汽車輪轂自動噴涂系統(tǒng)的設計

吳月琴，汪惠芬

(南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京 210094)

汽車輪轂自動噴涂系統(tǒng)的設計

吳月琴，汪惠芬

(南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京 210094)

許多國內中小企業(yè)對于汽車輪轂的噴涂都采用手工噴涂，這極大影響工人的身體健康，且自動化程度較低。設計了一種可對輪轂進行連續(xù)自動噴涂的簡單噴涂系統(tǒng)。采用了鏈傳動、滾輪滑軌等機械結構，使用3把噴槍對輪轂上表面及側面分別同時進行噴涂；以PLC為控制核心，采用編碼器及光幕傳感器對輪轂運輸線速度及輪轂情況進行智能檢測，實現對噴槍噴涂動作自動控制。系統(tǒng)可對不同尺寸的輪轂進行連續(xù)自動的噴涂。

輪轂噴涂；鏈輪鏈條；滾輪滑軌；可編程控制器；智能檢測

0 引言

噴涂是指將顏料或者涂料作用于工件表面的過程，直接影響產品的外觀、防腐、防銹等性能，在許多領域都廣泛應用。靜電噴涂將工件和噴槍分別作為陽極和陰極，陽極接地，噴槍上加負電壓后，涂料粉末會在噴槍和工件間靜電場的作用下附著到工件表面[1]，未附著到工件上的噴粉則會通過回收系統(tǒng)被收集循環(huán)使用。

我國國內目前對汽車輪轂的噴涂方法包括采用噴涂機器人、往復式噴涂機等噴涂設備噴涂，以及使用多噴槍定點噴涂、人工噴涂等多種方式。采用機器人進行噴涂雖然可以滿足各種噴涂要求，但成本過高，且要求企業(yè)有與之相應的設備及管理[2]；目前的往復式噴涂機也只能在豎直方向上大面積的噴涂，容易浪費噴涂材料，也需要輪轂運輸線斷續(xù)運輸。因而，許多國內中小企業(yè)在對輪轂噴涂時仍采用手工噴涂的方式，這不僅極大影響工人的身體健康，也會因工人操作熟練度及工作狀態(tài)而影響噴涂品質和噴涂生產的自動化需求。

現從輪轂實際噴涂過程出發(fā)，綜合運用工業(yè)機械技術、計算機技術、傳感器技術、機電一體化等技術，設計了可對輪轂運輸線速度、輪轂尺寸進行自動檢測，并能夠在輪轂運輸線連續(xù)運輸的情況下對不同尺寸輪轂進行自動噴涂的系統(tǒng)，對系統(tǒng)機械結構及其控制部分進行了詳細介紹。

1 系統(tǒng)總體設計方案

轂噴涂車間內一般有一條輪轂運輸線以及一個至兩個噴涂區(qū)域。運輸線上每隔一段距離會有一根圓柱形支撐柱，支撐柱上端有一圓形小托盤，輪轂置于托盤之上。輪轂在輪轂運輸線上以一定的速度連續(xù)前進，經過噴涂區(qū)域時，輪轂同時開始自傳，工人手持噴槍對輪轂上表面及側面進行噴涂操作。對上表面噴涂時先使噴槍槍口垂直向下,使輪轂上表面基本覆蓋一層噴粉，然后使槍口傾斜，對上表面的溝槽重點噴涂；對輪轂側面的噴涂時，噴槍槍口垂直于輪轂側面，進行一下一上的噴涂動作。整個噴涂過程都伴隨著輪轂的自轉。

根據輪轂實際人工噴涂的過程，在設計自動噴涂系統(tǒng)時有以下幾點需要考慮：

1) 由于輪轂噴粉房內粉塵極多，因此需要特別考慮系統(tǒng)的防塵性能；

2) 要保證好準確的噴涂動作、噴涂時間及合理的噴槍位置，以保證噴粉的厚度及均勻性；

3) 系統(tǒng)要能夠檢測運輸線托盤上有無輪轂，當有輪轂時則需檢測輪轂的尺寸、位置，以及運輸線的速度。

本設計考慮使用3把噴槍同時對輪轂進行噴涂。輪轂上表面安排2把噴槍，側面安排1把噴槍。上表面的2把噴槍，噴槍1槍口垂直向下，沿輪轂半徑中點稍向外；噴槍2槍口傾斜，沿輪轂半徑中點稍向內，保證即能噴涂到表面和溝槽，又能使輪轂上表面的噴涂盡量均勻。3把噴槍同時做水平方向的往復運動，即隨運輸線的前進以及噴涂完畢后的復位，噴槍1及噴槍2在前進時同時完成輪轂上表面的噴涂。噴槍3在垂直方向上還需沿輪轂側面做垂直方向的往復噴涂運動。噴槍位置及噴涂動作如圖1所示。

