中型烤漆生产流水线控制系统doc 53页.docx

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中型烤漆生产流水线控制系统doc53页

毕业设计[论文]

题目：

中型烤漆生产流水线控制系统

系别：

电气与电子工程系

专业：

自动化

姓名：

黄冠勇

学号：

9

指导教师：

王整风

河南城建学院

2011年05月16日

摘要

采用人工涂漆工作劳动强度大，生产率低,涂层质量不易保证,还会对人体产生毒害作用，自动喷漆在大批量生产中对提高劳动生产率,保证产品质量,改善劳动环境等都具有重要意义。

烤漆生产流水线控制系统的设计涉及到计算机控制技术、电气控制技术与PLC原理及应用、传感器原理与应用、自动控制原理等多个学科。

利用现代传感器的自动检测技术和自动控制实现自动喷涂的控制，采用温度传感器对环境的温度进行控制，利用压力传感器来实现喷涂时所需要的恒定压力的控制，利用接近开关来控制小车的启停，并且通过光电传感器的使用，来达到喷漆的智能控制，并且具有一定的报警功能。

关键词：

伺服电机传感器接近开关压缩机PLC

Abstract

Workwithlabor-intensivemanualpaint,lowproductivity,difficulttoguaranteecoatingquality,butalsotoxiceffectsonthehumanbody,autopaintinmassproductiontoimproveproductivity,ensureproductquality,improvetheworkingenvironmentisimportantso.Paintproductionlinecontrolsystemdesigninvolvescomputercontroltechnology,electricaltechnologyandPLCcontroltheoryandapplicationoftheoryandapplicationofsensors,automaticcontroltheoryandotherdisciplines.Automaticdetectionoftheuseofmodernsensortechnologyandautomaticcontrolofthecontrolofautomaticspraying,theuseoftemperaturesensorstocontrolthetemperatureoftheenvironment,theuseofpressuresensorsrequiredtosprayaconstantpressurecontrol,theuseofproximityswitchestocontrolthecar'sstartandstopAnd,throughtheuseofphotoelectricsensors,intelligentcontroltoachievepainting,andhasacertainalarm.

Keywords:

ServomotorSensorsProximitySwitchCompressorplc

第1章绪论

1.1目的和意义

目的：

通过中型烤漆生产流水线控制系统的课题设计，涉及到计算机控制技术、电气控制技术与PLC原理及应用、传感器原理与应用、自动控制原理等多个学科。

通过本课题的工作，不仅可以实现中型烤漆生产流水线控制系统设计，而且对于PLC和传感器的认识学习和使用有积极的促进作用，对大学所学习知识的灵活应用和总结。

把学过的专业知识运用于实际，在理论和实际结合过程中进一步消化、加深和巩固所学的专业知识，并把所学的专业知识转化为分析和解决问题的能力。

在搜集材料、调查研究、接触实际的过程中，既可以印证学过的书本知识，又可以学到许多课堂和书本里学不到的活生生的新知识。

另外也培养了我独立思考问题和解决问题的能力,为今后工作做好技术储备。

意义：

采用人工涂漆,工作劳动强度大,生产率低,涂层质量不易保证,还会对人体产生毒害作用，自动喷漆在大批量生产中对提高劳动生产率,保证产品质量,改善劳动环境等都具有重要意义。

1.2国内外综述

中国烤漆房起步较晚，经过20多年的发展，中国烤漆房已成为机械工业中十大行业之一，为中国包装工业快速发展提供了有力的保障，有些烤漆房填补了国内空白，已能基本满足国内市场的需求，部分产品还有出口。

但在目前，中国烤漆房出口额还不足总产值的5%，进口额却与总产值大抵相当，与发达国家相去甚远。

在行业快速发展的同时也存在一系列的问题，现阶段中国烤漆房行业水平还不够高。

烤漆房市场日趋垄断化，除了瓦楞纸箱烤漆房和一些小型包装机有一定规模和优势外，其它烤漆房几乎不成体系和规模，特别是市场上需求量大的一些

成套包装生产线，如液体灌装生产线、饮料包装容器成套设备、无菌包装生产线等，在世界烤漆房市场中均被几家大烤漆房企业集团所垄断，面对国外品牌强劲冲击国内企业应该采取积极对策。

