摘要：传统喷砂工艺中，人工手持喷涂效率低、良品率低、且粉尘伤害较大、工序危险系数极大，根据以上问题，经项目小组讨论评审设计了自动超音速冷喷涂设备的控制系统。机构采用三轴模组机械手、喷涂机构、粉尘回收机构。机械手动作由ＰＬＣ、触摸屏、伺服电机驱动模组方式控制完成，可实现多段连续直线、圆弧等轨迹以兼容不同场合的使用需求，实现了喷涂的手动／自动切换以及急停控制、报警功能，还能根据不同的产品需求设置不同的参数。人机交互友好、运行稳定等特点。该喷涂机可适用不同类型的产品的喷涂工艺，也可满足复杂曲面的产品喷涂需求；产品平台喷涂更加均匀，提高了产品的喷涂质量，良品率更高，喷涂效率相对原来人工作业提升了１９０％。

　　关键词：三轴控制，超音速，喷涂，控制系统

　　０引言

　　某产品生产中有一道工序为需要将材质分别为铜和铝的两个零部件焊接在一起，并且需要承受２３ｋｇ的拉力，使用传统的锡钎焊无法承受如此大的拉力，而经过多次实验后总结的解决办法是利用高温的压缩空气，将铜粉以超音速喷涂到铝件表面。为了实现此项工序，需要操作员穿上笨重的防护设备，将双手伸到喷涂箱内，一只手手持喷涂枪头，透过玻璃窗观察，另外一只手调整工件位置角度，移动喷头进行喷涂作业。在整个过程中，操作者需要以非常平稳的速度手持枪头在工件表面移动，而现有枪头重达２．５ｋｇ，这对操作者来说不是一件简单的事情，长期作业时难免会出现疲劳手部抖动，导致工件表面的喷涂厚度不均，造成产品质量不合格，而且扩散的粉尘会遮挡视线，让操作者难以观察，在喷涂一段时间后，需要停下一段时间，等粉尘掉落恢复视线再继续作业，工作节拍严重浪费。通过计算，一名熟练的员工生产一件产品需要５５ｓ，上下料需要２０ｓ，而等待粉尘掉落的时间长达１２０ｓ。而且此项工序危险系数极大，人一旦疲劳失控，枪头脱手，接近５００℃的高速金属粉尘，很容易对人体造成伤害或者引发火灾，并且近距离接触枪头，会过量吸入金属粉尘，对肺部伤害极大。因此，将这个过程自动化，不仅仅是效率和良率问题，更是安全问题［１］。

　　经多方考评分析之后，在权衡空间利用、系统稳定、成本控制及后期的维护，机构部分决定采用三轴伺服模组实现枪头在空间中的移动，腔体内部采用５００℃的耐高温防火布进行防尘，用以保护模组及线路安全。尾端增加工业灰尘收集装置，避免铜粉泄漏造成环境污染。控制部分采用ＰＬＣ加触摸屏方式驱动，在自动喷涂设备投产后下，单个产品的作业时间由５５ｓ降低到４８ｓ，上下料时间仍然为２０ｓ，由于灰尘收集装置的作用，将无需等待粉尘掉落，所以单个产品的作业节拍由原来的１９５ｓ，缩短为６８ｓ，效率相对于原来人工作业提升了１９０％。１控制系统设计当今社会，工业不断发展，用自动化设备替代人工已经成为了大趋势，可以让人们从重复单一的工作中解放双手，去做更多创造性的事情，而ＰＬＣ在这一环节中起着至关重要的作用。在此之前，喷涂作业为人工手动进行操作，而在岗的员工因为防护用具老化，吸入了过量的铜粉而出现流鼻血的症状，危害极大，导致项目已暂停。为了“四化”即模块化、数字化、自动化和智能化的推行，将目前的人工喷涂改为自动运行，起初设想是通过使用工业机器人驱动枪头以完成喷涂操作，在综合考虑了使用环境、操作便捷性、成本等多个因素后，采用了ＰＬＣ＋三轴伺服模组＋触摸屏的电气控制方案。［２］

