軟仿形噴涂機系統(tǒng)設計
摘要:本文主要介紹軟仿行系統(tǒng)的組成原理(硬件)及系統(tǒng)的設計。
關鍵詞：軟仿形，涂裝，噴涂機，CNC數(shù)控
引言：
噴涂機是涂裝系統(tǒng)不可缺少的重要設備。隨著時代進步和電子技術的不斷發(fā)展，噴涂設備也由最簡單的噴涂機發(fā)展到現(xiàn)在的軟仿形噴涂系統(tǒng)。所以，有必要對噴涂機系統(tǒng)的設計進行更深入的研究，以便使我們跟上國際噴涂系統(tǒng)發(fā)展的步伐。
噴涂機系統(tǒng)一般分為三種：
1. 一般噴涂機：
這種噴涂機只適合于對簡單的工作平面進行噴涂，因為它只有一個運動軸只能作往復運動，（有時也稱往復機）。被噴涂的工件一般均在自動線上運動，這樣，噴涂機于自動線配合起來就可以完成對一個平面的噴涂，但是，要對一些有曲面形狀的噴涂對象進行噴涂就無能為力了。
2. 機械硬仿形噴涂機：
這種噴涂機的噴槍運動是靠安裝在噴涂機內部的仿形導軌來引導噴槍運動的，這種仿形是按照被噴對象的外表面設計而成的，導軌的仿形形狀有S形和C形等，這樣噴槍沿著導軌運動時，正好與被噴的對象相吻合。
3. 3.軟仿形噴涂系統(tǒng)：
這種噴涂系統(tǒng)在被噴涂表面運動時，一般需要三個運動軸同時運動。噴槍運動的軌跡是靠計算機的軟件去控制，以達到對不同的噴涂對象噴涂時，而只須使用不同的運動程序，這樣，使用一套軟仿形噴涂設備就可以完成對不同的噴涂對象進行相應的噴涂。
一、本文主要是對上面提到的第三種噴涂系統(tǒng)（軟仿形噴涂系統(tǒng)）的設計進行分析：
1.1軟仿形噴涂系統(tǒng)目前采用的系統(tǒng)配置有：
1.1.1采用數(shù)控系統(tǒng)加交流伺服系統(tǒng)。
上位機采用工控機或ＣＮＣ系統(tǒng)（或采用伺服控制板：如美國DOTU公司生產(chǎn)的PMAC板）．驅動部分采用交流伺服系統(tǒng)驅動。系統(tǒng)框圖如圖1所示
1.1.2采用變頻調速加位置反饋。
采用變頻器控制異步電機加電位器（或編碼器）反饋組成簡易伺服系統(tǒng)．上位機采用ＰＬＣ（可編程控制器）進行控制．系統(tǒng)框圖如圖2所示
1.1.3采用(變頻調速加位置反饋)加交流伺服
就是上位機采用ＰＬＣ（可編程控制器）進行控制，伺服控制可采用可插入在ＰＬＣ上的位置控制模塊（如西門子公司的FM357位控模塊等）這樣直接與伺服系統(tǒng)連接組成一個完整的閉環(huán)系統(tǒng)．系統(tǒng)框圖如圖3所示
三種控制方式均可達到對軟仿形系統(tǒng)控制的目的．但是，在系統(tǒng)方案的設計過程中各有利弊．第一種組成系統(tǒng)相對比較容易．基本系統(tǒng)設計所須的時間相對比較短．但是，成本（每一個軸）要比后第二種高，而且外圍設備控制也還需要ＰＬＣ控制。
第二種系統(tǒng)方案的設計的優(yōu)點就是成本比較低，而且，系統(tǒng)組成也比較困難，因為，組成伺服系統(tǒng)的各個部件（如變頻器，電機，電位器，等均為非伺服系統(tǒng)部件），設計系統(tǒng)所須的調研時間相對比較長，控制的精度相對比較低。
第三種系統(tǒng)方案的設計的的優(yōu)點也是組成系統(tǒng)相對比較容易．基本系統(tǒng)設計所須的時間相對比較短．而且上位機編程比較容易．價位與第一種相當．而且外圍設備控制可以使用同一個ＰＬＣ控制。
