基于PLC控制與伺服驅(qū)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)涂布機(jī)的研制

王蘭軍，孫家新

（山東勞動(dòng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣自動(dòng)化系，山東 濟(jì)南 250022）

1 引言

涂布技術(shù)是感光膠片生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)，所謂涂布,是將感光乳劑以一定的厚度連續(xù)涂抹分布在運(yùn)轉(zhuǎn)的支持體(片基或紙基)上的一種工藝過程。感光材料涂層結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，有的彩色膠片的涂層數(shù)多達(dá)十幾層，而總厚度僅20μm左右。因此，在照相感光材料生產(chǎn)過程中,對(duì)感光乳劑涂布和干燥的要求十分嚴(yán)格，諸如涂層薄而均勻，性能一致而穩(wěn)定，表面潔凈而平整，不能有各種劃傷、條道、疵點(diǎn)等弊病。為此，必須采用特別精密的涂布方法和裝置。天津天感數(shù)碼影像產(chǎn)業(yè)孵化器有限公司與山東勞動(dòng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院合作研制了這款SYTB150B實(shí)驗(yàn)涂布機(jī)，該設(shè)備采用坡流擠壓涂布，設(shè)計(jì)合理，自動(dòng)化程度高，與同類產(chǎn)品相比較在多方面實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)新。

2 SYTB150B實(shí)驗(yàn)涂布機(jī)的工藝要求和技術(shù)參數(shù)

2.1 涂布基材

材料：BOPET（滌綸片基）；片環(huán)長(zhǎng)度：最大2500mm；片基寬度：最大180mm；片基厚度：100－175um 。

2.2 技術(shù)參數(shù)

生產(chǎn)車速：15－30m/min；涂布寬度：150mm；涂布輥直徑：128mm；工作臺(tái)移動(dòng)距離：70mm；控制方式：PLC；重復(fù)定位精度：0.01mm；涂布輥驅(qū)動(dòng)：進(jìn)口交流伺服電機(jī)。

2.3 涂布工藝

（1）涂布液、水溶性或溶劑性樹脂類涂料：溶劑的主要成分為醇類、酯類以及丁酮、甲苯等，水溶性涂料的稀釋劑主要為水、醇類溶劑等；

（2）涂布方法：坡流擠壓式涂布（三層）；

（3）涂布量：乳劑層為110ml/m2，護(hù)膜層1為47m l/m2，護(hù)膜層2為24ml/m2；

（4）冷凝箱溫度：根據(jù)工藝條件確定。

2.4 公用工程條件

（1）用電為三相380V±10%、50Hz±2%，單相220V±10%、50Hz±2%；

（2）壓縮空氣的壓力為0.6MPa，露點(diǎn)溫度為-20℃，無水、無塵、無油；

（3）恒溫水，溫度根據(jù)工藝條件確定，經(jīng)過過濾，除去藻類和粒徑大于100μm的固體顆粒物，壓力為0.1MPa。

3 系統(tǒng)組成與原理簡(jiǎn)介

本實(shí)驗(yàn)涂布機(jī)主要由乳液供應(yīng)、涂布操作臺(tái)、冷凝箱、涂布背輥傳動(dòng)、臥柱、氣動(dòng)系統(tǒng)、調(diào)偏張緊裝置、底座等部分組成。

3.1 乳液供應(yīng)

乳液供應(yīng)部分主要由超聲波消泡器、計(jì)量泵、管道、閥門等組成。每套配備3個(gè)料罐，可處理3種不同的乳液。計(jì)量泵配3臺(tái)，可調(diào)速。所有與介質(zhì)接觸的部位均采用耐腐蝕的優(yōu)質(zhì)不銹鋼材料和其他材料。

3.2 涂布操作臺(tái)

涂布操作臺(tái)示意圖如圖1所示。主要由擠壓嘴、擠壓嘴固定架、負(fù)壓箱、接水盤、涂布位置微調(diào)機(jī)構(gòu)、氣缸、行程開關(guān)、直線導(dǎo)軌等組成。

