基于PLC的电弧喷涂自动控制系统

黄 钰

（汕头职业技术学院，广东汕头 515000）

基于PLC的电弧喷涂自动控制系统

黄 钰

（汕头职业技术学院，广东汕头 515000）

针对A3钢基体金属防护涂层的制备过程，设计了基于三菱PLC和触摸屏的电弧喷涂自动控制系统，避免电弧喷涂涂层制备过程中的高温、噪声和金属粉末污染问题，提高了涂层质量和喷涂效率。

电弧喷涂；PLC控制；伺服电机；触摸屏

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.12.47

0 前言

电弧喷涂技术在制备防腐蚀涂层、防磨损涂层等方面具有优越性，包括生产效率高、结合强度高、能耗及成本低、喷涂质量稳定、安全性好等，是一种应用较为广泛的表面技术。研究电弧喷涂涂层耐腐蚀性能所使用的电弧喷涂设备是广州三鑫金属科技有限公司生产的SX-600型电弧喷涂机。该设备采用手持式喷枪，喷涂质量、喷涂效率和控制精度都比较低。此外，在手工进行电弧喷涂的过程中，喷涂设备产生的噪音、高温以及大量的金属粉末和有毒气体也会对操作人员的安全和健康造成威胁[1]。

为提高电弧喷涂的质量及效率，改善电弧的工作环境，改进原有电弧喷涂机：将喷枪垂直安装在水平移动的工作台上，试样基体置于喷枪下方（图1）。这一改进解决了自动喷涂的问题，但是喷涂效果仍不很理想。由于受到重力作用，立式喷枪喷出的金属熔融粒子，即使速度不高也能落到基体上，导致涂层和基体的结合强度下降，涂层容易剥落。

为此，对电弧喷涂机进行了二次改进：①将原来的立式喷枪改为卧式喷枪，避免低速粒子进入涂层；②加装空气过滤减压阀，稳定喷涂气体压力、减少杂质、降低湿度，避免环境湿度等因素影响正常起弧；③利用三菱PLC和触摸屏控制2台伺服电机驱动喷枪工作台自动行走，自动控制喷涂过程，提高喷涂效率和涂层表面质量。改进后的喷枪如图2所示。

1 电弧喷涂自动控制系统的组成、工艺流程和控制要求

电弧喷涂自动控制系统由SX-600高速电弧喷涂设备、捷豹EV65-2.2 kW/3HP螺杆式空气压缩机、三菱FX3U-32MT型 PLC、三菱MR-J3-10A型伺服驱动器、HFKP23型伺服电机、三菱GT1155-QTBD型触摸屏以及XY双轴运动工作台组成（图3）。

图1 一次改造后的喷枪

图2 二次改造后的喷枪

图3 电弧喷涂系统

电弧喷涂自动控制系统有手动和自动两种控制模式。在自动控制模式下，电弧喷涂的工艺流程为：①按下启动按钮，系统初始化，计时器、计数器、辅助继电器和线圈复位；②按下原点开关，工作台复位；③按下空压机启动按钮，空压机开始工作；④延时10 s后，电弧喷涂设备启动；④按下工作台启动开关，双轴运动工作台自动行走；⑤工作台完成设定的行走路线后，系统复位。在手动控制模式下，按下水平正转或反转点动开关，工作台沿水平方向正向或反向点动运行；按下垂直正转或反转点动开关，工作台沿垂直方向正向或反向点动运行[2]。

通过分析电弧喷涂的工艺流程，可以得出系统的控制要求：

（1）应有手动控制和自动控制两种控制模式。手动工作模式主要是在系统维护或软件调试期间使用，在正常工作过程中一般采用自动工作模式。因此，应设置手动/自动转换开关和相应的指示灯，以便于系统的运行与维护。

（2）应设置急停按钮，在工作过程中如果发现喷枪起弧失败、空压机故障、工作台行走卡顿或其他故障时，按下急停按钮，系统马上停止运行，回到初始化状态。

（3）应采用触摸屏作为自动控制系统的人机界面，方便操作人员对工作台的控制[3]。

2 电弧喷涂自动控制系统的设备选型和I/O分配表

2.1 设备选型和参数设置

2.1.1 PLC的选型

系统设计由PLC直接控制伺服驱动器，PLC为晶体管输出型。选择三菱FX3U-32MT型PLC，该型号PLC有定坐标指令，能满足原点回归、绝对定位和相对定位等控制要求。并且内置3轴独立定位功能，从通用输出点（Y000—Y002）输出最大100 kHz的集电极开路方式脉冲串，能够满足工作台伺服控制系统的定位控制要求[4]。

