薛瀅蕾 劉夢佳 牛炳鶴 王子騰

（華北水利水電大學(xué)機械學(xué)院，河南 鄭州 450045）

0 引言

近年來，多種輕量化材料的混合粘接發(fā)展迅速。粘接技術(shù)具有應(yīng)力分布均勻、承載能力強、電化學(xué)腐蝕小、對連接材料無損傷、耐疲勞等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、軌道車輛等領(lǐng)域［1］。粘接技術(shù)是實現(xiàn)高速列車輕量化的關(guān)鍵技術(shù)之一，粘接技術(shù)在高鐵上的應(yīng)用如圖1 所示。在使用過程中，粘接結(jié)構(gòu)易受環(huán)境影響，如高溫、高濕環(huán)境會導(dǎo)致粘接結(jié)構(gòu)過早失效，對車輛安全運行造成一定威脅［2］。粘接基體表面的處理方式是影響粘接接頭性能的重要因素之一。

圖1 粘接技術(shù)在高鐵上的應(yīng)用

噴砂處理是一種常用的表面處理方法，因其操作簡單、經(jīng)濟性好、適用范圍廣而受到國內(nèi)外研究人員的青睞［3］。噴砂處理一般是用噴砂機來實現(xiàn)的，噴砂機是一種借助壓縮空氣動力，將磨料噴射到工件表面的一種機械設(shè)備。將磨料以高速噴射到被處理的工件表面，對其進(jìn)行沖擊研磨，使工件表面形狀或整體形狀發(fā)生變化。磨料對工件表面產(chǎn)生沖擊和切削作用，工件表面獲得一定的清潔度和不同的粗糙度，使工件表面的機械性能得到改善，增加其與涂層的附著力，延長涂膜的耐久性，有利于涂料的流平和裝飾［4］。處理前后的鋁合金表面形貌如圖2 所示，經(jīng)噴砂處理的鋁合金片表面明顯出現(xiàn)不規(guī)則的凹槽，這是砂粒對表面沖擊而形成的。

圖2 鋁合金的表面形貌

目前，大多數(shù)實驗室所用的噴砂機為小型箱體式手動噴砂機，即人工操作一把噴槍，操作人員左手拿工件，右手拿噴槍，對著要噴砂的工件部位進(jìn)行處理。此類噴砂機占地面積較小、操作簡便，可用于去除殘渣、工件翻新等。但這種噴砂機的工作效率較低，工件所受噴砂處理不均勻，并不適用于對噴砂工藝的深度研究。目前，已有的自動化噴砂機可分為四類，即輸送式自動噴砂機、轉(zhuǎn)盤式自動噴砂機、滾籃式自動噴砂機、履帶式自動噴砂機。自動化噴砂機通過履帶帶動待噴工件移動，磨料對工件表面進(jìn)行沖擊和切削，使工件的表面獲得一定清潔度和不同粗糙度［5］。盡管自動化噴砂機在某種程度上實現(xiàn)了自動化噴砂，但其噴砂效果充滿不確定性，僅適用于清潔表面等簡單用途，且此類噴砂機造價高昂，并不適用于高校實驗室和研究所等。為降低人工勞動成本、增加表面處理質(zhì)量、滿足實驗室噴砂工藝需求，對小型廉價自動噴砂機的研制刻不容緩。

1 自動噴砂裝置機械結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 機械結(jié)構(gòu)

噴砂機是處理工件表面的設(shè)備，為滿足實驗室噴砂工藝需求、降低人工勞動成本、增加表面處理質(zhì)量，基于小型箱體式噴砂機，設(shè)計出一款自動噴砂裝置，整體結(jié)構(gòu)示意如圖3 所示，包括機箱、噴砂執(zhí)行裝置、PLC控制器、固定工件夾具和開關(guān)按鈕。