圖1 涂布操作臺(tái)示意圖

擠壓嘴由4片經(jīng)精細(xì)加工的特殊不銹鋼組成，完成3層涂布的需要。內(nèi)含恒溫水套，具有穩(wěn)定不變形的特點(diǎn)，以滿足涂層均勻的需求。擠壓嘴與水平面的角度由工藝定，現(xiàn)暫定為23°，與背輥中心的垂直距離為25mm。

負(fù)壓箱整體由316L不銹鋼焊接拼裝而成，由聚氟乙烯材料密封。由3G真空泵提供負(fù)壓動(dòng)力。

為提高涂布的精度和穩(wěn)定性，氣缸、行程開關(guān)、氣動(dòng)元件均采用進(jìn)口名牌元件。為便于清潔，接水盤采用不銹鋼材料制成，并設(shè)有排污口。

涂布操作臺(tái)的工作原理：在接到片環(huán)接頭信號(hào)后，氣缸動(dòng)作，在程序控制下，完成快進(jìn)、工進(jìn)、涂布、快退的功能。

涂布位置微調(diào)機(jī)構(gòu)與擠壓嘴固定架上的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)用于調(diào)節(jié)擠壓嘴與涂布背輥間的最佳位置。

3.3 涂布背輥傳動(dòng)

涂布背輥傳動(dòng)部分是涂布機(jī)的關(guān)鍵部件。主要由背輥、伺服電機(jī)、彈性聯(lián)軸器等組成。伺服電機(jī)為無級(jí)調(diào)速，功率為0.85k W，扭矩為24.4NM，背輥徑向跳動(dòng)精度為0.005mm，優(yōu)質(zhì)碳素鋼表面鍍鉻磨光，背輥直徑為128mm。

3.4 冷凝箱

冷凝箱主要由箱體、開合氣缸、行程開關(guān)、活動(dòng)風(fēng)盒、密封門、測(cè)溫/測(cè)濕傳感器等組成。冷凝箱體內(nèi)部材料為不銹鋼，風(fēng)嘴為條形風(fēng)嘴；冷凝風(fēng)由室內(nèi)空調(diào)通過風(fēng)道提供。行程開關(guān)為保險(xiǎn)裝置，只有當(dāng)密封門閉合，行程開關(guān)動(dòng)作，涂布機(jī)才能正常工作。活動(dòng)風(fēng)盒由同步開合氣缸控制，涂布時(shí)打開，冷凝時(shí)閉合，由程序控制。氣缸帶有磁性檢測(cè)開關(guān)，以確保動(dòng)作準(zhǔn)確到位。

冷凝箱外觀經(jīng)噴塑處理，主體顏色為計(jì)算機(jī)灰（也可由用戶自定）。密封門采用不銹鋼材料，外觀經(jīng)研花處理。活動(dòng)風(fēng)盒采用不銹鋼材料，外觀經(jīng)拋光處理。整體效果美觀、整潔、大方。測(cè)溫傳感器（表）安裝于箱體上，探頭位于箱體內(nèi)，主要用于觀察檢測(cè)箱體內(nèi)風(fēng)的溫度。測(cè)濕傳感器（表）安裝于箱體上，探頭位于箱體內(nèi)，主要用于觀察檢測(cè)箱體內(nèi)風(fēng)的濕度。

3.5 調(diào)偏張緊裝置

調(diào)偏張緊裝置主要由主軸、被動(dòng)輥、手動(dòng)調(diào)偏機(jī)構(gòu)、張緊機(jī)構(gòu)等組成。

被動(dòng)輥為優(yōu)質(zhì)碳素鋼表面鍍鉻磨光，端部裝有圓弧形紅色警示蓋，與被動(dòng)輥圓滑過渡，便于穿片。被動(dòng)輥本體徑向跳動(dòng)精度為0.005mm，直徑為228mm。手動(dòng)調(diào)偏機(jī)構(gòu)主要用于片環(huán)運(yùn)行過程中的跑偏，需在每次涂布前調(diào)整一次，以糾正片環(huán)制作過程中的不足。主要由手輪、刻度盤、連桿、齒輪箱等組成。

張緊機(jī)構(gòu)主要用于片環(huán)運(yùn)行過程中的漲緊和片環(huán)的裝卸。主要由帶磁性開關(guān)的單作用氣缸、直線導(dǎo)軌副（4套）、彈簧座、限位裝置等組成。

