王 春，李 爭(zhēng)，林 盛

(大連交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧大連116028)

0 引 言

筒狀貯箱是石油、化工、航天業(yè)中常見的一種儲(chǔ)存設(shè)備。針對(duì)貯箱在不同工作環(huán)境中的耐腐蝕、耐高溫、耐銹蝕等特殊要求，需要對(duì)貯箱進(jìn)行科學(xué)的防腐處理。隨著我國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，科技不斷進(jìn)步，大型貯箱需求的進(jìn)一步增加，貯箱防腐新技術(shù)也得到了應(yīng)用和發(fā)展，如貯箱底板的陰極保護(hù)技術(shù)，貯箱外壁的熱噴鋅、鋁技術(shù)等［1］。但貯箱的涂料涂裝保護(hù)仍然是貯箱防護(hù)的一種重要手段。

國外噴涂行業(yè)常采用柔性仿形自動(dòng)噴涂機(jī)器人進(jìn)行自動(dòng)噴涂［2］，噴涂機(jī)器人是一種靈活性好、噴涂效率高、編程容易、操作靈活方便的智能自動(dòng)噴涂設(shè)備，但成本較高。國內(nèi)筒形貯箱的噴涂技術(shù)相對(duì)單一，洞庫大型油罐的除銹、噴漆等一直采用傳統(tǒng)依靠腳手架的人工作業(yè)方式，不僅效率和質(zhì)量低下，而且工作環(huán)境惡劣，嚴(yán)重威脅著施工人員的身心健康［3］。目前表面噴涂設(shè)備主要有水平往復(fù)自動(dòng)噴涂機(jī)、垂直往復(fù)自動(dòng)噴涂機(jī)、旋轉(zhuǎn)噴涂機(jī)、多軸頂噴機(jī)和噴涂機(jī)器人等［4］。各種噴涂機(jī)也因工件表面的多樣性和復(fù)雜性使得噴涂機(jī)使用受限。隨著離線編程技術(shù)的興起，且當(dāng)PLC 不斷小型化，集成化，以其強(qiáng)大的功能取代了傳統(tǒng)的繼電器實(shí)現(xiàn)邏輯控制，通過在計(jì)算機(jī)上編輯PLC 并與人機(jī)界面相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)噴涂自動(dòng)化，成為一種適用于我國中小企業(yè)發(fā)展的新方向。

本研究將采用西門子PLC 與FM357-2 位置控制模塊，結(jié)合人機(jī)界面技術(shù)，選型、設(shè)計(jì)、開發(fā)筒狀貯箱自動(dòng)噴涂控制系統(tǒng)，并通過帶入實(shí)際控制參數(shù)，完成對(duì)不同型號(hào)貯箱的自動(dòng)噴涂控制的驗(yàn)證，以達(dá)到替代原有手工噴涂的目的。

1 噴涂裝置組成與噴涂原理

筒狀貯箱自動(dòng)噴涂裝置主要由噴涂運(yùn)動(dòng)控制機(jī)構(gòu)、貯箱回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、機(jī)架和地軌支架等部分組成。噴涂裝置示意圖如圖1 所示。噴涂運(yùn)動(dòng)控制機(jī)構(gòu)有4 個(gè)運(yùn)動(dòng)軸，包括沿筒段軸線方向的X 軸，水平徑向方向的Y軸，豎直方向的Z 軸以及噴槍擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)的C 軸。貯箱經(jīng)運(yùn)送車置于回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)貯箱旋轉(zhuǎn)，以便調(diào)節(jié)貯箱的轉(zhuǎn)動(dòng)速度。貯箱自身繞A 軸回轉(zhuǎn)，配合X、Y、Z 和C 軸的噴涂運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)全方位、無遺漏噴涂。