圖3 自動噴砂裝置整體結(jié)構(gòu)示意

為滿足實驗室對不同類型工件噴砂工藝研究的需求，設(shè)計兩組固定待噴工件的夾具，如圖4 所示。其中，a組為搭接工件固定夾具，在鋁合金導(dǎo)軌側(cè)部開出凹槽，用于放置待處理片狀工件，上部開出螺紋孔，配合特制螺栓，使工件在接受噴砂時位置保持穩(wěn)定；b組為對接工件固定夾具，在鋁合金導(dǎo)軌上側(cè)開出凹槽，用于放置待處理長方體狀工件。上述兩導(dǎo)軌左右兩端皆開有螺紋孔，搭配螺栓，使鋁合金導(dǎo)軌與噴砂機箱緊緊相連，保證噴砂過程能穩(wěn)定進(jìn)行。

圖4 待噴工件固定夾具

自動噴砂裝置核心噴砂執(zhí)行機構(gòu)如圖5 所示。該噴砂執(zhí)行裝置由單線滑臺、噴頭支架、噴砂槍頭、步進(jìn)電機、接近開關(guān)和固定夾具組成。單線滑臺固定于機箱內(nèi)部上側(cè)，噴砂槍頭與單線滑臺用噴頭支架相連，步進(jìn)電機安裝于單線滑臺左側(cè)，接近開關(guān)安裝于單線滑臺兩側(cè)，固定夾具安置在噴砂槍頭下方。通過單線滑臺的轉(zhuǎn)動來帶動噴砂槍頭執(zhí)行噴砂功能。

圖5 噴砂執(zhí)行裝置

噴砂參數(shù)調(diào)整示意如圖6 所示，噴頭支架與噴砂槍頭之間采用螺栓連接，有需要的時候可松動螺栓，從而調(diào)整噴砂槍頭相對待噴工件的角度。由圖6（b）可知，單線滑臺在與機箱相連的同時，其后部開有矩形空心滑道，可實現(xiàn)單線滑臺相對工件進(jìn)行上下移動來調(diào)整噴砂距離。此類設(shè)計主要針對實驗室研究人員探討噴砂距離和噴砂角度等因素對材料黏接性能的影響。

圖6 噴砂參數(shù)調(diào)整示意

1.2 自動噴砂裝置工作原理

當(dāng)自動噴砂裝置正常運行時，PLC 控制器用于發(fā)出指令，控制整個噴砂運行過程。傳感器用于檢測噴砂槍頭距單線滑臺的邊緣距離，PLC 控制器基于傳感器反饋信號來確定是否控制單線滑臺轉(zhuǎn)向，開關(guān)按鈕用于系統(tǒng)的啟動和關(guān)閉。單線滑臺用于協(xié)助噴砂槍頭左右移動，步進(jìn)電機用于單線滑臺供能，噴砂槍頭上端連著輸砂管道，用于砂粒輸送和砂粒輸出。

2 控制系統(tǒng)組成及其工作原理

2.1 控制系統(tǒng)硬件選型

自動噴砂裝置信號的采集和控制指令的發(fā)出是通過控制系統(tǒng)硬件來實現(xiàn)的。因此，硬件系統(tǒng)的優(yōu)劣將直接影響自動噴砂裝置的性能。在確定自動噴砂裝置控制系統(tǒng)設(shè)計思路的基礎(chǔ)上，根據(jù)項目設(shè)計要求，對PLC 控制系統(tǒng)硬件及各部分進(jìn)行選型設(shè)計。

2.1.1 數(shù)字量和模擬量點數(shù)估算。自動噴砂裝置的信號點數(shù)要對控制參數(shù)類別和數(shù)目有明確的了解，才能對系統(tǒng)硬件進(jìn)行設(shè)計。

①設(shè)備明細(xì)。根據(jù)要求，需要安裝1 個步進(jìn)電機、1個步進(jìn)電機驅(qū)動器、2個接近開關(guān)、4個按鈕。

②I∕O 點數(shù)估算。數(shù)字量信號包括輸入和輸出兩部分，輸入數(shù)字量信號主要用于接收設(shè)備的反饋信號，如啟動按鈕、停止按鈕等，輸出信號主要用于控制步進(jìn)電機驅(qū)動器的脈沖輸出、使能輸出、方向輸出等。模擬量信號同樣包括輸入、輸出兩部分，作用與數(shù)字量相同，只是傳遞信號的方式不同。自動噴砂裝置數(shù)字量和模擬量的點數(shù)估算見表1。

表1 自動噴砂裝置控制點數(shù)

