涂膠機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究與開發(fā)

李明儒 于 煥 郭云緋 王秋月

（新松機(jī)器人自動(dòng)化股份有限公司，遼寧 沈陽 110168）

現(xiàn)在國際上流行的噴涂機(jī)系統(tǒng)一般分為三種，第一種是一般噴涂機(jī)，這種噴涂機(jī)只適合于對簡單的工作平面進(jìn)行噴涂，因?yàn)樗挥幸粋€(gè)運(yùn)動(dòng)軸，只能作往復(fù)運(yùn)動(dòng)（有時(shí)也稱往復(fù)機(jī)），被噴涂的工件一般均在自動(dòng)線上運(yùn)動(dòng)，這樣，噴涂機(jī)與自動(dòng)線配合起來就可以完成對一個(gè)平面的噴涂，但是，要對一些有曲面形狀的噴涂對象進(jìn)行噴涂就無能為力了。第二種是機(jī)械硬仿形噴涂機(jī) ，這種噴涂機(jī)的噴槍運(yùn)動(dòng)是靠安裝在噴涂機(jī)內(nèi)部的仿形導(dǎo)軌來引導(dǎo)噴槍運(yùn)動(dòng)的，這種仿形是按照被噴涂對象的外表面設(shè)計(jì)而成的，導(dǎo)軌的仿形形狀有S 形和C 形等，這樣噴槍沿著導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)時(shí)，正好與被噴的對象相吻合。第三種是軟仿形噴涂系統(tǒng)，這種噴涂系統(tǒng)在被噴涂表面運(yùn)動(dòng)時(shí)，一般需要三個(gè)運(yùn)動(dòng)軸同時(shí)運(yùn)動(dòng)。噴槍運(yùn)動(dòng)的軌跡是靠計(jì)算機(jī)的軟件編程來控制，以達(dá)到對不同的噴涂對象噴涂時(shí)，只須使用不同的運(yùn)動(dòng)程序，這樣，使用一套軟仿形噴涂設(shè)備就可以完成對不同的噴涂對象進(jìn)行相應(yīng)的噴涂。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想及實(shí)現(xiàn)方法

本文主要是針對上述第三種噴涂機(jī)系統(tǒng)，即軟仿形噴涂系統(tǒng)進(jìn)行研究和開發(fā)。

1.1 涂膠工藝流程

操作者首先將工件放入涂膠機(jī)內(nèi)的定位夾具上，身體退出光柵保護(hù)區(qū)（防止自動(dòng)涂裝時(shí)誤傷人體），然后啟動(dòng)工作按鈕。

通過夾具上的位置傳感器和水平傳感器對工件自動(dòng)檢測，并判定被涂膠工件的位置擺放是否符合定位要求，如工件安放位置不正確，設(shè)備發(fā)出警報(bào)，人工可重新調(diào)整擺放。

X，Y，Z 三坐標(biāo)機(jī)械手上的涂膠槍，在氣動(dòng)系統(tǒng)下從防凝固的硅油杯中提出，按照所選的程序軌跡，對工件平面自動(dòng)進(jìn)行涂膠作業(yè)。

當(dāng)涂膠完畢，涂膠槍自動(dòng)返回原點(diǎn)，涂膠嘴自動(dòng)浸入硅油液缸，并進(jìn)行綠燈顯示，此時(shí)操作者方可從涂膠機(jī)缸內(nèi)拿出工件。

1.2 涂膠機(jī)本體

三坐標(biāo)機(jī)器手X，Y 的兩軸電機(jī)采用伺服電機(jī)確?？刂频木珳?zhǔn)度，兩個(gè)伺服傳動(dòng)軸均選用日本小金井公司的一體化進(jìn)口產(chǎn)品，其傳動(dòng)軸由高精度滾珠絲杠和精密直線導(dǎo)軌組成，通過伺服驅(qū)動(dòng)控制，可實(shí)現(xiàn)平面軌跡的直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)功能，并保證了涂膠槍行走的高速和軌跡的重復(fù)定位精度。Z 軸，高度方向上由氣缸驅(qū)動(dòng)控制，主要用于涂膠槍的上下移動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)防干膠保護(hù)和調(diào)整涂膠嘴與涂膠平面的距離。該涂膠機(jī)的設(shè)計(jì)，制造特點(diǎn)如下：

