黃 鈺

（汕頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東汕頭 515000）

基于PLC的電弧噴涂自動(dòng)控制系統(tǒng)

黃 鈺

（汕頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東汕頭 515000）

針對(duì)A3鋼基體金屬防護(hù)涂層的制備過程，設(shè)計(jì)了基于三菱PLC和觸摸屏的電弧噴涂自動(dòng)控制系統(tǒng)，避免電弧噴涂涂層制備過程中的高溫、噪聲和金屬粉末污染問題，提高了涂層質(zhì)量和噴涂效率。

電弧噴涂；PLC控制；伺服電機(jī)；觸摸屏

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.12.47

0 前言

電弧噴涂技術(shù)在制備防腐蝕涂層、防磨損涂層等方面具有優(yōu)越性，包括生產(chǎn)效率高、結(jié)合強(qiáng)度高、能耗及成本低、噴涂質(zhì)量穩(wěn)定、安全性好等，是一種應(yīng)用較為廣泛的表面技術(shù)。研究電弧噴涂涂層耐腐蝕性能所使用的電弧噴涂設(shè)備是廣州三鑫金屬科技有限公司生產(chǎn)的SX-600型電弧噴涂機(jī)。該設(shè)備采用手持式噴槍，噴涂質(zhì)量、噴涂效率和控制精度都比較低。此外，在手工進(jìn)行電弧噴涂的過程中，噴涂設(shè)備產(chǎn)生的噪音、高溫以及大量的金屬粉末和有毒氣體也會(huì)對(duì)操作人員的安全和健康造成威脅[1]。

為提高電弧噴涂的質(zhì)量及效率，改善電弧的工作環(huán)境，改進(jìn)原有電弧噴涂機(jī)：將噴槍垂直安裝在水平移動(dòng)的工作臺(tái)上，試樣基體置于噴槍下方（圖1）。這一改進(jìn)解決了自動(dòng)噴涂的問題，但是噴涂效果仍不很理想。由于受到重力作用，立式噴槍噴出的金屬熔融粒子，即使速度不高也能落到基體上，導(dǎo)致涂層和基體的結(jié)合強(qiáng)度下降，涂層容易剝落。

為此，對(duì)電弧噴涂機(jī)進(jìn)行了二次改進(jìn)：①將原來的立式噴槍改為臥式噴槍，避免低速粒子進(jìn)入涂層；②加裝空氣過濾減壓閥，穩(wěn)定噴涂氣體壓力、減少雜質(zhì)、降低濕度，避免環(huán)境濕度等因素影響正常起??；③利用三菱PLC和觸摸屏控制2臺(tái)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)噴槍工作臺(tái)自動(dòng)行走，自動(dòng)控制噴涂過程，提高噴涂效率和涂層表面質(zhì)量。改進(jìn)后的噴槍如圖2所示。

1 電弧噴涂自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成、工藝流程和控制要求

電弧噴涂自動(dòng)控制系統(tǒng)由SX-600高速電弧噴涂設(shè)備、捷豹EV65-2.2 kW/3HP螺桿式空氣壓縮機(jī)、三菱FX3U-32MT型 PLC、三菱MR-J3-10A型伺服驅(qū)動(dòng)器、HFKP23型伺服電機(jī)、三菱GT1155-QTBD型觸摸屏以及XY雙軸運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)組成（圖3）。

圖1 一次改造后的噴槍

圖2 二次改造后的噴槍

圖3 電弧噴涂系統(tǒng)

電弧噴涂自動(dòng)控制系統(tǒng)有手動(dòng)和自動(dòng)兩種控制模式。在自動(dòng)控制模式下，電弧噴涂的工藝流程為：①按下啟動(dòng)按鈕，系統(tǒng)初始化，計(jì)時(shí)器、計(jì)數(shù)器、輔助繼電器和線圈復(fù)位；②按下原點(diǎn)開關(guān)，工作臺(tái)復(fù)位；③按下空壓機(jī)啟動(dòng)按鈕，空壓機(jī)開始工作；④延時(shí)10 s后，電弧噴涂設(shè)備啟動(dòng)；④按下工作臺(tái)啟動(dòng)開關(guān)，雙軸運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)自動(dòng)行走；⑤工作臺(tái)完成設(shè)定的行走路線后，系統(tǒng)復(fù)位。在手動(dòng)控制模式下，按下水平正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)點(diǎn)動(dòng)開關(guān)，工作臺(tái)沿水平方向正向或反向點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行；按下垂直正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)點(diǎn)動(dòng)開關(guān)，工作臺(tái)沿垂直方向正向或反向點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行[2]。

