（机械工程专业论文）矿棉吸声板二次喷涂系统的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 二次喷涂是矿棉吸声板喷涂工序的关键环节，直接影响着生产厂家的产品质量和 产量。喷涂的好坏直接决定板材的质量，喷涂不均将产生色差，造成板材和原材料的 浪费；喷涂装置的运行速度又直接决定着生产线的速度。传统的矿棉吸声板厂由于自 动化程度低，生产产量不高，因此对二次喷涂的要求也不高。但是，随着矿棉吸声板 生产线自动化程度的提高，必须解决二次喷涂的瓶颈问题，以提高产品的竞争。 本文首先对国内外同类设备的技术状况和控制形式进行分析和比较，结合企业实 际，全面地分析本企业相关设备的制造、安装和控制现状，提出以o m r o np l c 为核 心的控制方案，采用p l c 的主、从站结构和触摸屏等技术，提高控制系统的可靠性以 及设备运行情况的可监视性，并实现人机对话。本文根据轨迹原理，提出轨迹法，详 细阐述了制作喷枪架的方法和技巧，将喷枪由4 把增加到5 把，使喷涂传动装置在同 样的速度下，提高生产线速度。针对二次喷涂传动装置的运行特点，提出了计时法和 轴编码器测距法的不同控制方式，并比较它们的优缺点。流量的稳定方面，通过多次 的现场实际观察和相关记录数据的分析，推导出流量与压力的数学逻辑关系，最终通 过流量的闭环控制系统，使流量快速稳定。 二次喷涂系统改造完成后，经过近两年的运行考察，喷涂装置运行可靠稳定，生 产线速度由以前的6 米分钟提高到现在的1 8 米分钟。喷涂效果较好，最大程度地减 少了色差。完全能够满足当前企业生产的需要。 关键词；矿棉吸声板二次喷涂系统人机界面闭环控制系统 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t s e c o n d a r ys p r a yi st h ek e yp r o c e d u r ef o rs p r a y i n gt h em i n e r a lf i b e rs o u n da b s o r p t i o n c e i l i n g s ，w h i c ha f f e c t st h eq u a l i t ya n dt h eo u t p u to fm a n u f a c t u r e r sp r o d u c t sd i r e c t l y t h e p e r f o r m a n c eo f t h es p r a yd e t e r m i n e st h eq u a l i t yo ft h ec e i l i n g sa n dt h eu n e v e n s p r a yc a u s e s c h r o m a t i s m a sar e s u l t ，t h ec e i l i n g sa n dm a t e r i a l sa r ew a s t e d m o r e o v e lt h es p e e do ft h e s p r a y e rh a s ad i r e c te f f e c to nt h a to ft h e p r o d u c tl i n e d u et ot h el o wo n t p u ta n dl o w a u t o m a t i o nl e v e l t h et r a d i t i o n a lm i n e r a lf i b e rs o u n da b s o r p t i o nc e i l i n g sf a c t o r yd o e s n tn e e d h i 曲- l e v e ls e c o n d a r ys p r a y h o w e v e r , a st h ea u t o m a t i o nd e g r e eo fm i n e r a l f i b e rs o u n d a b s o r p t i o nc e i l i n g sp r o d u c tl i n e i s r a p i d l yi m p r o v e di n m o d e r nt i m e s ，i tb e c o m e sq u i t e i m p o r t a n ta n du r g e n tt os o l v et h e b o t t l e n e c ko ft h es e c o n d a r ys p l a ys oa st oe n h a n c et h e c o m p e t i t i o nc a p a b i l i t i e so f t h e p r o d u c t s f i r s t l y , t h et e c h n i c a ls t a t u sa n dc o n t r o lf o r m a to ft h es e c o n d a r ys p r a ye