陶瓷喷釉控制系统及其设计研究

田丽欣

摘 要：陶瓷喷釉是瓷器生产中的一个非常重要的工艺过程，喷釉对釉料喷涂的均匀性要求极其严格，其直接影响着瓷器产品质量的好坏。以欧姆龙CP1H系列PLC为瓷器喷釉控制系统的核心控制器，控制喷釉机喷枪升降轴和承坯台旋转轴伺服电机的运动从而实现对两轴的动作精确控制，达到釉料均匀喷涂，以欧姆龙NB7W-TW00B触摸屏作为系统HMI，实现友好的人机交互。该控制系统可用于圆形瓷器产品生产线的釉料喷涂工艺中，实现喷釉自动化，可大幅度提高瓷器产品的生产效率和生产质量。

关键词：陶瓷；喷釉；PLC；控制系统

中图分类号：TB 文献标识码：A doi：10.19311/j.cnki.16723198.2019.33.108

1 引言

在陶瓷的生产过程中，施釉是极其重要的一个环节，喷釉法施釉的特点是釉层厚度比较均匀，易于控制，有利于实现机械化和自动化。这种方法适用于大型、薄壁以及形状复杂的坯体，特别是对于薄壁小件易碎的生坯更为合适。传统手工喷釉工人作业环境恶劣，劳动强度大，喷釉质量波动大，且容易造成釉浆的损失等。为解决人工喷釉弊端，自动喷釉系统成为发展趋势。自动喷釉系统不仅可以解决坯体输送、坯体精确定位和坯体施釉三大难题，而且可以提高系统的通用性，具有较高的推广价值。利用机器人喷釉可以提高釉面品质，从而满足高品质成品的要求。本文设计了陶瓷喷釉自动控制系统，采用可编程控制器PLC作为核心控制单元，通过PLC控制承坯台的转动和实现对喷枪的运动控制，从而实现对喷釉生产线陶瓷器件的自动喷涂，喷釉质量高，且可用于批量化成产，工作系统具有很高的可靠性和稳定性。

2 控制系统硬件设计

该陶瓷喷釉控制系统用于瓷器生产线中，将瓷器输送线上的半成品取下，放到瓷器承载台上，由陶瓷喷釉机根据工艺要求自动喷釉，可以实现多层和多色喷釉等，喷涂效果均匀。喷釉完成后瓷器由承坯台卸下。根据工艺流程控制要求，陶瓷喷釉控制系统硬件主要由可编程控制器PLC、触摸屏、伺服电机、伺服驱动器、电磁阀和接近开关等组成。PLC软硬件抗干扰能力强，耐受工作温度和工作湿度高，具有高可靠性，能够满足自动陶瓷喷釉系统工作环境恶劣的要求。其中PLC选用欧姆龙的CP1H-XA40DT-D，触摸屏采用欧姆龙的NB7W-TW00B，伺服电机型号为R88M-KE10030H，功率为0.1kW，额定转速为3000r/min，满足喷釉机喷枪和承坯台的运动需求。

本设计采用可编程序控制器PLC作为陶瓷喷釉系统的控制核心。采用触摸屏作为人机交互界面，输入工作模式选择、工作参数以及操作指令等给下位机PLC，并显示相关运行参数和数据等。由PLC根据不同待加工陶瓷器件的要求发出一定频率和数量的脉冲信号给伺服电机驱动器控制喷枪的行程和运动速度，同时在PLC的控制下承坯台以一定的脉冲数和脉冲频率旋转运动，通过喷枪和承坯台的联合运动从而实现釉料的均匀喷涂。采用位置检测传感器限定喷枪的最大运动行程，并设定喷枪升降轴原点参数。本系统具有自动控制和手动控制两种控制方式，可以实现陶瓷自动喷釉和手动操作，陶瓷喷釉控制系统硬件结构图如图1所示。

3 喷釉控制系统软件设计

PLC作为喷釉控制系统的核心，主要实现手动控制和自动控制。手动控制方式可实现对承坯台和喷枪等各个轴的单独控制，可用于系统调试期间检测各个设备是否能够正常运行、设备检修以及进行运动工作参数的设置等，主要包括喷枪上升、喷枪下降、承坯台旋转+、承坯台旋转-和喷枪开关等操作功能。自动控制主要实现对生产线陶瓷半成品的自动喷釉功能。在陶瓷喷釉控制程序设计前，需要对系统的基础参数进行设置，以使系统达到最高的工作效率，完成对陶瓷喷釉程序的精确控制。

