摘 要：彩涂線涂機(jī)膜厚自動(dòng)控制系統(tǒng)，是近年來(lái)新建彩涂線及老舊彩涂線改造經(jīng)常會(huì)接觸的系統(tǒng)，然而目前國(guó)內(nèi)成功投入使用的案例不多，甚至可以說(shuō)基本沒(méi)有?，F(xiàn)對(duì)彩涂機(jī)膜厚自動(dòng)控制系統(tǒng)的原理、設(shè)計(jì)及功能實(shí)現(xiàn)進(jìn)行分析，利用測(cè)厚儀、伺服電機(jī)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和PLC盤(pán)柜組合實(shí)現(xiàn)彩涂機(jī)膜厚的自動(dòng)控制，利用測(cè)厚儀反饋油漆干膜厚度，通過(guò)PLC反饋給伺服電機(jī)，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺桿減速機(jī)帶動(dòng)帶料輥、涂裝輥和計(jì)量輥動(dòng)作，以實(shí)現(xiàn)輥縫調(diào)整，輥縫調(diào)整通過(guò)壓力傳感器顯示的壓力反饋給PLC，從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，達(dá)到油漆厚度自動(dòng)調(diào)整的目的，同時(shí)節(jié)約了油漆及鋼帶等材料，并保證了產(chǎn)品質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：彩涂機(jī);伺服電機(jī);測(cè)厚儀;膜厚自動(dòng)控制系統(tǒng)

0? ? 引言

彩涂線（Color Coating line）也稱(chēng)彩鋼板生產(chǎn)線，是用于生產(chǎn)彩鋼板的連續(xù)生產(chǎn)線。涂裝機(jī)作為彩涂線的核心設(shè)備，對(duì)產(chǎn)線的品質(zhì)及產(chǎn)量起著至關(guān)重要的作用。手動(dòng)調(diào)整輥縫是行業(yè)內(nèi)的普遍做法，這種做法的缺點(diǎn)是每次更換油漆或者更換產(chǎn)品規(guī)格都需要人工進(jìn)行調(diào)整，因調(diào)整后的油漆需要在烘箱內(nèi)加熱固化后到出口區(qū)才能進(jìn)行厚度的測(cè)量，繼而判斷漆膜厚度是否符合要求，這就造成了原料的浪費(fèi)。從彩涂機(jī)到烘箱出口冷卻后的距離因線速度不同、烘箱長(zhǎng)度不同，造成的原料損失也不相同。而涂層厚度自動(dòng)控制系統(tǒng)以其自動(dòng)控制、精準(zhǔn)控制、快速調(diào)節(jié)的特點(diǎn)，在保證成品品質(zhì)和產(chǎn)量的同時(shí)也能極大地降低原材料的損耗。而且目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)巨大，如果將此成功案例進(jìn)行推廣，能極大地節(jié)約人工成本，為彩鋼板企業(yè)的降本增效提供強(qiáng)有力的支持。

1? ? 涂機(jī)涂頭的結(jié)構(gòu)介紹

目前涂機(jī)涂頭主要有兩輥和三輥結(jié)構(gòu)。兩輥涂頭由涂裝輥和帶料輥組成，如圖1所示。三輥涂頭由另外增加的一根計(jì)量輥共同組成，如圖2所示。涂裝輥采用的是表面聚氨酯材料;帶料輥的表面處理方式有多種形式，如表面鍍烙輥、鍍鉻加網(wǎng)紋輥和目前比較先進(jìn)的陶瓷輥等;計(jì)量輥的材質(zhì)與涂裝輥完全相同，而且兩者可以互換使用。

1.1? ? 油漆涂層測(cè)厚儀的原理及產(chǎn)線設(shè)置位置

油漆干膜厚度的檢測(cè)方法有離線檢測(cè)法、在線β射線檢測(cè)法。因?yàn)槟壳爱a(chǎn)線主要實(shí)現(xiàn)的是涂層厚度的在線自動(dòng)控制，要求采用在線實(shí)時(shí)檢測(cè)的形式，于是采用β射線檢測(cè)法。這種方案需要對(duì)鋼帶的膜厚進(jìn)行兩次檢測(cè)，包括涂漆前和涂漆后的檢測(cè)，然后利用后一次檢測(cè)出的厚度減去前一次的厚度，就可得到油漆涂層的干膜厚度。

經(jīng)過(guò)技術(shù)確認(rèn)，最終采用如圖3所示方案設(shè)置測(cè)厚儀在產(chǎn)線的位置：將一號(hào)測(cè)厚儀設(shè)置于底漆涂機(jī)前，第一次測(cè)量厚度為T(mén)0;二號(hào)測(cè)厚儀設(shè)置在底漆固化爐出口，此時(shí)可以測(cè)量出油漆的干膜厚度T1;三號(hào)測(cè)厚儀設(shè)置于面漆固化爐出口，此時(shí)測(cè)量的厚度為T(mén)2。具體可以測(cè)量中底漆涂層干膜厚度T3=T1-T0，面漆干膜厚度T4=T2-T1。

