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手机喷涂线的电控设计 |
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摘要：本文以手机喷涂线的工艺流程为主线，说明了各主要流程的控制装置的设计过程及其原理，包括输送机系统、除应力除静电系统、喷房涂装系统、烤漆系统、恒温恒湿系统、给排气系统、PLC I/O口电路及程序。
关键词：手机喷涂；控制电路；PLC；程序
引言：在喷涂线的工业控制领域中，传统方法是继电器控制系统，其控制功能主要是用硬件继电器（或称物理继电器）来实现。对于较大型的控制系统需要使用大量的继电器，可靠性差，一旦线路出现故障，其故障的诊断与排除非常困难，平时的修复时间也很长，采用继电器控制，其功能也被固化在具体的线路中，功能单一，不易修改，灵活性差。又因其是靠触点的机械动作来实现控制，响应速度慢且存在触点动作时抖动现象。采用继电器控制系统，也没有一种通用易掌握的电路设计方法，设计较大型的控制系统需耗费大量时间，设计出的电路也很难阅读与理解。而在手机喷涂线中采用可编程控制器（PLC）来实现其控制功能，具有极大的优势，主要表现在设计时间短，响应速度快，可靠性高，可实现顺序控制功能、定时、计数、运动控制、数据处理、闭环控制及通信联网等功能。当生产工艺改变时，其控制电路、程序易于修改。又因其使用梯形图语言，与传统继电器电路具有很大相通性，所以易被一般的电气人员掌握。本文所要说明的手机喷涂线的控制设计即采用PLC控制。
手机喷涂线的主要工艺流程如图1所示：
图1 喷涂工艺流程图
控制系统的总体结构如图2所示：
图2 总体结构图
系统启动及各种相关操作由人机界面给PLC发出信号，PLC通过输出电路驱动主控制电路及给排气电路的动作，各元件、设备的动作信号反馈到PLC，由PLC程序完成各个动作间的联锁、保护、顺序控制等控制功能。各元件、设备的状态可在人机界面上显示。
整个系统可分为二大部分，硬件电路部分和软件程序部分，其中电路部分包括主控制电路、给排气电路和PLC I/O口电路，软件部分包括PLC程序和人机界面程序。
硬件部分
1 主控制电路
主控制电路包括输送机系统、除应力除静电系统、喷房涂装系统、烤漆系统和恒温恒湿系统等五部分。
1.1 输送机系统
手机外壳的涂装属于小批量、多品种生产，其形状经常发生变化，因而要求输送机系统能够传送各种各样的手机外壳。为达到此目的，本设计采用地轨输送方式，手机外壳置于地轨上方的悬挂机构，当工件发生变化时，只需改变悬挂机构。又因手机喷涂线的流程较多，地轨较长（此系统实际为153m），所以在设计时采用4个驱动马达驱动输送机运转，分为A驱动、B驱动、C驱动和D驱动。手机外壳较轻，地轨无需承担重负荷，所以各驱动马达功率选定为1.5KW。喷涂时要求输送机连续平滑运转，不能出现寸动现象，否则喷涂会不均匀，影响外壳的光泽度。为实现平滑输送，这里采用ED马达、速比控及同步控制器来实现。
ED马达是一种能调整转速的原动装置，由驱动感应电动机和ED耦合机组成。ED耦合机是一种涡流耦合机，利用涡流将驱动马达之转矩传至从动机械，其产生的转矩由激磁电流的大小控制，因此可以采用转速回授的方法自动调整激磁电流，不论负载如何变化，转速均能保持一定。其控制装置由速比控“SPEECON”控制。控制系统图如图3所示：
图3 ED马达控制系统图
符号说明：
SVR：调速变阻器
FUSE：电源保险丝
PTG：电源变压器
AVR：电源调整回路
SFS：缓动回路
SC：速度控制回路
NFB：转速回授回路
TRL：输出电压限制回路
PG：脉动产生回路
IPG：隔离脉动回路
SCR：触发回路
综合控制基本方块图如图4所示：
图4 马达综合控制盘基本方块图
电路图如图5所示：
图5 输送机电路图
输送机的速度由接于主驱动的速比控P-A 7、8、9管脚上的可调变阻器（500Ω）来调整，速度大小由接于P-A 5、6管脚上的速度表显示。为避免出现各驱动马达速度不一致，而导致地轨卡轨等现象，这里采用了同步控制器来控制。通过二个同步小马达（86-G主）和（86-CT辅）来达到各驱动电机的同步。各辅助驱动马达与主驱动马达的同步程度由接于同步器10、11管脚上的平衡表显示，当出现不同步时，可调节辅助小马达（86-CT）使其同步。