通過分析電弧噴涂的工藝流程，可以得出系統(tǒng)的控制要求：

（1）應(yīng)有手動(dòng)控制和自動(dòng)控制兩種控制模式。手動(dòng)工作模式主要是在系統(tǒng)維護(hù)或軟件調(diào)試期間使用，在正常工作過程中一般采用自動(dòng)工作模式。因此，應(yīng)設(shè)置手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)和相應(yīng)的指示燈，以便于系統(tǒng)的運(yùn)行與維護(hù)。

（2）應(yīng)設(shè)置急停按鈕，在工作過程中如果發(fā)現(xiàn)噴槍起弧失敗、空壓機(jī)故障、工作臺(tái)行走卡頓或其他故障時(shí)，按下急停按鈕，系統(tǒng)馬上停止運(yùn)行，回到初始化狀態(tài)。

（3）應(yīng)采用觸摸屏作為自動(dòng)控制系統(tǒng)的人機(jī)界面，方便操作人員對(duì)工作臺(tái)的控制[3]。

2 電弧噴涂自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)備選型和I/O分配表

2.1 設(shè)備選型和參數(shù)設(shè)置

2.1.1 PLC的選型

系統(tǒng)設(shè)計(jì)由PLC直接控制伺服驅(qū)動(dòng)器，PLC為晶體管輸出型。選擇三菱FX3U-32MT型PLC，該型號(hào)PLC有定坐標(biāo)指令，能滿足原點(diǎn)回歸、絕對(duì)定位和相對(duì)定位等控制要求。并且內(nèi)置3軸獨(dú)立定位功能，從通用輸出點(diǎn)（Y000—Y002）輸出最大100 kHz的集電極開路方式脈沖串，能夠滿足工作臺(tái)伺服控制系統(tǒng)的定位控制要求[4]。

2.1.2 伺服驅(qū)動(dòng)器及伺服電機(jī)選型

系統(tǒng)選用三菱MR-J3-10A型伺服驅(qū)動(dòng)器及配套的HFKP23型伺服電機(jī)[5]。MR-J3型伺服驅(qū)動(dòng)器具有位置控制、速度控制和轉(zhuǎn)矩控制3種模式，本系統(tǒng)采用位置控制，Y0輸出脈沖作為水平軸伺服電機(jī)的位置指令，Y3輸出為水平方向指令；Y1輸出脈沖為垂直軸伺服電機(jī)的位置指令，Y4輸出脈沖為垂直方向脈沖指令。

工作臺(tái)連同伺服電機(jī)、減速器和噴槍的總重量為50 kg，滾珠絲桿的效率為90%，X軸電機(jī)的驅(qū)動(dòng)功率約為160 W，Y軸電機(jī)的驅(qū)動(dòng)功率約為140 W，均選用HFKP23型伺服電機(jī)，其額定功率為200 W。伺服電機(jī)編碼器的分辨率是262 144脈沖/r，電子齒輪比為：CMX：CDV=16 384：125，伺服電機(jī)轉(zhuǎn)一圈需要輸入的脈沖數(shù)為2000，其額定轉(zhuǎn)速為3000 r/min，伺服電機(jī)配減速比為30的減速器，工作臺(tái)滾珠絲桿轉(zhuǎn)速100 r/min，絲桿螺距10mm，工作臺(tái)行走速度1 m/min。

2.1.3 觸摸屏的選用

系統(tǒng)選用三菱GT1155-QTBD型觸摸屏，屏幕尺寸5.7英寸，分辨率為320點(diǎn)×240點(diǎn)。觸摸屏與PLC通信時(shí)用串口電纜RS422，可通過串口電纜RS232與個(gè)人計(jì)算機(jī)連接。

2.2 PLC控制系統(tǒng)輸入輸出分配表

系統(tǒng)啟動(dòng)、急停、空壓機(jī)啟動(dòng)和停止共需要4個(gè)按鈕開關(guān)，系統(tǒng)停止、手動(dòng)模式和自動(dòng)模式通過1個(gè)萬能轉(zhuǎn)換開關(guān)進(jìn)行選擇，執(zhí)行原點(diǎn)回歸指令需要2個(gè)接近開關(guān)，為了避免雙軸運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)在前進(jìn)/后退、上升/下降過程中出現(xiàn)“超行程”故障，需要設(shè)置4個(gè)位置開關(guān)進(jìn)行限位保護(hù)，因此一共需要13個(gè)輸入點(diǎn)。PLC的輸出信號(hào)有水平軸伺服電機(jī)脈沖輸出和方向信號(hào)、垂直軸脈沖輸出和方向信號(hào)、水平軸伺服電機(jī)啟動(dòng)繼電器線圈、垂直軸伺服電機(jī)啟動(dòng)繼電器線圈、空壓機(jī)啟動(dòng)接觸器線圈、電弧噴涂設(shè)備啟動(dòng)接觸器線圈，共需要6個(gè)輸出點(diǎn)[2]。PLC外部接線如圖4所示。