q u i p m e n ta t h o m ea n da b l o a da r ei n t r o d u c e d ，a n a l y z e da n d c o m p a r e d t h e na f t e rt h es t u d yo ft h ep r e s e n t m a n u f a c t u r e ，i n s t a l l m e n ta n dc o n t r o ls t a t u so fo u rc o m p a n y sr e l a t i v ee q u i p m e n t ，w ep u t f o r w a r dt h ec o n t r o ls c h e m ew h i c hh a st h ec o r eo fo m r o np l ca n da d o p t st h em a i n s e c o n d a r ys t r u c t u r eo fp l ca n dt o u c hs c r e e nt e c h n i q u et oi m p r o v et h er e l i a b i l i t yo ft h e c o n t r o ls y s t e ma n dt h em o n i t o r a b i l i t yo ft h ed e v i c ew o r ks t a t i o na sw e l la st or e a l i z eh m i t h em e t h o do fo r b i ti ss u g g e s t e da c c o r d i n gt ot h et r a j e c t o r yp r i n c i p l e t h ea p p r o a c h e sa n d t h es k i l l st om a k et h es p r a yg u ns h e l fa r ee x p l a i n e di nd e t a i l s t h es p r a yg u ni si n c r e a s e d f r o m4t o5i no r d e rt h a tt h e s p r a yt r a n s m i s s i o nd e v i c e h a sa ni m p r o v e d s p e e do ft h e p r o d u c t i o nl i n e i nt h es a m es p e e d c o n s i d e r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es e c o n d a r ys p r a y e q u i p m e n t ，t w od i f f e r e n tc o n t r o lm e t h o d sa r ed e s i g n e da n dc o m p a r e d ：t h em e t h o do ft i m e a n dt h em e t h o do fm e a s u r ed i s t a n c e a st ot h e s t a b i l i z i n go ft h et r a f f i c ，t h em a t hl o g i c r e l a t i o no ft h et r a f f i ca n dt h ep r e s si sd e d u c e df r o mm a n ys i t u a t i o n a lo b s e r v a t i o ni ns i t ea n d t h ea n a l y s i so ft h er e l a t e dr e c o r dd a t a f i n a l l yt h et r a f f i ci ss t a b i l i z e dr a p i d l yt h r o u g ht h e c l o s e d r i n gc o n t r o ls y s t e mo f t h et r a f f i c n 华中科技大学硕士学位论文 t h es p r a y e rh a sb e e nw o r k i n gw e l lf o rt w oy e a r sa f t e rt h er e b u i l do ft h es e c o n d a r y s p r a ys y s t e m t h es p e e do ft h ep r o d u c t i o nl i n e i n c r e a s e sf r o m6 m r a i nt o1 8 m r a i n 。