圖1 噴涂機(jī)構(gòu)示意圖

根據(jù)噴涂的工藝要求，筒狀貯箱的完整噴涂過程分為筒段和前、后箱底噴涂3 個(gè)部分。具體噴涂原理如下:筒段部分采用螺旋線式噴涂工藝。噴槍快速定位到筒段的噴涂起點(diǎn)處，調(diào)整噴槍垂直于筒段表面，回轉(zhuǎn)貯箱達(dá)到預(yù)定速度后，噴槍開始沿箱體母線軸向運(yùn)動(dòng)，噴槍、貯箱均連續(xù)勻速運(yùn)動(dòng)，噴涂路徑為螺旋曲線。在筒身螺旋曲線兩端頭部分通過補(bǔ)噴完成。前、后箱底噴涂部分采用等距線式噴涂工藝。由于前、后箱底為橢球面，噴涂過程如下:噴槍快速定位到箱底的噴涂起點(diǎn)處，調(diào)整噴槍繞C 軸擺動(dòng)，使噴槍出料方向垂直于待噴面，控制箱體保持勻線速度轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)保持噴槍在橢球面的等距線上靜止，等貯箱回轉(zhuǎn)一圈噴涂完畢后，噴槍移動(dòng)到下一個(gè)等距線上并調(diào)整噴頭擺角，同時(shí)調(diào)整貯箱轉(zhuǎn)動(dòng)速度來保持其線速度不變，再噴一圈，以此類推，直到箱底噴涂完畢。

2 系統(tǒng)控制方案與硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)控制要求，自動(dòng)噴涂裝置的控制方案采用西門子S7-300 系列CPU315-2DP 型PLC、FM357-2位置控制模塊、MP277 觸摸屏及伺服系統(tǒng)等部分組成［5］。PLC 負(fù)責(zé)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)調(diào)度工作，控制FM357-2模塊，存儲(chǔ)傳遞數(shù)據(jù)，控制Z 軸伺服，接收啟停、限位、報(bào)警等輸入信號(hào)，發(fā)送噴槍噴嘴開閉、涂料攪拌等輸出信號(hào)來完成整個(gè)系統(tǒng)的過程控制。觸摸屏用于人機(jī)交互，設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)，顯示系統(tǒng)工作狀態(tài)信息，并與PLC通信。FM357-2 位置控制模塊控制X、Y、A 和C 軸，實(shí)現(xiàn)筒段噴涂運(yùn)動(dòng)及前后箱底多軸聯(lián)動(dòng)噴涂運(yùn)動(dòng)控制。伺服驅(qū)動(dòng)器選擇三菱公司的MR-J2S 系列。A 軸轉(zhuǎn)速2 r/min～7 r/min，噴涂時(shí)貯箱回轉(zhuǎn)速度較低，而且驅(qū)動(dòng)貯箱回轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)矩比較大，因此通過擺線針輪減速器帶動(dòng)一對(duì)齒輪傳動(dòng)來實(shí)現(xiàn)貯箱噴涂時(shí)的低轉(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩的噴涂要求。擺線針輪減速器的傳動(dòng)比i =1∶43。小齒輪安裝在減速器的輸出軸上，大齒輪通過螺栓連接固定在貯箱的連接法蘭上，齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)比i =1∶8。根據(jù)貯箱折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和負(fù)載轉(zhuǎn)矩，A 軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)選擇三菱公司的HC-SF353B 伺服電機(jī)。X、Y、Z 軸選用HC-RF103 伺服電機(jī)，噴涂速度200 mm/min～1 050 mm/min，快速10 000 mm/min，定位精度±0． 2 mm，C 軸選用HC-UFS23 伺服電機(jī)加RV25 減速機(jī)控制，定位精度±0．1°?？刂茊卧到y(tǒng)框圖如圖2 所示。