X，Y，Z 三軸行程分別是，1050mm，800mm，50mm。其中Y 軸為懸臂結(jié)構(gòu)形式。

操作面板為懸臂，可旋轉(zhuǎn)式安裝結(jié)構(gòu)，便于人工操作。

涂膠機(jī)正面配置安全光柵，其他側(cè)面配置有機(jī)玻璃防護(hù)以確保操作安全和防止涂膠過程中的外界干擾。

為檢查零件的水平放置情況，定位夾具上設(shè)有光電傳感器，以避免零件和噴嘴發(fā)生干涉或放錯(cuò)位置。

安裝定位夾具使用自動(dòng)定位夾緊方式，且關(guān)鍵件全部進(jìn)行表面亮化處理。

1.3 軟仿形涂膠系統(tǒng)采用的系統(tǒng)配置

1.3.1 采用 PLC，機(jī)器人控制機(jī)與GOT

采用機(jī)器人控制器通過其自帶的軟件實(shí)現(xiàn)噴槍的運(yùn)行軌跡，配置的GOT（圖形操作終端）作為操作人的人機(jī)界面，以及用PLC 轉(zhuǎn)接通訊控制接口。機(jī)器人控制器通過編程實(shí)現(xiàn)運(yùn)行軌跡的規(guī)劃，并可通過示教確定軌跡路線。外部保護(hù)傳感器，按鈕，報(bào)警設(shè)備接至PLC 可確保運(yùn)行準(zhǔn)確性與安全性。GOT 可提供便捷，直觀的人機(jī)交互界面，可確認(rèn)工作狀態(tài)，既便與觀察設(shè)備狀況又方便操作。系統(tǒng)框如圖1 所示:

1.3.2 采用變頻調(diào)速加位置反饋

采用變頻器控制異步電機(jī)加電位器（或編碼器）反饋組成簡易伺服系統(tǒng)，上位機(jī)采用PLC（可編程控制器）進(jìn)行控制。PLC 進(jìn)行運(yùn)動(dòng)軌跡的規(guī)劃，通過反饋上來的位置信息進(jìn)行編程，伺服響應(yīng)PLC 的控制信號(hào)，從而控制電機(jī)運(yùn)行。

系統(tǒng)框圖如圖2 所示

1.3.3 方案比較

比較兩種方案：第二種系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)就是成本比較低，但是，系統(tǒng)組成卻比較困難，因?yàn)?，組成伺服系統(tǒng)的各個(gè)部件（如變頻器，電機(jī)，電位器，等均為非伺服系統(tǒng)部件），所以設(shè)計(jì)系統(tǒng)所須的調(diào)研時(shí)間相對比較長，控制的精度相對比較低。第一種系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是組成系統(tǒng)相對比較容易。基本系統(tǒng)設(shè)計(jì)所須的時(shí)間相對比較短，而且上位機(jī)編程比較容易，而且外圍設(shè)備可以用PLC 控制。PLC 連接GOT 實(shí)現(xiàn)便捷的操作控制。

因此，本文軟仿形電控系統(tǒng)在方案確定時(shí)，選用了第一種方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 系統(tǒng)的組成