从现阶段情况看，全球的烤漆房需求以每年5.3%的速度增长。

美国拥有最大的包装设备生产商，其次是日本，其他主要生产商还包括德国、意大利和中国。

但未来包装设备生产增长最快的是在发展中的国家和地区。

发达国家将从刺激国内需求中获利，并在发展中国家寻找当地合适的生产厂家，特别是在食品加工厂进行投资，提供烤漆房设备。

而中国自加入世贸组织以来取得了长足的进步，中国的烤漆房水平提升非常快，与世界的先进水平差距逐渐缩小。

随着中国的日益开放，中国的烤漆房也将进一步打开国际市场。

第2章设计概述

2.1烤漆工艺流程

一个完整的物件烤漆工艺流程应该包括：

1前处理2烘干3底漆涂装4烘烤5面漆涂装6烘烤7检查8包装。

前期处理主要有：

1除油；2水洗；3除锈；4水洗；5表调；6水洗；7磷化；8水洗；9水洗；10烘干。

前处理的目的是为了得到良好的涂层，由于以上的冲压件在制造、加工搬运、保存期间会有油脂，氧化物锈皮，灰尘，锈及腐蚀物等在表面上，若不去除将直接影响到涂膜的性能，外观等，所以前处理在涂装工艺中占有极为重要的地位。

涂装前处理与涂布、干燥为涂装工艺三大主要工序，其中涂装前处理是基础工序，它对整个涂层质量、涂层使用寿命、涂层外观等均有着重要影响。

通过脱脂、除锈、磷化等工序后的工件表面清洁、均匀、无油脂。

2.1.2烘干

烘干就是要除去表面处理时留下来的水分，准备涂漆或者是将油漆烘干下面的工艺做准备。

加快流水线的生产速度。

烘干所采用的方法有：

柴油加热烘干、电加热烘干、蒸汽加热烘干、远红外加热烘干、废机油加热烘干、量子加热烘干等等。

2.1.3喷涂

喷涂的方法可分为以下几种：

1静电喷涂法，2热喷涂法，3气雾剂喷涂法，4高压无气喷涂法,5空气喷涂法。

静电喷涂法

静电喷涂系利用高压静电场的一种喷涂方法，比较适合于大规模生产的喷涂方法，静电喷涂有许多优点，可节省涂料，易实现机械化和连续化。

可减少溶剂和涂料的飞散而改善劳动条件，漆膜均匀、质量好。

静电喷涂所使用的涂料，电阻应在5—50M?

。

如果电阻过高，可适当采用极性溶剂来调节。

静电喷涂的溶剂一般需要沸点高一点，导电性能好一点，溶剂的闪点高一点，这对喷涂质量与安全性均比较有利。

热喷涂法

采用热喷涂的施工方法，可节约溶剂，改进涂层光泽及厚度，可消除涂膜表面泛白、斑点、桔皮------等弊病。

因为热喷涂的流动性比较大，喷涂压力可降低到1.7—2公斤/厘米。

涂料一般预热到50—60C左右。

气雾剂喷涂法

将涂料装在含有气体发射剂的密封金属罐中，使用时按动金属罐上的按钮，漆液成雾状从罐中喷出。

主要用于家庭小件物品和车辆、设备等的局部小面积的修补用。

高压无气喷涂法

这种喷涂工艺早在六十年代已有发展，并在机械、车辆、船舶、建筑等制造业中得到广泛的应用。

高压无气喷涂工艺与一般喷涂原理不同，涂料经高压

100—200公斤/厘米2作用下，经喷嘴小孔（0.2—1毫米）喷出，立即在大气中膨胀成很细的流线，在表面张力的作用下，变成很细的微粒而喷射到工件上，它的主要特点是没有一般空气喷涂时所产生的大量漆雾的飞扬。

高压无空气喷涂机利用压缩空气驱动气动机的活塞和活塞杆作往复运动，活塞杆带动高压泵内的活塞而产生同样的往复运动，气动机活塞的有效面积与高压泵活塞的有效面积之比，根据需要的工作压力来选择，一般在23：

1—33：

1之间。

高压无气喷涂的优点：

1、生产效率高，较空气喷涂法高数至十余倍。

2、适用于厚浆涂料，一次喷涂膜厚达100—300μ。

3、可提高涂层的致密性，附着力和均匀性。

4、节约溶剂，可降低施工成本。

5、漆雾减少，防止空气污染，改善劳动保护条件。

空气喷涂法

这是一种使用较广泛的施工方法，它的喷涂原理是漆液通过喷涂器的喷嘴，由高速气流将漆液冲散成微粒而射向被涂物面，一般喷口离被涂物的距离在20—40厘米之间，喷涂的空气压力在2—4公斤/厘米2，流入喷枪的气源必须经过油水分离处理，最好是清洁干燥的气源。