因此，本軟仿形電控系統(tǒng)在方案確定時，主要是綜和了前兩種方案的優(yōu)點，完善了第三種方案的情況下進行設計的。
1.2本軟仿形電控系統(tǒng)主要分為三大部分,即：頂噴軟仿形控制系統(tǒng)和側噴軟仿形控制系統(tǒng)（兩臺側噴機共用一套控制系統(tǒng)），以及對兩套噴涂系統(tǒng)同時監(jiān)控的上位機控制系統(tǒng)。頂噴軟仿形采用一臺獨立的控制器，兩臺側噴軟仿形采用另一臺獨立的控制器．上位機采用工業(yè)控制機。
1.2.1頂噴軟仿形噴涂機具有四個軸，即：x1,x2,y,z及Ａ。如圖4所示。其中x1,x2,z,A采用交流伺服驅動，y軸采用變頻調速系統(tǒng)。
圖4 頂噴機各軸位置示意圖
電機采用進口變頻異步電機，頂噴噴具采用２個靜電懸杯系統(tǒng)，控制器采用西門子的 S7-300 PLC控制器，伺服系統(tǒng)控制采用S7-300系列模塊FM357位控模塊，此模塊可以同時控制４臺交流伺服系統(tǒng)，而且具有直線插補圓弧插補功能，也可以對每個軸分別控制, 而且具有龍門軸控制功能。FM357在S7-300的控制下，可以與OP17 小顯示面板組成一個完整的系統(tǒng)，可通過OP17小面板對伺服系統(tǒng)的每個軸進行操作及調試。操作框圖如圖5所示。
圖5頂噴機操作框圖
頂噴軟仿型的控制器還應對y軸變頻調速進行控制。變頻器的方向控制可使用控制器的數(shù)字輸出口進行控制，速度可通過S7-300的PROFIBUS DP 口去控制，反饋通過S7-300上的FM350計數(shù)器口采集進來的編碼器信號進行檢測的。S7-300還分別對頂噴的靜電發(fā)生器、噴杯開關、限位開關以及同步，識別，啟動開關信號，安全防護信號進行處理外，還具有通過MPI 網(wǎng)絡口與上位機進行信息交換的能力。而且頂噴機于側噴機也可以通過MPI網(wǎng)進行信息交換。上位機（工控機）在離線示教工作時,不但要對頂噴和側噴同時進行控制外，而且還要在工作的過程中對生產(chǎn)線的噴涂狀態(tài)進行動態(tài)顯示，所以, 必須采用網(wǎng)絡總線進行信息交換信息。頂噴軟仿型的框圖如圖6所示。
圖6 頂噴軟仿型的框圖
1.2.2 兩臺側噴機也是通過一臺西門子S7-300PLC進行控制的。兩臺側噴的４個交流伺服軸的控制器是采用西門子的S7-300系列模塊FM357位控模塊進行控制。其功能在前面已講過。從上面可知，它可以直接控制４個軸的伺服系統(tǒng)。側噴機的位置如圖7所示。 Y軸和Ａ軸采用交流伺服控制，z軸采用變頻調速，電機采用進口異步電機。
圖7 側噴機的位置圖
側噴的S7-300除了通過FM357控制伺服電機運動外，還可以通過數(shù)字I/O口對z 軸的變頻調速進行上升下降（正反）控制，速度可通過S7-300的PROFIBUS DP 口去控制，編碼器的信號反饋通過S7-300的計數(shù)器口采集，以達到閉環(huán)控制的目的。除此之外，側噴機S7-300控制器還分別要對兩臺靜電發(fā)生器，兩臺噴杯開關以及各個軸的限位開關進行控制，而且還要對識別、同步、啟動及人機界面信號進行處理。側噴機控制器還具有與上位機通信的能力，可通過S7-300所具有的MPI多點接口功能與上位機進行信息交換。側噴機的控制框圖如圖8所示。
