基于PLC及步进电机控制的自动喷涂机.pdf

第 6 期 总第 1 6 9 期 2 0 1 1年 l 2月 机 械 工 程 与自 动 化 ME CHANI CAL ENGI NEE RI NG AUTOMATI ON N0 ．6 De C ． 文章编号 1 6 7 2 6 4 1 3 2 0 1 1 0 6 0 1 1 9 0 2 基于 P L C及步进电机控制的自动喷涂机 郑元 国，徐剑芸 航天科技集 团 四院 4 2所，湖北 襄阳4 4 1 0 0 3 摘要介绍了一套基于 P L C及步进电机控制的自动喷涂机。该系统基于西门子 P L C和步进电机位置控制器 控制，使用西门子操作员面板为人机界面，实现了发动机内壁涂层的自动喷涂，改善了涂层的均匀性，提高 了工作效 率，避 免 了挥发性气体对操作人员的身体伤害 。 关键 词喷涂机 ；P L C；步进 电机 ；人机界面 中图分类号 T G1 7 4 ． 4 4 2 TP 2 7 3 文献标识码 A 0 弓 I 言 在固体火箭发动机装药前 ，必须通过某种工艺在 发动机壳体内壁附上一层衬层 。衬层的质量是十分重 要的，它关系到发动机能否正常工作 。自动喷涂机就 是将混合好的浆状物料经加压雾化后均匀地喷涂到发 动机的内表面，得到厚度均匀且质量可靠的衬层。 本文阐述了一套基于 P L C及步进电机控制的自动喷 涂机，它以操作员面板为人机界面，实现了发动机内壁涂 层的自动喷涂，改善了涂层的均匀性，提高了工作效率， 避免了人工涂刷时挥发性气体对操作人员身体的伤害。 1 自动喷涂 机组成 和原 理 自动喷涂机主要由喷涂小车、加热保温烘房、壳 体旋转部件 、地轨 、控制系统几部分组成。图 1为自 动喷涂机系统平面图。 善装 置丑 ＼ ／ ／ l 旋 转 部 件 料罐＼ ＼ 蜜 ‘ J 一 l 『 。 I ll U ’ 覃 t 图 1 自动 顷 涂 机 系统 平 面图 1 ． 1 喷 涂 小车 喷涂小车由喷枪 、垂直导轨、料罐、驱动电机组 等组成。喷头固定在喷枪的一端 ，喷枪的另一端紧固 在垂直导轨上。喷头的轴向前后运动是由喷涂小车在 地轨上的前后运动来完成。在喷涂小车上还设有电磁 离合器 ，便于调试和确定喷涂行程 。气管和浆料输送 管从喷枪 内部穿过，由于喷枪为长悬臂杆 ，为保证其 强度和便于运输 ，又要适用于不同规格的发动机 ，因 此采用多段不同直径的钢管制成且为可拆卸结构。料 罐为不锈钢制成的密封容器 ，便于加压输送浆料，同 时为保证浆料的均匀性 ，喷涂过程 中一直有锚形桨在 搅拌。喷涂车上共有 4组驱动电机 一组电机带动混 合桨搅拌物料，保证浆料均匀 ，不分层 ；一组电机驱 动垂直导轨带动喷杆垂直运动 升降 ；一组采用步 进电机带动铜轮旋 转，使喷涂小车沿地轨前后运动， 且前后进给速度连续可调 ；还有一组步进电机驱动喷 头摆动，其摆角及摆动速度可由程序设定 。 喷涂车驱动轴部分采用电磁离合器联接，当离合 器接合时，喷涂车 由步进电机驱动 ；当离合器 断开 时，可人工推动喷涂车，以便于调试。 喷头的设计对喷涂质量的好坏有着直接的影响 ， 喷头为单浆料接 口、单气体接 口的结构形式。为了取 得最好 的雾化质量 ，须对气体的压力和浆料的流量进 行严格控制。浆料的流量通过输送气压进行控制。本 设备配置了大容积的储气罐 ，并采用电磁比例压力阀 调节储气罐和料槽 的压力 ，因此压力 可得 到精确控 制 ，保证了喷涂质量 的均匀性 。 1 ． 2加 热保 温烘 房 加热保温烘房可保证发动机喷涂及烘干衬层的温 度。由于发动机在烘房中烘干的时间较长，为了减少 热损失，烘房的墙壁必须有良好的绝热性，因此采用 轻质绝热材料，且配置有轴流风机并在房顶设有通风 管道以排出浆料中的溶剂蒸汽。 在烘房的前、中、后分别安装温度传感器 ，以监 视温度场的均匀性 。 1 ． 3壳体旋转部件 发动机壳体旋转部件 驱动发动机绕 轴线旋转运 收稿 日期 2 0 1 1 0 7 2 6 }修 回日期 ；2 0 1 1 0 8 0 6 作者简介 ；郑元 国 1 9 6 7 一 ， 男 ， 湖北襄阳人， 计算机软件高级程序员 ， 工程 师， 大专 ， 主要从 事非标设备 自动控制系统设计 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 2 O 机 械 工 程 与 自 动 化 2 0 1 1 年第 6期 动，它 由发动机壳体旋转支撑架和驱动电机构成 ，并 通过长轴齿式联轴器联接 。烘房的一个侧面设计一对 活动门。在对发动机内壁进行喷涂作业前 ，首先操作 喷涂小车带着喷枪退出烘房 ，打开门，操作人员将壳 体旋转支撑架拉 出烘房外装卸发动机壳体 ，再把支撑 架推进烘房内，与驱动电机装置联接 ，然后关上 门。 当喷涂、烘干工序结束后 ，打开 门，工作人员进入 烘房内把壳体与驱动装置脱离，将旋转支撑架拉出烘 房外 ，取下喷涂好 的壳体。驱动电机位于烘房的外 面，常温下运行 ，以利于其保持 良好的工作状况。驱 动电机采用变频调速器驱动可得到较宽的调速范围。 1 ． 4地 轨 地轨给喷涂小车的前后运动提供支撑和导向。另 外还提供前后的行程端点，用于前后位置限位。 2 控 制 系统 2 ． 1 控制 系统 工作原 理 该 系 统 以 西 门 子P L C 为 控 制 核 心 ，选 用 C P U3 1 4 ；步进电机控制器选用 F M 3 5 3模块 ；步进 电机驱动器选用 F M S TE P D R I VE模块；配备西门子 步进电机 ，分别控制喷涂小车的前后运动及喷嘴的摆 动 ；P L C输入 D I ，AI 和输 出 D O，AO模块 用于连接空压机 、搅拌电机 、升降电机、变频调速器 与发动机壳体旋转电机、离合器、电磁换向阀、限位 接近开关 、压力调节阀、温度传感器等元件。 