基于PLC控制的自动喷涂机的设计

焦峥辉 任雪娇 王美妍 薄文露 张小全

摘  要：喷涂在各行各业应用广泛，在分析现有各种喷涂设备的基础上，依据我国中小民营企业工件喷涂作业的具体情况，设计了一种通用型喷涂机。文章首先对喷涂机的结构进行设计，在机构设计的基础上完成控制系统的设计，该控制系统使用PLC作为控制器。所设计的喷涂机可适用于不同类型工件的喷涂任务，同时有效提高了工作效率。

关键词：喷涂机;PLC;控制

中图分类号：U468.2         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）09-0043-03

Abstract： Spraying is widely used in various industries. Based on the analysis of existing spraying equipment and the specific conditions of workpiece spraying operation in small and medium-sized private enterprises in China， a general-purpose sprayer is designed. First of all， this paper designs the structure of the sprayer， and completes the design of the control system on the basis of the mechanism design. The control system uses PLC as the controller. The designed sprayer is suitable for spraying tasks of different types of workpieces， and the work efficiency is effectively improved at the same time.

Keywords： sprayer; PLC; control

前言

噴涂应用于各行各业，喷涂机器人作为喷涂自动化设备技术进步的典型代表，并体现出了工业自动化水平，在进行喷涂作业时具有速度快、柔性大、反复定位精度高、适用范围广、工作灵活等优点，目前已广泛应用于对汽车整车及零部件产品的喷涂。[1]但是喷涂机器人成本高、控制复杂，应用喷涂机器人需要有与之相应的投资与技术支撑，以及相应的企业管理水平，而目前我国中小民营企业还依靠人工进行喷涂，[2]完全采用机器人进行喷涂作业不符合我国现阶段工业水平，因此我们需要从我国国情出发，设计开发出简单经济又使用可靠的喷涂生产系统，以帮助广大中小企业实现较好的自动喷涂功能。能够用最简单、经济的喷涂设备实现满足生产要求的功能。

1 喷涂机结构的设计

通用型自动喷涂机，主要由工作台和喷枪支架两部分组成。

工作台包括支座、支撑台和工作台面板，支撑台通过水平设置的销轴安装在支座上并可绕着销轴翻转，底座上安装有驱动支撑台沿销轴摆动的驱动机构，工作台面板通过转轴和轴承安装在支撑台上且能够自由转动，支撑台安装有驱动工作台面板旋转的旋转驱动机构。

喷枪支架包括支撑底座、支撑杆和设置在支撑底座上竖直放置的丝杠螺母机构，支撑底座为十字滑台，丝杠螺母机构带动水平设置的支撑杆上下移动，支撑杆的末端安装有使喷枪在支撑杆所在竖直平面内摆动的旋转装置。

支撑杆由前端部和后端部两部分组成， L型转折头安装在支撑杆后端部上，用于连接支撑杆前端部和后端部的销轴设置在L型转折头转角位置，支撑杆前端部在水平面内实现90°旋转，L型转折头两拐臂上分别开设有插销孔，支撑杆前端部摆动到分别与L型转折头两拐臂位置重合后通过插销固定，其结构如图1所示。

1-底座;2-支座;3-第一齿轮;4-扇形齿板;5-支撑台;6-第二齿轮;7-第三齿轮;8-工作台面板;9-旋转气缸;10-支撑杆;11-上支撑板;12-滑动板;13-丝杠;14-光杆;15-下支撑板;16-第一伺服电机;17-底板;18-滑块一;19-滑块二

图1 通用型自动喷涂机结构图

2 工作过程

进行喷涂作业时首先通过夹具将产品或者零件装夹在工作台面板上，对于普通回转类产品使工作台旋转、倾斜以及喷枪上下移动可完成喷涂任务;对于细长轴类产品，首先将应将工作台面板倾斜90°，将细长轴类产品安装在夹具上，在另一端通过增加尾座进行支撑，同时喷枪支架沿垂直于底座的方向移动，调整到合适的喷涂距离并进行固定，喷涂时使喷枪沿着产品轴线方向移动完成喷涂任务;喷涂产品的平面时，将产品固定在工作台面板上之后，通过控制系统使喷枪在垂直于底座和竖直方向上移动完成喷涂任务。

3 电气控制系统设计

3.1 控制方案设计

根据喷涂机的功能需求，本文主要以PLC为主控制器，利用以太网PROFINET与触摸屏、上位机等其他设备进行通信，从而建立一个完整的控制系统。其主要运行过程可以概括为，传感器或行程开关检测喷涂机的运行状态，将数据传送至控制器，随后PLC利用触摸屏和上位机的输入信号进行控制，将数据传送给执行设备，完成喷涂机的具体运行。[3]其具体的系统结构如图2所示。

