涂胶机系统设计研究与开发

2010-09-07李明儒郭云绯王秋月

中国新技术新产品 2010年7期

李明儒于焕郭云绯王秋月

（新松机器人自动化股份有限公司，辽宁沈阳 110168）

现在国际上流行的喷涂机系统一般分为三种，第一种是一般喷涂机，这种喷涂机只适合于对简单的工作平面进行喷涂，因为它只有一个运动轴，只能作往复运动（有时也称往复机），被喷涂的工件一般均在自动线上运动，这样，喷涂机与自动线配合起来就可以完成对一个平面的喷涂，但是，要对一些有曲面形状的喷涂对象进行喷涂就无能为力了。第二种是机械硬仿形喷涂机，这种喷涂机的喷枪运动是靠安装在喷涂机内部的仿形导轨来引导喷枪运动的，这种仿形是按照被喷涂对象的外表面设计而成的，导轨的仿形形状有S 形和C 形等，这样喷枪沿着导轨运动时，正好与被喷的对象相吻合。第三种是软仿形喷涂系统，这种喷涂系统在被喷涂表面运动时，一般需要三个运动轴同时运动。喷枪运动的轨迹是靠计算机的软件编程来控制，以达到对不同的喷涂对象喷涂时，只须使用不同的运动程序，这样，使用一套软仿形喷涂设备就可以完成对不同的喷涂对象进行相应的喷涂。

1 系统设计思想及实现方法

本文主要是针对上述第三种喷涂机系统，即软仿形喷涂系统进行研究和开发。

1.1 涂胶工艺流程

操作者首先将工件放入涂胶机内的定位夹具上，身体退出光栅保护区（防止自动涂装时误伤人体），然后启动工作按钮。

通过夹具上的位置传感器和水平传感器对工件自动检测，并判定被涂胶工件的位置摆放是否符合定位要求，如工件安放位置不正确，设备发出警报，人工可重新调整摆放。

X，Y，Z 三坐标机械手上的涂胶枪，在气动系统下从防凝固的硅油杯中提出，按照所选的程序轨迹，对工件平面自动进行涂胶作业。

当涂胶完毕，涂胶枪自动返回原点，涂胶嘴自动浸入硅油液缸，并进行绿灯显示，此时操作者方可从涂胶机缸内拿出工件。

1.2 涂胶机本体

三坐标机器手X，Y 的两轴电机采用伺服电机确保控制的精准度，两个伺服传动轴均选用日本小金井公司的一体化进口产品，其传动轴由高精度滚珠丝杠和精密直线导轨组成，通过伺服驱动控制，可实现平面轨迹的直线插补和圆弧插补功能，并保证了涂胶枪行走的高速和轨迹的重复定位精度。Z 轴，高度方向上由气缸驱动控制，主要用于涂胶枪的上下移动，以实现防干胶保护和调整涂胶嘴与涂胶平面的距离。该涂胶机的设计，制造特点如下：

X，Y，Z 三轴行程分别是，1050mm，800mm，50mm。其中Y 轴为悬臂结构形式。

操作面板为悬臂，可旋转式安装结构，便于人工操作。

涂胶机正面配置安全光栅，其他侧面配置有机玻璃防护以确保操作安全和防止涂胶过程中的外界干扰。

为检查零件的水平放置情况，定位夹具上设有光电传感器，以避免零件和喷嘴发生干涉或放错位置。

安装定位夹具使用自动定位夹紧方式，且关键件全部进行表面亮化处理。

1.3 软仿形涂胶系统采用的系统配置

1.3.1 采用 PLC，机器人控制机与GOT

采用机器人控制器通过其自带的软件实现喷枪的运行轨迹，配置的GOT（图形操作终端）作为操作人的人机界面，以及用PLC 转接通讯控制接口。机器人控制器通过编程实现运行轨迹的规划，并可通过示教确定轨迹路线。外部保护传感器，按钮，报警设备接至PLC 可确保运行准确性与安全性。GOT 可提供便捷，直观的人机交互界面，可确认工作状态，既便与观察设备状况又方便操作。系统框如图1 所示:

1.3.2 采用变频调速加位置反馈

采用变频器控制异步电机加电位器（或编码器）反馈组成简易伺服系统，上位机采用PLC（可编程控制器）进行控制。PLC 进行运动轨迹的规划，通过反馈上来的位置信息进行编程，伺服响应PLC 的控制信号，从而控制电机运行。

系统框图如图2 所示

1.3.3 方案比较

比较两种方案：第二种系统方案的设计优点就是成本比较低，但是，系统组成却比较困难，因为，组成伺服系统的各个部件（如变频器，电机，电位器，等均为非伺服系统部件），所以设计系统所须的调研时间相对比较长，控制的精度相对比较低。第一种系统方案的设计的优点是组成系统相对比较容易。基本系统设计所须的时间相对比较短，而且上位机编程比较容易，而且外围设备可以用PLC 控制。PLC 连接GOT 实现便捷的操作控制。

