屏凸模数控湿式喷砂机的研制

孟郑生

【摘 要】为满足彩玻行业多种规格屏加工模具自动喷砂处理的需要，开发研制了基于PLC、触摸屏技术的数控湿式喷砂机，实现了彩玻36-86cm之间各种规格屏凸模具的全自动喷砂处理。且湿式喷砂克服了干式喷砂工艺的缺点，提高了产品质量。

【关键词】湿式喷砂机；PLC；触摸屏；控制系统

1.项目研制的意义

喷砂处理是模具加工的关键工序，对降低表面粗糙度、改善表面应力状况、提高抗疲劳性能等起着很大的作用。现在国内模具行业基本采用干式喷砂，由于干式喷砂对模具表面的光蚀作用不及湿式喷砂，且干式喷砂产生的粉尘污染环境，危害工人身体健康。目前，彩玻行业具有柔性功能的自动湿式喷砂机主要依靠进口。因此，我们针对模具行业的现状，研制开发了基于PLC、触摸屏实现数控控制功能的玻壳“屏凸模数控湿式喷砂机”。该设备既可用于彩玻14"～34"之间各种规格屏凸模具表面湿式喷砂工艺的模具生产加工，也可用于其它行业的模具加工。该产品对提高产品质量、保护环境、节约资金等方面有较大的社会效益及经济效益。

2.项目研究的主要内容

（1）基于PLC、触摸屏技术的数控系统。

（2）磨液的最佳配比。

（3）高效、高耐磨聚胺脂磨液泵。

（4）有关工艺参数的确定。

（5）磨液分离装置。

3.主要技术数据

（1）动力系统：

磨液泵电机 功率4KW，转速2800 rpm，三相380V，50Hz

x向步进电机 扭矩2Nm，电压115V；

y向步进电机 扭矩3Nm，电压115V；

小车行走电机 功率0.75KW，转速1390rpm，三相380V，50Hz

（2）压缩空气：

压力：0.5～0.7Mpa

单枪耗气量：约1.5立方米/分

（3）喷枪：

采用立方氮化硼喷嘴，喷嘴直径：ф12.5mm。

（4）主机储液箱容积：约180升。

（5）工作舱结构：2.5mm厚不锈钢板，内衬4mm橡胶板。

（6）磨料：46#～220#之间各种粒度号的刚玉磨料。

磨液配比：1：5～1：7，重量比（砂：水）。

4.设备特点

（1）工作时不产生粉尘，根除粉尘对环境的污染及对工人健康的危害。

（2）本机不需配备通风除尘设备，可直接安装在生产线上，既节约生产面积，又有利于工件周转。

（3）工作方法灵活，工艺参数可变，能完成14～34之间各种屏凸模的喷砂加工。

（4）被加工表面质量高，经喷砂后的零件表面硬化，能提高零件的耐磨性和疲老强度。

（5）磨料消耗量小。

（6）主要零、部件使用寿命长，且便于维修。

（7）生产效率高，自动化程度高，操作工人的劳动强度低。

5.主要结构及其工作原理

如图1所示，本机由喷砂系统、气动系统、喷枪行走机构、工件小车、磨液分离装置及数控系统等组成。

5.1喷砂系统

喷砂系统包括喷砂泵、喷枪、磨液管路、压缩空气管路等。

喷砂系统是进行液体喷砂操作基本装置。喷砂加工的基本原理是，以磨液泵和压缩空气为动力，通过喷枪将磨液高速喷射到工件表面，达到光饰加工的目的。磨液是用清水与一定粒度的磨料按一定配比混合而成。磨液放置在机体下半部的储箱中，并应充满至储箱上部溢流管的高度。

喷砂操作是在机体上半部的工作舱内进行的。喷枪是直接执行液体喷砂操作的主要部件，它与磨液、压缩空气两个管路系统相连接。工作时，磨液泵将机体储箱中的磨液以一定的压力和流量通过磨液管路输至喷枪，与此同时，还有一部分磨液从铸造在泵壳内的搅拌喷嘴高速喷出，使储箱中的水和磨料均匀混合，以便磨液泵有效地工作。压缩空气由外接气源经电磁阀进入，磨液泵和压缩空气系统同时启动，向喷枪同时提供磨液和压缩空气，使之在喷枪内混合后，经喷嘴向工件表面喷射气—磨液流。由于有气—泵兼施的工作方式，可使喷出的气—磨液流具有较高的速度，被水裹着的磨料质点的动能与其速度的平方成正比，因而比不加压缩空气时的生产效率高。选择适当的磨料材质、磨料粒度、磨料浓度配比、喷射角度及喷射距离等工艺参数，加之磨液中液体能起缓冲、润滑的作用，液体喷砂就能对高精度、高光度、形状复杂的零件进行光饰加工，这是干喷砂所不能及的。