　　１．１总体方案

　　从经济性方面分析，该设备的引入，可将人工效率提高至原有的２．９倍，在作业不良报废、员工穿戴的防护用具消耗品这些隐形成本方面来讲，设备为一次投入，短期内可快速回本，而后期如果产能加大，只需要增加设备即可，不需要新培训技工（手持冷喷涂高危作业，上岗人员需要严格培训，比较耗费时间和精力）。从系统可靠性来讲，系统故障主要来源于喷涂泄漏的金属粉尘，而本设备对金属粉尘进行了多重防护，且在元器件的选型上多数采用的是市场上能轻松买到的标准件，更加易于维修，即使出现故障，只需要将提前准备好的备用零件换上即可，因为是标准件，即使没有备品，及时从市场采购，也不会影响产能。从安全方面来讲，设备作业时，与人是完全隔离开的，设备内部使用防火布、外部使用金属＋８ｍｍ有机玻璃进行封闭，钣金接缝处均作了多层密封胶处理，能有效隔绝金属粉尘，避免吸入人体造成肺部伤害。综上所述，该设备具有极高的实用性，在满足客户要求的前提下，为客户减少了人力成本，降低了此项作业的风险，为员工创造了一个良好的作业环境，这才是自动化这个行业的价值所在。

　　１．２系统组成

　　系统主要由金属仓体，内部为ＸＹＺ三轴伺服模组，右边是粉尘收集装置［３］。如图１所示。

　　控制要求：操作员开启仓门，将产品放置于治具上，关闭仓门，按下启动按钮，系统将自动运行，气缸伸出锁紧仓门，防止员工中途打开造成人身伤害，ＰＬＣ程序控制伺服模组按照预设的轨迹，拖动枪头在产品表面２０～３０ｍｍ高度进行移动作业，同时，灰尘收集装置一起工作收集扩散的铜粉，喷涂完成，门仓锁打开，操作员可开门取出产品，换上新的待加工产品，要求整个过程任意一个操作工都能轻松掌握。喷头可实现对大面积的矩形平面进行喷涂，对于异型产品，可实现特殊轨迹的喷涂，且喷涂表面的不可出现断粉，铜粉最薄和最厚处不得超过０．０１ｍｍ，而对于表面高低不一的产品，可实现空间自由轨迹的喷涂，对于需要人工需要修补返工的产品，可在手动模式操作电子手轮进行作业。

　　１．３电气选型

　　根据控制要求评估，想要实现以上功能，需要ＰＬＣ需要具备高速、高精度的脉冲输出功能，且为实现多段特殊轨迹，ＰＬＣ的脉冲输出需要支持多端连续插补功能，考虑到功能、成本、稳定性，首选为西门子１５００和三菱Ｑ系列，但是由于期间国内外芯片短缺，导致该款ＰＬＣ无法在短时间内找到货，最后决定使用国产的信捷ＸＤＭＥ－３０Ｔ４－ＥＰＬＣ，该ＰＬＣ可支持４轴脉冲输出，１６点输入，１４晶体管输出，点位同样功能的只需要西门子ＰＬＣ－１５００及三菱Ｑ系列的１／２的价格，性价比极高。触摸屏方面选用威纶通７寸ＴＫ６０７０ＩＰ，该款触摸屏具有亮度高、人机操作灵活多样抗干扰能力强，ＵＩ设计美观，通信兼容性好的特点。

　　１．４电气原理图

　　电路的导线截面按照图纸标识布线，控制电路导线截面为多股软铜线０．５ｍｍ２，多芯电缆导线截面为０．３ｍｍ２。每一条导线两端套线号管，严禁一条导线套有不同的线号管。端子压接使用专用的端子压线钳，压接时使用的压接口和端子相匹配，压接后，导线与端子之间接触良好、牢固。电气配件固定位置准确、牢固，连接线缆固定位置避免受到运动机械零件的摩擦。图２所示为部分电气原理。

       １．５信捷ＰＬＣＩＯ表分配

　　根据本控制系统设计的要求，具有３６个输入点，２８个输出点，本控制系统采用信捷ＸＤＭＥ３０Ｔ４－ＥＰＬＣ具有１６输入点，１４个输出点，Ｉ／Ｏ点数不够，再扩展一个ＸＤ－Ｅ１６Ｘ１６ＹＴ－Ｅ信号模块，具有１８输入点，１８个输出点，其Ｉ／Ｏ地址分配如图３所示［４］。