手机喷涂输送机系统除要求输送机能够平滑运行外，还要求在输送机出现异常时，能及时停止各驱动马达、喷涂系统的运行，以免发生地轨脱轨、喷枪损坏等事故。因此在设计时设置多级异常报警系统，包括驱动座异常、调整座异常、同步异常和马达过载。当驱动出现异常时，驱动马达下的驱动座弹簧压缩，碰到行程开关发出异常报警，同时由PLC程序执行相应的保护动作。当出现地轨断链等现象时，驱动马达前方的调整座的平衡重锤下降，压到行程开关，发出报警。
1.2 除应力除静电系统
手机外壳多为塑料制品，其成型后有残留应力，特别是由于手机外壳是注塑成型品，其残留应力更大，涂装时和溶剂、油等接触会发生开裂或细纹，影响涂层质量。因此在喷涂前应做消除应力处理。为达到除应力要求，本系统采用退火除应力法，退火一般控制在比塑料变形温度低100C的温度下进行。根据手机喷涂的工艺要求，采用远红外线灯管辐射来消除应力。为使温度控制在±30C范围，采用SCR和温度控制器来实现，主要电路如图6所示：
图6 除应力炉电路
温度控制器接收来自感温棒的一个温度信号，然后根据温度的大小输出一个4-20mA的电流到SCR。SCR根据电流大小自动调节灯管输出功率的大小，进而达到温度控制的目的。为防止因感温棒、温度控制器等失灵而烧坏工件，在此设置了二个报警信号，其一为由温度控制器发出的温度过高信号，另一个为SCR本身检测出的SCR异常信号，当PLC接收到其中任一信号时，即通过程序切断灯管电源，保护工件。
塑料制品易带静电，因而灰尘容易在其表面吸附，使喷涂时产生颗粒，影响涂装效果，所以手机外壳在喷涂前应除去静电。其方法主要有：1.压缩空气通过高压发生装置使空气离子化，再吹到手机外壳上。2.在手机外壳上涂防静电液。3.制作手机外壳前，在塑料中添加防静电剂，然后再制作成品。因手机外壳对涂装质量要求较高，如采用第2、3种方法，会在一定程度上影响喷涂效果，而采用第1种方法，即能除静电又能除灰尘，所以本设计采用第1种方法，原理图如图7所示：
图7 除静电除尘原理图
离子风枪中的电离器件在高压发生装置产生的低电流（350uA）高电压（4.6KV）作用下，形成一个稳定的高强电场，电离空气形成离子体，产生大量的带有正负电荷的气流，被压缩空气高速（10m/s）吹出，可将手机外壳所带的电荷中和掉，达到消除静电的目的。高速的压缩空气还可将物体上的顽固积尘吹走。同时高电压使空气电离产生臭氧，臭氧使工件表面发生氧化，增加表面粗糙度，从而提高涂层的附着力。为更好的消除静电和尘埃，采用人工除尘（使用离子风枪）和自动除尘（使用离子铜棒）。当工件进入自动除尘室时，光电开关向PLC发出工件检知信号，PLC打开压缩空气电磁阀，开始除尘，其除尘时间可在人机上设置。
1.3 喷房涂装系统
涂装工艺与其它工业生产工艺一样，经历手工生产、小批量生产、大批量生产和多品种小批量生产四个阶段。生产的组织形式向生产工艺提出机械化、自动化的要求。喷涂时除了必须控制喷枪的运动轨迹外，还必须控制漆液雾化设备的雾化质量、雾幅大小、液体粘度、液体流量换色、工件识别与跟踪。影响膝膜质量的因素及其控制如表1所示：
表1 影响漆膜质量的因素及控制
为达到喷涂后，手机外壳平滑、光泽度等要求，采用多道涂层喷涂，即底漆、腻子和面漆。其中底漆是为了强化涂层与基体间的附着力，并发挥防锈养料的缓蚀作用，提高涂层的防护性能；腻子层是为了使粗糙不平的工件平滑，提高其外观和装饰性；面漆涂在最上层，主要作用是提高装饰性，同时也有一定的防腐性和耐磨性。面漆层决定了工件的基本色彩，使涂层丰满美观。为达到手机喷涂的上述要求，本设计采用PLC控制全自动喷涂系统，实现立体自动跟踪和自动换色，可在同一喷涂线上完成自动识别、自动换色、自动跟踪不同型号的手机产品，生产线可连续工作。又由于采用自动喷涂，产品的漆膜质量极为稳定，可大量减少返喷工作。采用PLC控制还可控制停喷、少喷、喷涂面积缩小，保证高效喷涂和减少污染，提高涂料的利用率。
1.3.1 工件形状识别系统
涂装形状识别系统是涂装自动化的最重要组成部分。涂装识别系统控制喷枪仅在工件实体上喷涂，从而减少空喷，保证工件上各处漆膜的均匀性，在提高喷涂质量的同时降低了材料消耗，减少了对环境的污染，减少能耗。设计了多光电管识别涂装系统，其基本组成如图8所示：