3.6 底座、臥柱

底座、臥柱均采用碳鋼組焊件，經(jīng)時(shí)效處理消除內(nèi)應(yīng)力，然后經(jīng)機(jī)械加工。底座底部配有7個(gè)減震墊，同時(shí)可調(diào)整機(jī)水平。臥柱上裝有冷凝箱、涂布背輥、調(diào)偏張緊裝置，同時(shí)裝有片環(huán)接頭檢測(cè)紅外光電開關(guān)，用于PLC信號(hào)采集；紅外光電開關(guān)的波長(zhǎng)在膠片感光波長(zhǎng)范圍之外（用戶提供遠(yuǎn)紅外光感光波長(zhǎng)范圍）。

4 電氣系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

4.1 電氣部分的硬件設(shè)計(jì)

4.1.1 硬件組成

電氣部分基本采用進(jìn)口器件。

（1）電氣控制部分主要由PLC可編程序控制器、MR-J2S伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器、FV0變頻控制器、磁性開關(guān)、接近開關(guān)、紅外開關(guān)元件等組成；

圖2 涂布機(jī)的電氣控制系統(tǒng)框圖

（2）氣動(dòng)系統(tǒng)：壓縮機(jī)、電磁閥；

（3）負(fù)壓系統(tǒng)：真空泵；

（4）超聲波消泡：采用超聲波發(fā)射儀1臺(tái)；

（5）計(jì)量泵3臺(tái)：0.4k W,FV0變頻器3臺(tái)；

圖3 涂布機(jī)主電路原理圖

（6）主軸電機(jī)：采用HC-SFS81（B）交流伺服電機(jī)（MR-J2S100B伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器）。

4.1.2 電氣控制線路設(shè)計(jì)

（1）主電路設(shè)計(jì)

該實(shí)驗(yàn)涂布機(jī)的電氣控制系統(tǒng)框圖如圖2所示，主電路如圖3所示。料泵電機(jī)采用FV0變頻控制器進(jìn)行變頻調(diào)速，變頻器的輸入信號(hào)由PLC的輸出端提供。涂布輥是該設(shè)備的關(guān)鍵部件，直接關(guān)系到涂布的精度和穩(wěn)定性，涂布輥采用HC-SFS81（B）交流伺服電機(jī)（MR-J2S100B伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器）進(jìn)行伺服驅(qū)動(dòng)。伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器的輸入信號(hào)由PLC的相應(yīng)的輸出端子提供。此外，該涂布機(jī)的漲緊閥、工進(jìn)閥、快進(jìn)閥、快退閥以及消泡真空泵均由PLC直接控制。

圖4 伺服驅(qū)動(dòng)器的接線圖

（2）涂布輥的伺服驅(qū)動(dòng)

涂布輥伺服電機(jī)與伺服驅(qū)動(dòng)器的連接示意圖如圖4所示，伺服驅(qū)動(dòng)器的CN1B伺服端子與PLC的輸出端子之間的連接如圖5所示，伺服電機(jī)的伺服開啟、急停、正傳啟動(dòng)、終端行程控制以及模擬量的速度設(shè)置均由PLC輸出端子提供信號(hào)給伺服驅(qū)動(dòng)端子（CN1B）來實(shí)現(xiàn)。MR-J2S100B伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器具有位置控制、速度控制和轉(zhuǎn)矩控制等控制模式，該涂布機(jī)的伺服驅(qū)動(dòng)采用速度控制模式，其基本參數(shù)設(shè)置如下。

NO.0=0002，控制模式為速度控制模式。

NO.1=0012，輸入濾波3555ms,使用電磁制動(dòng)器互鎖信號(hào)。

NO.2=0105：自動(dòng)調(diào)整模式中響應(yīng)速度。

NO.8=1000：內(nèi)部速度指令1設(shè)為1000r/min。（參考值，根據(jù)不同的工藝要求可以設(shè)置不同的值）

NO.11=3000：加速度時(shí)間常數(shù)3000ms。

NO.12=5000：減速度時(shí)間常數(shù)5000ms。

NO.13=0：S字加減速時(shí)間，不使用。

圖5 伺服端子與PLC的接線圖

4.2 電氣部分軟件設(shè)計(jì)

