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汽车涂装的快速换色控制系统设计

团队简介

戴建民：福建工程学院副教授，高级工程师，主要从事电气控制系统等研究

曹铸：福建工程学院在读硕士研究生，主要从事工业自动化控制系统等研究

目前汽车工厂的输调漆间通常采用传统的“循环管路系统”，一次投罐至少需要200~1000kg油漆，由于其每次生产的产量不多，可能接连几个月都没有生产需求。油漆长期在管道内循环而使用量极少，成分中的色浆、金属粉因管壁和阀门的剪切力以及不停地沉淀导致了色差问题的出现，从而造成油漆的报废。而这些小颜色的油漆单价通常是常见大批量颜色油漆的2倍甚至更高。与此同时，该系统已无法满足多种个性化颜色、数量和快速换色的需求。换色清洗困难，造成清洗溶剂的大量浪费，严重影响车间生产节拍，使得生产效率低下。在保证颜色质量的同时，尽可能减少材料的工艺浪费，是涂装生产制造领域一直不变的目标。

针对上述汽车涂装生产过程中存在的问题，设计了一种自动化程度高、稳定性高、换色速度快、清洗能力强的走珠式快速换色控制系统。该系统运行稳定可靠、生产效率高、换色方便快捷，满足企业车间生产要求。

1 工艺流程简介

快速换色控制工艺主要包括油漆填充、回收、清洗3个阶段，其中清洗工艺思路结合了填充工艺和回收工艺。三个阶段的工艺流程分析如下。

1.1油漆填充

当有填充油漆需要时，操作人员将处理搅拌好的油漆加入油漆桶中，操作控制按钮进行填充。通过双隔膜泵将油漆从油漆桶中通过密闭聚乙烯类（TPC）软主管送往喷漆生产线上多个分配站即操作工位，主管填充完毕后，填充分配站支管。有喷涂需要的分配站工位支管填充完成后保持待喷涂状态。填充工艺流程图如图1所示。

图1 填充工艺流程图

1.2油漆回收

完成喷涂工作后，通过压缩空气从走珠接收模块推动走珠将TPC主管油漆回收至油漆桶中，由于分配站支管管路较短，油漆较少不做回收，通过压缩空气直接将支管管道内残留的油漆排至废液桶中。回收工艺流程如图2所示。

图2 回收工艺流程图

1.3清洗

回收完成后，清洗整个设备、TPC主管及分配站支管。根据上述工艺，将清洗溶剂进行整个管道的填充；再通过压缩空气在走珠的推动下将清洗溶剂推至废液桶；根据油漆的性质（如黏稠度等）选择清洗的次数，达到清洗干净无色差的要求。清洗工艺是将填充和回收工艺相结合的流程思路。清洗完成后，更换其他颜色油漆进行填充，实现换色喷涂。清洗工艺流程如图3所示。

图3 清洗工艺流程图

2 快速换色控制系统硬件设计及工作原理

快速换色控制系统主要由电气控制模块、基站模块（包含双隔膜泵、过滤模块、组合阀模块、走珠发射模块）、分配站模块组成。

电气控制硬件设计主要为集成电控柜，通过可编程逻辑控制器（PLC）控制阀岛组电磁阀开闭状态进而控制气动阀门的开闭。根据实际工程需要，综合目前市场产品性价比，电控柜主要选用西门子S7-1500CPU1516-3PN/DPPLC作为核心控制器，TP1200精智面板HMI作为人机交互界面；PN/PNCoupler主要用于与外部CPU之间的数据传递；三组FESTO阀岛组用于控制阀门开闭气动状态。根据设备结构特点和控制要求，电气控制模块硬件设计结构如图4所示。

图4 电气控制模块硬件设计结构图

根据控制系统填充、....