（机械设计及理论专业论文）皮革仿形喷浆机控制系统设计与研究.pdf

皮革仿形喷浆机控制系统设计与研究 摘要 y 参蕾g ，讧弘 皮革仿形喷浆机( 下略称喷浆机) 喷涂在皮革的后期整饰中占有很大比 例。目前使用的喷浆机大多为进口设备，成本和故障率很高，维修困难。而 且，涂饰成本高、环境污染严重。因此，开发一种新型的皮革喷浆机显得尤 其重要。本文就是在一种新型的皮革仿形喷浆机的研制与开发过程中、对其 自动控制系统进行设计与研究。 该皮革仿形喷浆机借鉴了喷墨打印机的原理，可实现仿形( 依据皮革形 状) 涂饰。其最大特点是，节省浆料，降低了生产成本。而且，涂饰均匀， 大大改善了环境污染。 本文的目的是，研究与开发出一个基于仿形喷浆机，功能完善、操作方 便、价格低廉的控制系统。节省昂贵的进口浆料( 涂饰剂) ，节约生产成本。 本文完成了该皮革仿形喷浆机的自动控制系统设计。本控制系统采用了 基于p c 的自动化技术。控制系统包括：传送系统、吸尘系统、皮革形状检测 系统、喷浆系统、烘干系统、风冷及排湿系统等，其中皮革形状检测是本文 的关键部分。本文对皮革形状的检测手段是采用工业摄像头对其进行视频捕 获，转换为数字图形，通过对数字图像数据的处理来实现的。这样，大大提 高了皮革形状检测的精度，由此显著提高了喷浆的控制精度，从而大幅度的 节省浆料的使用，使生产成本得到降低。 本文涉及到的内容和工作包括：视频捕获编程、数字图像处理、基于p c 自动化的系统设计、可编程控制器编程、o p c 编程、c + + b u i l d e r6 编程。其 中控制系统的人机界面由c + + b u i l d e r6 编程完成。 关键词：皮革喷浆机，自动控制，基于p c 的自动化，可编程控制器， 二值图像，视频捕获 t h ed e s i g n & s t u d yo fc o n t r o l s y s t e m f o rl e a t h e rs h a p e b a s e d s p r a y i n gm a c h i n e a b s t r a c t l e a t h e rs h a p e - b a s e ds p r a y i n gm a c h i n e ( n e x ta b b r e v i a t e dc a l ls p r a y i n gm a c h i n e ) o w n s t h e v e r yb i gp r o p o r t i o n i ns p r a y i n gf o rr e n o v a t i n ga n dd e c o r a t i n gi nl a t e rp e r i o da tt h el e a t h e r m a k i n g t h es p r a y i n g m a c h i n eu s e da t p r e s e n t i s m o s t l yi m p o r t e de q u i p m e n t ，a n d m a i n t e n a n c eo rk e e p si nr e p a i ri sd i f f i c u l t yh e n c et h ec o s ti sv e r yh i g ha tt h eb a r r i e rr a t e a n d i ti sa l s os e r i o u st ot h ep o l l u t i o no fe n v i r o n m e n t t h e r e f o r ed e v e l o p i n go n ek i n do fn e wt y p e l e a t h e rs p r a y i n gm a c h i n el o o k sp a r t i c u l a r l yi m p o r t a n t ，i nt h i st h e s i s ，i ti n v o l v e dt h ea u t o m a t i c c o n t r o ls y s t e m d e s i g na n ds t u d yo fo n ek i n d o fn e wt y p el e a t h e rs h a p e b a s e ds p r a y i n g m a c h i n ew h i c hi si nt h ed e v e l o p m e n to fc o u r s e t h i sn e wt y p el e a t h e rs h a p e b a s e ds p r a y i n gm a c h i n eh a sb e e nu s e df o rr e f e r e n c et h e p r i n c i p l e o fi n kj e t p r i n t e r , a n d c a r l c a r r y o u tt h e p r o f i l em o d e l l i n gs p r a y i n g f o rt h e l e a t h e r ( a c c