本文軟仿形電控系統(tǒng)主要分為三大部分,即：GOT、機(jī)器人控制器、PLC。

2.1 GOT（圖形操作終端）

本系統(tǒng)的觸摸屏采用日本三菱F940GOT系列，其圖形操作終端是新一代高科技人機(jī)界面產(chǎn)品。用于在惡劣的工業(yè)環(huán)境中應(yīng)用，可代替工控計(jì)算機(jī)作為人機(jī)界面，具有交互性好、可靠性高、編程簡單，與PLC 聯(lián)接簡便等特點(diǎn)。其使用RS-232C 與PLC 進(jìn)行通信。用其自帶的編程軟件實(shí)現(xiàn)對觸摸屏內(nèi)部畫面及其功能的方便編輯。采用觸摸屏作為人機(jī)交互界面，作為操作人員和機(jī)器設(shè)備之間雙向溝通的橋梁，可以通過文字、按鈕、圖形、數(shù)字等來處理或控制管理及應(yīng)付隨時(shí)可能的變化信息，能明確指示并了解操作員操作機(jī)器目前的狀況，極大提高了設(shè)備的附加性。強(qiáng)大的功能及優(yōu)異的穩(wěn)定性是它非常適合于工業(yè)環(huán)境，用它不僅取代了繁瑣的各種按鈕和指示燈，簡化了設(shè)計(jì)，而且提供了豐富的各種各樣信息。

2.2 機(jī)器人控制器

圖3

圖4

該涂膠機(jī)的控制器選用日本小金井公司的產(chǎn)品，型號(hào)為ABDRCX，控制器的特點(diǎn)為：32 位CPU 可實(shí)現(xiàn)高速、高精度的直線，圓弧插補(bǔ)控制，和大容量的I/O 接口配置。其控制原理分四個(gè)過程：第一個(gè)過程在機(jī)器人控制中稱作示教，也就是通過計(jì)算機(jī)可接受方式告訴機(jī)器人去做什么，這里為涂膠槍的走行軌跡；

第二個(gè)過程則是機(jī)器人控制系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)部分，它負(fù)責(zé)整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)的管理、信息獲取及處理、控制策略的制定，作業(yè)軌跡的規(guī)劃等任務(wù)，這是機(jī)器人控制系統(tǒng)的核心部分；第三個(gè)過程是機(jī)器人控制中的伺服驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的高速、高精度運(yùn)動(dòng)，去完成指定的作業(yè)。最后一個(gè)過程則是機(jī)器人控制中的傳感器部分，通過傳感器的反饋，保證機(jī)器人去正確地完成指定作業(yè)，同時(shí)也將各種姿態(tài)反饋到計(jì)算機(jī)中，以便計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)情況。圖3是機(jī)器人控制的基本原理框圖。

控制機(jī)的主要性能指標(biāo)如下：

控制軸數(shù)及方法：2 軸交流伺服驅(qū)動(dòng)，全數(shù)字控制。

最大驅(qū)動(dòng)功率：1.2（1.8）KW。

存儲(chǔ)容量：100個(gè)程序，1000個(gè)點(diǎn)位，每個(gè)程序最多255 步。

存儲(chǔ)理電池的使用壽命：5年。

接口容量：16（40）點(diǎn)輸入，13（24）點(diǎn)輸出，8 點(diǎn)專用點(diǎn)輸入，3 點(diǎn)輸出。

外部通電接口：RS232C

運(yùn)動(dòng)控制方式：PTP，CP，ARC。

速度設(shè)定：1%～100%（最小單位1%）

2.3 PLC（可編程控制器）

2.3.1 可編程控制器的硬件系統(tǒng)

PLC 是微機(jī)技術(shù)和繼電器常規(guī)控制概念相結(jié)合的產(chǎn)物，是在程序控制器、1 位微處理機(jī)和微機(jī)控制及其基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型控制器。從廣義上講，PLC 是一種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，只不過它比一般的計(jì)算機(jī)具有更強(qiáng)的與工業(yè)工程相接的輸入/輸出接口，具有更適合用于控制用的編程語言，具有更適合應(yīng)用于工業(yè)環(huán)境的看干擾能力。因此，PLC 是一種工業(yè)控制用的專用計(jì)算機(jī)。PLC 的硬件組成有中央處理器（CPU）、存貯器、輸入輸出（ I/O）接口、電源等，如圖4：