圖1 噴槍動作及噴槍位置示意圖

設計該智能噴涂生產系統(tǒng)時將系統(tǒng)分為機械結構以及控制兩部分。機械結構系統(tǒng)主要用來帶動噴槍完成規(guī)定的噴涂動作，控制系統(tǒng)則用來檢測各種需求參數，并完成對機械系統(tǒng)及噴槍的控制。

2 系統(tǒng)機械結構設計

機械結構部分主要包括傳動機構、導軌與滑塊機構、噴槍固定支架及步進電機部分，其中傳動結構分為水平方向傳動機構和垂直方向傳動機構兩部分。整個垂直傳動和導軌機構都安裝在水平導軌機構的滑塊上，使得噴槍3能夠同時完成水平隨動及垂直噴涂的動作。系統(tǒng)的機械結構圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)機械結構示意圖

2.1 傳動機構設計

系統(tǒng)的傳動機構采用的是適合于惡劣環(huán)境的鏈輪鏈條機構[3]。將帶有噴槍安裝支架的滑塊固定于鏈條之上，再通過導軌來為滑塊及噴槍的直線運動定位，當鏈輪帶動鏈條轉動時便可實現噴槍的直線運動。通過控制電機控制鏈輪的正反轉可以控制噴槍的往復運動，控制電機轉動的時間和速度則可以控制噴槍的行程和速度。

水平方向的鏈傳動機構在布置時使兩鏈輪軸線在同一水平面上，鏈條緊邊在上；垂直方向的鏈傳動機構主動輪在上，上下兩輪錯開軸線，不在同一鉛垂面內，防止位于下方的從動輪嚙合不良。

2.2 導軌的設計

設計中采用的導軌副為滾輪滑軌，這種導軌副滾輪內的軸承有良好的密封性，且與導軌不直接接觸，同時滾輪在導軌面上高速運行，形成類似“刮擦”的運動，可以很好的保證導軌面的清潔，因而非常適合于粉塵多的惡劣環(huán)境。將滾輪滑軌分別應用于水平鏈傳動和垂直鏈傳動兩處。導軌固定于機架之上，滑塊與鏈條相連。鏈條在電機和鏈輪的帶動下作往復直線運動，從而帶動滑塊在導軌面上運動。

水平方向的導軌副，其滑塊需承受整個垂直傳動部分的質量，因而設計比較大；導軌也分為上下兩部分，上側導軌主要承重為噴槍安裝支架及兩把噴槍的質量，下側導軌承重則重得多，承擔整個垂直方向上的質量，包括垂直傳動鏈、垂直導軌、垂直噴槍以及垂直方向上控制電機的質量，所以下側導軌選擇兩根。

垂直方向上導軌副載荷較輕，為1把噴槍與噴槍安裝支架的質量，選擇1根適合輕載場合的滾輪滑軌及配套滑塊。

3 系統(tǒng)控制電路的設計

系統(tǒng)以西門子S7-200系列PLC作為控制部分的核心，采用旋轉編碼器檢測輪轂運輸線的速度，采用普通對射型光電傳感器檢測噴槍的復位狀態(tài)，采用光幕傳感器檢測輪轂情況。噴槍的噴涂，由PLC通過控制噴槍靜電發(fā)生器達到。噴槍的噴涂及復位動作，則由PLC通過分別控制水平及垂直方向的步進電機來實現[4]。此外，系統(tǒng)還設計有啟停和急停兩個控制按鈕，以及分別表示電源、運行及故障3種系統(tǒng)狀態(tài)的紅黃綠3個指示燈，以控制和監(jiān)測PLC的工作運行狀態(tài)。系統(tǒng)的控制電路如圖3所示。下面著重對輪轂的檢測作詳細說明。

圖3 系統(tǒng)控制電路圖

對輪轂的檢測應當包括輪轂運輸線托盤上有無輪轂、輪轂的位置、輪轂尺寸這三方面的檢測。

將光幕的發(fā)射器和接收器布置于輪轂運輸線兩側，發(fā)射器在一側發(fā)出一排等間距紅外信號，當輪轂進入光幕檢測范圍時，會部分遮住發(fā)射器的紅外信號，接收器無法收到信號，系統(tǒng)便可可認為輪轂托盤上有輪轂[5]。另外為消除輪轂支撐柱的影響，需對接收器采用短時間的延時處理。

輪轂的位置為輪轂中心位置至噴涂位置的距離L，事先設定好光幕至噴涂位置的距離為L1。當光幕在固定位置檢測到輪轂，加上輪轂半徑值D/2，便可確定輪轂位置L為L1+D/2。再通過編碼器檢測到的輪轂運輸線的速度v，便可知道輪轂中心位置到達噴涂位置的時間，從而控制噴槍在正確的時間開始噴涂。使用光幕檢測輪轂直徑D，由PLC記錄輪轂通過光幕時接收器信號被隔斷的時間t，再乘以輪轂運輸線速度v便可得到。圖4為光幕檢測輪轂位置的示意圖。