图8 多光电识别系统
多光电管识别系统将多个（视识别最大高度而变）光电管排成一列，对光电管方向上的工件各点进行“有”“无”识别，配合输送机速度识别而形成“平面”识别。如果在输送方向垂直的截面内的两垂直方向进行识别，则可完成“立体”识别。其识别原理如图9所示。
图9 工件识别原理图
纵向每格宽30mm为单支光电管识别范围，横向为一个脉冲宽度，宽30mm，脉冲的时间与输送机速度相关。
1.3.2 自动换色系统
高效率地运转涂装生产线，直接关系到提高生产效率和降低生产成本。在多品种小批量生产中，涂装换色的频率越来越高，自动换色装置显得更重要。考虑手机喷涂的换色时间，安置空间，涂装机以及与其控制系统，本处设计了双色循环配置法，其原理图如图10所示：
图10 双色循环配置法
当用色A阀喷涂时，先对预备色B阀的色漆做准备，换色时，先清洗换色阀（CCV）、主管和枪，后进行A阀—B阀的切换。然后使用B阀喷涂，随后清洗A阀回路后，A阀可准备下一种颜色。只要B阀的涂装结束，则可进行B阀到A阀切换。采用这种方法，无论色漆的数目有多少，作为CCV只要有三个阀就足够了，即A阀，B阀，清洗阀。因此，对安装位置受限制的涂装机械手等是有利的。
1.4 烤漆系统
在手机涂装过程中，固化工艺和设备占有重要地位。基本的固化方法如表2所示：表2 涂料的固化方法
 在整个固化过程中，工件涂层的温度随时间而变化，通常分为升温、保温和冷却三个阶段，温度与时间的关系即涂层固化温度曲线如图11所示：
图11 涂层固化温度曲线
涂层从室温升至所要求的烘干温度为升温阶段，所需的时间为升温时间。在这段时间里，需要用大量的热量来加热工件，而大部分溶剂在此段迅速挥发，因此需要在此段加强通风，排除溶剂蒸汽和补充新鲜空气。升温时间根据涂料溶剂沸点进行选择。沸点高，升温时间宜短（即升温速度较快）以加速溶剂的挥发。但升温速度过快，溶剂挥发不均匀，涂层可能出现不平整等缺陷。当然升温时间长，涂层溶剂慢慢挥发，涂层质量好，但生产率降低，运行成本增加。作为手机外壳的涂装，要求固化时间短，固化后涂层不易脱落，且在固化时不影响各涂层的光泽度。这就要求固化的温度较高，且升温时间快（5-10min），为达到此要求，同时为了提高生产效率，本处采用远红外线辐射加热。各涂层（底漆、腻子、面漆）喷涂完后都对工件进行固化。由于辐射烘干不需要中间媒介，可直接由热源传到工件上，固没有因中间介质而产生的热损耗，相对对流烘干室的对流加热方式比较节能。在利用远红外线辐射烘干过程中，一部分远红外线漆膜吸收，另一部分透过漆膜至工件基底，在基底表面与漆膜之间产生热能交换，使热传导的方向与溶剂蒸发方向一致。这样，不仅加热速度快，而且避免了像对流烘干那样从外向里干燥所易产生的针孔、气泡、桔皮等缺陷。由于红外辐射烘干时间短，故设备长度短，占地面小。此外，在结构上比对流烘干等其它烘干设备简单，制造安装比较方便。详细电路请参考附录。
电路中设计的温度控制系统，目的是通过调节红外线灯管热量输出的大小，使工件涂层的温度稳定在一定的范围内。本处采用调功法来调节输出热量的大小。红外线灯管的电阻值是一个固定值，灯管的功率与加在它两端的电压平方成正比，即P＝U2/R。所以调整灯管的输入电压就可以调节它的输出功率。采用晶闸管（SCR）调压，其调压由主回路和触发回路组成。通过改变SCR导通角的大小来达到电压调节。控制角的改变来自比例式温度控制器的输出信号（4-20mA），而温度控制器的输出信号又是与被控参数烘干室温度的偏差值（烘干室温度的实际值与设定值之差）成比例的，当烘干室的温度高于设定值时，温度控制器输出信号，使SCR触发电路输出信号的控制角a增大，SCR的导通角减小，灯管输出功率降低，温度减小，反之亦然，从而实现了比例调节，达到控制精度。
1.5 恒温恒湿系统
在喷涂过程中，要求喷涂室温度和湿度控制在一定的范围，否则可能出现漆无法喷出或成块现象。手机外壳的涂装要求涂装室内温度在18℃-22℃，相对湿度为65%±10%，空气洁净度为10000级，即要求：≤0.5um尘粒数 /m3 (L)空气：≤35×10000 （350L）;≥0.5um尘粒数 /m3 (L)空气：≤2500 （25L）。总体框图如图12所示：