o r d i n g t ol e a t h e r s h a p e ) t h eb i g g e s t c h a r a c t e r i s t i co ft h i sn e wt y p el e a t h e r s h a p e - b a s e ds p r a y i n gm a c h i n ei se c o n o m i z i n gt h eu s eo fs p r a y i n gl i q u i d ，a n dr e d u c et h ec o s t o fp r o d u c t i o nm o s t l y a n dm o r e ，s p r a y i n gt h el e a t h e rc o v e r e de v e n l y ，a n dh a sr e d u c e dt h e p o l l u t i o no f t h ee n v i r o n m e n tg r e a t l y t h ea i mo ft h i st h e s i si s ，s t u d y i n ga n d d e v e l o p i n ga m a k e da n d o p e r a t e df u n t i o np e r f e c t l y a n dp r i c ec h e a p e ra u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mf o rt h en e w t y p el e a t h e rs h a p e b a s e ds p r a y i n g m a c h i n e a n de c o n o m i z et h ee x p a n s i v ei m p o r t e ds p r a y i n gl i q u i d ( o rd o p el i q u i d ) ，a n dr e d u c e t h ec o s to fl e a t h e rp r o d u c t i o n t h ed e s i g no fa u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mf o rt h i sn e wt y p el e a t h e rs h a p e b a s e ds p r a y i n g m a c h i n eh a sb e e na c c o m p l i s h e di nt h i st h e s i s t h a tt h i sa u t o m a t i cc o n t r o l s y s t e mo ft h e s p r a y i n gm a c h i n eh a su s e dp c b a s e da u t o m a t i o nt e c h n o l o g y t h ec o n t r o ls y s t e mi n c l u d e s ：t h e d r i v e ro fm o t i o n ，d u s ta b s o r p t i o ns y s t e m ，l e a t h e r s h a p e d e t e c ts y s t e m ，l e a t h e r s p r a y i n gs y s t e m ， d r y i n gs y s t e m ，a n dc o o l i n gb yw i n da n dr e m o v ew e ts y s t e m ，e t c a m o n gt h e m ，l e a t h e rs h a p e d e t e c t i n gi s t h ek e yp a r to fc o n t r o ls y s t e m i nt h i s t h e s i s ，u s i n gi n d u s t r yv i d e oc m e r at o c a p t u r et h ev i d e oo ft h el e a t h e rs h a p e ，a n dt r a n s f o r mt h ev i d e ob u f f e rt od a t ap i c t u r ea n dt o d e t e c tt h es i g n a lo fl e a t h e rs h a p e ，t h e nr e a l i z et h ea i mt oh a n d l et h ee j e c t i o ng u nt o s p r a yt h e l e a t h e r i nt h i sw a y , t h e p r e c i s i o no f l e a t h e rs h a p e d e t e c t i n gr a i s e dg r e a t l y , a n dn o t a b l e t yr a