2.2确定设计方案

本次设计针对工件所采取的前期处理的方法有：

1除锈，2烘干。

除锈：

黄锈能促进腐蚀产物在涂层下蔓延，使涂层失去屏蔽性和不透湿性。

在高温高湿条件下能导致涂层和金属的早期损坏，松散的黄锈，附着力差，能与涂层一起脱落。

除锈的方法很多，如碱液法，酸液法，机械法，电解法等，常见的是碱液法。

以化学溶液除去工件表面的氧化皮，锈迹等，一般是用硫酸，也有用草酸。

还可辅以超声波清洗。

常见前处理有浸泡式和喷淋式两种，浸泡式需要多个浸泡槽；喷淋则需要在喷涂流水线上设置一段喷淋线。

因为此次设计为的是烤漆生产流水线所以除锈方法采用的是是更适合流水线的喷淋法。

烘干：

通过几种常用的烘干方式的比较决定这次设计采用电加热的方法进行烘干处理，其原因是电加热技术比较常用，技术成熟，应用范围广，限制条件少，能耗低。

通过上述几种喷涂方法的综合比较之后决定此次设计的喷涂方法采用实用较为广泛技术熟练的空气喷涂的方法。

2.3整体方案论述

这次的烤漆生产流水线控制系统的设计的整体工艺流程为：

1表面处理（除锈）,2烘干，3一次底漆喷涂，4烘干，5二次底漆喷涂，6烘干，7面漆喷涂，8烘干。

如图1所示：

具体操作步骤为：

首先将需要喷涂的工件放在小车上，小车沿着指定的轨道将工件送入到烤漆房内，工件到指定喷漆位置后停止，喷枪上的传感器检测到有工件便起动喷枪开关对工件进行自上而下的喷涂和自左而右的喷涂（侧面的喷枪和顶面的喷枪是同时开始工作的，但是每个喷枪是分开控制的），当侧面的喷枪和顶面的喷枪都喷涂一个来回后，小车上工件圆盘上的步进驱动电机便旋转一定的角度，然后开始下一个来回的喷涂。

当完成喷漆工序后，小车的驱动电机启动，将工件进入烘干区，到达烘干区后，小车停止，对工件进行烘干，一段时间后，小车再次起动，将工件送到下一工序。

完成所有的工序后，小车将工件载出烤漆房

除锈

烘干

一次底漆喷涂

烘干

二次底漆喷涂

烘干

面漆喷涂

烘干

图1

第3章方案详解

对设计方案进行详细的讲解，对设计中所用到的电机，传感器，PLC等进行进一部的说明。

3.1电机的选取

电机按工作电源种类划分：

可分为直流电机和交流电机。

交流电机与直流电机相比，由于没有换向器因此结构简单，制造方便，比较牢固，容易做成高转速、高电压、大电流、大容量的电机。

交流电机功率的覆盖范围很大，从几瓦到几十万千瓦、甚至上百万千瓦。

所以将小车的驱动电机选为方便实用的交流电机。

交流电机又分为同步电机、异步电机两大类。

同步和异步电机均属交流动力电机，是靠50HZ交流电网供电而转动。

异步电机是定子送入交流电,产生旋转磁场，而转子受感应而产生磁场。

这样两磁场作用使得转子跟着定子的旋转磁场而转动。

其中转子比定子旋转磁场慢，有个转差不同步所以称为异步机。

而同步电机定子同异步电机其转子是人为加入直流电形成不变磁场，这样转子就跟着定子旋转磁场一起转而同步始称同步电机。

异步电机简单，成本低，易于安装，使用和维护.所以受到广泛使用；缺点效率低，功率因数低对电网不利。

而同步电机效率高是容性负载，可改善电网功率因数，多用工矿大型没备。

所以最终小车的驱动电机确定为结构简单、运行可靠、价格便宜、过载能力强及使用、安装、维护方便，被广泛应用于各个领域的交流异步电动机。

型号：

Y180M-8，额定功率11KW，定子电流26A

伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。

分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。

工作原理：

伺服主要靠脉冲来定位，基本上可以这样理解，伺服电机接收到1个脉冲，就会旋转1个脉冲对应的角度，从而实现位移，因为伺服电机本身具备发出脉冲的功能，所以伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，这样和伺服电机接受的脉冲形成了呼应，或者叫闭环，如此一来，系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机，同时又收了多少脉冲回来，这样，就能够很精确的控制电机的转动，从而实现精确的定位，可以达到0.001mm。

