig.12 Simulink model of control system

图13 系统等幅振荡状态

Fig.13 decrement surge of Simulink model

如图12所示，首先，建立纯比例模型，通过由大到小调整比例系数，直到得到等幅振荡曲线，如图13所示，得到临界比例度k2.05、Tk0.875。

由表1，可以计算其他基本参数。 通过计算，得到

3.485， Ti0.4375,Td0.109。

表1 临界比例度法整定控制器参数

Table 1 Controller parameter critical proportion modifying

控制器类型 比例度/% P PI PID 4. 结论

2k 2.2k 1.7k 积分时间Ti  微分时间Td 0 0 0.125Tk 0.833Tk 0.50Tk 1. 根据现场生产的工艺要求，完成了自动化喷涂系统的机械部分研制。

2. 成功开发了复杂表面自动喷涂系统的智能控制系统

3. 试运行验证，该自动化喷涂系统结构合理、操作方便、监控直观、运行可靠，克服了手动喷涂的不均匀性，提高了现场的生产效率，达到了机电一体化设计要求，具有较强的创新性、实用性和可观的经济效益。

5. 参考文献

1. 机械设计手册.机械工业出版社.2003年6月第25版；

2. 杨黎明主编.机电一体化技术手册.北京:国防工业出版社．1997

3. Suh S H, Lee J J, Choi Y J, Lee S K. Prototype integrated robotic painting system:

software and hardware development [J]. Journal of Manufacturing Systems, 12(6)