2.3 伺服電機(jī)控制系統(tǒng)電氣原理圖設(shè)計(jì)

伺服電機(jī)控制系統(tǒng)電氣線路圖如圖5所示。考慮到安全性的要求，防止執(zhí)行機(jī)構(gòu)“超行程”導(dǎo)致設(shè)備損壞，需要在工作臺(tái)水平軸左右兩端設(shè)置極限開關(guān)SQ3和SQ4，在垂直軸上下兩端設(shè)置極限開關(guān)SQ5和SQ6，并將其常閉觸點(diǎn)接至伺服驅(qū)動(dòng)器正反轉(zhuǎn)限位端口（LSP，LSN），常開觸點(diǎn)接至PLC的輸入端口。SQ1和SQ2分別是水平軸和垂直軸的原點(diǎn)開關(guān)，在執(zhí)行原點(diǎn)回歸指令時(shí)使用[2]。

3 電弧噴涂控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 電弧噴涂控制系統(tǒng)人機(jī)界面的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用三菱GT1155-QTBD型觸摸屏作為人機(jī)界面。手動(dòng)控制窗口設(shè)置了“水平正轉(zhuǎn)點(diǎn)動(dòng)”和“水平反轉(zhuǎn)點(diǎn)動(dòng)”位開關(guān)，分別與PLC輔助繼電器M3、M4對(duì)應(yīng)；設(shè)置了“垂直正轉(zhuǎn)點(diǎn)動(dòng)”和“垂直反轉(zhuǎn)點(diǎn)動(dòng)”位開關(guān)，分別與PLC輔助繼電器M5、M6對(duì)應(yīng)。自動(dòng)控制窗口設(shè)置“原點(diǎn)”、“啟動(dòng)”、“停止”等位開關(guān)，分別與PLC輔助繼電器M0-M2對(duì)應(yīng)；設(shè)置工作臺(tái)行走路線循環(huán)次數(shù)的輸入元件，與PLC的數(shù)據(jù)寄存器D10對(duì)應(yīng)，同時(shí)設(shè)置一個(gè)輸入保存按鈕M7[2]。人機(jī)界面設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖4 PLC外部接線

圖5 伺服電機(jī)控制系統(tǒng)電氣線路

3.2 PLC控制程序設(shè)計(jì)

3.2.1 PLC控制過程的程序流程

圖6 電弧噴涂控制系統(tǒng)人機(jī)界面

電弧噴涂金屬防護(hù)涂層一般生產(chǎn)工藝流程是：按下啟動(dòng)按鈕，系統(tǒng)初始化，選擇自動(dòng)控制模式，工作臺(tái)復(fù)位，啟動(dòng)空壓機(jī)，延時(shí)待空氣壓力穩(wěn)定（通過減壓閥可保證出口壓力穩(wěn)定值0.4MPa），噴涂設(shè)備啟動(dòng)，工作臺(tái)帶動(dòng)噴槍按S形路線行走，完成試樣的噴涂任務(wù)。根據(jù)工藝流程和控制要求設(shè)計(jì)程序流程圖（圖7）。

圖7 PLC控制過程的程序流程

3.2.1 原點(diǎn)回歸的程序設(shè)計(jì)

程序使用原點(diǎn)回歸指令ZRN來實(shí)現(xiàn)雙軸運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)的復(fù)位（圖8）。當(dāng)操作者在觸摸屏上按原點(diǎn)開關(guān)M0時(shí)，水平軸伺服電機(jī)以原點(diǎn)回歸速度（頻率為100 kHz）向原點(diǎn)回歸，當(dāng)原點(diǎn)開關(guān)由OFF變?yōu)镺N時(shí)，水平軸伺服電機(jī)以爬行速度（頻率為2000 Hz）繼續(xù)運(yùn)行，當(dāng)原點(diǎn)開關(guān)由ON變?yōu)镺FF時(shí)，該指令執(zhí)行完畢，M8029接通，垂直軸伺服電機(jī)開始執(zhí)行原點(diǎn)回歸指令，過程同水平軸伺服電機(jī)[2]。

3.2.2 工作臺(tái)控制的程序設(shè)計(jì)

在電弧噴涂金屬試樣的工作過程中，工作臺(tái)帶動(dòng)噴槍按S路線行走，將霧化的防護(hù)材料熔滴均勻噴涂到試樣上。工作臺(tái)單次行走路線如圖9a）所示，如果要對(duì)外形尺寸為150×150的正方形試樣進(jìn)行噴涂，那么工作臺(tái)的行走路線將重復(fù)4次，如圖9b）所示。行走路線的重復(fù)次數(shù)可從觸摸屏輸入，并與PLC的數(shù)據(jù)寄存器D10對(duì)應(yīng)。