喷射出的磨液对工件表面冲击磨削后，落入储箱，如此循环以完成对工件的加工。

5.2喷枪行走机构

驱动喷枪行走的机构采用两坐标直线传动单元，滚珠丝杠与直线导轨全部密封在铝壳中，以防水汽侵蚀。喷枪行走机构与喷砂室之间用卷帘式防护罩隔离。喷枪X向行程≥960mm，Y向行程≥650mm；喷枪在数控系统驱动下按预先设定的程序作双S型运动。喷枪高度可控制电动推杆在300mm范围内作无级调整。

5.3磨液分离装置

磨液分离装置由旋流器和阶梯式沉淀箱等组成，用于将磨液中的细小颗粒分离出去。旋流器安装在舱体内，与磨液泵同时工作。磨液中较大的颗粒从旋流器下出口流回料舱中，水和细小颗粒从上出口流到阶梯式沉淀箱，经多级沉淀后，清水流回料箱。如此循环，达到及时将磨液中的细小颗粒分离出去的目的。

5.4控制系统

5.4.1控制系统的组成

本机控制系统本着既能满足工艺要求，又简单可靠、既节约成本又能满足控制要求的原则，依照生产工序对控制系统的要求，控制系统采用了基于PLC和触摸屏技术实现数控控制功能的控制方案。系统选用具有位置控制功能的松下电工可编程控制器FP∑[1.3]作为控制单元、选用Eview27cm触摸屏[2]为人机界面的电器控制系统，如图2所示。

5.4.2喷砂处理工艺曲线

屏凸模喷砂处理的喷枪行走轨迹为双S形曲线，如图3所示。

自动控制时，喷枪在Y向步进电机的驱动下从原点出发以设定速度v行走，当行走到Y（设定值）位置时Y向步进电机停止运行，X向步进电机启动，喷枪以Y向步进电机相同的速度v行走△X（设定值）距离后停止运行，随即启动Y向步进电机，喷枪仍以速度v运行Y距离后Y向步进电机停止运行，X向步进电机又开始启动……，这样，喷枪周而复始地按图3（a）工艺曲线作X向S形运动。同样，当喷枪运行到终点时，Y向步进电机停止运行，X向步进电机开始启动，喷枪从终点按图3（b）工艺曲线作Y向S形运动。当喷枪返回到原点后即完成屏凸模喷砂工艺处理。

上述喷枪X向运行尺寸X、Y向运行尺寸Y、X向运行间距△X、Y向运行间距△Y及喷枪运行速度v均由模具的规格及要求所确定，并由触摸屏设定。

5.4.3喷枪的行程确定

喷枪的行程正比于步进电机的总转角，因此只要控制步进电机的总转角即可。由步进电机的工作原理可知，步进电机的总转角取决于输入脉冲的个数[4]，因此，可根据伺服机构的位移量计算出PLC输出脉冲的个数n：

n=DL/d

式中：DL为伺服机构的位移量（mm）

d为伺服机构的脉冲当量（mm/脉冲）

5.4.4喷枪的速度控制

喷枪的进给速度即伺服机构的进给速度取决于步进电机的转速，而步进电机的转速取决于输入脉冲的频率，因此可以根据工序要求的进给速度，确定PLC输出脉冲的频率f（单位：Hz）：

f=v/60d

式中：v为伺服机构进给速度即喷枪运行速度（mm/min）

d为伺服机构的脉冲当量（mm/脉冲）

5.4.5控制程序

本机分自动循环控制和手动控制两种工作方式。

执行自动控制程序时，工件放在小车上后，按“运行”按钮，小车启动和工件一起运行到工作舱内停在加工位置，同时舱门关闭，此时磨液泵启动，气路电磁阀打开，喷枪按照触摸屏上设定的工艺曲线在步进电机的驱动下进行喷砂处理。当喷枪走完工艺曲线回到原点时，磨液泵停止工作，压缩空气关闭，小车启动将工件运出工作舱，完成工件加工。

执行手动程序时，可对各机构进行单独调整及对自动喷砂所不能达到的部位进行手动喷砂。

6.结束语

玻壳屏凸模数控湿式喷砂机已成功地应用于多家彩玻生产企业，达到了生产要求。该设备制造成本低，操作简单，维护方便，生产效率高，磨料消耗少。特别是工作时不产生粉尘，根除了粉尘对环境的污染及对工人健康的危害。该机不但可应用于彩玻行业各种屏凸模具的湿式喷砂加工，也可用于其它行业的模具加工。 [科]

【参考文献】

[1]Programmable controller FP seriesFP∑users manual，http：//www.naisple.com.

[2]Easy Buider500使用手册，http：//www.eview.cn.

[3]李建兴.可编程控制器应用技术[M].北京：机械工业出版社，2004.

[4]宜财鑫：PLC脉冲控制步进电机技术[J].机车车辆工艺，2002（1）.