FM357-2 是西門子公司推出的用于S7-300 系列PLC 的多軸位置控制功能模塊［6］，非常適宜于多達(dá)四軸的聯(lián)動(dòng)插補(bǔ)控制，可用于控制伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)。定位模塊的一個(gè)附加優(yōu)點(diǎn)是，它們可以不受控制程序的干擾對(duì)各軸進(jìn)行定位控制。FM357-2 模塊直接采用標(biāo)準(zhǔn)NC 語言編程，子程序可以采用嵌套，最大調(diào)用次數(shù)9 999 次。FM357-2 可以使用手動(dòng)進(jìn)給、增量進(jìn)給、回參考點(diǎn)、MDI、自動(dòng)、單段等操作方式進(jìn)行定位操作與控制［7］。FM357-2 前面板圖如圖3 所示，F(xiàn)M357-2模塊有X1 到X8 共8 個(gè)接口。其中X1 為I/O 接口，包括:8 路數(shù)字量輸出;18 路數(shù)字量輸入，其中4 路接近開關(guān)輸入，2 路測(cè)量脈沖輸入，12 路一般數(shù)字量輸入。X2 為連接器端口，最多可連接4 個(gè)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器或4 個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器。X3、X4、X5、X6 分別為4 根軸的編碼器輸入端口，可連接增量型或是絕對(duì)型編碼器。X8為Profibus-DP 驅(qū)動(dòng)接口，可以通過接口連接到數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)器。FM357-2 通過位置指令脈沖的輸出形式經(jīng)由數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)傳送位置反饋信號(hào)，實(shí)現(xiàn)位置控制，它的最高位置脈沖輸出頻率為250 kHz［8］。根據(jù)系統(tǒng)要求，本研究在離線狀態(tài)下于機(jī)器數(shù)據(jù)MD block 中對(duì)X、Y、A、C 四軸分別進(jìn)行如下設(shè)置:在通道配置中將X、Y 軸設(shè)為幾何軸，A、C 軸設(shè)為同步軸。在軸配置中激活1，2，3，4 軸分別對(duì)應(yīng)X、Y、A、C 軸，將X、Y 軸設(shè)置為直線軸伺服驅(qū)動(dòng)，A、C 軸設(shè)為旋轉(zhuǎn)軸伺服驅(qū)動(dòng)，將X3、X4、X5、X6 分別設(shè)為對(duì)應(yīng)四軸的編碼器輸入端口，設(shè)置好電機(jī)參數(shù)并打開軸仿真輸出。

圖2 控制單元系統(tǒng)框圖

圖3 FM357-2 前面板圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與參數(shù)驗(yàn)證

系統(tǒng)軟件由參數(shù)設(shè)置模塊、回零模塊、手動(dòng)運(yùn)行模塊和自動(dòng)運(yùn)行模塊組成，系統(tǒng)控制流程圖如圖4 所示。系統(tǒng)啟動(dòng)初始化，清空運(yùn)行數(shù)據(jù)并設(shè)置參數(shù)，完成準(zhǔn)備工作。設(shè)備進(jìn)入正常工作狀態(tài)后，PLC 按選擇的工作模式運(yùn)行。參數(shù)設(shè)置模塊實(shí)現(xiàn)用戶參數(shù)和系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置，根據(jù)貯箱型號(hào)及噴涂工藝要求輸入箱底橢球冠長(zhǎng)半軸長(zhǎng)a、短半軸長(zhǎng)b、噴槍到被噴面的距離m、等距噴涂運(yùn)行步長(zhǎng)l、貯箱回轉(zhuǎn)速度n 及噴涂進(jìn)給速度v 等參數(shù)數(shù)據(jù)，計(jì)算出運(yùn)行控制點(diǎn)?；亓隳K實(shí)現(xiàn)噴涂機(jī)構(gòu)快速回到零位。