圖8 原點(diǎn)回歸程序

圖9 工作臺(tái)行走路線示意

工作臺(tái)的X軸（水平軸）和Y軸（垂直軸）分別由兩臺(tái)伺服電機(jī)順序驅(qū)動(dòng)，控制程序采用步進(jìn)順序控制指令，其中水平軸伺服電機(jī)的運(yùn)行控制使用絕對(duì)位置定位指令DRVA，垂直軸電機(jī)的運(yùn)行控制使用相對(duì)位置定位指令DRVI。控制程序設(shè)計(jì)如圖10所示。程序執(zhí)行到S22步，觸摸啟動(dòng)按鈕M1，水平軸伺服電機(jī)正轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)向右以1 m/min的速度（頻率為100 kHz）移動(dòng)到距離原點(diǎn)300mm（頻率為18 000 kHz）的位置，指令執(zhí)行完畢后M8029接通，執(zhí)行S23步。S23步垂直軸伺服電機(jī)正轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)以1 m/min的速度（頻率為100 kHz）向下移動(dòng)25mm（頻率為1500 kHz），指令執(zhí)行完畢后M8029接通，執(zhí)行S24步。S24步水平軸伺服電機(jī)反轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)向左以1m/min的速度（頻率為100 kHz）移動(dòng)到距離原點(diǎn)100mm（頻率為6000 kHz），指令執(zhí)行完畢后M8029接通，執(zhí)行S25步。S25步垂直軸伺服電機(jī)正轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)以1 m/min的速度（頻率為100 kHz）向下移動(dòng)25mm（頻率為1500 kHz），指令執(zhí)行完畢后M8029接通，執(zhí)行S26步。S26步計(jì)數(shù)器C0計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)次數(shù)達(dá)到寄存器D10中設(shè)定的數(shù)值時(shí)，程序回到S0初始步，次數(shù)沒有達(dá)到則重復(fù)S22到S26步。步進(jìn)順控程序的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖11所示。

4 結(jié)束語

圖10 工作臺(tái)步進(jìn)順序控制程序

圖11 順序控制狀態(tài)轉(zhuǎn)移

改進(jìn)后的電弧噴涂自動(dòng)控制系統(tǒng)，采用PLC控制噴槍工作臺(tái)的行走路線，有結(jié)構(gòu)簡單、定位可靠、編程簡單、控制精度高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，不僅提高了電弧噴涂的涂層質(zhì)量，降低了涂層的孔隙率，還改善了噴涂操作環(huán)境，提高了工作效率，基本能夠滿足實(shí)驗(yàn)室制備電弧噴涂金屬涂層試樣的需求，為實(shí)驗(yàn)人員進(jìn)一步研究金屬涂層的性能提供了技術(shù)支持。但是，這臺(tái)設(shè)備的電弧噴涂的噴涂電壓、噴涂電流和送絲電壓等參數(shù)的控制和設(shè)置仍然沒有納入PLC控制系統(tǒng)，仍有改進(jìn)空間。如果想要研究比較同一種噴涂材料在不同的噴涂電流和噴涂電壓下的涂層性能，那么就應(yīng)考慮加裝基于PLC和觸摸屏的電壓電流選擇系統(tǒng)。

［1］才鶴.海綿鈦反應(yīng)器防護(hù)涂層自動(dòng)噴涂裝置設(shè)計(jì)［D］.沈陽：沈陽工業(yè)大學(xué)，2012.

［2］胡志剛.基于三菱PLC的伺服電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.價(jià)值工程，2017，36（5）：80-81.

［3］丁洪旗，劉彥良.基于三菱PLC和觸摸屏的自動(dòng)噴涂控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.電工技術(shù)，2011（12）：36-37.

［4］三菱電機(jī)自動(dòng)化有限公司.三菱FX3G.FX3U用戶手冊(cè)（定位控制篇）［Z］.上海：三菱電機(jī)自動(dòng)化有限公司，2003.

［5］三菱電機(jī)自動(dòng)化有限公司.三菱MR-J3-A伺服放大器技術(shù)資料集［Z］.上海：三菱電機(jī)自動(dòng)化有限公司，2005.

［6］劉明，段盛開，劉小明.PLC技術(shù)及應(yīng)用：三菱［M］.廣州：世界圖書出版廣東有限公司，2013.

［7］姜銀方.現(xiàn)代表面工程技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

［8］何用輝.自動(dòng)化生產(chǎn)線安裝與調(diào)試［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2015.

TH138

B

〔編輯 吳建卿〕