i s e d t h ec o n t r o la c c u r a c yo f s p r a y i n g ，t h u sr e d u c e t h eu s eo f s p r a y i n gl i q u i da n dm a k e st h ec o s to f p r o d u c t i o n r e d u c t i o ng r e a t l y t h i st h e s i si n v 0 1 v e dm a i n l y i n c l u d e ：v i d e o c a p t u r ep r o g r a m m i n g ，b i n a r y i m a g i n e a r i t 1 1 i l e t i cd e a l i n gw i t h ，p c b a s e da u t o m a t i o nt e c h n o l o g y , p l c ，o p c c u s t o m e ri n t e r f a c e p r o g r a m m i n g ，c + + b u i l d e r6p r o g r a m m i n g a n dt h em a n m a c h i n e i n t e r f a c eo fa u t o m a t i c c o n t r o ls y s t e mo ft h en e wt y p el e a t h e rs h a p e b a s e ds p r a y i n gm a c h i n ei sp r o g r a m m e da n d a c c o m p l i s h e db y c + + b u i l d e r6 k e yw o r d s ：l e a t h e rs p r a y i n gm a c h i n e ，a u t o m a t i cc o n t r o l ，p c - b a s e da u t o m a t i o n ， p l c ，b i n a r yi m a g e ，v i d e oc a p t u r e 1 课题提出的背景 前言 在制革过程中，尤其在整理过程中，需要在革的表面喷射或涂刷上一层薄薄的色浆、 修饰剂、光亮剂、油脂等，以改善革的外观和物理性能。能完成上述操作任务的一类机械 设备，通常被称为喷涂机械设备。旖涂的方式有很多，常用的有喷涂法、辊涂法、揩涂法、 帘幕淋浆法、网印法、移膜法、固体涂饰法等。其中以喷涂法最为常用。喷涂法，根据喷 涂时涂饰荆雾化方式的不同，可分为以下三种形式。 口压缩空气喷涂法 将涂饰剂混合液与压缩空气在喷枪中混合，借助压缩空气从喷枪喷出时所产生的气流 扩散力，将涂饰剂混合液雾化，雾化后的小液珠被喷在皮革表面上。当涂饰剂小液珠在皮 革表面上均匀分布且密度较大时，小液珠会合并形成一层均匀的液膜，然后经过干燥，即 在皮革表面上形成一层薄膜。喷涂时根据所采用压力和喷枪的不同，可分为常规高压喷涂 和低压大气量喷涂。常规高压喷涂所用压缩空气压力高、气量低，喷向皮革表面的喷射力 大，反弹力也大，因此涂饰剂因反弹飘散损失较大，损失率高达4 0 6 0 。相反，低压大 气量喷涂所用压缩空气压力低、气量大，涂饰剂因反弹飘散损失较小，损失率只有2 5 左 右。 采用压缩空气喷涂法，皮革表面施涂均匀，涂饰剂的施涂量变化范围宽，容易通过调 整喷涂角度和喷涂方式产生各种涂饰效应。但涂饰剂的损失较大，所产生的飞雾对周围空 气有污染，涂层与皮革及涂层间的粘着力不如揩涂、辊涂等的强，能量消耗大。 口高压无气喷涂法 利用压缩空气驱动高压泵使涂饰浆液受压，一般为1 0 2 0 m p a ，然后从喷枪的喷枪喷 出，使涂饰剂在常压下突然膨化，形成细小的液珠喷射到皮革表面上。由于无空气，涂饰 剂在皮革表面上的反弹飘散损失小，能量消耗也小，还可进行泡沫涂层的涂饰。该方法喷 涂快，喷涂量大，但喷出的液珠不如压缩空气喷涂法的细，只适用于中等偏厚涂层的涂饰， 涂饰质量不如压缩空气喷涂法的好。 口静电喷涂法 将涂饰剂在高压电场中雾化成细小的液珠，皮革置于电场两极之间的传送带上通过电 场，雾化而带电的小液珠就会向与带相反电荷的皮革表面射去，在皮革表面形成一层均匀 的液膜，经过干燥后形成一层薄膜。该方法涂饰剂损失小，不产生飘散飞雾，对环境污染 小，但能量消耗较大。 近年来，出现了一种新型的涂饰方法固体涂饰法。英国皮革技术中心( b l c ) 的研究 1 人员最近对固体涂饰法进行了研究。该方法是采用普通的静电喷枪进行涂饰也可不用静电 喷枪，但涂膜的均匀性会受到一定影响。涂饰前铬鞣坯革的粒面用自来水润湿，喷枪的电 压为7 0 k v ，气流速度为2 m 3 h 。也可将一种水乳型软性丙烯酸树脂r v 9 6 1 1 ：水= 1 ：1 的混 合液喷于革的粒面上，使其发粘( 可以粘住固体涂料) ，然后将革粒面朝下，平铺于固体 涂料上，使皮革表面均匀地粘上一层固体涂料，再提起坯革，轻轻抖动坯革以将多余的固 体涂料抖掉。还可直接用水润湿皮革后，再采用上述方法，使皮革表面均匀地粘上一层固 体涂料，多余的涂料的去除方法同上。 