2.1.2 伺服驱动器及伺服电机选型

系统选用三菱MR-J3-10A型伺服驱动器及配套的HFKP23型伺服电机[5]。MR-J3型伺服驱动器具有位置控制、速度控制和转矩控制3种模式，本系统采用位置控制，Y0输出脉冲作为水平轴伺服电机的位置指令，Y3输出为水平方向指令；Y1输出脉冲为垂直轴伺服电机的位置指令，Y4输出脉冲为垂直方向脉冲指令。

工作台连同伺服电机、减速器和喷枪的总重量为50 kg，滚珠丝杆的效率为90%，X轴电机的驱动功率约为160 W，Y轴电机的驱动功率约为140 W，均选用HFKP23型伺服电机，其额定功率为200 W。伺服电机编码器的分辨率是262 144脉冲/r，电子齿轮比为：CMX：CDV=16 384：125，伺服电机转一圈需要输入的脉冲数为2000，其额定转速为3000 r/min，伺服电机配减速比为30的减速器，工作台滚珠丝杆转速100 r/min，丝杆螺距10mm，工作台行走速度1 m/min。

2.1.3 触摸屏的选用

系统选用三菱GT1155-QTBD型触摸屏，屏幕尺寸5.7英寸，分辨率为320点×240点。触摸屏与PLC通信时用串口电缆RS422，可通过串口电缆RS232与个人计算机连接。

2.2 PLC控制系统输入输出分配表

系统启动、急停、空压机启动和停止共需要4个按钮开关，系统停止、手动模式和自动模式通过1个万能转换开关进行选择，执行原点回归指令需要2个接近开关，为了避免双轴运动工作台在前进/后退、上升/下降过程中出现“超行程”故障，需要设置4个位置开关进行限位保护，因此一共需要13个输入点。PLC的输出信号有水平轴伺服电机脉冲输出和方向信号、垂直轴脉冲输出和方向信号、水平轴伺服电机启动继电器线圈、垂直轴伺服电机启动继电器线圈、空压机启动接触器线圈、电弧喷涂设备启动接触器线圈，共需要6个输出点[2]。PLC外部接线如图4所示。

2.3 伺服电机控制系统电气原理图设计

伺服电机控制系统电气线路图如图5所示。考虑到安全性的要求，防止执行机构“超行程”导致设备损坏，需要在工作台水平轴左右两端设置极限开关SQ3和SQ4，在垂直轴上下两端设置极限开关SQ5和SQ6，并将其常闭触点接至伺服驱动器正反转限位端口（LSP，LSN），常开触点接至PLC的输入端口。SQ1和SQ2分别是水平轴和垂直轴的原点开关，在执行原点回归指令时使用[2]。

3 电弧喷涂控制系统软件设计

3.1 电弧喷涂控制系统人机界面的设计

系统采用三菱GT1155-QTBD型触摸屏作为人机界面。手动控制窗口设置了“水平正转点动”和“水平反转点动”位开关，分别与PLC辅助继电器M3、M4对应；设置了“垂直正转点动”和“垂直反转点动”位开关，分别与PLC辅助继电器M5、M6对应。自动控制窗口设置“原点”、“启动”、“停止”等位开关，分别与PLC辅助继电器M0-M2对应；设置工作台行走路线循环次数的输入元件，与PLC的数据寄存器D10对应，同时设置一个输入保存按钮M7[2]。人机界面设计如图6所示。

图4 PLC外部接线

图5 伺服电机控制系统电气线路

3.2 PLC控制程序设计

3.2.1 PLC控制过程的程序流程

图6 电弧喷涂控制系统人机界面

电弧喷涂金属防护涂层一般生产工艺流程是：按下启动按钮，系统初始化，选择自动控制模式，工作台复位，启动空压机，延时待空气压力稳定（通过减压阀可保证出口压力稳定值0.4MPa），喷涂设备启动，工作台带动喷枪按S形路线行走，完成试样的喷涂任务。根据工艺流程和控制要求设计程序流程图（图7）。