整个控制系统主要由三部分组成，即PLC控制系统、触摸屏系统和上位机系统。（1）PLC控制系统的核心是以PLC为核心的CPU控制器，利用传感器进行信号采集，并将信号输送给CPU，控制器对这些信号进行识别、分析和处理，然后将控制命令传送到执行设备，从而实现系统的控制操作;（2）触摸屏系统主要实现了人机交互功能，用户通过触摸屏系统选择工件类型并设置相应的参数;（3）上位机系统主要实现了实时监控的功能，该系统以PC机为主要设备，通过网络连接访问和获取PLC设备中的数据，显示到监控设备中。

3.2 硬件设计

该系统中应用到的硬件主要包括光电、接近和限位开关等信号检测模块、PLC控制器等控制模块以及伺服电机等执行模块，下面分别介绍这些具体的硬件设备。

对于控制器，由于西门子SIMATIC S7-1200 具有模块化设计以及可扩展的功能。作为与机器设备之间的接口，集中或分散提供了各种各样的输入输出信号模块、用于执行特殊工艺功能（如计数）的工艺模块以及通信模块，故选用为本系统的CPU，同时考虑到需要和触摸屏及编程器通信，所以选用有2个PROFINET以太网通信端口的控制器，型号为CPU1215 C DC/DC/DC。由于控制器本体的I/O接口有限，不能满足该系统的需求，因此还需要配备输出输出模块，根据实际情况选用SM1223 8×24V DC输入/8×继电器输出。

触摸屏作为人机交互界面，也是该系统的重要组成部分，选用型号为KTP 600 Basic color DP的触摸屏。

驱动工作台面板作连续旋转的动力源选用三相异步电动机，并用变频器对其进行调速，变频器的型号为台达VFD007EL23A。驅动滚珠丝杠及支撑台翻转的动力源均选用交流伺服电机，采用台达B2/0.4KW伺服电机套装。

在传感器模块中，选用直流三线NPN常开型的光电开关检测工作台上是否有待喷涂工件;选用直流二线常开型的接近开关，用于控制喷枪移动的行程;选用型号是LX25-111/1115的限位开关，保护滚珠丝杠的安全运行，限位开关决定机械设备运动的极限位置，当机械设备上行程开关的触头碰到挡块时，就会切断控制电路，设备会根据控制器的命令停止运行或者改变运行方向。

3.3 软件设计

喷涂机在工作之前要进行初始化，让喷枪支架返回原点，根据待喷涂工件类型的不同进行模式的选择，并且通过人机界面进行参数的设定，按下操作面板上的启动按钮，工作台及喷枪支架按照设定的参数运行。[4-5]具体工作流程如图3所示。

具体的程序编写主要包括主程序和子程序两部分，主程序能够调用子程序，并对整个机构的运行状况进行全方位的管控。首先，需要编写的是初始化程序，由于PLC控制器具有诸多的寄存器等记忆设备，所以系统在运行前必须对PLC控制器进行初始化，从而减少系统的故障。在初始化之后，系统进入自动控制的状态。此时，系统程序根据触摸屏的输入指令执行操作，即各种不同类型工件模式的自动选择。[6]

4 结束语

本文首先对喷涂设备进行了分析，从我国国情出发，设计开发出了一种简单经济又使用可靠的喷涂生产系统，以帮助广大中小企业实现较好的自动喷涂功能。然后完成该喷涂机的结构设计，主要包括工作台和喷枪支架，可适用于不同类型的工件喷涂任务。最后以PLC为控制器对喷涂机的控制系统进行设计，包括硬件和软件的设计。该喷涂机解决了我国中小民营企业工件喷涂作业的难题，有效地降低了人工成本，提高了工作效率和可靠性。

参考文献：

[1]吴月琴.某智能喷涂生产系统的设计与开发[D].南京理工大学，2014.

[2]刘文.多喷头漆料雾化喷涂机结构创新设计研究[D].湘潭大学，2013.

[3]薛媛丽，张婷.基于PLC的智能车库控制系统的研究[J].自动化与仪器仪表，2018，230（12）：60-63.

[4]金建军.基于伺服电机驱动的十字滑台PLC控制系统设计[J].自动化应用，2018（2）：36-37.

[5]张小娟.基于PLC控制立体车库的设计[J].电子设计工程，2014（12）：66-68.

[6]杨一曼.PLC控制的升降横移式自动化立体车库研究[J].烟台职业学院学报，2018，78（01）：89-92.