t h e s p r a ya p p e a r a n c e i sb e a u t i f u la n dt h ec h r o m a t i s mi sm i n i m i z e dt ot h em o s te x t e n d k e y w o r d s ：t h em i n e r a lf i b e rs o u n da b s o r p t i o n c e i l i n g s s e c o n d a r ys p r a ys y s t e m h m it h e c l o s e d - r i n gc o n t r o ls y s t e m i t l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的 研究做出贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：影沈磊乃 日期：必一啦年弓月二弓日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。 保密口，在 本论文属于 不保密回。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 年解密后适用本授权书。 学位论文作者签名：弓琵纥侈 指导教师签名： 参篓，复 日期：幽。) 年；月2 弓曰日期：渺年；月上等日 华中科技大学硕士学位论文 1 1 研究的目的、意义 1 绪论 本文的研究目的有两个：一是解决色差问题，二是提高生产速度。 、解决色差问题 1 ) 有利于提高矿棉吸声板的质量 矿棉吸声板作为一种新型的、高档次的天花装饰材料，用途越来越广泛，尤其在 宾馆、饭店、礼堂及各种公众娱乐场所，以其良好的隔音吸音效果，受到众多人士的 关注。然而，在矿棉吸声板大力推广的同时，板材的色差问题直困扰着各用户和生 产厂家。在质量问题中，有6 0 以上与喷涂不均引起的色差有关系。在激烈的竞争中， 生产厂家要想立于不败之地，就需不断提高板材质量，消除色差。 2 ) 有利于节耗原料，降低成本 矿棉吸声板生产厂家每年浪费的原材料( 废板) 有6 0 左右都跟色差有直接的关 系。色差不但影响板材质量，而且使生产效率降低，增加生产成本。一旦色差板流入 市场引起索赔时，不仅给企业造成巨额经济损失，而且将直接影响企业的信誉，威胁 到企业未来的发展。 3 1 有利于环保； 大多数生产厂家将色差板都作为垃圾扔掉。这些工业垃圾流入社会后，造成了极 大的环境污染。因此，减少色差，提高合格率，可以从根本上减少环境污染。 二、提高生产速度 生产线的运行速度直接决定了生产厂家的生产产量。矿棉吸声板j - - - 次喷涂是限 制生产速度的咽喉之一。如何在保持好的喷涂效果的前提下提高二次喷涂的喷涂速度 显得非常重要。 华中科技大学硕士学位论文 1 2 课题概述 1 2 1 课题来源 本课题源于北新集团关于“以质量求生存，以信誉求发展，大力提高矿棉吸声板 的生产能力及质量”的号召下提出的技改项目。为了使此项技改达到最终的目标，同 时考虑到整条生产线的实际运行情况，特定此次改造的重点为二次喷涂系统。 1 2 2 课题背景简介 拟改造的矿棉吸声板生产线是一九八五年从日本引进，建在广州，一九九七年搬 迁至北新重新安装调试。本课题的任务是根据北新集团目前的要求和需要，采用现代 科学技术，对这条号称年产2 0 0 万平米的矿棉吸声板线进行改造，使其能够完全达产 外，还要有效地控制色差，最大限度地提高产品质量。通过对生产现场的实际考察及 对生产岗位操作要求的分析，本次技术改造的主要技术要求为： 1 ) 安全、可靠 为了满足工业化大生产的需要，保证生产的安全和可靠非常重要。选用高质量的 电器元气件，可以提高单个元气件的安全性和可靠性“。采用o m r o np l c 进行集 中控制b c 4 1 取代传统的接触器式的连锁控制，可提高系统运行的可靠性。 2 ) 操作安全、方便 为了方便岗位人员操作，同时要对运行的设备及罐内状况进行监控，特增设触摸 屏6 1 作为人机界面。在触摸屏上可以方便她进行各种操作，同时可以显示各罐内料位， 另外在触摸屏上要显示流量的设定值与实际值晒“”。 3 ) 流量的自动跟随系统实现闭环控制，最大程度地减少色差。通过增加喷枪个数， 最大程度地提高生产速度。 1 2 3 研究的任务 本文的主要研究内容是： 1 ) 从现代化工业大生产对控制系统的要求幅“9 o3 出发，针对矿棉吸声板厂对喷 涂系统的特殊要求，研究喷涂系统的自动控制技术的方法和关键技术： 2 华中科技大学硕士学位论文 2 ) 根据矿棉吸声板厂二次喷涂系统的实际情况，研究喷涂部分的设备及其运行情 况，并进行设备改造； 3 ) 结合北新集团实际情况，设计一个安全、可靠、控制性能先进的自动喷涂系统。 1 3自动控制技术及p l c 控制系统简介 生产过程总是在一定的工艺参数条件下进行的i l i ) 因此需要对这些参数进行控制。 随着现代化工业的发展，生产装置的规模不断扩大，生产技术及工艺过程越来越复杂， 对实现过程自动化的控制系统也提出了更高的要求，这些要求包括n 2 “1 3 “1 4 、 1 5 1 ( 1 ) 人机界面友好，便于集中操作、监视和管理。 ( 2 ) 高度安全可靠。 ( 3 ) 模块化结构，易于扩展，维修简单。 ( 4 ) 具有良好的性能价格比。 工业过程计算机控制的发展，经历了二十世纪五十年代的起步期，六十年代的实 验期，七十年代的推广期，八十年代的成熟期和九十年代的进一步发展期。现在，计 算机控制系统已成为现代化的大规模工业生产过程中必不可少的组成部分。计算机控 制系统的典型代表是计算机集散控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，简称d c s ) 和 可编程控制器( p l c ) 控制系统。前者多用于大型流程工业，后者多用于不同规模的 离散工业。 工业用可编程控制器6 “”“1 7 1 ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) p l c 是微机技术 和继电器常规控制技术相结合的产物，它是吸取了微电子技术和计算机技术的最新成 果，采用微型机芯片为核心，根据工业生产特点而发展起来的一种专用计算机。此外， p l c 形式多样，使用灵活，甚至能嵌入到专用设备和系统中，与机械设备融为一体。 p l c 主要用于开关控制和顺序控制，并具有可靠性高、体积小、价格低、易维护、功 能完善、编程方便等优点，被广泛应用于各工业领域“8 “1 9 c 2 0 。 p l c 是以微处理器为核心的电子系统，与计算机所用电路相类似，其结构框图如 图1 - 1 所示。它由中央处理器单元c p u 、输入、输出部分和电源部分组成“8 1 1 9 j o 3 华中科技大学硕士学位论文 按扭 继电器 行程开关 电磁线圈 指示灯 电磁阀 图1 1p l c 控制系统结构图 中央处理单元c p u 由微处理器、系统程序存储器和用户程序存储器构成，负责处 理和运行用户程序，监控系统状态，做出逻辑判断及必要的处理。电源部件是将交流 电源转换成供p l c 的微处理器、存储器等电子电路工作的直流电源，使p l c 正常工作。 编程器由键盘、显示器和工作方式选择开关等组成，操作人员通过编程器输入、检查、 修改、调试用户程序，也可监视p l c 本身的工作状态。输入、输出部分是p l c 与被控 设备或控制开关相连接的接口电路汜”汜引。 可编程控制器可以完成：逻辑控制、定时控制、计数控制、步进控制、a d 、d f a 转换、数据处理、通信与联网、控制系统监控等功能。为适应工业环境具有如下特点 2 4 ) 1 2 5 1 ( 1 ) 可靠性高、抗干扰性强 ( 2 ) 应用灵活、操作方便 ( 3 ) 系统构成简单，通用性强 ( 4 ) 设计简单、维修简便 p l c 在二十世纪六十年代末引入我国时，只用作离散量的控制，其功能也只是将 操作接到离散量输出的接触器等上，最早只能完成以继电器梯形逻辑的操作。随着工 业生产的发展，近年来，由于开发了具有智能 0 模块的p l c ，可将顺序控制。6 和过 程控制汜7 “2 8 结合在一起，不仅能实现生产过程的控制，而且还可实现运动控制。此 外，p l c 以现代网络通信技术和人一机界面技术为基础，与d c s 、i p c 技术的融合， 形成的新一代的p c s ( p r o c e s sc o n t r o ls y s t e m ，即具有p l c 功能的新型集散控制系统) 和i p l c ( i n t e g r a t e dp l c ，即集成p l c ) 具有比较强大的模拟量处理能力，被广泛地应 用于航天、冶金、轻工、建材等行业。 4 华中科技大学硕士学位论文 1 4 本文的主要研究内容 1 4 1 色差形成机制 色差是指矿棉板表面颜色的差异，引起色差的原因较多，并且比较复杂。如原材 料不合格( 铁离子超标等) 、原板( 指未喷涂的板) 在主干燥窑内过火烧糊、底涂( 一 次喷涂) 喷涂不均、顶涂( 二次喷涂) 喷涂不均等。 矿棉吸声板的原材料主要有：粒状棉、纸浆、凹凸棒黏土、淀粉、硫酸铝等，原 材料中如果铁离子含量过高，将会使原板产生很大的色差，这类板经过喷涂后，也很 难消除其色差。对原材料的分析发现，铁离子的含量主要来源于粒状棉，粒状棉的原 材料为矿石，矿石中本身含有铁离子，矿石中也混有铁块，因此，要消除这问题， 必须从源头上加以根除即在粒状棉的生产中进行解决，如在矿石入口处加电磁铁，将 矿石中的铁块吸出来等。这样处理后，原材料引起的板材色差可以得到很好的解决。 原板( 指未喷涂的板) 在主干燥窑内过火烧糊也产生色差，这种情况由于板已经 烧糊成废板，因此只要加强废板检测，就可以防止这种板混入成品板中。 一次喷涂的工艺流程及设备情况，如下图1 4 所示： 圈1 4 一次喷涂设备示意图 5 华中科技大学硕士学位论文 上图是一次喷涂的主要设备，a 为涂料管，b 为喷枪，c 为喷枪下部运行的矿棉吸 声板，d 为电镀辊，e 为与电镀辊平行的靠辊，它们之间放有海绵f 。下面先简单介绍 一下一次喷涂的工艺流程： 涂料经过泵将涂料打入涂料管，然后经过喷枪喷出，喷出的涂料呈圆盘状散落在 矿棉板上，矿棉板上面的涂料经过电镀辊的挤压后，均匀地附着在板上面。电镀辊在 运转过程中经过上面海绵的摩擦，使附着在电镀辊上的涂料更加均匀。