直流伺服电机分为有刷和无刷电机。

有刷电机成本低，结构简单，启动转矩大，调速范围宽，控制容易，需要维护，但维护方便（换碳刷），产生电磁干扰，对环境有要求。

因此它可以用于对成本敏感的普通工业和民用场合。

无刷电机体积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩稳定。

控制复杂，容易实现智能化，其电子换相方式灵活，可以方波换相或正弦波换相。

电机免维护，效率很高，运行温度低，电磁辐射很小，长寿命，可用于各种环境。

交流伺服电机也是无刷电机，分为同步和异步电机，目前运动控制中一般都用同步电机，它的功率范围大，可以做到很大的功率。

大惯量，最高转动速度低，且随着功率增大而快速降低。

因而适合做低速平稳运行的应用。

　　伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。

伺服电机的精度决定于编码器的精度（线数）。

　步进电机作为一种开环控制的系统，和现代数字控制技术有着本质的联系。

在目前国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。

随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。

为了适应数字控制的发展趋势，运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。

虽然两者在控制方式上相似（脉冲串和方向信号），但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。

现就二者的使用性能作一比较。

　一、控制精度不同：

两相混合式步进电机步距角一般为1.8°、0.9°，五相混合式步进电机步距角一般为0.72°、0.36°。

也有一些高性能的步进电机通过细分后步距角更小。

如三洋公司（SANYODENKI）生产的二相混合式步进电机其步距角可通过拨码开关设置为1.8°、0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°，兼容了两相和五相混合式步进电机的步距角。

交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。

以三洋全数字式交流伺服电机为例，对于带标准2000线编码器的电机而言，由于驱动器内部采用了四倍频技术，其脉冲当量为360°/8000=0.045°。

对于带17位编码器的电机而言，驱动器每接收131072个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为360°/131072=0.0027466°，是步距角为1.8°的步进电机的脉冲当量的1/655。

二、低频特性不同：

步进电机在低速时易出现低频振动现象。

振动频率与负载情况和驱动器性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。

这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。

当步进电机工作在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等。

交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。

交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能（FFT），可检测出机械的共振点，便于系统调整。

三、矩频特性不同：

步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其最高工作转速一般在300～600RPM。

交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为2000RPM或3000RPM）以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。

四、过载能力不同：

步进电机一般不具有过载能力。

交流伺服电机具有较强的过载能力。

以山洋交流伺服系统为例，它具有速度过载和转矩过载能力。

其最大转矩为额定转矩的二到三倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。

步进电机因为没有这种过载能力，在选型时为了克服这种惯性力矩，往往需要选取较大转矩的电机，而机器在正常工作期间又不需要那么大的转矩，便出现了力矩浪费的现象。

五、运行性能不同：

步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理好升、降速问题。

交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。

六、速度响应性能不同：

步进电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要200～400毫秒。

交流伺服系统的加速性能较好，以山洋400W交流伺服电机为例，从静止加速到其额定转速3000RPM仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。

综上所述，交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。

但在一些要求不高的场合也经常用步进电机来做执行电动机。

所以，在控制系统的设计过程中要综合考虑控制要求、成本等多方面的因素，选用适当的控制电机。

在本次设计中，运用步进电机就可以很好的完成任务，所以步进电机是最合适的控制电机。

型号：

28BYGH（1.8）–NEMA11

3.2传感器的选择

在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。

光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。

它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。

光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。

光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，因此,光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛。

光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，它是把光信号（红外、可见及紫外光辐射）转变成为电信号的器件。

光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器。

它可用于检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等；也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度，以及物体的形状、工作状态的识别等。

光电式传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点。

光电传感器如下图所示主要分为4类：

对射型（凹槽型）

图2

对射型

图3

回归反射型

图4

漫反射型

图5

传感器型号：

PZM31

3.2.2接近开关

接近开关是代替限位开关等接触式检测方式，以无需接触检测对象进行检测为目的的传感器的总称。

能将检测对象的移动信息和存在信息转换为电气信号。

在转换为电气信号的检测方式中，包括利用电磁感应引起的检测对象的金属体中产生的涡电流的方式，捕捉检测体的接近引起的电气信号的容量变化的方式，利用磁石和引导开关的方式。

