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平面全自动喷涂机的运动算法设计与研制

信息来源:paintkey.com  时间:2009-08-05  浏览次数:220

  摘要:设计并研制了一种适合于物件平面喷涂的全自动喷涂机,详细阐述了这种平面外喷涂机的结构组成及其工作原理。论述了其运动控制硬件系统组成及控制方式。该机具有适应性强、结构紧凑、效率高、喷涂质量高、工作速度快、操作简便及安全等特点。
  关键词:喷涂;喷涂机械;涂装

中图分类号:TP27;TQ585.3 文献标识码:A 文章编号:1001-2354(2009)04-0059-03

  随着社会发展和人民生活水平的提高,市场对工业用品及生活制品的表面处理提出了越来越高的要求,喷涂作为制品表面处理的一种方法和手段,其发展方兴未艾。目前国内外表面喷涂设备主要有水平往复自动喷涂机、垂直往复自动喷涂机、旋转喷涂机、多轴顶喷机、喷涂机器人[1-3]等。文中设计了一种7轴往复全自动喷涂机,由Y轴系统、X轴系统、Z轴系统和R轴系统及3自由度工件回转台等组成。此喷涂机配有直枪和斜枪两把喷枪,喷涂时喷枪可做上下、前后、左右往复运动和在垂直平面内的摆动,工件做公转和自转运动,喷枪往复运动有定位检测的性能。

  采用PLC控制,可根据需要自由设定喷漆的位置、距离、速度,设计好的程序可储存在电脑内。在保证喷涂质量的同时,可满足不同物件水平面、侧面的表面喷涂,具有结构紧凑、效率高、喷涂质量好、换色容易、可单人操作等特点。虽然设备对控制的定位精度要求不高,例如:角度误差、直线高设定误差等,但是它对执行机构响应时间及运动速度的要求很高。另外设备对各工位之间的转换时间也有一定的要求(t≤100ms)。该机适合矽胶按键、照相机、音箱、笔记本电脑、PAD、玩具、真空电镀、塑胶等各种物件的喷漆,以及各种凹凸表面的喷漆。文中详细阐述了喷涂机的结构组成、功能及其工作原理,论述了控制硬件系统组成及控制方式。

  1 喷涂机的机械结构组成

  7轴全自动喷涂机的机械部分由龙门框架结构、工作台回转系统和喷枪运动系统组成,如图1所示。下面详细介绍机械部分结构及运动工作原理。

  1.1 工作台回转系统

  工作台回转系统位于龙门框架的内部,用于工件的公转和自转.包括两个自转步进电机2、一个公转步进电机3、大转臂4、对称布置的前工件台和后工件台l(含托盘)等(如图2所示),其中公转步进电机3控制大转臂4的公转,每次转动180°,用来完成工件的传进传出,另两个自转步进电机2分别控制前、后工件台的自转,每次转动90°,用于改变喷涂工件不同的侧面。所谓前工件台是指喷涂作业台,后工件台是指备件上料台,两者间歇交换使用。

1.2 喷枪运动系统

喷枪运动系统包括了Y轴系统、X轴系统、Z轴系统和尺轴系统,如图1所示。



图l 7轴平面往复全自动喷涂机工作原理图

  Y轴系统由Y轴伺服电机l、Y轴同步主动轮2、同步转动轴3、同步带(下)4、Y向工作平台5、Y向导轨10等组成,其中Y向工作平台5承载了X轴系统(6,7,8,16)、Z轴系统(11,12,13)和R轴系统(14,15)的质量,其运动原理是:Y轴伺服电机l带动Y轴左端的同步主动轮2转动,通过同步转动轴3使Y轴右端的同步主动轮同时转动,两个主动轮又通过同步带的传动使Y向工作平台5沿Y轴前后移动,从而带动安装于工作平台5上的喷枪系统作前、后往复直线运动。

  X轴系统由X轴伺服电机6、X轴同步主动轮7、同步带(下)8、X向导轨9、X向工作平台16等组成。其中X向工作平台16承载了Z轴系统(11,12,13)和尺轴系统(14,15)的质量,其运动原理是:X轴伺服电机6带动X轴同步主动轮7转动,通过同步带8的传动使X向工作平台16左右移动,从而带动喷枪座作左、右往复直线运动。

  Z轴系统由Z轴伺服电机ll,Z轴滚珠丝杆12和Z向喷枪工作移动座13等组成,其Z向工作移动座13承载了R轴系统(14,15)的质量,其工作原理是:Z轴伺服电机1l带动Z轴滚珠丝杆12(内置)转动,固定在螺母上的负载块与喷枪支架相连接,从而带动喷枪作上下往复直线运动。

R轴系统由尺轴伺服电机14、喷枪安装臂15组成,尺轴伺服电机14使喷枪安装臂15在铅垂平面内作摆动,从而带动喷枪在垂直平面内的摆动。

  2 喷枪的运动及编程算法

此喷涂机由7坐标数控系统组成,即喷枪可分别沿X轴、Y轴、Z轴作左右、前后和上下的往复运动及在尺轴垂直平面内的摆动,工件台可作1个公转和2个自转,属于典型的7轴往复喷涂机,适应性较广,可喷涂各种不同形状、大小的物件,只要编写好相应的模块化程序,实际操作时即可灵活调用,现以只有小侧面的小工件喷涂(如图3a所示)和立体大工件单件喷涂(如图3b所示)两种情况,说明编程思想及其算法。