控制系统上位机 以西门子 0P 2 7 7为人机界面与 下位机 P L C通讯，采用 MP I 协议，用于对系统发出 操作指令、模拟显示工作状态、设定工艺控制参数 等 。图 2为控制系统原理图。 壳体旋转 调速 电机 ● 空压机 搅拌电机 升降电机 储料罐打开阀 储料罐加压阀 喷嘴阀 离合器 喷 涂 车 进 给 _ 『 电缆 ‘ P L C C P U3 1 4 F 】II S T E P D R I V E ／ 1 F M S P D R I 、 厂 喷嘴摆动 步进电机 喷嘴压力调节 储料罐压力调节 壳体 旋转速 度信号 叫 } 1 一 喷涂车 进给限 位信号 烘房温度信号 l L 一喷嘴摆角 限位信号 图 2 控制系统原理 图 2 ． 2 P LC程 序设计 在 P L C程序控制下 ，自动喷涂机按照预先设定 的工艺参数完成喷涂作业。其运行工艺参数存储在数 据 块 D B l 0内。 下位机 P L C编程软件使用西门子 S T E P 7 V 5 ． 4 版本 ，位 置 控 制 器 F M3 5 3模 块 硬 件 配 置 软 件、 0 P 2 7 7组态软件嵌入安装在 S TE P 7中。 P L C程序包括 以下功 能模块 ① 步进电机定位 控制程序块 ，可以对喷涂小车来 回移动、喷嘴摆动进 行精确控制；②开关逻辑控制程序块 ，对空气压缩 机、搅拌电机 、升降电机 、变频调速电机 、储料罐打 开阀、储料罐加压阀、喷嘴阀、离合器等执行器实施 启停控制；③信号采集程序块 ，包括喷涂小车运动安 全限位 、喷嘴摆动安全限位、烘房温度信号 、壳体旋 转速度信号等的检测；④模拟信号输 出程序块 ，可对 喷嘴压力、储料罐压力大小进行连续调节。 2 ． 3操作 界 面设 计 自动喷涂机的人机操作界面选用西门子 0P 2 7 7 ， 采用 西 门子 MP I 协议与 下 位机 P L C通 讯 ，对 系统 发 出操作指令 ，同时模拟显示运行状态。 通过组态软件把其组态为主画面、调试画面、参 数设定画面、功能键帮助画面等。将操作员面板上的 K键定义为电机、阀门的开关键 ；可根据不同画面 ， 把 F功能键定义为两个步进电机的操作键。 图 3为主操作界面图。 图 3主操作界面图 3 结束语 基于 P L C及步进电机控制 的 自动喷涂机 ，采用 步进电机定位控制技术 ，自动化程度高，操作方便 ， 减少了安全隐患 ，提高了产品质量及工作效率 。 参考文献 [ 1 ] 龚仲华． s 7 2 0 0 ／ 3 0 0 ／ 4 0 0 P L C应用技术通用篇[ M] ． 北京 人民邮电出版社 ， 2 0 0 8 ． [ 2 3 龚仲华． S 7 2 0 0 ／ 3 0 0 ／ 4 0 0 P I C应用技术 提高篇[ M] ． 北京 人民邮电出版社 ， 2 0 0 8 ． Au t o ma t i c S pr a y i n g M a c hi ne Ba s e d o n PLC a n d S t e pp e r M o t o r Co n t r o l ZHE NG u a n g u o 。XU J i a n - y u n Th e 4 2 n d I ns t i t ut e o f t h e 4t h Ac a d e my o f CAS C．Xi a n g y a n g 4 41 0 0 3，Ch i n a Ab s t r a c t I n t h i s p a p e r ，a s e t o f a u t o ma t i c s p r a y i n g ma c h i n e u s i n g s t e p p i n g mo t o r c o n t r o l b a s e d o n PL C i s i n t r o d u c e d ．Th e s y s t e m i s b a s e d o n S i e me n s PL C a n d s t e p p i n g mo t o r p o s i t i o n c o n t r o 1 ．a n d S i e me n s o p e r a t o r p a n e l i s u s e d f o r ma n - ma c h i n e i n t e r f a c e ，r e a l i z i n g a u t o ma t i c s p r a y i n g o f t h e e n g i n e i n n e r wa l l c o a t i n g ．i m p r o v i n g t h e u n i f o r mi t y o f t h e c o a t i n g，i n c r e a s i n g wo r k e f f i c i e n c y， a n d a v o i d i n g a n i n j u r y f r o m t h e v o l a t i l e g a s t o h u ma n b o d y ． Ke y wo r d s s p r a y i n g ma c h i n e ；P LC s t e p p e r mo t o r ；ma n - ma c h i n e i n t e r f a c e ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m