其特点是：

1由于能以非接触方式进行检测，所以不会磨损和损伤检测对象物。

限位开关等是与物体接触后进行检测的，但接近开关则对物体的存在进行电气性检测，所以无需接触。

2由于采用无接点输出方式，因此寿命延长，采用半导体输出，对接点的寿命无影响。

3与光检测方式不同，适合在水和油等环境下使用，检测时几乎不受检测对象的污渍和油，水等的影响。

4与接触式开关相比，可实现高速响应。

5能对应广泛的温度范围，有些传感器能在-40度和200度的环境下使用。

6不受检测物体颜色的影响，对检测对象的物理性质变化进行检测，所以几乎不受表面颜色的影响。

感应型接近开关原理：

同过外部磁场的影响，检测在导体表面产生的涡电流引起的磁性损耗。

在检测线圈内使其产生交流磁场，并对检测体的金属体产生的涡电流引起的阻抗变化进行检测的方式，一般检测金属导体。

此外。

作为另外一种方式，还包括检测频率相位成分的铝检测传感器，和通过工作线圈仅检测阻抗变化成分的全金属传感器。

在检测体一侧和传感器一侧的表面上，发生变压器的状态阻抗的变化可以视作串联插入检测体一侧的电阻值的变化。

（图6）

变压器的结合状况将通过涡电流损耗而置换为阻抗的变化

图6

静电容量型接近开关的动作原理:

对检测体与传感器间产生的静电容量变化进行检测。

容量大小根据检测体的大小和距离而变化。

一般的静电容量型接近开关是对象电容器一样平行配置的两块平行版的容量进行检测的，平行板单侧分别作为被测定物，而另一侧作为传感器检测面，对这两极间形成的静电容量变化进行检测。

可检测物体根据检测对象的感应率不同而有所变化，不仅金属，也能对树脂，水等进行检测。

（图7）

图7

磁力式接近开关的动作原理：

用磁石使开关的导片动作。

通过将引导开关置于ON，使开关打开。

（图8）

图8

型号：

FN1.5-M8-NOD1

温度传感器用于测量烘干区的温度，进行实时的温度监控，从而达到保证工件烤漆质量的目的。

按测量方式可分为接触式和非接触式两大类，按照传感器材料及电子元件特性分为热电阻和热电偶两类。

接触式温度传感器的检测部分与被测对象有良好的接触，又称温度计。

　　温度传感器

温度计通过传导或对流达到热平衡，从而使温度计的示值能直接表示被测对象的温度。

一般测量精度较高。

在一定的测温范围内，温度计也可测量物体内部的温度分布。

但对于运动体、小目标或热容量很小的对象则会产生较大的测量误差，常用的温度计有双金属温度计、玻璃液体温度计、压力式温度计、电阻温度计、热敏电阻和温差电偶等。

它们广泛应用于工业、农业、商业等部门。

在日常生活中人们也常常使用这些温度计。

随着低温技术在国防工程、空间技术、冶金、电子、食品、医药和石油化工等部门的广泛应用和超导技术的研究，测量120K以下温度的低温温度计得到了发展，如低温气体温度计、蒸汽压温度计、声学温度计、顺磁盐温度计、量子温度计、低温热电阻和低温温差电偶等。

低温温度计要求感温元件体积小、准确度高、复现性和稳定性好。

利用多孔高硅氧玻璃渗碳烧结而成的渗碳玻璃热电阻就是低温温度计的一种感温元件，可用于测量1.6～300K范围内的温度。

非接触式温度传感器

它的敏感元件与被测对象互不接触，又称非接触式测温仪表。

这种仪表可用来测量运动物体、小目标和热容量小或温度变化迅速（瞬变）对象的表面温度，也可用于测量温度场的温度分布。

最常用的非接触式测温仪表基于黑体辐射的基本定律，称为辐射测温仪表。

辐射测温法包括亮度法（见光学高温计）、辐射法（见辐射高温计）和比色法（见比色温度计）。

各类辐射测温方法只能测出对应的光度温度、辐射温度或比色温度。

只有对黑体（吸收全部辐射并不反射光的物体）所测温度才是真实温度。

如