圖4 系統(tǒng)控制流程圖

手動(dòng)運(yùn)行模式時(shí)，系統(tǒng)控制噴槍開閉，連續(xù)或增量點(diǎn)動(dòng)控制X、Y、Z 軸直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)、A 軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及C軸擺動(dòng)。噴涂作業(yè)前，操作者可在手動(dòng)模式下調(diào)整噴槍的位置及方向。貯箱安裝在支撐機(jī)構(gòu)上后，根據(jù)支撐機(jī)構(gòu)與貯箱幾何尺寸可以確定貯箱中心位置及噴涂母線路徑，根據(jù)機(jī)床零點(diǎn)位置與機(jī)床坐標(biāo)系下貯箱的中心位置坐標(biāo)來控制Z 軸移動(dòng)從而確定噴涂起噴位置。Z 軸由PLC 直接控制，由于涂料在噴涂過程中會(huì)因自重下墜并且噴涂的過程為回轉(zhuǎn)噴涂，對(duì)Z 軸的控制精度要求并不高，系統(tǒng)對(duì)Z 軸采用開環(huán)控制方式，利用PLC 輸出脈沖控制移動(dòng)，在監(jiān)控界面中確定Z 軸坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)至貯箱中心位置坐標(biāo)，即完成Z 軸方向的定位。

自動(dòng)運(yùn)行模式時(shí)，系統(tǒng)首先按設(shè)定的參數(shù)計(jì)算好控制點(diǎn)并存儲(chǔ)到FM357-2 對(duì)應(yīng)的參數(shù)讀取數(shù)據(jù)塊中，然后快速定位噴槍到噴涂起始位置，噴槍垂直于待噴面，涂料開始攪拌，控制A 軸旋轉(zhuǎn)使貯箱轉(zhuǎn)動(dòng)至設(shè)定轉(zhuǎn)速值，開啟噴槍，通過FM357-2 位置控制模塊內(nèi)編制好的程序控制噴涂運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，根據(jù)設(shè)置好的參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)噴涂。

由于前、后箱底為橢球冠，噴槍必須在球冠的每個(gè)等距線處均垂直于球冠表面，其需要X、Y、C 軸動(dòng)作使之始終位于球冠法線方向，通過FM357-2 模塊控制噴涂機(jī)構(gòu)的X、Y、C 軸聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)貯箱箱底曲面的等距噴涂運(yùn)動(dòng)。貯箱箱底噴涂路徑如圖5 所示。

按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，本研究設(shè)箱底表面噴涂路徑的當(dāng)前點(diǎn)為(X0，Y0)，針對(duì)大型筒狀貯箱中，小段弧長(zhǎng)可等效為弦長(zhǎng)并將其作為噴涂步長(zhǎng)，根據(jù)貯箱表面曲線方程及噴涂步長(zhǎng)l 可計(jì)算出噴涂路徑的下一點(diǎn)(X1，Y1)。由于噴槍實(shí)際運(yùn)行軌跡為箱底表面曲線的等距線，根據(jù)(X1，Y1)點(diǎn)、貯箱表面垂線方程及噴槍距貯箱距離m 可求出噴槍編程控制點(diǎn)(XT，YT)，列出如下方程:

圖5 貯箱箱底噴涂路徑

將橢圓參數(shù)方程(1)代入式(2)的步長(zhǎng)距離方程中，可得到關(guān)于a、b、l 和θ 的方程如下:

這樣可以通過設(shè)定的參數(shù):長(zhǎng)半軸長(zhǎng)a、短半軸長(zhǎng)b、噴涂運(yùn)行步長(zhǎng)l 等進(jìn)行編程，輸入點(diǎn)(X0，Y0)利用公式來求得(X1，Y1)的坐標(biāo)，聯(lián)合式(2，3)求得編程控制點(diǎn)(XT，YT)的坐標(biāo)。計(jì)算程序如下:

求出(X1，Y1):

求出C 軸擺角φ 和控制點(diǎn)(XT，YT):