在計算完系統(tǒng)需要的數(shù)字量及模擬量數(shù)目后，要附加一定的余量，一般取20%，便于后續(xù)改造或升級。

2.1.2 主要硬件模塊選型。在系統(tǒng)所要控制的數(shù)字量和模擬量點數(shù)確定后，可對控制器、電源模塊等相關(guān)硬件進(jìn)行選型。各部分選型如下。

①控制器選型。隨著PLC 技術(shù)的推廣普及，PLC 產(chǎn)品的種類越來越多，功能也日趨完善。相對于單片機，PLC 具有使用方式簡單、開發(fā)周期短、可靠性更高等優(yōu)點。目前，國外生產(chǎn)PLC 產(chǎn)品的廠家有美國的通用公司和Allen-Bradley 公司、德國的施耐德和西門子公司、日本的三菱和歐姆龍等。國內(nèi)自行研發(fā)PLC 產(chǎn)品的有北京西姆宏、中國科學(xué)院自動化研究所（PLC-0088）等。

由于PLC產(chǎn)品眾多，結(jié)構(gòu)形式、性能、指令系統(tǒng)、編程方法和價格各異。因此，合理選擇PLC 型號對控制系統(tǒng)的可靠性起著關(guān)鍵作用。在滿足功能要求的前提下，可選擇可靠性高、維護(hù)使用方便及性價比高的最優(yōu)化機型。根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境、實現(xiàn)功能、處理速度及技術(shù)支持這4個條件對型號進(jìn)行選擇。

綜上所述，本研究選擇西門子公司的1200 系列產(chǎn)品的PLC。S7-1200 系列PLC 是西門子公司的小型模塊化產(chǎn)品之一，能滿足本系統(tǒng)的控制要求，性價比和可靠性是同類產(chǎn)品中較高的。該系列PLC 的CPU 處理速度較快、I∕O 擴展能力強，非常方便用戶進(jìn)行模塊化設(shè)計，S7-1200 系列PLC 具有循環(huán)周期短、處理速度高、指令集功能強大、可用于復(fù)雜功能、產(chǎn)品設(shè)計緊湊、可用于空間有限的場合、模塊化結(jié)構(gòu)、適合密集安裝等優(yōu)點。

最終，確定選用S7-1200 系列PLC 中的CPU1215C AC∕DC∕RLY，選用帶網(wǎng)絡(luò)口的，以方便后續(xù)的升級維護(hù)及組網(wǎng)。

②開關(guān)電源。開關(guān)電源為整個系統(tǒng)提供電源，必須保證其安全可靠。選用明緯開關(guān)電源生產(chǎn)的RT-125D開關(guān)電源，其具有∕過負(fù)載∕過電壓、自然風(fēng)冷、LED電源指示、100%滿載老化、能承受300 VAC浪涌輸入5 s等性能，其工作溫度高達(dá)70 ℃，能承受5 G振動測試。同時，具有高效率、長壽命和高信賴度等優(yōu)點。

③步進(jìn)電機及驅(qū)動器。本研究選用的步進(jìn)電動機為北京時代超群公司生產(chǎn)的57 步進(jìn)電動機，其為兩相四線大扭矩低噪聲步進(jìn)電機。按照該步進(jìn)電動機的銘牌標(biāo)志，固定步距角為1.8°、相電流為3 A、電阻阻值為0.6 Ω。該步進(jìn)電動機的相電感為4.5 mH、機身長為56 mm，驅(qū)動型號為ZD-2HD542，該驅(qū)動器接口采用超高速光耦隔離，抗高頻干擾能力強，16 種不同細(xì)分任意切換，自動半流鎖定，8 擋電流可調(diào)，支持脫機、使能、鎖定等功能，過壓、欠壓、過流保護(hù)，適合自動噴砂使用。

2.1.3 PLC 控制系統(tǒng)接線原理。自動噴砂系統(tǒng)以開關(guān)電源為供電源，PLC 的數(shù)字量輸入點分別啟動按鈕和停止按鈕開關(guān)、編碼器等，PLC 的數(shù)字量輸出點分別接步進(jìn)電機驅(qū)動器和接近開關(guān)，如圖7 所示。模擬量輸入點有撥碼開關(guān)，選用模擬量為電壓信號0～10 V，采用電動電位計進(jìn)行接入，具體接線原理如圖7所示。