1.2? ? 油漆涂層厚度的控制方法

上面在介紹涂頭結(jié)構(gòu)的時(shí)候已經(jīng)提到過(guò)，三輥涂頭是由涂裝輥、帶料輥和計(jì)量輥組成的。在彩涂線的生產(chǎn)過(guò)程中，控制油漆干膜厚度的主要方法有：

（1）利用三根輥?zhàn)拥牟煌D(zhuǎn)速比實(shí)現(xiàn)膜厚的調(diào)整。在一定的范圍內(nèi)，油漆的干膜厚度會(huì)隨著輥?zhàn)愚D(zhuǎn)速與產(chǎn)線工藝速度比值的增大而增大。

（2）通過(guò)控制油漆稀釋劑的比例進(jìn)行膜厚控制。稀釋劑的添加比例可以控制油漆涂料的粘度，從而控制干膜厚度。

（3）利用三根輥?zhàn)又g的縫隙進(jìn)行膜厚控制。輥間間隙越小，干膜厚度越薄。然而受到涂裝輥和計(jì)量輥材質(zhì)及油漆的影響，很難直接計(jì)量輥?zhàn)娱g隙，所以在涂頭結(jié)構(gòu)中，一般采用壓力控制的形式，通過(guò)調(diào)節(jié)壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)膜厚的控制。

通過(guò)以上幾種方法的分析，如果想要實(shí)現(xiàn)膜厚的自動(dòng)控制，那么采用控制輥間壓力的形式最為可行。

如圖4所示，L1和L4為測(cè)量出的支承輥、計(jì)量輥中心位置距離帶料輥和涂裝輥中心的延長(zhǎng)線的長(zhǎng)度;R2、R3、R5、R6分別為支承輥、涂裝輥、帶料輥和計(jì)量輥的半徑，可直接測(cè)量出結(jié)果并輸入HMI;F1、F2、F3分別為涂裝輥、帶料輥、計(jì)量輥的壓力值;F1LC、F2LC、F3LC是由壓力傳感器直接測(cè)量出的壓力值;θ1、θ2分別為帶料輥、涂裝輥與有效壓力的夾角。

由此可以計(jì)算出：

F1=F2+F1LC/cos θ2

F2=F2LC+F3/cos θ1

F3=F3LC

θ1=arcsin L4/（R5+R6）

θ2=arcsin L1/（R2+R3）

筆者將會(huì)采用對(duì)壓力（F1、F2和F3）進(jìn)行調(diào)整的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)膜厚的控制。

1.3? ? 涂機(jī)涂頭壓力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)分析

通過(guò)壓力控制膜厚是彩涂生產(chǎn)線普遍采用的一種方式，通過(guò)手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，驅(qū)動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)減速機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)行相應(yīng)的壓力調(diào)整。于是對(duì)這部分進(jìn)行改造。將手動(dòng)手輪改造為帶有伺服馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的執(zhí)行器結(jié)構(gòu)，來(lái)實(shí)現(xiàn)壓力的自動(dòng)控制，改造后的結(jié)構(gòu)如圖5所示。改造后的涂頭主要包括如下零部件：涂裝輥壓力調(diào)整伺服電機(jī)、執(zhí)行器及減速箱，帶料輥壓力調(diào)整伺服電機(jī)、執(zhí)行器及減速箱，計(jì)量輥壓力調(diào)整伺服電機(jī)、執(zhí)行器及減速箱，壓力傳感器，調(diào)節(jié)墊片，計(jì)量輥，帶料輥，快開(kāi)軸承座及手柄，涂裝輥，保護(hù)罩，涂頭框架，直線導(dǎo)軌等。

將原來(lái)的手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)手輪部分設(shè)計(jì)為具備自動(dòng)控制條件的伺服驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，同時(shí)保留手輪的調(diào)整功能，以保證在自動(dòng)膜厚調(diào)節(jié)裝置出現(xiàn)故障時(shí)可以及時(shí)切換回手動(dòng)操作的模式。增加的涂頭自動(dòng)控制機(jī)構(gòu)與原來(lái)連接部分的細(xì)節(jié)圖如圖6所示。