一次喷涂的整 个过程非常简单，只要保证喷嘴不堵塞，就不会产生色差。为了防止因喷嘴堵塞带来 的色差，可以将一次喷涂的喷涂管及喷嘴增加一倍并在每一个上面安装手动阀门，这 样在喷嘴堵塞时，岗位人员可以迅速打开备用喷嘴的涂料管阀门并关闭堵塞喷嘴的涂 料管的阀门，拆下堵塞喷嘴清洗。另外上图表明，电镀辊在涂料的均匀方面也有非常 重要的作用，如果电镀辊不光滑或是有其他因素运行不正常也会造成严重的喷涂不均， 因此定期f 每半年1 对电镀辊检修也是防止一次喷涂不均的有效办法。 二次喷涂引起的色差比较复杂，9 5 以上的色差跟二次喷涂不均有关。引起二次 喷涂喷涂不均的原因非常复杂，但是最主要的可变因素有以下三点：i 喷枪与下部喂板 链条的速度不匹配引起喷涂不均；2 喷枪在两头回转时震动过大，使喷涂运行轨迹失真 或者喷枪链条断裂引起喷涂不均：3 喷涂涂料供给的间断造成生产的不连续以及喷涂流 量不能稳定或者不能快速稳定引起喷涂不均。前两点造成喷涂不均的问题可以归结为 两个相关运动速度的控制问题，本文将在喷涂传动部分中研究并最终解决；由于二次 喷涂是一个压力式喷涂系统，因此流量的变化最终取决于压力的变化，因此第3 点引 起的喷涂不均可以用一个以喷头压力为因，喷枪流量为果的闭环控制系统来解决。 1 4 2 研究的任务 本课题研究的目的是解决色差和提高生产线速度。上述原因都与二次喷涂系统有 直接关系。因此，解决色差问题，实际上是解决二次喷涂系统的各个环节的问题。 结合上面论述，根据现代工厂的控制及现代化大生产的要求。”。“。”，本文主要研 究内容包括： 1 ) 对原有设备进行详细分析和研究，结合实际生产情况，确定改进方案。 2 ) 对喷涂部分设备及电气控制系统的研究，主要围绕两个方面展开：喷涂传动部 华中科技大学硕士学位论文 分和涂料喷涂部分。喷涂传动部分研究喷涂传动装置及其传动速度，最终解决喷枪架 在两头回转时的撞击、喷枪与下部喂板链条速度的匹配、喷枪链条经常断裂的问题； 涂料喷涂部分主要研究涂料供给的连续性和流量的快速稳定。 3 ) 结合工厂实际生产，采用触摸屏这一人机界面，简化岗位操作，并进行设备监 控及报警。 4 ) 完成二次喷涂系统设备及电气程序的设计与调试，并分析系统的实际运行效 果。 7 华中科技大学硕士学位论文 2 二次喷涂系统现状简介 2 1 喷涂部分设备及电气控制简介 广州线的喷涂部分主要设备和实际现场图如图2 1 a 和2 1 b 所示： 皮带轮】链轮1 ( 主动轮) 铜滑块 喷枪架 链轮2 从自 喷枪架下带动的两支喷枪 图2 1 a 广州线喷涂传动装置图 图2 1 b 广州线喷涂传动及下部链条输送现场图 _ 研。瑙，。爹警溪鬣 华中科技大学硕士学位论文 图中，电机通过两个皮带轮带动链轮转动，喷枪架随链条同时运行。喷枪架和链 条通过滑槽内的铜滑块连接，铜滑块在滑槽内上下滑动，保证喷枪架的往复运动。喷 枪固定在喷枪架下面，随喷枪架来回运动。喷枪架下面是喂板输送链条，它的运行方 向和喷枪架的运行方向互相垂直。 下图为两把喷枪和待喷物流运行的轨迹图，其中、分别代表两把喷枪的运行 轨迹。 图2 2 两把喷枪和待喷物流运行的轨迹图 图2 2 表明，喷枪运行速度和待喷物流的速度需要很好的配合，否则将产生喷涂不 均。广州线的这两个速度固定不变。 广州线的电器控制非常简单，喷枪链条电机和下部喂板链条电机的速度都恒定不 变，当其中之一发生变化时，另一方不能随之发生相应的调整，结果造成板材色差。 2 2 涂料供给部分设备及电气控制简介 涂料供给部分的设备如图2 3 所示： v 1 图2 3 涂料供给部分设备示意图 9 柏心 华中科技大学硕士学位论文 涂料经过输送泵，由调和罐经阀门v 1 进入储罐，当1 群、2 酬压力罐无料时，手动 打开阀门v 2 或v 5 ，使涂料从头罐进入压力罐。阀门v 3 、v 6 是博、戥压力罐的空气 加压阀门，两个压力罐的压力上限为5 公斤。阀门v 4 、v 7 是两个压力罐的涂料输送 阀门，涂料经由它们从喷枪喷出。阀门v 8 是喷枪的涂料控制阀。生产时，两个压力罐 交替使用，如当1 群罐中涂料用完时，手动打开勰罐的涂料输送阀( v 7 ) ，之后关闭1 带 罐的涂料输送阀( v 4 ) 和空气加压阀( v 3 ) ，打开1 撑罐的排气阀( 图中未画) 使压力 降至0 ，然后打开1 # 罐的进料阀( v 2 ) 使涂料从储罐流入压力罐，在液位计“3 引发 出满罐信号时，关闭1 弹罐的进料阀( v 2 ) 及排气阀，打开空气加压阀( v 3 ) ，开始加 压以备使用。 喷涂作业需要两人完成：一人在前面操作喷涂部分，开、关喷涂链条及喷枪以及 清洗喷嘴等；一人在涂料供给部分操作，给调和罐上料、压力罐上料，最重要的是要 时刻蹲守在压力罐旁边观察压力表，手动调整压力使其保持在一定范围，以次保证流 量的稳定。 图2 - 3 还表明，二次喷涂是一种压力式喷涂，即压力罐中的涂料是在压力作用下喷 出，因此压力的稳定对喷涂的均匀性致关重要。 虽然前述各阀均为电控气动球阀，但是系统的控制方式非常简单，为全手动操作。 2 3 存在的缺陷 广州线二次喷涂系统，主要存在以下缺陷： 1 ) 喷涂部分由于两个垂直速度都固定不变，不利于生产线速度的灵活变化，且喷 涂速度慢，限制了生产速度的提高。 