涂饰后的皮革在1 6 0 条件下烘l o 分钟，以使涂膜固化。固体涂料的组分为：成膜剂、 着色剂、交联剂。固体涂饰的一大优点是可以实现无挥发性溶剂排放。这种方法可以用于 各类皮革品种的涂饰。固化后皮革面积不会发生收缩，尤其是用静电喷枪涂饰的涂膜与常 规方法相比，表面均匀度没有差别，且具有优异的耐干、湿擦性能。但采用固体涂饰方法 的涂膜，其耐折裂强度和弹性不如普通涂饰方法的涂膜。这可能是由于在较高温度条件下 固化导致皮革的形状发生变化而引起的。因此，今后的研究应该着眼于寻找能在较低温度 条件下进行固化的固体涂料。i l j 喷浆机械的种类很多，按控制喷射( 或淋洒) 的方式可分为：帘布涂饰( 淋浆) 机、 机械式空气开关控制喷浆机、光电控制喷浆机、射流控制喷浆机、静电喷浆机、超声波喷 浆机等。 国内外在皮革喷涂工艺过程使用的喷涂机中，最典型的是超声波喷浆机和辊涂机。前 者采用喷涂的方法，使革涂层薄而均匀，但是机器成本和故障率高，维修困难，耗浆量大， 涂饰成本高，环境污染仍很严重。辊涂机虽然能减轻浆料对机器及环境的污染。但是革料 涂层不如喷涂机薄和均匀，只适用于涂层较厚的修饰面革的涂饰，难以满足轻涂饰和薄型 等高档革的涂饰要求。目前，国内仅有两家皮革机械厂能生产上述两种涂饰机，且国内外 至今尚未见到有关皮革仿形喷浆机的研制报道。 2 课题的提出与目的 本文是陕西省教委皮革仿形喷浆机器人的研制项目( 编号0 0 j k l 8 3 ) 中的一个子 项目。 涂饰是皮革加工的重要工序，它赋予皮革不同的风格和使用性能。以目前我国如此大 的皮革年加工生产量计算，涂饰剂的消耗量是一个不小的数字。但国内的涂饰剂无论在质 量上，还是在产品的系列化、配套性方面，与国外同类产品相比还有定差距。因此，国 内制革厂在加工生产中、高档皮革产品时，多采用国外涂饰剂。目前国内大、中型制革厂 的涂饰车间通常都装配有全封闭的涂饰、干燥生产流水线。其中皮革喷浆机是一个重要设 备。因此，开发- - ；f 0 0 新型的皮革仿形( 根据皮革形状) 喷浆机，显得尤其重要。 2 本文是针对皮革仿形喷浆机的设计与开发而提出的。该皮革仿形喷浆机实现的功能是 根据生产线上皮革的形状自动实施喷浆。包括：皮革形状的自动检测、喷头的自动开启和 关闭、喷枪运行速度和涂料喷涂速度的调整，从而实现涂层均匀、浆料利用高效、除尘高 效的目标。同时，从根本上减轻雾化浆料对机器设备及环境的污染，提高劳动生产率，减 轻工人的劳动强度。 自动控制系统是该皮革仿形喷浆机的重要组成部分，它的功能类似于人脑。皮革仿形 喷浆机要与外围设备协调动作，共同完成作业任务，就必须具备一个功能完善、灵敏可靠 的控制系统。 本文的目的是，研究与开发出一个基于皮革仿形喷浆机，功能完善、操作方便、价格 低廉的控制系统，从而实现喷浆机均匀喷涂、节省浆料的目的。节省昂贵的进i ：q 浆料( 涂 饰剂) ，节约生产成本是本文的主要目的。 3 课题研究的主要内容 本文的主要内容包括： 口现代皮革喷浆机的简要介绍 口皮革仿形喷浆机的简要介绍 口喷浆机仿形喷浆的控制方案研究 口控制方案采用的原理及算法描述 口自动化控制系统的设计与实现 本文的重点是皮革形状的检测，实现皮革仿形喷浆，开发出一套以微机为主控器的系 统。利用工业摄像头作为皮革形状的检测工具，由计算机进行数字图像处理，生成控制喷 浆机喷头喷枪的控制信号，达到依据皮革形状实时喷浆，从而达到节省浆料的目的。 3 1 喷浆机构的种类 二现代皮革喷浆机介绍 喷浆机喷涂在皮革的后期整饰中占有很大比例，喷浆方式的不同直接影响到喷浆效 果。目前根据喷浆机构的运动形式，喷浆设备主要可分为往复式和旋转式两种形式。 目前国内主要皮革厂的喷浆机大多为进口设备，意大利生产的为多，喷浆机的种类大 多为旋转式喷浆方式。 1 1 往复式喷浆机构 机械往复式喷浆机构运动形式包括：单喷头做往复圆弧运动、单喷头做圆周运动、往 复直线运动等形式。按驱动喷枪运动的方式，可将机械往复式喷浆机区分为立摆、平摆、 往复直线运动和圆周旋转等四类。前两类较多，均系利用曲柄摇杆机构驱动喷枪做往复圆 弧运动。平摆机械往复式喷浆机的喷枪与传送带的距离始终不变，立摆式机械往复式喷浆 机的喷枪与传送带的距离成周期性变化( 一般在传送带宽度中心最小，两端最大) 而两 者的喷枪运动速度都成周期变化，其数值是在传送带宽度中心时最大，而在两端为零。上 述四类喷浆机喷浆到革表面的上浆量都不均匀，靠重复上浆多次达到涂层均匀，也就是说， 要提高喷浆机的涂饰均匀性，必须增加喷涂覆盖次数。 下面( 图2 - 1 ) 是一种立摆式机械往复式喷浆机的喷枪驱动机构简图。 哕 ? f ， j i f j_ ，。 喷枪 。 1 _ ，_ _ _ _ u _ - l 、一f _ _ _ _ _ _ _ _ j 一 、_ 、曲柄轮 金属丝网传送带 一一= | 一 图2 - 1立摆式喷枪驱动机构简图 f i g u r e2 - 1 t h em e c h a n i s mo f v e r t i c a ls w i m m i n g e j e c t i o ng u n 立摆式机械往复式喷浆机的喷枪，在曲柄摇杆机构驱动下，做往复圆弧运动，曲柄轮 旋转一圆周，喷枪往复运动一次，即可来回各喷射浆液一次。