基于PLC的自动喷砂装置设计与应用

薛滢蕾 刘梦佳 牛炳鹤 王子腾

（华北水利水电大学机械学院，河南 郑州 450045）

0 引言

近年来，多种轻量化材料的混合粘接发展迅速。粘接技术具有应力分布均匀、承载能力强、电化学腐蚀小、对连接材料无损伤、耐疲劳等优点，广泛应用于航空航天、汽车、轨道车辆等领域［1］。粘接技术是实现高速列车轻量化的关键技术之一，粘接技术在高铁上的应用如图1 所示。在使用过程中，粘接结构易受环境影响，如高温、高湿环境会导致粘接结构过早失效，对车辆安全运行造成一定威胁［2］。粘接基体表面的处理方式是影响粘接接头性能的重要因素之一。

图1 粘接技术在高铁上的应用

喷砂处理是一种常用的表面处理方法，因其操作简单、经济性好、适用范围广而受到国内外研究人员的青睐［3］。喷砂处理一般是用喷砂机来实现的，喷砂机是一种借助压缩空气动力，将磨料喷射到工件表面的一种机械设备。将磨料以高速喷射到被处理的工件表面，对其进行冲击研磨，使工件表面形状或整体形状发生变化。磨料对工件表面产生冲击和切削作用，工件表面获得一定的清洁度和不同的粗糙度，使工件表面的机械性能得到改善，增加其与涂层的附着力，延长涂膜的耐久性，有利于涂料的流平和装饰［4］。处理前后的铝合金表面形貌如图2 所示，经喷砂处理的铝合金片表面明显出现不规则的凹槽，这是砂粒对表面冲击而形成的。

图2 铝合金的表面形貌

目前，大多数实验室所用的喷砂机为小型箱体式手动喷砂机，即人工操作一把喷枪，操作人员左手拿工件，右手拿喷枪，对着要喷砂的工件部位进行处理。此类喷砂机占地面积较小、操作简便，可用于去除残渣、工件翻新等。但这种喷砂机的工作效率较低，工件所受喷砂处理不均匀，并不适用于对喷砂工艺的深度研究。目前，已有的自动化喷砂机可分为四类，即输送式自动喷砂机、转盘式自动喷砂机、滚篮式自动喷砂机、履带式自动喷砂机。自动化喷砂机通过履带带动待喷工件移动，磨料对工件表面进行冲击和切削，使工件的表面获得一定清洁度和不同粗糙度［5］。尽管自动化喷砂机在某种程度上实现了自动化喷砂，但其喷砂效果充满不确定性，仅适用于清洁表面等简单用途，且此类喷砂机造价高昂，并不适用于高校实验室和研究所等。为降低人工劳动成本、增加表面处理质量、满足实验室喷砂工艺需求，对小型廉价自动喷砂机的研制刻不容缓。

1 自动喷砂装置机械结构与工作原理

1.1 机械结构

喷砂机是处理工件表面的设备，为满足实验室喷砂工艺需求、降低人工劳动成本、增加表面处理质量，基于小型箱体式喷砂机，设计出一款自动喷砂装置，整体结构示意如图3 所示，包括机箱、喷砂执行装置、PLC控制器、固定工件夹具和开关按钮。

图3 自动喷砂装置整体结构示意

为满足实验室对不同类型工件喷砂工艺研究的需求，设计两组固定待喷工件的夹具，如图4 所示。其中，a组为搭接工件固定夹具，在铝合金导轨侧部开出凹槽，用于放置待处理片状工件，上部开出螺纹孔，配合特制螺栓，使工件在接受喷砂时位置保持稳定；b组为对接工件固定夹具，在铝合金导轨上侧开出凹槽，用于放置待处理长方体状工件。上述两导轨左右两端皆开有螺纹孔，搭配螺栓，使铝合金导轨与喷砂机箱紧紧相连，保证喷砂过程能稳定进行。

图4 待喷工件固定夹具

自动喷砂装置核心喷砂执行机构如图5 所示。该喷砂执行装置由单线滑台、喷头支架、喷砂枪头、步进电机、接近开关和固定夹具组成。单线滑台固定于机箱内部上侧，喷砂枪头与单线滑台用喷头支架相连，步进电机安装于单线滑台左侧，接近开关安装于单线滑台两侧，固定夹具安置在喷砂枪头下方。通过单线滑台的转动来带动喷砂枪头执行喷砂功能。