图12 恒温恒湿结构图
采用多重过滤达到喷房空气洁净度要求。冰水、热水控制室内温度，冰水由冰水系统供应，热水由热水锅炉系统供应。加温槽控制室内湿度，由电热管对水加热产生蒸汽，控制蒸汽量的大小即可使室内的湿度稳定在一个设定范围。
电路图如图13所示：
图13 温湿度控制电路图
核心是一块温湿度控制器RWX62.7032，当室内温度不够时，控制器输出Y1（0-10V），加温SCR 电磁阀HV1开量增大，热量由风机带入涂装室，系统处于升温状态;当温度超出设定范围时，控制器输出Y2，冷却电磁阀CV1开量增大，冷气由风机带入涂装室，系统处于降温状态;当湿度不够时，控制器向PLC发出加温信号X1C和X1B，加湿电热器启动，系统处于加湿状态。
2．给排气电路
手机喷涂要求涂装室内空气平稳流畅，且在涂装室、供漆室等区域内有正负压要求。由于涂料一般都含有有害物质，因此在喷涂时易产生有害的废水、废气和废渣，这就要求有一个良好的供气装置。由于此处设计涉及较多的机械及空气学方面的知识，在此不予详细介绍，电路请见附录给排气电路部分。
3．PLC I/O口电路
此手机喷涂系统采用PLC全自动控制，系统较大，有较多的输入输出点数，如温度信号、湿度信号、压力信号、异常信号、起动停止信号等，因此其接口电路也较大。在实际应用中，为达到控制精度，隔离电机起动等干扰，在设计时，加入了滤波电路、隔离电路等抗干扰措施。详见附录主控制电路及PLC I/O口电路。
软件部分
本系统软件部分包括PLC程序和人机界面程序，实现手机喷涂的自动化、在线检测、远程通信等要求。因系统较大，I/O口较多，在此选用了三菱A1S系列PLC及Pro-face人机界面。详细程序请参考附录。
总结：
此毕业论文是在毕业设计基础完成。文中所用线路全部应用于实际中，因此有较大的实践意义。同时，也在实际应用中发现设计存在的一些问题，如在喷涂时产生废水废气等，未设计有效的污水处理系统。其改进方法有采用浮上分离处理法、凝集沉淀处理法、离子交换法、燃烧法等方法。另本设计采用集中控制系统，当设备间相距较远时，要使用很多很长的I/O线，使系统成本增加，施工工作量增大。且如果生产过程必须连续不断进行，人工又无法直接干预，那就要求控制装置具有极高的可靠性。即使PLC出现故障，也不允许停止生产，在这种情况下，可使用远程I/O控制系统和冗余控制系统相结合的混合控制系统。再者，鉴于单片机的迅速发速，其技术越来成熟，而一块单片机的价格远比一块PLC便宜，因而可考虑采用单片机实现工业自动化，降低生产成本。
参考文献：
1. ASM Handbook Committee Metal.Vol.5 Surface Cleaning Finishing and Coating OHIO.9ed American Society for Metal.1985
2．David G.Johnson.“Programmable Controllers for Factory Automation”.Marcel Dekker,Inc.New Youk and Basel,1987
3. MITSUBISHI ELECTRIC CORPORATION.A1SH PROGRAMMING PANEL OPERATION MANUAL,1999
4．居滋善编.涂料工艺.北京:化学工业出版社，1994
5. [日]石渡淳介等编.最新工业涂装技术.日本：幸书房，1997
6．程周编.电机与电气控制.北京：中国轻工业出版社，1999
7．叶扬祥等编.涂装技术实用手册.北京：机械工业出版社，2001
8. 廖常初编.可编程序控制器应用技术.重庆：重庆大学出版社，2002
9．陈伯时编.电力拖动自动控制系统-运动控制系统.北京：机械工业出版社，2004
10．袁任光.电动机控制电路选用与258实例.北京：机械工业出版社，2004(end)
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(投稿)
(9/19/2006) |
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