在喷枪来回往复运动的同时， 4 二 被喷涂的坯革是不断由传送带托着往前运动的。喷浆时，既要使革面上各处都喷到，又要 不在某一部位重复喷射太多，而且尽可能使革面上浆均匀。因此传送带运动速度和喷枪运 动速度为喷浆机的主要技术参数。经过实际试喷，合理确定传送带速度和喷枪运动速度， 可达到满意的喷涂效果。 1 2 旋转式喷浆机构 目前国内主要皮革厂的喷浆机大多为进口设备，意大利生产的为多，喷浆机的种类大 多为旋转式喷浆方式。以旋转喷头数目为4 个的喷浆机为例介绍其结构及工作原理。其机 械结构示意图如下图( 图2 2 ) 所示。 传感器 电动机 喷枪一 压缩空气入口 图2 2旋转式喷浆机结构示意图 f i g u r e2 - 2 t h em e c h a n i s mo f r o t a r yt y p e t h r o w i n gj e tf o rl e a t h e r 其主要由两部分组成，水平传动部分和旋转运动部分。水平传动部分由水平传动电机、 减速器、几十条细钢缆平行拼成的水平传送带组成。旋转运动部分由旋转电机、减速器和 旋转臂等组成。旋转运动部分是该喷浆机的核心部分，它主要实现三个功能： ( 1 ) 旋转电机通过减速器带着4 个( 或若干个) 旋转臂匀速转动，同时带着装在臂一卜 的电磁阀和喷枪转动。 ( 2 ) 通过旋转机构中心柱体内的管路和电器控制线路，把压缩空气、喷涂浆料、电器 控制信号，分别送给喷枪和电磁阀。 ( 3 ) 旋转臂正上方有圆形钢板圆盘。在圆盘上装有霍尔传感器的永久磁铁的监测装置， 永久磁铁和第1 号喷枪在同一垂线上，用来定位第1 号喷枪的位置。 上述机构中，在旋转部分中心柱上装有5 个导电性能好、互相绝缘的滑环和5 个碳刷， 它们把微机系统部分输出的4 个控制信号和控制电源传送给电磁阀。采用滑环和碳刷方式 保证微机输出的电器控制信号的传送不受旋转机构的影响。同样，压缩空气由旋转机构中 5 心柱体上部的管路进入，浆料由下部管路进入，两者经封闭部分进入电磁阀和喷枪。 喷浆系统由传送带、喷浆室、烘室和喷枪等部分组成，传送带由数十根细钢缆( 或尼 龙绳、同步带) 构成，传送电机带动传送带前进。喷浆时，工人把半成品坯革从物料台放 到传送带上，坯革随传送带前行，进入喷室后，喷枪把浆液喷在坯革上，然后坯革进入烘 室烘干，最后下线。4 个喷枪绕固定轴顺时针转动，浆液以同轴供送方式给每个喷枪，在 一定压力作用下，喷枪把浆液均匀喷洒在坯革上。启动喷枪的压缩空气，也是按同轴供送 方式从固定轴的顶端经过二位三通先导阀传送到每个喷枪。所以控制电磁阀的通断就可控 制喷枪的喷浆。4 个电磁阀安装在转盘转动部分，随转盘旋转。其电源及控制线有固定轴 上的5 个碳刷、5 个铜环通过滑动接触供给。 该皮革喷浆机的控制系统主要要求喷枪在前后弧范围内见坯革开启，不见坯革关闭。 具体实现的功能如下： ( 1 ) 喷浆误差在5 c m 范围之内。这是一个较高的要求，即对一个直径大于5 c m 的孔 或5 c m 宽的豁口来说，喷枪要关闭一下，越过该处。 ( 2 ) 有试枪及洗枪功能。即正式喷浆前要先单独试一试各枪的喷浆情况( 试枪) ，喷 浆结束后要把喷枪内的残留浆液洗净( 洗枪) 。 ( 3 ) 奇偶枪选择功能。可选择只让l 号、3 号或2 号、4 号喷枪工作，这在多喷枪模 式中非常有用。 ( 4 ) 前后弧赜浆选择功能。可让喷枪只在前半弧喷浆或只让喷枪在后半弧喷浆。 ( 5 ) 传送带速度和喷枪旋转速度可调。根据实际喷浆的需要，可对这两个速度进行 适当调整，以保证喷浆质量。 ( 6 ) 具有光电传感器故障检测功能。 2 影响喷浆效果的因素 对于往复式喷浆机，影响喷涂效果的因素主要有：喷枪的往复速度的调整，皮革进给 速度的调整，压缩空气的压力调整，浆液的压力调整等，需要综合调整各项因素经过反复 试验从而达到满意的涂饰效果。 对于旋转式皮革喷浆机，为了保证皮革喷涂质量的稳定与喷涂工艺的规范化，主要需 要注意以下参数的调整：喷枪轨迹的调整、喷枪垂赢度和轨迹的同心度的调整、喷枪出浆 料的均衡调整、喷枪扇面的均衡调整、喷射空气压力调整、压力浆罐的压力调整。 ( 1 ) 喷枪轨迹的调整：一般的皮革喷涂，都要求它均匀一致。怎样才能达到均匀一 致呢? 其中喷枪轨迹的正确与否是保证均匀的主要因素之一。我们知道，旋转喷头的转速 要与传送带的传送速度( 线速) 构成一定的比例，才能实现好的轨迹。具体调整方法是： 6 将喷射空气压力调到0 点使水成柱状喷射，然后启动旋转喷头及传送带，将一张纸放在传 送带上，使它通过旋转喷头观察其轨迹，如果出来的轨迹成处于临界相交状态( 相交区的 最大宽度等于不相交区的最小宽度，从而达到轨迹的均匀分布) ，这是一般需要的理想轨 迹，喷涂效果好。如果出来的轨迹图形间距太密或太疏，喷涂效果不好，出现所谓斑马纹 的轨迹。这时，需适当调接旋转喷头的转动和传送带的线速。在调整过程中本着以下原则 去调整：1 ) 枪与枪的间隔与传送带的线速成正比。也就是说速度越快间隔线大，速度越 低问隔越小。2 ) 枪与枪的间隔与旋转喷头的转速成反比，也就是说转速越高，间隔越小， 转速越低间隔越大。这两个原则是与浆膜厚度有直接关系的因素之一。3 ) 理想的轨迹间 距应等于喷涂面宽度，应在悉心调整传送带及喷头转速后调定或反之调定。 ( 2 ) 喷枪垂直度和轨迹的同心度的调整：在调整喷枪和轨迹时有一个关键问题不能 忽视，这就是喷枪的垂直度和喷枪的运转圆度。所调垂直度是指浆从枪里喷出所形成的线 与运行平面的垂直要求。在此基础上，还要求喷射口与传送带的垂直高度相等。所画轨逊 的圆度是指几次喷枪的运行轨迹重合在同一旋转半径的圆上( 这时传送带是在停止状态 下) 。如果几个喷枪的轨迹不是在同一圆周上，那么传送带运行时，就会造成轨迹不等距， 这时的调整方法是，以其中一个喷枪的圆周轨迹为基准，使其他几个喷枪的运动轨迹都与 这只喷枪的运达轨迹重合。这时还要保持枪的垂直度。只有这个问题解决了，才能调试出 理想的运动轨迹。 ( 3 ) 喷枪出浆量的均衡调整：在解决了轨迹问题后、还要解决出浆量的均衡问题。 一台喷浆机的旋转喷头上是由数只喷枪组成的，在喷涂过程中，每只喷枪的出浆量应当是 一致的。如果不一致会造成喷涂不匀，出现花皮现象，调整方法是：在没有喷射空气的状 态下，旋动调整枪针开度旋钮，使浆柱喷出的直径相同。 ( 4 ) 喷枪扇面的调整：旋转调整扇面大小旋钮，使扇面保持一定宽度。在调整时需 注意的是扇面不要调得过大。如果调得过大就会影响扇面的两个边缘雾化程度。 ( 5 ) 喷射空气压力的调整：喷射空气的压力，在喷涂过程中是一个重要的参数。但 在平时生产过程中常常被人们忽略。在喷涂质地较硬较厚的皮革时，显得要求不很高。但 在喷涂质地较软、较薄的皮革时，就显得十分重要，由于喷射空气气流很强，如果调得压 力过大，就会把较软较薄的皮革吹飞吹皱，影响喷涂质量，在喷涂较硬较厚的皮革时虽然 不会造成上述情况，但由于气流过大，会使雾化了的浆大量浮起，从而降低了浆的利用率， 既浪费料空气，又浪费了浆，还会造成排尘的负担等等。所以，喷射空气压力过大往往不 是好事，是很不经济的。在调试的过程中要本着既让浆充分雾化，又不致使大量的浆雾浮 起的原则去调试。喷射空气的压力与雾化程度之间的关系为：喷射空气的压力与雾化程度 成正比，也就是说喷射压力越高，浆料雾化程度越好，颗粒越小，压力越低颗粒越大。在 生产新潮仿旧服装革( 点状喷涂) 的时候，其中就利用了这一点。 ( 6 ) 压力浆罐压力调整：在喷涂过程中一般认为供浆量的大小是靠调整压力浆罐的 7 压力而实现的。但是它的压力调节范围是有限度的。供浆量在一定范围内，可以通过压力 来调整。但在供浆量过大时，就不能单纯得靠调节压力来实现。因为浆罐的承受压力和管 道系统的承压能力是有限的。当浆压过高时，不利于浆气轴的密封。同时，由于压力过高 会造成浆的流速过大，来不及雾化喷涂于皮革表面造成喷涂极不均匀，这时应加大枪针的 开度。而在供浆量要求很小时，同样不能单纯地靠调节压力来实现。因为，浆在管道系统 中，应保持一定的压力与流速，这样才能保证几个枪供浆量的均衡。如果枪针的开度不变， 单纯地降低罐压力，就会造成供浆量不均，形成有的枪喷，有的枪不喷，这时应适当地缩 小枪针的开度。 2 1 3 目前存在的问题 尽管皮革机械行业在皮革及皮革制品业飞速发展的带动下，在技术、质量、精度稳定 性和可靠性等方面取得了飞速的发展，但由于我国原有的皮革机械制造行业基础薄弱、起 步和发展较晚，同国外先进的皮革机械技术差距仍然很大，这使得国内革厂、鞋厂和皮件 厂等开始花巨资从国外大量采购各种皮革机械设备，甚至连极其简单的设备也得从国外配 套引进，大大制约了我国皮革机械制造业的发展。 皮革喷浆机械是皮革工业中的一种重要设备，目前国内厂家大部分依赖进v i ，因此自 主研制和开发先进的皮革喷浆机显得尤其重要。综合国内和国外的各种喷浆机的使用情 况，目前主要存在以下几方面的问题。 ( 1 ) 喷涂精度不够 虽然喷浆机的种类较多，但是其喷涂原理和方法却是大致相同，基本上都是采用高压 空气流将浆料从喷枪中喷出，以雾状喷撒于皮革表面，由于喷出的雾状颗粒分布不均匀， 中间集中，四周分散，容易产生喷涂不均匀的情况。 ( 2 ) 浆料浪费大 由于皮革的形状很不规则，各种各样的形状都有，有的皮革上面还有不规则的孔洞， 而喷浆机大都采用光电二极管进行皮革形状检测，光电二极管数目不能太多，在实现“有 革即喷，无革不喷”的功能时，由于喷浆机喷射时射流横截面较大，喷涂时的超前或滞后 量相对较大，控制精度不会很高，势必造成浆液的浪费。甚至，一些皮革喷浆机根本就没 有检测装置，不管有坯革没有，只要机器开动起来就连续不断的喷浆，浆液浪费更加严重。 ( 3 ) 环境污染较严重 皮革喷浆机喷射出的雾状颗粒不能完全吸附于皮革表面，一部分反弹飘散于喷涂室 中，会对机器设备和周围环境造成污染，影响机器设备的正常使用寿命。 针对以上皮革喷浆机存在的问题，设计和开发的一种新型皮革仿形喷浆机就显得很重 要。本文涉及的就是关于这种新型皮革仿形喷浆机的控制系统的设计和研究。 8 1 概述 三皮革仿形喷浆机简介 该皮革仿形喷浆机从结构上讲，属于往复式喷浆机构，但不同于以往往复式皮革喷浆 机，其喷头作了很大的改进，借鉴了喷墨打印机原理，采用压电晶体驱动的喷雾方法而实 现皮革喷浆的。 所谓仿形，是指该喷浆机能根据皮革的形状实现智能喷涂，即“有革即喷，无革不喷”， 本文实现的方法是采用工业摄像头进行皮革形状视频捕获，转化为数字图像进行处理。 