圖4 光幕檢測輪轂位置示意圖

由于光幕發(fā)出的是一排等間距的信號，輪轂通過光幕時，記錄垂直方向上信號被遮擋的寬度即可得到輪轂的寬度W。PLC根據輪轂的寬度控制垂直方向上的噴槍噴涂的行程。水平方向上由于已經安排有2把噴槍，噴幅足夠噴涂直徑最大的輪轂，因此噴槍在水平方向上的行程僅由噴涂時間及輪轂運輸線速度決定。

4 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)對輪轂噴涂的控制主要包括檢測、噴涂及運動控制以及復位這3部分。

系統(tǒng)啟動，光電傳感器對輪轂進行初始位置檢測，若噴槍不在初始位置，則對噴槍進行復位動作；然后增量型旋轉編碼器測得輪轂運輸線的速度v，并將信號傳給PLC；隨后光幕開始檢測輪轂運輸線的托盤上有無輪轂，當檢測到輪轂時，光幕同時對輪轂的直徑和高度進行檢測；PLC通過計算已知輪轂位置L和輪轂運輸線的速度v，得出輪轂到達噴涂位置所需的時間，并對噴槍開始噴涂的時間作延時處理。

噴涂的過程分為對輪轂上表面的水平噴涂，以及對輪轂側面的垂直噴涂。水平噴涂時，噴槍1及噴槍2隨輪轂運輸線同速前進，并開始進行固定時間的噴涂。垂直噴涂時，噴槍3先對輪轂側面進行從上往下然后再從下往上一個來回的噴涂，根據光幕檢測到的輪轂寬度的不同，垂直往返噴涂的行程也會不同。噴槍3在垂直噴涂的時候同樣也隨運輸線作水平運動。

一個輪轂噴涂完成后，系統(tǒng)對3把噴槍在水平方向上進行復位。當位于噴槍初始噴涂位置的光電傳感器檢測到噴槍時，則說明噴槍復位過程結束。噴槍則開始對下一個輪轂進行噴涂。圖5為系統(tǒng)軟件流程圖。

圖5 系統(tǒng)軟件流程圖

5 結語

文中針對輪轂噴涂設計了一種簡單實用的自動噴涂系統(tǒng)，詳細介紹了機械及控制部分的關鍵技術，通過程序實驗調試驗證了控制程序的可行性。該自動噴涂系統(tǒng)可替代工人手工噴涂,改善了工人的工作環(huán)境,有效提高企業(yè)輪轂噴涂生產的自動化水平，對其他中小企業(yè)改進噴涂生產有一定的借鑒作用，但存在兩點不足之處：

1) 輪轂噴涂的涂層厚度、均勻性等對輪轂的噴涂品質有著很大的影響，文中未做深入討論。對噴涂工藝深入了解后，可進一步提升輪轂的噴涂品質和效率；

2) 控制系統(tǒng)設計相對簡單，對輪轂上表面的噴涂采用的是噴槍相對輪轂中心保持同步，但不隨直徑變化的噴涂方法，在一定程度上會浪費噴涂材料。后續(xù)工作可對控制過程進一步優(yōu)化，設計出更加簡單而又完善的系統(tǒng)。

[1] 高全杰, 王家青, 汪朝暉. 靜電噴涂技術及其應用探討[J]. 機械工程師, 2006，(10):15-18.

[2] 王俊慧. 鐵路貨車表面噴涂機的設計與控制[D]. 武漢：華中科技大學, 2006.

[3] 胡春佳. 常用的機械傳動方式的選擇研究[J]. 科技與生活, 2012，(11):190-191.

[4] 嚴盈寬. 西門子S7-200PLC入門[M]. 北京：人民郵電出版社, 2007.

[5] 許文卜. 輪胎檢測測量光幕的研制[D]. 蘭州：蘭州理工大學, 2010.

Design of Car Wheels Spray System

WU Yueqin, WANG Huifen

(School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science & Technology, Nanjing 210094, China)

Now the job of automotive wheel spraying is done manually in lots of domestic SMEs, which greatly affects the health of workers and also shows a low degree of automation. The paper designs an automatic spray system that can spray the wheels of different size continuously. Three spray guns with sprocket chain and roller slide rail are used to spray the upper and side surface of wheel simultaneously. The control system is equipped with PLC, encoders and light curtain are used to detect the speed of wheel transport line and wheel condition intelligently.

wheel spray; sprocket chain; roller slide rail; PLC; intelligent detection

吳月琴(1989-)，女，江蘇興化人，碩士，研究方向為機械設計。

TP273

B

1671-5276(2015)05-0023-03

2014-02-26