图5 喷砂执行装置

喷砂参数调整示意如图6 所示，喷头支架与喷砂枪头之间采用螺栓连接，有需要的时候可松动螺栓，从而调整喷砂枪头相对待喷工件的角度。由图6（b）可知，单线滑台在与机箱相连的同时，其后部开有矩形空心滑道，可实现单线滑台相对工件进行上下移动来调整喷砂距离。此类设计主要针对实验室研究人员探讨喷砂距离和喷砂角度等因素对材料黏接性能的影响。

图6 喷砂参数调整示意

1.2 自动喷砂装置工作原理

当自动喷砂装置正常运行时，PLC 控制器用于发出指令，控制整个喷砂运行过程。传感器用于检测喷砂枪头距单线滑台的边缘距离，PLC 控制器基于传感器反馈信号来确定是否控制单线滑台转向，开关按钮用于系统的启动和关闭。单线滑台用于协助喷砂枪头左右移动，步进电机用于单线滑台供能，喷砂枪头上端连着输砂管道，用于砂粒输送和砂粒输出。

2 控制系统组成及其工作原理

2.1 控制系统硬件选型

自动喷砂装置信号的采集和控制指令的发出是通过控制系统硬件来实现的。因此，硬件系统的优劣将直接影响自动喷砂装置的性能。在确定自动喷砂装置控制系统设计思路的基础上，根据项目设计要求，对PLC 控制系统硬件及各部分进行选型设计。

2.1.1 数字量和模拟量点数估算。自动喷砂装置的信号点数要对控制参数类别和数目有明确的了解，才能对系统硬件进行设计。

①设备明细。根据要求，需要安装1 个步进电机、1个步进电机驱动器、2个接近开关、4个按钮。

②I∕O 点数估算。数字量信号包括输入和输出两部分，输入数字量信号主要用于接收设备的反馈信号，如启动按钮、停止按钮等，输出信号主要用于控制步进电机驱动器的脉冲输出、使能输出、方向输出等。模拟量信号同样包括输入、输出两部分，作用与数字量相同，只是传递信号的方式不同。自动喷砂装置数字量和模拟量的点数估算见表1。

表1 自动喷砂装置控制点数

在计算完系统需要的数字量及模拟量数目后，要附加一定的余量，一般取20%，便于后续改造或升级。

2.1.2 主要硬件模块选型。在系统所要控制的数字量和模拟量点数确定后，可对控制器、电源模块等相关硬件进行选型。各部分选型如下。

①控制器选型。随着PLC 技术的推广普及，PLC 产品的种类越来越多，功能也日趋完善。相对于单片机，PLC 具有使用方式简单、开发周期短、可靠性更高等优点。目前，国外生产PLC 产品的厂家有美国的通用公司和Allen-Bradley 公司、德国的施耐德和西门子公司、日本的三菱和欧姆龙等。国内自行研发PLC 产品的有北京西姆宏、中国科学院自动化研究所（PLC-0088）等。

由于PLC产品众多，结构形式、性能、指令系统、编程方法和价格各异。因此，合理选择PLC 型号对控制系统的可靠性起着关键作用。在满足功能要求的前提下，可选择可靠性高、维护使用方便及性价比高的最优化机型。根据现场环境、实现功能、处理速度及技术支持这4个条件对型号进行选择。

综上所述，本研究选择西门子公司的1200 系列产品的PLC。S7-1200 系列PLC 是西门子公司的小型模块化产品之一，能满足本系统的控制要求，性价比和可靠性是同类产品中较高的。该系列PLC 的CPU 处理速度较快、I∕O 扩展能力强，非常方便用户进行模块化设计，S7-1200 系列PLC 具有循环周期短、处理速度高、指令集功能强大、可用于复杂功能、产品设计紧凑、可用于空间有限的场合、模块化结构、适合密集安装等优点。

最终，确定选用S7-1200 系列PLC 中的CPU1215C AC∕DC∕RLY，选用带网络口的，以方便后续的升级维护及组网。

②开关电源。开关电源为整个系统提供电源，必须保证其安全可靠。选用明纬开关电源生产的RT-125D开关电源，其具有∕过负载∕过电压、自然风冷、LED电源指示、100%满载老化、能承受300 VAC浪涌输入5 s等性能，其工作温度高达70 ℃，能承受5 G振动测试。同时，具有高效率、长寿命和高信赖度等优点。