圖8側噴機控制框圖
1.2.3本軟仿型系統(tǒng)還有一個上位控制機，主要作用是用在對頂噴和側噴的離線編程以及對整個系統(tǒng)的實時檢測以及動態(tài)顯示。其框圖如圖9所示。
圖9上位機與軟仿型連接圖
二、軟仿型噴涂機的工作原理如下：
首先,上位機對頂噴和側噴的運動參數(shù)進行離線編程。編程的內容包括程序號，每個軸在每個時間段的速度、距離、及懸杯的開或關信號。噴涂機的運動是把鏈速作為時間基準，把被噴工件分為若干等分。編程時，把每個時間段的內容添入表格，傳到頂噴和側噴控制器內。啟動頂噴側噴, 一切準備好后 (如氣、漆、靜電發(fā)生器等)，等待啟動開關，當啟動開關信號到來后，系統(tǒng)根據(jù)鏈上安裝的同步器運行進行位置記數(shù)，到某一個位置時，控制器查示教相對應的數(shù)據(jù)，將每個軸的數(shù)據(jù)及懸杯、靜電發(fā)生器的數(shù)據(jù)一一對應的再現(xiàn)出來。一個工件走完后，再回到原始位置等待下一個工件的啟動開關信號的到來。
在系統(tǒng)設計過程中應考慮的關鍵技術：
1， 整個系統(tǒng)設計的合理性。
2， CNC（數(shù)控系統(tǒng)）在噴涂系統(tǒng)的應用。
3， CNC（數(shù)控系統(tǒng)）命令與PLC之間的信息傳送。
4， MPI總線，PROFIBUS-DP總線在系統(tǒng)中的合理配置。
參考資料：
西門子產(chǎn)品說明書。
國內外機電一體化技術。
關鍵詞：軟仿形，涂裝，噴涂機，CNC數(shù)控
引言：
噴涂機是涂裝系統(tǒng)不可缺少的重要設備。隨著時代進步和電子技術的不斷發(fā)展，噴涂設備也由最簡單的噴涂機發(fā)展到現(xiàn)在的軟仿形噴涂系統(tǒng)。所以，有必要對噴涂機系統(tǒng)的設計進行更深入的研究，以便使我們跟上國際噴涂系統(tǒng)發(fā)展的步伐。
噴涂機系統(tǒng)一般分為三種：
1. 一般噴涂機：
這種噴涂機只適合于對簡單的工作平面進行噴涂，因為它只有一個運動軸只能作往復運動，（有時也稱往復機）。被噴涂的工件一般均在自動線上運動，這樣，噴涂機于自動線配合起來就可以完成對一個平面的噴涂，但是，要對一些有曲面形狀的噴涂對象進行噴涂就無能為力了。
2. 機械硬仿形噴涂機：
這種噴涂機的噴槍運動是靠安裝在噴涂機內部的仿形導軌來引導噴槍運動的，這種仿形是按照被噴對象的外表面設計而成的，導軌的仿形形狀有S形和C形等，這樣噴槍沿著導軌運動時，正好與被噴的對象相吻合。
3. 3.軟仿形噴涂系統(tǒng)：
這種噴涂系統(tǒng)在被噴涂表面運動時，一般需要三個運動軸同時運動。噴槍運動的軌跡是靠計算機的軟件去控制，以達到對不同的噴涂對象噴涂時，而只須使用不同的運動程序，這樣，使用一套軟仿形噴涂設備就可以完成對不同的噴涂對象進行相應的噴涂。
一、本文主要是對上面提到的第三種噴涂系統(tǒng)（軟仿形噴涂系統(tǒng)）的設計進行分析：
1.1軟仿形噴涂系統(tǒng)目前采用的系統(tǒng)配置有：
1.1.1采用數(shù)控系統(tǒng)加交流伺服系統(tǒng)。