图7 PLC控制过程的程序流程

3.2.1 原点回归的程序设计

程序使用原点回归指令ZRN来实现双轴运动工作台的复位（图8）。当操作者在触摸屏上按原点开关M0时，水平轴伺服电机以原点回归速度（频率为100 kHz）向原点回归，当原点开关由OFF变为ON时，水平轴伺服电机以爬行速度（频率为2000 Hz）继续运行，当原点开关由ON变为OFF时，该指令执行完毕，M8029接通，垂直轴伺服电机开始执行原点回归指令，过程同水平轴伺服电机[2]。

3.2.2 工作台控制的程序设计

在电弧喷涂金属试样的工作过程中，工作台带动喷枪按S路线行走，将雾化的防护材料熔滴均匀喷涂到试样上。工作台单次行走路线如图9a）所示，如果要对外形尺寸为150×150的正方形试样进行喷涂，那么工作台的行走路线将重复4次，如图9b）所示。行走路线的重复次数可从触摸屏输入，并与PLC的数据寄存器D10对应。

图8 原点回归程序

图9 工作台行走路线示意

工作台的X轴（水平轴）和Y轴（垂直轴）分别由两台伺服电机顺序驱动，控制程序采用步进顺序控制指令，其中水平轴伺服电机的运行控制使用绝对位置定位指令DRVA，垂直轴电机的运行控制使用相对位置定位指令DRVI。控制程序设计如图10所示。程序执行到S22步，触摸启动按钮M1，水平轴伺服电机正转，驱动工作台向右以1 m/min的速度（频率为100 kHz）移动到距离原点300mm（频率为18 000 kHz）的位置，指令执行完毕后M8029接通，执行S23步。S23步垂直轴伺服电机正转，驱动工作台以1 m/min的速度（频率为100 kHz）向下移动25mm（频率为1500 kHz），指令执行完毕后M8029接通，执行S24步。S24步水平轴伺服电机反转，驱动工作台向左以1m/min的速度（频率为100 kHz）移动到距离原点100mm（频率为6000 kHz），指令执行完毕后M8029接通，执行S25步。S25步垂直轴伺服电机正转，驱动工作台以1 m/min的速度（频率为100 kHz）向下移动25mm（频率为1500 kHz），指令执行完毕后M8029接通，执行S26步。S26步计数器C0计数，当计数次数达到寄存器D10中设定的数值时，程序回到S0初始步，次数没有达到则重复S22到S26步。步进顺控程序的状态转移图如图11所示。

4 结束语

图10 工作台步进顺序控制程序

图11 顺序控制状态转移

改进后的电弧喷涂自动控制系统，采用PLC控制喷枪工作台的行走路线，有结构简单、定位可靠、编程简单、控制精度高、成本低等优点，不仅提高了电弧喷涂的涂层质量，降低了涂层的孔隙率，还改善了喷涂操作环境，提高了工作效率，基本能够满足实验室制备电弧喷涂金属涂层试样的需求，为实验人员进一步研究金属涂层的性能提供了技术支持。但是，这台设备的电弧喷涂的喷涂电压、喷涂电流和送丝电压等参数的控制和设置仍然没有纳入PLC控制系统，仍有改进空间。如果想要研究比较同一种喷涂材料在不同的喷涂电流和喷涂电压下的涂层性能，那么就应考虑加装基于PLC和触摸屏的电压电流选择系统。

［1］才鹤.海绵钛反应器防护涂层自动喷涂装置设计［D］.沈阳：沈阳工业大学，2012.

［2］胡志刚.基于三菱PLC的伺服电机控制系统设计［J］.价值工程，2017，36（5）：80-81.

［3］丁洪旗，刘彦良.基于三菱PLC和触摸屏的自动喷涂控制系统的设计与实现［J］.电工技术，2011（12）：36-37.

［4］三菱电机自动化有限公司.三菱FX3G.FX3U用户手册（定位控制篇）［Z］.上海：三菱电机自动化有限公司，2003.

［5］三菱电机自动化有限公司.三菱MR-J3-A伺服放大器技术资料集［Z］.上海：三菱电机自动化有限公司，2005.

［6］刘明，段盛开，刘小明.PLC技术及应用：三菱［M］.广州：世界图书出版广东有限公司，2013.

［7］姜银方.现代表面工程技术［M］.北京：化学工业出版社，2006.

［8］何用辉.自动化生产线安装与调试［M］.北京：机械工业出版社，2015.

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〔编辑 吴建卿〕