2 ) 喷枪架链条经常断裂，造成停机，严重地影响了产品的产量和质量； 3 ) 过多的手动操作，加大了操作人员的劳动强度，还经常产生操作失误而影响正 常生产。例如，当一个压力罐的涂料用完后，不能自动向另一个压力罐切换，必须手 动切换，切换过程造成涂料中断，人为地造成板材色差。再如涂料不能自动从储罐进 入压力罐，经常造成喷涂中断，影响生产线的连续运行。 4 ) 根据压力来判断流量大小( 喷涂情况好坏) 的根据既不科学、也不合理，因为 华中科技大学硕士学位论文 涂料经由各管路和阀门最后由喷枪喷出，当管路或喷枪喷嘴出现堵塞以及其它外部因 素( 如涂料浓度) 变化时，都会出现压力相同而涂料流量不同的情形，最终造成喷涂 均匀性的差异。因此，以这种控制方式生产出来的板色差大、质量次。 5 ) 涂料的喷涂流量显示，没有人机界面，不利于运行设备的监控及操作。 1 1 华中科技大学硕士学位论文 3 二次喷涂系统关键技术 原二次喷涂部分主要存在的缺陷是：1喷枪架链条经常断裂，造成停机，严重影 响产品产量和质量；2 两个垂直速度都固定不变，不利于生产速度的灵活调节，且喷涂 速度慢，限制了生产速度的提高：3 流量不能快速稳定，严重影响板材质量。本章将 对这三个问题进行详尽的分析。 3 1 喷涂传动部分设备 前一章表明，喷涂部分传动部分设备主要包括喷枪移动链条和下面的喂板链条， 这两个传动方向相互垂直。它们的运行轨迹图表明，如果这两个垂直速度未能很好的 匹配，就会直接造成喷涂不均。另外，带动喷枪运行的喷涂链条的速度要适中，速度 过慢会使生产速度过慢而影响产量；喷枪链条如果运行过快，则会使链条在两头回转 时喷枪架撞击力过大而使喷枪架断裂。因此，解决喷涂系统的问题，主要解决好两个 方面的问题：1 喷枪链条的传动速度；2 两个垂直速度的匹配8 4 “3 5 “。 3 1 1 喷涂链条传动速度 为此，先考察北新广州线喷涂部分运行情况。喷枪架上共有2 把喷枪，喷枪架链 条带动喷枪必恒速运行，通过链条上的特殊装置( 通过滑块在滑槽内上下滑动) 使喷 枪架来回往复运动。图3 1 为两把喷枪和待喷物流运行的轨迹图，其中、代表两把 喷枪的运行轨迹。 匿、f d ji 弓电jr d： 一f 弓 、 7 f 一一 - l 一 =一，j 。，7 + 7 7 ，一 王，g ，f 0。弓一! j 亳)c j舟j 图3 1两把喷枪和待喷物流运行的轨迹图 1 2 华中科技大学硕士学位论文 图3 1 表明，在喷枪运行速度一定时，喷枪的个数以及各喷枪之间的间距与下部喂 板链条的速度直接相关。简单地讲，它们之间的关系可以通过计算得出，如图3 2 所示： jj i 。个。百j一百。 一一 一 、 j 、 、_ i 一遗 爿。? 、 ，7 、 7 7、， ， 一 j 、i j j ， 。，节 n，奄伊 l 自性 、_= 4 ， ：7 7 图3 2 两把喷枪的轨迹图 图3 2 中，直线a ( 1 号喷枪下) 为待喷矿棉板上同一直线上的质点，在t 时间下 运行到直线b ( 2 号喷枪下) ，以保证喷涂不重叠。 设a 到b 的位移为s ，v 1 喷枪下部输送链条的速度，d 代表喷枪电机的往复移动 次数，n 代表喷枪数，x 代表枪距( 枪距是指喷枪相邻轨迹闻的距离，这个距离跟喷枪 喷出涂料的扇面有直接关系，它的变化范围也受喷枪扇面的制约，一般是扇面大小的 1 - 2 倍，下面的研究就是针对枪距在此范围内的。) ，则有： 根据运动学原理 由此得： v l t z = 一 1 1 图3 2 表明，时间t 正好是喷枪往复运动一次的时间，因此： 1 d ( 3 1 ) ( 3 2 ) ( 3 3 ) ( 3 4 ) 华中科技大学硕士学位论文 由( 3 _ 3 ) ( 3 4 ) 可以得出： 即： 则有 v l z = d n ( 3 5 ) 喷枪之间的枪距= 磺菘藉差蔫馨警襄 。， 待喷物流速度= 枪距喷枪数x 喷枪移动的往复次数 ( 3 7 ) 喷枪移动的往复次数= 纂；i ! ；：鬻 c 3 s ， 广州线的待喷物流速度为6 。2 米分钟，枪距为6 2 ：喷枪仑数为2 ，喷枪移动的往 复次数为： 喷枪移动的往复次数= 6 2 0 0 - - 6 2 - - 2 = 5 0 次，分钟 上面的计算表明，当广州线以6 米多的速度生产时( 年产量为2 0 0 万平米) ，喷涂 传动装置的移动速度为5 0 次分钟，如果将生产线的速度提高到1 8 米( 年产量为6 0 0 万平方米) ，同样设备下的喷涂移动速度就要提高到1 5 0 次分钟，显然喷涂移动装置会 因撞击震动过大，难以达到这样的要求的。 关系式( 3 6 ) 表明，枪距和喷枪数依赖于待喷物流速度( 即下部喂板链条速度) 和喷枪移动的往复次数。因此，在制作喷枪架的时候，必须考虑上述两个因素。假设 生产线速度保持不变即待喷物流速度不变，则枪距和喷枪数与喷枪移动的往复次数形 成反比关系。实际的生产中，由于喷枪的往复运动决定了喷枪支撑架在回转时速度不 能过快，否则会因撞击力过大使链条受损，因此，需要对枪距、喷枪数、喷枪往复移 动的次数进行综合考虑。