上位機采用工控機或ＣＮＣ系統(tǒng)（或采用伺服控制板：如美國DOTU公司生產(chǎn)的PMAC板）．驅動部分采用交流伺服系統(tǒng)驅動。系統(tǒng)框圖如圖1所示
1.1.2采用變頻調速加位置反饋。
采用變頻器控制異步電機加電位器（或編碼器）反饋組成簡易伺服系統(tǒng)．上位機采用ＰＬＣ（可編程控制器）進行控制．系統(tǒng)框圖如圖2所示
1.1.3采用(變頻調速加位置反饋)加交流伺服
就是上位機采用ＰＬＣ（可編程控制器）進行控制，伺服控制可采用可插入在ＰＬＣ上的位置控制模塊（如西門子公司的FM357位控模塊等）這樣直接與伺服系統(tǒng)連接組成一個完整的閉環(huán)系統(tǒng)．系統(tǒng)框圖如圖3所示
三種控制方式均可達到對軟仿形系統(tǒng)控制的目的．但是，在系統(tǒng)方案的設計過程中各有利弊．第一種組成系統(tǒng)相對比較容易．基本系統(tǒng)設計所須的時間相對比較短．但是，成本（每一個軸）要比后第二種高，而且外圍設備控制也還需要ＰＬＣ控制。
第二種系統(tǒng)方案的設計的優(yōu)點就是成本比較低，而且，系統(tǒng)組成也比較困難，因為，組成伺服系統(tǒng)的各個部件（如變頻器，電機，電位器，等均為非伺服系統(tǒng)部件），設計系統(tǒng)所須的調研時間相對比較長，控制的精度相對比較低。
第三種系統(tǒng)方案的設計的的優(yōu)點也是組成系統(tǒng)相對比較容易．基本系統(tǒng)設計所須的時間相對比較短．而且上位機編程比較容易．價位與第一種相當．而且外圍設備控制可以使用同一個ＰＬＣ控制。
因此，本軟仿形電控系統(tǒng)在方案確定時，主要是綜和了前兩種方案的優(yōu)點，完善了第三種方案的情況下進行設計的。
1.2本軟仿形電控系統(tǒng)主要分為三大部分,即：頂噴軟仿形控制系統(tǒng)和側噴軟仿形控制系統(tǒng)（兩臺側噴機共用一套控制系統(tǒng)），以及對兩套噴涂系統(tǒng)同時監(jiān)控的上位機控制系統(tǒng)。頂噴軟仿形采用一臺獨立的控制器，兩臺側噴軟仿形采用另一臺獨立的控制器．上位機采用工業(yè)控制機。
1.2.1頂噴軟仿形噴涂機具有四個軸，即：x1,x2,y,z及Ａ。如圖4所示。其中x1,x2,z,A采用交流伺服驅動，y軸采用變頻調速系統(tǒng)。
圖4 頂噴機各軸位置示意圖
電機采用進口變頻異步電機，頂噴噴具采用２個靜電懸杯系統(tǒng)，控制器采用西門子的 S7-300 PLC控制器，伺服系統(tǒng)控制采用S7-300系列模塊FM357位控模塊，此模塊可以同時控制４臺交流伺服系統(tǒng)，而且具有直線插補圓弧插補功能，也可以對每個軸分別控制, 而且具有龍門軸控制功能。FM357在S7-300的控制下，可以與OP17 小顯示面板組成一個完整的系統(tǒng)，可通過OP17小面板對伺服系統(tǒng)的每個軸進行操作及調試。操作框圖如圖5所示。
圖5頂噴機操作框圖