本研究在WinCC flexible 中將上述計(jì)算程序編寫成腳本程序，腳本可以通過用戶輸入的數(shù)據(jù)將控制點(diǎn)依次迭代計(jì)算出來，并將控制點(diǎn)位置坐標(biāo)存儲(chǔ)在PLC的數(shù)據(jù)塊中，供FM357-2 模塊調(diào)用。將一組實(shí)例參數(shù)代入，a =1 155 mm，b =820 mm，噴槍至待噴面距離m=300 mm，步長(zhǎng)l =100 mm，貯箱回轉(zhuǎn)A 軸轉(zhuǎn)速n =2 r/min～7 r/min，編程計(jì)算得到實(shí)際噴涂運(yùn)行控制參數(shù)如表1 所示。

表1 噴涂運(yùn)行控制參數(shù)

由于實(shí)際噴槍噴嘴出料點(diǎn)并不是編程控制點(diǎn)(XT，YT)，而是取決于所夾持的噴槍及其夾持部件結(jié)構(gòu)。噴槍夾持部件要求能夠適用聚脲噴槍，聚氨酯泡沫塑料噴槍和普通噴槍，根據(jù)噴槍型號(hào)尺寸不同，系統(tǒng)應(yīng)進(jìn)行不同的刀具補(bǔ)償。FM357-2 模塊在MD 數(shù)據(jù)中可以保存29 套刀具數(shù)據(jù)，并在程序中調(diào)用。由于實(shí)際噴涂控制點(diǎn)是根據(jù)不同的設(shè)定參數(shù)變化的，需要對(duì)FM357-2 中進(jìn)行變量的寫入與閱讀操作。本研究在OB1 中通過調(diào)用數(shù)據(jù)寫入模塊FB3(FM_PUT)將在WinCC flexible 中計(jì)算并存儲(chǔ)在PLC 數(shù)據(jù)塊DB121 中的控制點(diǎn)位置坐標(biāo)寫入FM357-2 機(jī)器數(shù)據(jù)的R 參數(shù)中，其中X 點(diǎn)坐標(biāo)存入R1x，Y 點(diǎn)坐標(biāo)存入R3x，C 軸擺角存入R5x，A 軸轉(zhuǎn)速存入R7x，通過在FM357-2 的用戶程序中使用R 參數(shù)作為變量進(jìn)行控制來適應(yīng)不同型號(hào)貯箱的噴涂運(yùn)動(dòng)。FM357-2 模塊的NC 程序格式與功能和SIEMENS 公司的SINUMERIK 810D/840D十分相似，可采用標(biāo)準(zhǔn)NC 語言進(jìn)行編程，程序的格式、組成、程序段要求均與CNC 基本相同。端面噴涂控制程序如下［9-11］:

;prog1．MPF

N10 DEF REAL START_A=0 ;定義用戶變量

N20 G53 G0 X1400 Y0 G17 ;噴槍快動(dòng)至準(zhǔn)備位置

N30 G54 G0 X1400 Y0 ;工件坐標(biāo)系選擇

N40 T1 ;噴槍刀具補(bǔ)償

N50 FGROUP(X，Y，C);插補(bǔ)軸組設(shè)定X，Y 為路徑軸，C為同步軸

N60 X=R11 Y =R31 C =R51 F100 ;X，Y 以100 mm/min的速度移動(dòng)至第一噴涂點(diǎn)，C 軸擺動(dòng)至指定角度，準(zhǔn)備噴涂。

N70 FA［A］=R71 ;指定A 軸轉(zhuǎn)速為計(jì)算值

N80 WHEN MYMVA_IM［A］=R71 DO MYMA_OUT［1］=TURE START_A= =MYMVA_IM［A］;當(dāng)編碼器采集的速度值達(dá)到要求時(shí)，執(zhí)行開啟噴槍動(dòng)作開始噴涂，并將A 軸的編碼器反饋值記錄在變量START_A 中

N90 WHEN MYMVA_IM［A］－START_A=R90 DO MYMA_OUT［1］=FALSE X=R12 Y=R22 C =R32 ;A 軸旋轉(zhuǎn)角度增量達(dá)到編碼器計(jì)算值R90 時(shí)，貯箱回轉(zhuǎn)一周噴涂完畢，關(guān)閉噴槍，移動(dòng)至下一噴涂點(diǎn)