　　2程序设计
       2.1 PLC配置

　　该设备所选的PLC为信捷XDME-30T4-E本身支持4轴脉冲输出功能，16点输入、14点输出，在此设备上只需要一个主机就能完成所有的功能，通信方面支持232串口通信、以太网网口通信，因为本设备为单机运行，PLC与触摸屏为点对点通信，考虑到经济型和稳定性，采用串口通信的方式[5]。

　　2.2程序设计思路

　　程序包含手动模块（模组替代人工手动操作、调试编程）、自动模块、报警模块、编程模块（对轨迹、工艺参数进行设定）。

　　2.3 PLC手动程序设计

　　手动程序在PLC完成编写，同时在触摸屏中编写操作界面，手动模式的由PLC的高速计数器采集脉冲信号，利用PLC的多轴随动功能实现。

　　2.4 PLC自动程序设计

　　设备自动程序如图4所示。

　　在自动程序下，三轴模组多段直线圆弧轨迹由PLC连续插补功能实现。

　　3触摸屏画面设计
       3.1主画面设计

　　如图5所示，在触摸屏上有报警清楚、初始化、停止、启动按键，手动／自动按键：按键在自动位置时，手动画面无法进入。

　　设置：可进入特殊轨迹参数设置（例如：在产品铝板上，可以前后左右S形状等特殊轨迹、进行喷铜粉）。

　　I/O画面：可以观察到每个感应器是否到位、复位。

　　报警历史：可以发现运行到哪个环节出现故障的报警提示。

　　主画面里可以对设备进行初始化后，即可开始自动工作。

　　3.2手动画面设计

　　在手动画面下可对各部分机构进行手动调试，用于对电磁阀、联机信号进行调试，在检修时可以很方便的排查问题，电子手轮可以更方便的对伺服进行调试。

　　3.3参数编辑界面

　　可对机械手路径、模式进行编辑、可选模式有平面矩形模式，平面任意轨迹（直线＋圆弧）、空间多段轨迹（直线＋圆弧）轨迹。如图7所示。在轨迹编辑下，如点位1到点位2是直线或者圆弧，是否启用该点，操作方便、简单易懂。

　　4调试运行与结果分析

　　首先手动调试，测试X轴、Y轴、Z轴各轴的运动情况，再测试各电磁阀对吹气、出粉的控制速率，最后测试手轮的，通过电子手轮可以更方便的对伺服进行调试。经过多次调试之后达到了理想效果。

　　其次是参数进行设置，对伺服参数调整，经过对伺服运动的各项参数进行调整（伺服运动的刚性、惯量比），以保持喷枪头始终在产品表面20~30 mm高度进行移动作业；实现喷涂的工艺参数进行调整（工作温度、空气流量、铜粉流量、铜粉的叠盖方式），控制喷粉量稳定，且喷涂表面的不可出现断粉，铜粉最薄和最厚处不得超过0.01 mm,以达到预期效果。

　  完成程序逻辑后，进入自动调试阶段，如图8所示，为调试中的效果，表面平整度、均匀程度远远超过了人工手动操作方式，效率提高至原有的2.9倍，良品率提升了25%,安全系数更高。厂端对此给予了极高的评价。在客户确认逻辑要求，工艺要求后，客户完成验收，正式投入了生产。

　　5结束语

　　该设备结构稳定、易维护、操作简单，定位可靠、控制精度高、编程方便、工作节拍为68 s,是人工作业的2.9倍，机仓双重防护，极大地提高该项制程的安全系数。能满足企业实践生产的需求。由于场地和经费的问题，这套设备也存在不足的地方：设备本身没有设计助力装置，上下料需要借助外部的助力装置，导致上下料搬运会比较困难；一部分未附着到工件的铜粉，会因为高温和空气的充分接触，变得氧化发黑，导致铜粉要浪费一半之多。如果想要改进这些问题，要针对大型产品增加助力装置，减轻人工作业难度；在腔体内冲入氮气或者氦气等惰性气体，可保护多余的铜粉不会因高温氧化，有助于铜粉的二次利用，极大地减少原材料的损耗。

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