3.1 系统的基础参数配置

鉴于欧姆龙CP1H-XA40DT-D型PLC的脉冲输出接口为集电极开路型，其最大频率输出为200KHz，选用16位编码器的分辨率为216PPR（Pulse Per Revolution），代入公式（1）：

f=Pt×N060（1）

其中：Pt为编码器的分辨率[PLS/REV]；

N0为伺服电机旋转速度[rev/min]。

可得出伺服电机旋转速度约为183 r/m。由此可见与伺服电机的额定转速3000 r/m相比，不能达到伺服电机的额定工作转速，从而造成电机的工作效率低下。此时需要设置伺服驱动器的电子齿轮比参数，使其能在额定转速下工作。

以下为计算伺服驱动器的电子齿轮比过程。将编码器的分辨率、伺服电机额定旋转速度以及PLC最大输出频率代入公式（2）：

通过以上的设置，可使伺服电机在上位机于200KHz的频率控制下达到额定转速，从而满足喷釉控制系统对伺服电机的高效率的工作要求。

对于喷枪的原点与软限位的设置，在設置工作位置前，需要先设置喷枪的机械原点，然后设置喷枪的软限位，并统一记录于PLC的内存中，用于规定实际工作的基准与行程限制。

3.2 自动控制方式

系统上电后，进入待机状态，编辑喷枪工作位置和速度并存储工作参数。进入自动模式时，喷枪先自动返回原点，由拾取装置在坯体输送线上拾取待加工陶瓷器件到承坯台，承坯圆台开始旋转，喷枪自动下降到陶瓷器件喷釉加工位的预定位置H，喷枪打开同时并移动到预定位置L，根据设定位置参数喷枪完成喷釉，喷釉完成后喷枪关闭并上升返回原点位置，拾取装置将陶瓷器件取走，等待下一待喷釉器件到位继续下一周期工作。自动模式下的喷釉工作可以根据待加工不同陶瓷器件的大小高低设置喷釉位置和速度，并能完成不同陶瓷器件对釉料层次和颜色的需求，自动模式下主程序单工作周期的控制流程图如图2所示。

3.3 多类型陶瓷喷釉工作参数设置

为能够适用于对不同陶瓷器件进行喷釉，例如对碗、盘、杯子以及瓷瓶等各种瓷器，该控制系统在触摸屏人机交互界面上可以对不同类型的陶瓷器件的工作位置和喷枪运动速度进行设置，包括工作高度H（mm）、工作高度L（mm）和运动速度（mm/min）、旋转速度（r/min）喷涂时间（s）等几个参数的设置，根据不同类型陶瓷器件的工作高度H和工作高度L计算出喷枪的开始施釉位置和结束位置，在预定速度下通过喷枪运动和承坯台的联合旋转运动最终实现釉料的均匀喷涂。

4 结论

该陶瓷喷釉控制系统采用可编程控制器PLC作为核心控制器结合伺服系统，运用喷釉的方式可实现对陶瓷器件进行均匀施釉，系统的抗干扰能力强、稳定性高。可根据待加工陶瓷器件的大小和高低设置不同的喷釉位置和喷釉速度，满足对不同待加工陶瓷器件的要求，实用性强。系统采用触摸屏完成人机交互，人机界面设计友好，交互性强，实现了控制模式选择以及各种运行参数输入，并能显示喷枪升降轴和圆台旋转轴的位置和运行速度等现场数据。在陶瓷生产中应用该自动喷釉控制系统能大大提高自动化程度，实现批量化生产，且使釉料喷涂均匀，最大程度的提高产品质量，降低生产成本。

参考文献

[1]付凯艳，景会成.基于PLC的陶瓷喷釉控制系统的设计[J].工业控制计算机，2017，（11）：122123.

[2]莫庆龙，甘林，苏银蕊.基于模块化自动喷釉线的研究与应用[J].中国陶瓷，2017，（5）：7275.

[3]冯川.机器人喷釉系统的研究与应用[D].北京：清华大学，2004.

[4]李九良.卫生陶瓷施釉机器人系统的控制技术研究[D].西安：陕西科技大学，2012.

[5]周谦，莫庆龙，叶剑.高品质卫浴陶瓷的机器人喷釉工艺的研究与应用[J].中国陶瓷，2016，（8）：7779.