图2 3自由度工作台回转系统




图3 平面喷涂工件的类型

  2.1 小侧面的小工件喷涂

  小侧面的小工件喷涂分为表面和侧面的喷涂(如图3a所示)。

  (1)表面喷涂。表面喷涂时采用直枪,将工件按一定的距离排成Ⅳ排N列,进行参数设置后,再进行准确喷涂。先将X,Y,Z三轴移动到合适的起喷位置,然后X轴往复1次,Y轴进给1次,n次工作后,完成任务。此时,根据实际需要进行适当的下一步操作:若工件只需表面喷涂,则转盘公转将工件自动传出,接着进行下一工件的喷涂,重复上述进行。若工件还要进行小侧面的喷涂,则通过选择进入侧面喷涂。

  (2)侧面喷涂。进行侧面喷涂时,直枪停止,斜枪工作。首先也是将X,Y,Z三轴移动到合适的起喷位置,然后X轴往复1次,l,轴进给到下一列喷涂位置,进行凡次工作后,返回起喷位,前件台自转900,但在转的同时Y轴要根据所确定长方矩阵的大小让出一定的喷枪量以确保产品喷涂表面均匀。重复以上工作,直到喷完所有的侧面,喷涂完成,大转臂公转将喷完工件传出,又进行后件台上工件的喷涂。需要说明的是,待喷侧面允许有l~4个,即最多可转动4个900,转动90°的次数应根据实际需要进行操作。

  2.2 单件立体大工件的喷涂

  立体大工件单件的喷涂分为表面和侧面的喷涂(如图3b所示)。

  (1)表面喷涂。此种喷涂与上述小侧面工件的表面喷涂类似,只是在做平面喷涂时X轴单喷1次,Y轴就进给1次,直至喷完整个表面。

  (2)侧面喷涂。进行侧面喷涂时,也是斜枪工作,直枪停止。先将X、Y、Z三轴移动到合适的起喷位置,然后X轴往复1次,Z轴迸给1次,n次工作后,完成一侧面的喷涂;此时,返回起喷点,前件台自转90°,转为相邻的下一侧面的喷涂,若是喷涂长方体,此时l,轴要让出一个1/2长方体长边,以保证喷枪到物件的距离均匀,完成后,重复以上过程,直到喷完所有的侧面;喷涂完成,喷枪回到原位,大转臂公转将喷完的工件传出,而将后件台上待喷的工件传进,又进行下一工件的喷涂。同样需要说明的是.待喷侧面允许有1-4个。即最多可转动4个900,转动90。的次数应根据实际需要进行操作。

  3 控制系统设计

  平面全自动喷涂机的控制硬件系统组成如图4所示,主系统采用了目前较成熟的模块式可编程控制器(PLC)控制 [4],执行参数的输入采用了当今比较流行的触摸屏输入,设计程序采用组态软件,这样设计和更改都比较容易,二次开发也简单,进一步提高了产品的适应性,与单板机控制相比具有明显的优势,其控制方式为:

  首先通过触摸屏编写程序。保证把工艺参数、运动参数等输入到PLC里,同时把当前运行的坐标值显示在触摸屏上,采用配方数据传递,这样能保证数据更新的速度。PLC可以保存l0组已设定好的参数,编写的这些程序是为了更好更快地适应产品的更改。PLC程序主要是协同触摸屏进行参数的传递,同时根据开关的输人情况控制3个步进电机和4个伺服电机的运动,实践已证明:这样的控制系统和方式可靠性好、精度高。




图4 控制系统硬件组成

  研制完成的上述全自动平面喷涂机已投入正常喷涂生产,具体性能参数为:外形尺寸为2000mm×l600mmxl950mm;托盘尺寸为700mm×600 mm;质量为950kg;可调行程为X向1000mm,Y向950mm,Z向250mm;功率为3kW。

  4 结论

  文中研制的物件平面全自动喷涂机,长2000mm、宽l600mm、高1950mill,工作空间为700mm×600mm×200mm,质量为950kg,由龙门框架结构、3轴工作台回转系统和4轴喷枪运动系统等主要机械部分及控制系统组成;同时采用了目前流行的数控技术,即通过触摸屏PLC、驱动器和步进电机组成的控制系统,实现了高效自动喷涂并保证品质及产量的稳定。该喷涂机还具有结构紧凑、占用空间少、运动灵活、工作可靠、节能、装卸料容易等优点,适合国内中小型喷涂生产企业的需要。


参考文献

[1]梁治齐,熊楚才.涂料喷涂工艺与技术[M].北京:化学工业出版社,2006.

[2]王铸.往复式自动喷涂机计算机控制系统软件研究[J].制造业自动化,2002,24(8):77-79.

[3]陆海波.往复式电脑控制喷涂机设计的凡个要点[J].苏盐科

[4]廖常初.可编程序控制器应用技术[M].重庆:重庆大学出版社,2002·
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