電氣控制系統(tǒng)采用PLC可編程序控制器。控制可靠穩(wěn)定，調(diào)試簡(jiǎn)潔、靈活?？梢酝瑫r(shí)實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制和自動(dòng)控制。

（1）手動(dòng)控制

真空泵，超聲波消泡機(jī)，漲緊輥，工作臺(tái)，各供料泵，涂布輥都能實(shí)現(xiàn)手動(dòng)啟/?？刂啤?/p>

（2）自動(dòng)循環(huán)過程

涂布嘴系統(tǒng)安裝于工作臺(tái)之上，通電后，放片，人工糾偏，觸摸啟動(dòng)鍵進(jìn)入循環(huán)，循環(huán)的起始條件是片環(huán)門封閉，風(fēng)盒門打開，工作臺(tái)位置原位，主軸電機(jī)、真空泵、3臺(tái)計(jì)量泵、消泡皆在工作狀態(tài)。循環(huán)的過程如圖6所示。按啟動(dòng)，工作臺(tái)從原位進(jìn)至工進(jìn)起始位，讀片頭信號(hào)延時(shí)后轉(zhuǎn)為慢速工進(jìn)，至工進(jìn)到底時(shí)，開始涂布，再次讀出片頭信號(hào)時(shí)，延時(shí)工作臺(tái)快退回原位。伺服電機(jī)帶動(dòng)片環(huán)按設(shè)定時(shí)間繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，冷凝后停機(jī)。中間循環(huán)過程中，出現(xiàn)緊急情況時(shí)，可拍動(dòng)急停按鈕終止循環(huán)，工作臺(tái)退回原位，所有電機(jī)停機(jī)。

圖6 自動(dòng)循環(huán)過程控制流程圖

5 調(diào)試

調(diào)試前需確認(rèn)伺服驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)插頭的連接，相序是否正確；伺服驅(qū)動(dòng)器CN2和伺服電機(jī)編碼器聯(lián)接正確，確認(rèn)伺服驅(qū)動(dòng)器CN1B接插件螺絲擰緊，和外部控制連接正確，接插件螺絲擰緊。該型涂布機(jī)的調(diào)試步驟如下。

（1）檢測(cè)封門位置，按SB5片環(huán)漲緊，按SB16循環(huán)啟動(dòng)。

（2）涂布輥工作，工作臺(tái)快進(jìn)。

（3）SQ4（工進(jìn)信號(hào)）發(fā)信后快進(jìn)結(jié)束，工作臺(tái)開始待位。

（4）SQ3（接頭信號(hào)）發(fā)信后渦旋風(fēng)泵供料泵開始工作。

（5）當(dāng)膠片接頭繞過涂布嘴后，待位結(jié)束，工作臺(tái)工進(jìn)到涂布位置開始涂布（接頭不涂）。

（6）當(dāng)涂布至膠片接頭前（接頭不涂），涂布結(jié)束工作臺(tái)快退至原位，同時(shí)渦旋風(fēng)泵、供料泵停止工作，報(bào)警提示。

（7）膠片烘干后，涂布輥停止工作。

（8）出現(xiàn)緊急情況時(shí)，可拍動(dòng)急停按鈕終止循環(huán)。

6 結(jié)論

該涂布機(jī)在工廠進(jìn)行了單體試車,機(jī)械聯(lián)動(dòng)試車及投料試車，各傳動(dòng)部件要求調(diào)速范圍均正常,運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn),無不正常的噪音和發(fā)熱現(xiàn)象。該設(shè)備在實(shí)際投入運(yùn)行中，各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到技術(shù)要求，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定、可靠。

［1］三菱公司.MR－J2S伺服驅(qū)動(dòng)器使用說明書.

［2］史文浩，馮清化.基于VXD的交流伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制器的研究［J］.電氣傳動(dòng)，2008，38（10）：62－64.

［3］陳立定，吳玉香.電氣控制與可編程控制器［M］.廣州：華南理工大學(xué)出版社，2000.

［4］王炳實(shí)，王蘭軍.機(jī)床電氣控制［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.