因此，本文软仿形电控系统在方案确定时，选用了第一种方案进行设计。

2 系统的组成

本文软仿形电控系统主要分为三大部分,即：GOT、机器人控制器、PLC。

2.1 GOT（图形操作终端）

本系统的触摸屏采用日本三菱F940GOT系列，其图形操作终端是新一代高科技人机界面产品。用于在恶劣的工业环境中应用，可代替工控计算机作为人机界面，具有交互性好、可靠性高、编程简单，与PLC 联接简便等特点。其使用RS-232C 与PLC 进行通信。用其自带的编程软件实现对触摸屏内部画面及其功能的方便编辑。采用触摸屏作为人机交互界面，作为操作人员和机器设备之间双向沟通的桥梁，可以通过文字、按钮、图形、数字等来处理或控制管理及应付随时可能的变化信息，能明确指示并了解操作员操作机器目前的状况，极大提高了设备的附加性。强大的功能及优异的稳定性是它非常适合于工业环境，用它不仅取代了繁琐的各种按钮和指示灯，简化了设计，而且提供了丰富的各种各样信息。

2.2 机器人控制器

图3

图4

该涂胶机的控制器选用日本小金井公司的产品，型号为ABDRCX，控制器的特点为：32 位CPU 可实现高速、高精度的直线，圆弧插补控制，和大容量的I/O 接口配置。其控制原理分四个过程：第一个过程在机器人控制中称作示教，也就是通过计算机可接受方式告诉机器人去做什么，这里为涂胶枪的走行轨迹；

第二个过程则是机器人控制系统中的计算机部分，它负责整个机器人系统的管理、信息获取及处理、控制策略的制定，作业轨迹的规划等任务，这是机器人控制系统的核心部分；第三个过程是机器人控制中的伺服驱动信号，驱动伺服电机，实现机器人的高速、高精度运动，去完成指定的作业。最后一个过程则是机器人控制中的传感器部分，通过传感器的反馈，保证机器人去正确地完成指定作业，同时也将各种姿态反馈到计算机中，以便计算机实时监控整个系统的运动情况。图3是机器人控制的基本原理框图。

控制机的主要性能指标如下：

控制轴数及方法：2 轴交流伺服驱动，全数字控制。

最大驱动功率：1.2（1.8）KW。

存储容量：100个程序，1000个点位，每个程序最多255 步。

存储理电池的使用寿命：5年。

接口容量：16（40）点输入，13（24）点输出，8 点专用点输入，3 点输出。

外部通电接口：RS232C

运动控制方式：PTP，CP，ARC。

速度设定：1%～100%（最小单位1%）

2.3 PLC（可编程控制器）

2.3.1 可编程控制器的硬件系统

PLC 是微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物，是在程序控制器、1 位微处理机和微机控制及其基础上发展起来的新型控制器。从广义上讲，PLC 是一种计算机系统，只不过它比一般的计算机具有更强的与工业工程相接的输入/输出接口，具有更适合用于控制用的编程语言，具有更适合应用于工业环境的看干扰能力。因此，PLC 是一种工业控制用的专用计算机。PLC 的硬件组成有中央处理器（CPU）、存贮器、输入输出（ I/O）接口、电源等，如图4：

本设计采用了由OMRON 公司C60P 系列PLC,其为整体式结构是把 CPU、RAM、ROM、I/O 接口、输入/输出端子、电源、指示灯等都装配在一起的整体结构。一个箱体就是一个完整的PLC。它的特点是结构紧凑，体积小，成本低，安装方便。选用的CPM2AH 型号的C60P 有36 点输入，24 点输出，应用其输入/输出模块来实现对外围设备的控制。PLC 上电后，就在系统程序的监控下，周而复始地按固定顺序对系统内部的各种任务进行查询、判断和执行，这个过程实质是一个不断循环的顺序扫描过程。PLC 采用周期扫描机制，简化了程序设计，提高了系统的可靠性。具体表现在：在一个扫描周期内，前面执行的任务结果立即就可被后面将要执行的任务所用；可以通过设定一个监视定时器来监视每个扫描周期的时间是否超过规定值，避免某个任务进入死循环而引起故障。PLC 在一个扫描周期内基本上要执行以下六个任务：

运行监视任务。

与编程器交换信息任务。

与数字处理器（DPU）交换信息任务。

与外部设备交换信息任务。

执行用户程序任务。

输入/输出信息处理任务。

PLC 的工作过程如下图5所示:

图5

图6

2.3.2 PLC 的软件设计

应用OMRON 公司的PLC 配套软件，根据被控对象的输入/输出信号及所选的PLC型号分配PLC 的硬件资源，为梯形图的各种继电器或接点进行编号，再根据软件规格说明书，用梯形图进行编程。由于运行轨迹的规划是在机器人控制器中实现，这样PLC 编程部分只涉及到安全控制的逻辑编程，以I/O形式与机器人控制器进行通信，实现起来简单可靠。

3 软仿型涂胶机的主回路电气原理图

整个系统总电源为220V，通过熔断器给系统给环节上电，同时设有急停开关控制主接触器保证安全，PLC 环节，在主接触器后经过隔离变压器，再通过滤波器进行稳压，实现PLC 上电，同时经过DC(直流电源)对PLC 输入/输出模块上电，电压为24V，使得系统同步上电，并有上电指示灯指示上电状态，隔离变压器起隔离电压作用。主要部件前端设有分相空气开关，便于调试与设备检修。