本設(shè)計(jì)采用了由OMRON 公司C60P 系列PLC,其為整體式結(jié)構(gòu)是把 CPU、RAM、ROM、I/O 接口、輸入/輸出端子、電源、指示燈等都裝配在一起的整體結(jié)構(gòu)。一個(gè)箱體就是一個(gè)完整的PLC。它的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，成本低，安裝方便。選用的CPM2AH 型號(hào)的C60P 有36 點(diǎn)輸入，24 點(diǎn)輸出，應(yīng)用其輸入/輸出模塊來實(shí)現(xiàn)對外圍設(shè)備的控制。PLC 上電后，就在系統(tǒng)程序的監(jiān)控下，周而復(fù)始地按固定順序?qū)ο到y(tǒng)內(nèi)部的各種任務(wù)進(jìn)行查詢、判斷和執(zhí)行，這個(gè)過程實(shí)質(zhì)是一個(gè)不斷循環(huán)的順序掃描過程。PLC 采用周期掃描機(jī)制，簡化了程序設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的可靠性。具體表現(xiàn)在：在一個(gè)掃描周期內(nèi)，前面執(zhí)行的任務(wù)結(jié)果立即就可被后面將要執(zhí)行的任務(wù)所用；可以通過設(shè)定一個(gè)監(jiān)視定時(shí)器來監(jiān)視每個(gè)掃描周期的時(shí)間是否超過規(guī)定值，避免某個(gè)任務(wù)進(jìn)入死循環(huán)而引起故障。PLC 在一個(gè)掃描周期內(nèi)基本上要執(zhí)行以下六個(gè)任務(wù)：

運(yùn)行監(jiān)視任務(wù)。

與編程器交換信息任務(wù)。

與數(shù)字處理器（DPU）交換信息任務(wù)。

與外部設(shè)備交換信息任務(wù)。

執(zhí)行用戶程序任務(wù)。

輸入/輸出信息處理任務(wù)。

PLC 的工作過程如下圖5所示:

圖5

圖6

2.3.2 PLC 的軟件設(shè)計(jì)

應(yīng)用OMRON 公司的PLC 配套軟件，根據(jù)被控對象的輸入/輸出信號(hào)及所選的PLC型號(hào)分配PLC 的硬件資源，為梯形圖的各種繼電器或接點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)，再根據(jù)軟件規(guī)格說明書，用梯形圖進(jìn)行編程。由于運(yùn)行軌跡的規(guī)劃是在機(jī)器人控制器中實(shí)現(xiàn)，這樣PLC 編程部分只涉及到安全控制的邏輯編程，以I/O形式與機(jī)器人控制器進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)起來簡單可靠。

3 軟仿型涂膠機(jī)的主回路電氣原理圖

整個(gè)系統(tǒng)總電源為220V，通過熔斷器給系統(tǒng)給環(huán)節(jié)上電，同時(shí)設(shè)有急停開關(guān)控制主接觸器保證安全，PLC 環(huán)節(jié)，在主接觸器后經(jīng)過隔離變壓器，再通過濾波器進(jìn)行穩(wěn)壓，實(shí)現(xiàn)PLC 上電，同時(shí)經(jīng)過DC(直流電源)對PLC 輸入/輸出模塊上電，電壓為24V，使得系統(tǒng)同步上電，并有上電指示燈指示上電狀態(tài)，隔離變壓器起隔離電壓作用。主要部件前端設(shè)有分相空氣開關(guān)，便于調(diào)試與設(shè)備檢修。

4 結(jié)論

基于PLC，機(jī)器人控制器，GOT 技術(shù)設(shè)計(jì)的涂膠機(jī)組成系統(tǒng)比較容易，設(shè)計(jì)所須的時(shí)間相對比較短，編程操作簡單，涂膠控制可視化操作簡單易學(xué)，缺點(diǎn)是系統(tǒng)成本相對較高。

[1]歐姆龍產(chǎn)品說明書。

[2]國內(nèi)外機(jī)電一體化技術(shù)。

[3]機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用文獻(xiàn)

[4]機(jī)器人/王天然主編.-北京：化學(xué)工業(yè)出版社

[5]Original Japanese edition:Interuniversity Robot Seigyo Edited by Shigeru Ohkuma