2? ? 動(dòng)作過(guò)程的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)產(chǎn)品的要求在彩涂機(jī)操作室內(nèi)的HMI中設(shè)置好規(guī)定的壓力值，產(chǎn)線運(yùn)行過(guò)程中，測(cè)厚儀將測(cè)量出的涂層厚度反饋給PLC，PLC根據(jù)實(shí)際測(cè)量的厚度和產(chǎn)品設(shè)定厚度值進(jìn)行對(duì)比，發(fā)送相應(yīng)的增加或者減小信號(hào)給伺服電機(jī)，伺服電氣通過(guò)執(zhí)行器及減速箱驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的輥?zhàn)舆M(jìn)行動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)壓力的調(diào)整，調(diào)整的結(jié)果會(huì)通過(guò)壓力傳感器反饋回PLC，PLC將調(diào)整完成后測(cè)厚儀反饋回的實(shí)際膜厚進(jìn)行對(duì)比，達(dá)到設(shè)定要求后一個(gè)調(diào)整流程結(jié)束。在切換產(chǎn)品或者膜厚時(shí)只需要重復(fù)上述過(guò)程即可。而企業(yè)在實(shí)際生產(chǎn)中已經(jīng)積累了很多生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)不同油漆種類(lèi)、不用產(chǎn)品的膜厚，都有一套成熟的工藝參數(shù)，可以將特定規(guī)格的參數(shù)直接輸入并且記錄在HMI中，下次生產(chǎn)相同產(chǎn)品時(shí)直接調(diào)用參數(shù)即可。這不僅可以縮短時(shí)間，而且避免了輸入數(shù)據(jù)時(shí)疏忽導(dǎo)致的錯(cuò)誤發(fā)生。

膜厚自動(dòng)控制系統(tǒng)原理如圖7所示。

3? ? 測(cè)試結(jié)果

通過(guò)以上的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及測(cè)試，首先進(jìn)行壓力傳感器的標(biāo)定，標(biāo)定完成后進(jìn)行無(wú)油漆狀態(tài)測(cè)試。HMI中設(shè)定壓力值，PLC發(fā)出指令，伺服電機(jī)通過(guò)執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)輥?zhàn)右苿?dòng)測(cè)試設(shè)定壓力值，測(cè)試成功。然后對(duì)測(cè)厚儀進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)完成后，進(jìn)行涂漆后漆膜厚度測(cè)試。以面漆15 μm的設(shè)定值進(jìn)行測(cè)試，最后測(cè)得厚度達(dá)到設(shè)定值。切換膜厚可以在30 s內(nèi)完成，并且提高了穩(wěn)定性。和人工調(diào)整相比，降低了對(duì)熟練操作工的技術(shù)要求，只要按照制訂的標(biāo)準(zhǔn)直接從HMI端調(diào)用數(shù)值即可完成。在膜厚控制作業(yè)中，減少了稀釋劑的使用成本，體現(xiàn)了精準(zhǔn)控制膜厚的能力;同時(shí)實(shí)現(xiàn)了節(jié)約涂料的目的，并且提高了產(chǎn)量，取得了較好的效果。測(cè)試數(shù)據(jù)部分節(jié)選如表1所示。

影響涂裝參數(shù)的主要因素有涂料體積固有成分的含量，生產(chǎn)線速，涂裝壓力，涂裝輥、帶料輥和計(jì)量輥的轉(zhuǎn)速以及帶料輥的材質(zhì)等。表1測(cè)試的基準(zhǔn)為：油漆采用聚氨酯油漆（PU），膜厚設(shè)定值為面漆15 μm基準(zhǔn)測(cè)試結(jié)果。

表2為面漆20 μm的測(cè)試結(jié)果，綜合上述測(cè)試結(jié)果，膜厚的控制達(dá)到產(chǎn)品質(zhì)量控制要求，實(shí)現(xiàn)了所設(shè)計(jì)的功能。

4? ? 結(jié)語(yǔ)

隨著自動(dòng)化改造在各大鋼廠及冷軋廠的不斷推行，對(duì)原有老舊彩涂線的自動(dòng)化改造需求將會(huì)越來(lái)越多，而對(duì)產(chǎn)線核心設(shè)備彩涂機(jī)的自動(dòng)膜厚控制機(jī)構(gòu)的改造，將會(huì)改善涂機(jī)室操作人員的工作環(huán)境及勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)也將極大地節(jié)約油漆和原料帶材在調(diào)整膜厚過(guò)程中的損耗，為鋼鐵企業(yè)降本增效提供技術(shù)保證。涂機(jī)膜厚自動(dòng)控制系統(tǒng)已成功投入使用，通過(guò)對(duì)膜厚的最終檢測(cè)及測(cè)試，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，這也為所有有相關(guān)涂機(jī)改造需求的鋼廠提供了參考依據(jù)。

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收稿日期：2021-02-02

作者簡(jiǎn)介：孫艷海（1985—），男，河北承德人，工程師，研究方向：彩涂線涂機(jī)膜厚自動(dòng)控制。