頂噴軟仿型的控制器還應對y軸變頻調速進行控制。變頻器的方向控制可使用控制器的數(shù)字輸出口進行控制，速度可通過S7-300的PROFIBUS DP 口去控制，反饋通過S7-300上的FM350計數(shù)器口采集進來的編碼器信號進行檢測的。S7-300還分別對頂噴的靜電發(fā)生器、噴杯開關、限位開關以及同步，識別，啟動開關信號，安全防護信號進行處理外，還具有通過MPI 網(wǎng)絡口與上位機進行信息交換的能力。而且頂噴機于側噴機也可以通過MPI網(wǎng)進行信息交換。上位機（工控機）在離線示教工作時,不但要對頂噴和側噴同時進行控制外，而且還要在工作的過程中對生產(chǎn)線的噴涂狀態(tài)進行動態(tài)顯示，所以, 必須采用網(wǎng)絡總線進行信息交換信息。頂噴軟仿型的框圖如圖6所示。
圖6 頂噴軟仿型的框圖
1.2.2 兩臺側噴機也是通過一臺西門子S7-300PLC進行控制的。兩臺側噴的４個交流伺服軸的控制器是采用西門子的S7-300系列模塊FM357位控模塊進行控制。其功能在前面已講過。從上面可知，它可以直接控制４個軸的伺服系統(tǒng)。側噴機的位置如圖7所示。 Y軸和Ａ軸采用交流伺服控制，z軸采用變頻調速，電機采用進口異步電機。
圖7 側噴機的位置圖
側噴的S7-300除了通過FM357控制伺服電機運動外，還可以通過數(shù)字I/O口對z 軸的變頻調速進行上升下降（正反）控制，速度可通過S7-300的PROFIBUS DP 口去控制，編碼器的信號反饋通過S7-300的計數(shù)器口采集，以達到閉環(huán)控制的目的。除此之外，側噴機S7-300控制器還分別要對兩臺靜電發(fā)生器，兩臺噴杯開關以及各個軸的限位開關進行控制，而且還要對識別、同步、啟動及人機界面信號進行處理。側噴機控制器還具有與上位機通信的能力，可通過S7-300所具有的MPI多點接口功能與上位機進行信息交換。側噴機的控制框圖如圖8所示。
圖8側噴機控制框圖
1.2.3本軟仿型系統(tǒng)還有一個上位控制機，主要作用是用在對頂噴和側噴的離線編程以及對整個系統(tǒng)的實時檢測以及動態(tài)顯示。其框圖如圖9所示。
圖9上位機與軟仿型連接圖
二、軟仿型噴涂機的工作原理如下：
首先,上位機對頂噴和側噴的運動參數(shù)進行離線編程。編程的內容包括程序號，每個軸在每個時間段的速度、距離、及懸杯的開或關信號。噴涂機的運動是把鏈速作為時間基準，把被噴工件分為若干等分。編程時，把每個時間段的內容添入表格，傳到頂噴和側噴控制器內。啟動頂噴側噴, 一切準備好后 (如氣、漆、靜電發(fā)生器等)，等待啟動開關，當啟動開關信號到來后，系統(tǒng)根據(jù)鏈上安裝的同步器運行進行位置記數(shù)，到某一個位置時，控制器查示教相對應的數(shù)據(jù)，將每個軸的數(shù)據(jù)及懸杯、靜電發(fā)生器的數(shù)據(jù)一一對應的再現(xiàn)出來。一個工件走完后，再回到原始位置等待下一個工件的啟動開關信號的到來。
在系統(tǒng)設計過程中應考慮的關鍵技術：
1， 整個系統(tǒng)設計的合理性。
2， CNC（數(shù)控系統(tǒng)）在噴涂系統(tǒng)的應用。
3， CNC（數(shù)控系統(tǒng)）命令與PLC之間的信息傳送。
4， MPI總線，PROFIBUS-DP總線在系統(tǒng)中的合理配置。
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西門子產(chǎn)品說明書。
國內外機電一體化技術。
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