枪距不能过大，喷枪数不能过多，否则会使喷枪架过长而容 易断裂；喷枪数不能过少，否则会使喷枪往复移动次数过快，使喷枪架在回转时震动 加剧。因此，生产线速度提高后，为了达到同样的喷涂效果，并保证喷涂装置的可靠 运行，必须增加喷枪个数或者加大枪距。下面通过实际计算来详细论述这个问题，预 1 4 华中科技大学硕士学位论文 期的喷涂移动链条以3 0 次，分钟运行，假设喷枪架上共有4 把喷枪，下部链条的喂板速 度为每分钟通过3 0 枚6 0 0 6 0 0 ( 5 9 5 x 5 9 5 、6 0 5 x 6 0 5 ) 的板，如图3 3 所示： 二二：孝i 0 二 j 一二i 荔： j ， ， 匹r互r d c j 雹jr d 乏j 眨；，兰 2 四把唼枪运行轨迹图 1 5 ， ，、爻、 。、。j ，曩 华中科技大学硕士学位论文 图3 4 是当枪距为1 5 5 毫米时，4 把喷枪的运行轨迹图，i 内的数字代表喷枪序列。 根据轨迹原理m ，在轨迹上的任意一点，其运行轨迹都是一样的。根据这一原理，不 妨如图3 4 下面的数字1 、3 、2 、4 那样安装喷枪，这样既能保证运行轨迹不变，又能 使喷枪的枪距加大。实际制作的喷枪架的全长为： 1 5 5 7 = 1 0 8 5 毫米 实际生产中，当喷枪架以3 0 次分钟的速度往复运动时，回转时冲击力较大，经常 出现喷枪链条断裂的现象。为了在待喷物流速度不变的情况下，降低喷枪架移动速度， 必须增加喷枪个数。下面是当喷枪数增加为5 把，喷枪架的速度降为2 4 次分钟时喷枪 架的制作。根据上面的计算： 喷枪往复一次，下部链条所走的直线距离为： 1 8 6 + 2 4 次分钟= 7 7 5 毫米 喷枪枪距= 7 7 5 毫米5 = 1 5 5 毫米 喷枪架总长度为：1 5 5 4 = 6 2 0 毫米 显然喷枪架过短，必须加长，如图3 5 ： 幽3 5 四把喷枪运行轨迹图 根据轨迹原理8 ”，按照图3 5 中1 、3 、5 、2 、4 的位置安装喷枪，喷枪架的长度 为： 1 5 5 8 = 1 2 4 0 毫米 采用上述方法，可以方便地根据待喷物流速度和喷枪架移动的速度，确定喷枪枪 距以及喷枪个数。通过增加喷枪个数，降低喷枪架链条移动的速度，防止喷枪架回转 华中科技大学硕士学位论文 时两头撞击过大使喷涂轨迹失真，产生喷涂不均。同时因撞击力减小，有效地解决了 链条经常断裂的问题。 3 1 2 两个垂直速度的匹配及传动装置设备 垂直速度是指两个运行方向相互垂直的速度，垂直速度的匹配问题是速度匹配问 题中的一种。速度匹配问题的解决主要有两种方法，一是通过机械传动装置实现，二 是通过电气控制装置实现。结合矿棉吸声板厂二次喷涂系统的实际情况，经过反复研 究，最终决定采用电气控制方式解决这一问题嵋8 “3 9 1 旧3 。 矿棉吸声板的喷涂系统主要由喷枪电机通过链条带动喷枪架上的四把喷枪来回往 复运动( 这种往复运动并非通过喷枪电机的正反转来实现，喷枪电机始终保持一个转 向，喷枪架之所以能够在两头回转是通过链条的一个特殊装置，在此不做详细介绍) ， 喷枪架下面是输送链条带动待喷矿棉吸声板运行。图3 6 为四把喷枪和待喷物流运行的 轨迹图，其中、代表四把喷枪。 图3 6 喷枪与喂板链条的运行轨迹示意图 图3 6 清楚地表明，这两个速度若不能完全匹配，将直接产生色差，如何使这两个 速度得到最佳的匹配呢? 方法一：计时法 根据关系式3 7 待喷物流速度= 枪距喷枪数喷检移动的往复次数 可以看出，生产过程中枪距和喷枪数是定值，能够变化的仅是待喷物流速度和喷 枪移动的往复次数，当它们中的一方发生变化时，另一方也需作出相应的调整。在上 一节制作喷枪架的论述中，假定喷枪链条的速度是恒定速度，然而，由于喷枪的往复 运动决定了喷枪架在回转时必须以低速运行，喷枪架一旦回转过来后，必须以高速运 华中科技大学硕士学位论文 行。因此，喷枪电机必须分段变速运行，如图3 7 所示： 接近开关1 4口目 - + j 、 矿喷枪链条移动的方向_ 链毳机、丫a i 下_ 7 7 链条电机“口、一 朋 图3 7 喷涂传动装置图 喷枪电机在a i b l 区间和b a 区间恒高速运行，在a a l 区间和b i b 区间恒低速运 行，可见，高速、低速、高速运行时间、低速运行时间这四者不同的搭配，也会产生 同样的喷枪移动往复次数，而喷涂板的效果却截然不同。因此，所谓喷枪移动和下部 喂板输送链条的速度匹配关系既包括上述关系式，也包括在同样的喷枪往复运动的次 数下，链条的高速、低速、高速运行时间、低速运行时间这四者的配合。这四者的匹 配关系需要根据喷涂板的不同效果，反复实验、不断观察、多次比较并做详细记录才 能得出。 实际生产过程中，喷枪数、枪距是定值，喂板链条的速度和喷枪移动的速度可以 调整，它们的变化相互制约。矿棉吸声板生产线的速度将会因板材的规格品种不同而 不同，喂板链条的速度也随着生产线速度的调整而调整，喷枪移动速度也必须进行相 应的调整。然而，这两个速度之间的关系决非简单的线性关系，喷枪电机运行过程的 速度变化如图3 8 所示： 1 8 华中科技大学硕士学位论文 接近开关1 厂 “l 】!一! ! 1 j b l l j j ： 喷枪链条电机 喷枪链条运行方向 、) 、_ 下孓= 丁 。