③步进电机及驱动器。本研究选用的步进电动机为北京时代超群公司生产的57 步进电动机，其为两相四线大扭矩低噪声步进电机。按照该步进电动机的铭牌标志，固定步距角为1.8°、相电流为3 A、电阻阻值为0.6 Ω。该步进电动机的相电感为4.5 mH、机身长为56 mm，驱动型号为ZD-2HD542，该驱动器接口采用超高速光耦隔离，抗高频干扰能力强，16 种不同细分任意切换，自动半流锁定，8 挡电流可调，支持脱机、使能、锁定等功能，过压、欠压、过流保护，适合自动喷砂使用。

2.1.3 PLC 控制系统接线原理。自动喷砂系统以开关电源为供电源，PLC 的数字量输入点分别启动按钮和停止按钮开关、编码器等，PLC 的数字量输出点分别接步进电机驱动器和接近开关，如图7 所示。模拟量输入点有拨码开关，选用模拟量为电压信号0～10 V，采用电动电位计进行接入，具体接线原理如图7所示。

图7 控制系统接线原理

自动控制系统是整个系统的关键核心，担负着对整个系统进行控制和协调的任务，通过自动喷砂装置控制系统对步进电机、步进电机驱动器、编码器、接近开关等进行控制。控制柜内部电气元件由四大部分组成，即电源部件、西门子1200 PLC模块、继电器组、端子排。PLC 柜内的组件布局要考虑到电器元件的尺寸、电气间隙、元器件发热等因素。

2.2 控制系统软件设计

控制系统软件功能主要包括自动喷砂装置信号采集、数据处理、输出控制命令等。结合具体功能要求，采用TIA Portal V18 编程软件，设计了PLC控制系统程序。程序设计是控制系统的主要部分，各部分作用如下。

2.2.1 喷砂枪头位移传感器信号检测与量程转换程序。把接收到的数字量转换成喷砂枪头距机箱边缘距离，并与控制系统设定值比较，判断是否要控制单线滑台转向。

2.2.2 动作执行程序。若喷砂枪头靠近机箱边缘，立即调整单线滑台转向，从而使喷砂枪头反向作用。

2.2.3 报警系统。若出现砂粒堵塞、喷砂枪头无法转向等问题，发出警告，提示工作人员进行维护。自动喷砂装置工作步骤如图8所示。

图8 自动喷砂装置工作步骤

3 使用效果评价

本研究分别对6061 铝合金进行不同的表面处理，以验证自动喷砂装置的实用性，表面处理结果如图9 所示。采用800 目砂纸研磨时，铝合金表面整体较平整，原表面划痕被消除，基本达到抛光效果。采用100 目砂纸研磨时，铝合金表面粗糙度明显增强，表面出现大量不规则划痕，整体表现较差。采用喷砂处理时，铝合金表面无明显划痕，表面更为细致，出现均匀且致密的表面形貌，且金属光泽更为明显。

图9 6061铝合金表面处理

由于表面粗糙度对黏接性能的影响存在一个最优范围，较低的表面粗糙度使胶黏剂在金属表面无法完全铺展，降低金属界面与胶黏剂的黏接强度，过高的表面粗糙度会使金属表面出现大量不规则凹坑，黏接时，胶黏剂与金属界面中存在气泡，影响胶黏剂与金属的结合面积。综上所述，喷砂处理所得的表面形貌符合机械连锁理论，更有利于提高黏接性能，表明自动喷砂装置效果较优。

4 结语

本研究基于实验室所用小型箱体式喷砂机，以S7-1200 PLC 为核心，设计了自动喷砂装置控制系统。通过分析自动喷砂装置控制系统的组成及工作原理，对自动喷砂装置控制系统硬件进行选型，主要包括喷砂执行装置、传感器、PLC 控制器等，并给出PLC 控制系统的接线原理。对自动喷砂装置控制系统软件进行设计，并给出软件设计流程，完成对自动喷砂过程信号的采集、处理，并发出指令，保证自动喷砂装置的稳定性和可靠性。对自动喷砂装置的实用性进行检测，验证自动喷砂装置处理效果的优越性和存在的必要性。