N100 FA［A］=R72 ;繼續(xù)下面的噴涂運(yùn)動(dòng)動(dòng)作

N110 WHEN MYMVA_IM［A］=R72 DO MYMA_OUT［1］=TURE START_A= =MYMVA_IM［A］

N120 WHEN MYMVA_IM［A］－ START_A = R90 DO MYMA_OUT［1］=FALSE X=R13 Y=R23 C=R33

…

N550 WHEN POS［X］= 12000 DO MYMA_OUT［1］=FALSE;當(dāng)桶身噴涂完畢后關(guān)閉噴槍

…

N960 T0 取消噴槍刀具補(bǔ)償

N970 G0 Y=R20 Y 軸回零位

N980 G0 X=R10 C=R30 X 軸回零位，噴槍復(fù)位

N990 M30 ;程序結(jié)束

4 結(jié)束語

本研究設(shè)計(jì)開發(fā)的自動(dòng)噴涂裝置控制系統(tǒng)基于CPU315-2DP 型西門子S7-300 系列PLC、FM357-2 位置控制模塊、觸摸屏及伺服系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)X、Y、Z、A、C 軸的精確運(yùn)動(dòng)控制，能夠滿足設(shè)計(jì)要求的各項(xiàng)功能指標(biāo)及對(duì)貯箱筒段及前后箱底的噴涂工藝要求，且能夠噴涂不同尺寸型號(hào)的筒狀貯箱，做到了一機(jī)多用，是中小型企業(yè)替代同類進(jìn)口裝置的理想設(shè)備。

系統(tǒng)可控制參數(shù)多、人機(jī)交互友好、自動(dòng)化程度高，解決了傳統(tǒng)手工噴涂方式的涂層涂量不均、噴涂質(zhì)量不高的問題。此外，系統(tǒng)降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，避免了采用手動(dòng)人工噴涂的大量熟練工人的投入，降低了技能門檻，有利于全面提高生產(chǎn)效率，因此具有良好的應(yīng)用前景和實(shí)用價(jià)值。

［1］劉 新，時(shí) 虎．鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕和防火涂裝［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2005．

［2］劉 新，聶爾來，王長(zhǎng)民．柔性仿形自動(dòng)噴涂系統(tǒng)的軌跡規(guī)劃［J］．機(jī)械制造自動(dòng)化，2003，25(11):62-64．

［3］張志獻(xiàn)，劉 明，楊俊卿，等．洞庫油罐除銹、噴漆機(jī)器人的研制［J］．機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2006，22(3):97-100．

［4］梁治齊，熊楚才．涂料噴涂工藝與技術(shù)［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2006．

［5］西門子(中國)有限公司．西門子PLCS7-300 模塊中文選型手冊(cè)［Z］．Siemens ST 70．2C，2003．

［6］西門子(中國)有限公司．多軸定位模板FM357-2 使用入門［Z］．西門子(中國)有限公司，2009．

［7］龔仲華．S7-200/300/400 PLC 應(yīng)用技術(shù)．提高篇［M］． 北京:人民郵電出版社，2008．

［8］彭鐵軍．FM357-2 模塊在電弧噴涂設(shè)備上的應(yīng)用［J］． 機(jī)電信息，2012(24):152-153．

［9］西門子股份有限公司． S7-300 和S7-400 邏輯編程手冊(cè)［Z］．西門子股份有限公司，2004．

［10］孔德彭，賴柏樂，沈嘉棋． 基于PLC 的金屬編織軟管自動(dòng)切割機(jī)［J］輕工機(jī)械，2013，31(1):44-47．

［11］SIEMENS AG． SIMATIC FM357-2 Multi-Axis Module for Servo and Stepper Drives Manual［Z］． SIEMENS AG，2002．