圖7 控制系統(tǒng)接線原理

自動控制系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵核心，擔(dān)負(fù)著對整個系統(tǒng)進(jìn)行控制和協(xié)調(diào)的任務(wù)，通過自動噴砂裝置控制系統(tǒng)對步進(jìn)電機、步進(jìn)電機驅(qū)動器、編碼器、接近開關(guān)等進(jìn)行控制?？刂乒駜?nèi)部電氣元件由四大部分組成，即電源部件、西門子1200 PLC模塊、繼電器組、端子排。PLC 柜內(nèi)的組件布局要考慮到電器元件的尺寸、電氣間隙、元器件發(fā)熱等因素。

2.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

控制系統(tǒng)軟件功能主要包括自動噴砂裝置信號采集、數(shù)據(jù)處理、輸出控制命令等。結(jié)合具體功能要求，采用TIA Portal V18 編程軟件，設(shè)計了PLC控制系統(tǒng)程序。程序設(shè)計是控制系統(tǒng)的主要部分，各部分作用如下。

2.2.1 噴砂槍頭位移傳感器信號檢測與量程轉(zhuǎn)換程序。把接收到的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成噴砂槍頭距機箱邊緣距離，并與控制系統(tǒng)設(shè)定值比較，判斷是否要控制單線滑臺轉(zhuǎn)向。

2.2.2 動作執(zhí)行程序。若噴砂槍頭靠近機箱邊緣，立即調(diào)整單線滑臺轉(zhuǎn)向，從而使噴砂槍頭反向作用。

2.2.3 報警系統(tǒng)。若出現(xiàn)砂粒堵塞、噴砂槍頭無法轉(zhuǎn)向等問題，發(fā)出警告，提示工作人員進(jìn)行維護(hù)。自動噴砂裝置工作步驟如圖8所示。

圖8 自動噴砂裝置工作步驟

3 使用效果評價

本研究分別對6061 鋁合金進(jìn)行不同的表面處理，以驗證自動噴砂裝置的實用性，表面處理結(jié)果如圖9 所示。采用800 目砂紙研磨時，鋁合金表面整體較平整，原表面劃痕被消除，基本達(dá)到拋光效果。采用100 目砂紙研磨時，鋁合金表面粗糙度明顯增強，表面出現(xiàn)大量不規(guī)則劃痕，整體表現(xiàn)較差。采用噴砂處理時，鋁合金表面無明顯劃痕，表面更為細(xì)致，出現(xiàn)均勻且致密的表面形貌，且金屬光澤更為明顯。

圖9 6061鋁合金表面處理

由于表面粗糙度對黏接性能的影響存在一個最優(yōu)范圍，較低的表面粗糙度使膠黏劑在金屬表面無法完全鋪展，降低金屬界面與膠黏劑的黏接強度，過高的表面粗糙度會使金屬表面出現(xiàn)大量不規(guī)則凹坑，黏接時，膠黏劑與金屬界面中存在氣泡，影響膠黏劑與金屬的結(jié)合面積。綜上所述，噴砂處理所得的表面形貌符合機械連鎖理論，更有利于提高黏接性能，表明自動噴砂裝置效果較優(yōu)。

4 結(jié)語

本研究基于實驗室所用小型箱體式噴砂機，以S7-1200 PLC 為核心，設(shè)計了自動噴砂裝置控制系統(tǒng)。通過分析自動噴砂裝置控制系統(tǒng)的組成及工作原理，對自動噴砂裝置控制系統(tǒng)硬件進(jìn)行選型，主要包括噴砂執(zhí)行裝置、傳感器、PLC 控制器等，并給出PLC 控制系統(tǒng)的接線原理。對自動噴砂裝置控制系統(tǒng)軟件進(jìn)行設(shè)計，并給出軟件設(shè)計流程，完成對自動噴砂過程信號的采集、處理，并發(fā)出指令，保證自動噴砂裝置的穩(wěn)定性和可靠性。對自動噴砂裝置的實用性進(jìn)行檢測，驗證自動噴砂裝置處理效果的優(yōu)越性和存在的必要性。