2 系统组成 主要分为：传送系统、吸尘系统、皮革形状检测系统、喷浆系统、烘干系统、排湿及 风冷、浆料供给系统及控制系统等部分。 该皮革仿形喷浆机系统组成框图如下( 图3 1 ) ： 图3 1皮革仿形喷浆系统组成框图 f i g u r e3 - 1t h ef l o w c h a r to f s h a p e b a s e dl e a t h e rs p r a y i n gm a c h i n e 传送系统由进出料机构、传送带、减速机、托辊等组成，传送带由几十条尼龙绳组成， 在进料处设有传送带张紧装置，传送带速度通过变频器实现无级调速。 吸尘系统由一台轴流风机及相应风道组成。 喷浆系统由喷室机架、喷头小车、喷头、储浆盒、喷头往复轴等组成。喷头的运动由 步进电机驱动。 烘干系统由一台红外线烘干器、散热器、管道及其控制电路组成。 9 排湿及风冷系统由一台冷风电机、风斗、导风板及其控制电路等组成。 浆料供给系统由浆液罐、电磁阀等组成，负责自动给喷头供给浆料，喷头上装有浆料 盒，当浆料用完时，系统自动暂停工作启动浆料自动供给系统，供给完后系统即恢复工作。 控制系统采用基于p c 的自动化技术设计，包括工业p c 、可编程序控制器、变频器、 步进电机等。 3 工作原理 3 1 工作流程 待喷坯革从进料口进入，由十几条尼龙绳组成的水平传送带作连续匀速运动，坯革通 过传送带进入形状检测室，由工业用摄像头拍摄一帧皮革形状的视频数据送计算机进行处 理，稍后坯革进入喷浆室，在工业微机的控制下开始喷浆。这时，喷头作来回往复运动， 喷头的动作是根据检测到的皮革形状数据进行的，即“有革即喷，无革不喷”。喷浆作业 完毕后经过烘干、排湿、冷却后出料。 同时，浆料供给系统自动监测喷头上的储浆盒浆料的使用情况，负责自动给喷头供给 浆料，当浆料用完时，系统自动暂停工作启动浆料自动供给系统，供给完后系统即恢复工 作。 3 2 喷涂轨迹 皮革涂饰的效果主要由喷头喷枪喷涂轨迹确定的。喷涂轨迹由水平传送带的速度和喷 头往复工作速度决定。皮革仿形喷浆机的喷头由并排的8 个微型喷枪( 和水平传送带垂直) 组成。喷头在垂直于水平传送带的方向做往复运动。在喷头作往复运动过程中，8 支喷枪 同时工作，各喷枪的喷涂轨迹有一定的重复( 或覆盖) ，从而实现均匀喷涂，其工作时的 喷涂轨迹如图3 2 所示。 区域喷涂轨迹 图3 2 皮革仿形喷浆机喷涂轨迹示意图 f i g u r e3 - 2 t h et r a c eo f e j e c t i n gg u no f s h a p e - b a s e ds p r a y i n gm a c h i n e 1 0 一 4 技术参数 主要技术参数如下表 ( 1 ) 待喷坯革 展宽 展长 厚度 ( 2 ) 浆料 密度 颜料粒子直径 ( 3 ) 喷涂速度 ( 4 ) 喷涂厚度 ( 5 ) 干燥温度 ( 6 ) 吸尘室 电机功率 ( 7 ) 喷浆室 步进电机静转矩 ( 8 ) 烘干室 红外干燥器功率 ( 9 ) 排湿室 电机功率 ( 1 0 ) 传送机构 异步电机 5 控制系统要求 1 8 0 0 2 0 0 0 6 1 5 0 0 o 8 1 5 5 0 6 0 9 0 i m m m m m k g m “m n l m l n “i r l 5 5k w 2 7 0 4 0 0 k g ，c n l 1 5k w 0 7 5k w 0 7 5k w ( 1 ) 喷浆误差控制在l c m 范围之内。这个要求较高，即对一个直径大于l c m 的孔洞 或i c m 宽的豁口来说，喷枪要关闭下，不能喷浆。 ( 2 ) 自动清洗喷头的功能。喷浆前、喷浆后、喷头堵塞及或涂饰效果不好等情况下， 系统能自动清洗喷头。 ( 3 ) 传送带速度和喷枪速度可调。根据实际喷浆的需要，需要对这两个速度进行适 1 1 当调整，以保证喷浆质量。 ( 4 ) 浆液自动供给功能。当喷头内的浆料用完时，系统应能暂停喷浆、自动供给浆 料。浆料注满后，再恢复喷浆作业。 ( 5 ) 具有故障检测功能。摄像头、光电传感器等出现故障时，系统能自动检测并报 警。 ( 6 ) 系统具有配方功能。即针对不同的皮革的涂饰，可将调整好的传送带速度、喷 头往复运动速度及其它设定参数能保存为配方。在喷涂工艺调整时，不必再重新设定系统 参数，只需调出相应的配方即可实施不同的涂饰工艺作业。 ( 7 ) 控制系统应具有远程控制的能力。即考虑现场的环境，主控微机放在环境较清 洁的地方，远离喷浆机主体设备。 1 2 1 控制对象 四系统控制方案研究 该仿形喷浆机控制系统可分为三大部分：喷浆系统、干燥系统和辅助系统。其中喷浆 系统是关键部分，由以下部分组成：传送部分、吸尘部分、皮革形状检测系统、喷头机构、 喷浆室等组成。 1 1 喷浆系统 ( 1 ) 传送部分 由前后两部分组成，传送带由几十条尼龙绳平行排列组成，驱动部件为一台由变频器 控制的异步电机。将两条传送带隔离是为了保证摄像头工作时的清洁环境，因为在喷浆过 程中，不可避免浆液对传送带的污染，这样隔离后，浆液不会对前半部分的传送带造成污 染。传动机构简图如下( 图4 1 ) ： 吸尘室，摄像头喷浆室烘干室风冷及排湿室 i | 。l ， 。 ， i li i = 蔼可_ ：_ _ i 一 、 一7 l ，。 、 。