， 血747 。 d 。 喷枪链条下的4 把喷枪 图3 8 喷枪电机运行图 电机在a i b l 、b a 区间恒高速v 1 速度运行，在a a 区间和b l b l 区间由高速到低速变 速运行，在a l a l 区间和b b 区间由低速到高速变速运行，在a a l 区间和b l b 区间恒低 速v 2 速度运行。高速切换到低速通过变频器“4 2 来实现( 设加速度为n ) ，这个变 速过程的时间t 也有变频器设定。通过上面的分析，可以定量地得出( 喷枪移动次数 以次分为单位) ： 堕竺整垫盗錾：丝型堡! + 4 4 1 + b i b + 4 1 = 喷枪移动次数= 6 0 ( a b 西+ _ a 1 b 一1 ) + 6 0 ( , 4 1 3 1 历+ 一b i b ) + 2 4 0 r 根据图中的对称性，进一步有： 一2 警+ 警 限。， = 1 2 0 t 1 + 1 2 0 2 1 2 + 2 4 0 r 关系式( 3 9 ) 中，t 是喷枪电机由高速变到低速的时间，在变频器”2 中设定 为o ，因此，实际的一仅仅是喷枪由高速向低速跳越的一个阶跃量，对整个系统的影响 不大，可以将它忽略不计。v 1 、t 1 以及v 2 、t 2 在触摸屏中设定。 在程序的设计当中，必须充分考虑上述问题，具体如下： 电机带动链条旋转，当检测到接近开关1 0 n 时，一定时间之后开始减速并以低速 运行，阻减小链条转弯时的冲击；在低速运行的同时，开始计时，一定时间之后( 以 1 9 华中科技大学硕士学位论文 保证链条已经转向完毕，喷枪架开始向另一方向运行) 开始加速并以高速运行。流程 图3 表示如图3 9 所示： 圈3 9 计时法的喷枪电机的控制流程图 流程图表明，通过触摸屏这一人机界面能够很方便的调节各种速度和时间，使这 两个速度及其各自运行的时间达到最佳的配合状态。 方法2 ：行程法 在实际生产中，当生产线速度发生变化时，喷枪移动电机的高、低速及相应的时 间都需调整，这些参数都是手动调节，如果这些参数配合不好，将会出现如图3 1 0 所 示的情况： 2 0 华中科技大学硕士学位论文 。 口 。 轴编码器矿喷枪链条运行方向辟 瓣、_ 孓_ 7 7 圈3 1 0 喷枪链条在参数不匹配时的运行示意图 为了防止这种现象的发生，经过反复研究认为，通过链条移动的行程 测算法可以彻底解决这个问题。具体方法是：在链条电机m 的减速机出轴上安装 轴编码器，用来检测电机转数，通过电机减速机出轴的转数、电机皮带轮的半径以及 跟皮带轮相连的链条链轮的半径，计算链条移动的准确距离，整个传动过程如图3 1 1 所示： 皮带轮1皮带轮2 链轮1 链条电机 图3 1 1 喷枪电机的传动装置示意图 i _ _ 链轮2 根据上图，设电机减速机转数为n 转分钟，皮带轮1 半径为r 1 ，皮带轮2 的半径 为r 2 ，链轮1 的半径为r 1 ，链轮2 的半径为r 2 ，链条移动距离的计算如下： 2 1 华中科技大学硕士学位论文 链条移动距离= 等x ，1 署墨 = 等 ( 毫米秒) ( 3 1 0 ) 在链条的循环移动过程中，要准确地计算出链条移动的距离，轴编码器开始记数 的起始点必须准确，经过反复研究，最终在喷枪架的固定支架上安装接近开关1 用来 检测轴编码器开始记数的起始点。 按照流程图的绘图要求1 可表示如下： 图3 1 2 行程法时的喷枪电机的控制流程图 整个电气控制过程如下：电机带动链条旋转，当检测到接近开关i o n 时，电机高 速运行同时轴编码器开始记数，当达到设定值时，轴编码器计数器清零并重新开始记 数，同时电机减速以低速运行，以减小链条转弯时的冲击；当轴编码器达到设定值时 2 2 华中科技大学硕士学位论文 轴编码器计数器清零，同时电机加速以高速运行；当检测到接近开关1 0 n 时，轴编码 器开始记数，达到设定值时，轴编码器清零并重新开始记数，同时电机减速以低速运 行，如此反复。 在程序的实际设计当中，需要考虑高低速的切换点，即确定高速运行行程和低速 运行行程。 图3 1 3 喷枪轨迹在运行的矿棉板上的示意图 图3 1 3 是输送链条上矿棉吸声板在喷枪下面的实际运行图，图中清楚地表明，为 了保证喷涂均匀，a 、b 两线区域内喷枪必须恒速运行( 即高速运行) ，a 、b 两线区域 之外，允许低速运行，这样既能保证喷涂均匀，又能降低链条所受的冲击力。a 、b 两 线距板边缘有一定的距离，以保证当喷枪在a 、b 两线区域之外低速运行时，喷出的 涂料不会散落在矿棉板上。a 、b 两线所在的区域为喷涂区域，在正常情况下，矿棉吸 声板的运行都在a 、b 两线所在的区域。在a 、b 两线区域外，允许速度发生变化，但 必须保证喷枪再次回到a 、b 两线区域内时喷涂轨迹不变，只有这样才能保证速度发 生变化而在喷涂区域内的喷涂效果不变。为了方便讨论，称a 、b 线为准切换线，即 只有喷枪过了a 、b 线之后，方可进行速度切换，如图3 1 4 所示： 华中科技大学硕士学位论文 ； 、 、 、f 、。|。j| ， 、 矗、2 n 、 幽3 1 4 喷枪装置在回转时的速度示意图 图3 1 4 中，a 、b 代表准切换线，c 线代表链条回转线，图中