1 、 ，7 、n1 ，一7，r i i 、， “n-j ，“、j 乞 减速机 尼龙绳传送带 图4 - 1 皮革仿形喷浆机传动系统简图 f i g u r e4 - 1t h ek i n e m a t i cs c h e m eo f s h a p e - b a s e dl e a t h e rt h o w i n g j e t 其工作流程为：待喷浆的坯革由喷浆机进料口匀速进入吸尘室后，开启吸尘风机进行 除尘，接着进入摄像室，摄像头开始记录坯革形状数据并传送到微机控制中心进行处理， 如此同时待喷浆的坯革进入喷浆室后，到达预定位置，喷头开始根据微机下达的指令作往 复运动开始喷浆动作。喷涂完后，进入烘干室和风冷及排湿室进行烘干和冷却排湿，最后 由出料1 1 出料。 控制要求为：当待喷浆的坯革由喷浆机进料口匀速进入喷浆室后，配合喷头的往复运 动实现喷浆作业。 控制方式为：水平传送运动由变频器驱动异步电机实现无级调速，往复运动驱动步进 1 3 电机由可编程控制器控制步进电机驱动器来控制，其控制指令由上位机来下达。 步进电机控制系统框图如下( 图4 2 ) ： 上位机指令 匡庠 图4 - 2步进电机驱动控制简图 f i g u r e4 - 2 t h ec h a r tf o rt h ed r i v e ro f s t e p p e rm o t o r ( 2 ) 吸尘部分 由一台轴流风机及相应风道组成，电机功率为5 5 k w ，控制要求为：喷浆作业开始时 就启动运行。 ( 3 ) 喷头机构 该部分是皮革仿形喷浆机的主要部分，由导轨、喷头滑块机构、步进电机及光电检测 丌关等组成。其机构简图如下( 图4 3 ) ： 导轨 图4 - 3 皮革仿形喷浆机喷头机构简图 f i g u r e4 - 3 t h em e c h a n i s mo f t h e j e th e a d e ro f l e a t h e rs p r a y i n gm a c h i n e 控制要求为：喷头在导轨上作往复运动，往复速度可调，根据主控器的步进控制信号、 配合传送带的水平匀速运动，同时根据检测到的皮革形状数据，喷头作往复运动，喷头上 的8 支微型喷枪实时开启和关闭，实现喷浆动作。 1 2 干燥系统 ( 1 ) 烘干室 出一台红外线烘干器组成，其控制要求为：检测到坯革时就启动运行，没有坯革时 就停止运行。 1 4 ( 2 ) 风冷及排湿 由一台冷风电机和一个风斗组成，其控制要求为：喷浆作业开始后即启动运行，直到 所有作业完成时停止运行。 1 3 辅助系统 其它控制部分包括：浆料供给控制、系统故障检测系统、皮革面积测量等。 浆料供给系统由浆液罐、电磁阀等组成，负责自动给喷头供给浆料，喷头上装有储浆 盒，当浆料用完时，系统自动暂停工作启动浆料自动供给系统，供给完后系统即恢复工作。 系统故障监测系统主要负责系统各设备的故障检测，当检测到有设备故障时能实现报 警、停机等动作。 皮革面积测量是系统的辅助功能，为企业提供实时生产数据，主要通过处理数字图像 而获得。 2 控制方案研究 该控制系统的关键部分是皮革的形状检测和喷头喷枪的控制。现有的皮革喷浆机大都 采用在皮革行进方向设置一排光电二极管来进行皮革形状的检测和判别，然后送入微机处 理系统进行处理达到控制的目的。 ( 1 ) 基于单片机的控制方案 单片机因其体积小、功耗低、功能强、价格便宜等优点，在工业控制领域占有一席之 地，获得越来越广泛的应用。 目前一些皮革喷浆机仍采用单片机作为主控器，来实现自动化控制目的。其基本原理 是：通过光电二极管采集皮革形状数据，通过整形、滤波和光电隔离后输入单片机进行数 据处理，同时有关速度的检测信号( 一般采用接近感应器) 也被送到单片机，单片机经过 一定的数据处理后，输出控制指令，通过功放电路驱动喷枪的电磁阀实施喷浆操作。喷浆 的控制精度主要依赖于检测皮革形状的光电二极管的稠密程度来保证，由于光电二极管数 目不能太多，控制精度往往较差。 图4 - 4 为一种旋转式四喷头皮革喷浆机的控制系统框图。该硬件系统中，其控制核心 为一片8 0 3 lc p u 。输入量由多路光电管状态信号、带速接近开关的带速脉冲信号、转速接 近开关的转速脉冲信号以及受控电磁阀的状态信号等组成。光电管的状态信号经过阻容耦 合去噪电路后送至多路开关，在主控单片机的控制下，通过片选电路和地址译码器的作用， 将多路光电状态信号串行送入主控机内。与此同时，由接近开关测量到的传送带速度参量 和喷枪转速参量也送入主控机内。在受控电磁阀状态正常时，经主控机的计算与定时，将 输出信号通过功放电路加在受控电磁阀上，分别控制四支旋转的喷枪按要求分批分时开启 】5 或关闭，实现喷浆的动作。 需要说明的是输入、输出指令的执行有一定的时间间隔，因为这期间执行了其他一些 指令。因此，必须调整定时器的定时间隔，使得输出符合控制的要求。 刊 ：一 8 0 3 l岳斟 7 11 1 1 竺苎l - r 硅嗣 - 图4 - 4旋转式皮革喷浆机单片机控制系统框图 f i g u r e4 - 4 t h ec o n t r o ls y s t e mo f m i c r o c o m p u t e r - b a s e d r o a t a r yt y p e