當(dāng)前，國(guó)內(nèi)中小型家具噴涂企業(yè)，在實(shí)行家具噴涂作業(yè)時(shí)普遍采用人工手持噴槍作業(yè)的方式。在浙江省實(shí)行“機(jī)器換人”工程之際， 本文研制一套可以代替人工作業(yè)的機(jī)器人對(duì)家具進(jìn)行噴涂。目前，國(guó)內(nèi)外很多公司研制的噴涂機(jī)器人普遍采用手臂關(guān)節(jié)型機(jī)器人，該型機(jī)器人移動(dòng)速度快，控制靈活，但這類(lèi)機(jī)器人大多數(shù)采用專(zhuān)用控制器，控制結(jié)構(gòu)封閉，維修復(fù)雜，購(gòu)買(mǎi)價(jià)格高。為了能在中小型企業(yè)中應(yīng)用普及，本課題小組設(shè)計(jì)了一款系統(tǒng)開(kāi)放性好，控制簡(jiǎn)便，機(jī)械結(jié)構(gòu)混合的噴涂機(jī)器人。

1 機(jī)器人結(jié)構(gòu)分析與控制方案

　　1.1 系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)

　　機(jī)器人主要應(yīng)用于各式家具門(mén)的噴涂， 因此對(duì)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以門(mén)噴涂實(shí)際需求為出發(fā)點(diǎn)。機(jī)器人主要任務(wù)是完成對(duì)門(mén)的兩側(cè)面和正面的噴涂， 對(duì)機(jī)器人關(guān)節(jié)靈活轉(zhuǎn)動(dòng)有一定要求。從噴涂精度，作業(yè)占用空間和噴涂靈活性等角度考慮，機(jī)器人采用五自由度活動(dòng)關(guān)節(jié)，混合型機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案�；旌闲蜋C(jī)器人兼具直角坐標(biāo)型機(jī)器人作業(yè)精度高，性能穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又具有關(guān)節(jié)型機(jī)器人動(dòng)作靈活的特點(diǎn)。機(jī)器人以直角坐標(biāo)形式呈現(xiàn)的三軸分別為X、Y、Z 軸， 關(guān)節(jié)型形式的兩軸分別為P、R 兩軸。其中X 軸負(fù)責(zé)跟蹤噴涂對(duì)象的移動(dòng)，Y 軸實(shí)行垂直方向的噴涂，Z 作為調(diào)節(jié)噴槍與對(duì)象距離的前后進(jìn)給軸，P、R 軸用于噴槍360°的多角度協(xié)調(diào)定位。機(jī)器人本體通過(guò)控制器控制伺服系統(tǒng)帶動(dòng)五個(gè)機(jī)械軸實(shí)現(xiàn)整體運(yùn)動(dòng)， 使噴槍準(zhǔn)確到達(dá)噴涂的適當(dāng)位置。機(jī)器人系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖1。

圖1 機(jī)器人系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

　　1.2 系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)

　　控制系統(tǒng)以IPC＋PLC 為控制核心， 實(shí)行上下兩級(jí)控制結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)控制對(duì)象由兩部分組成，一部分是機(jī)器人本體控制，另一部分是對(duì)噴涂對(duì)象的運(yùn)動(dòng)控制。五個(gè)機(jī)械軸臂由五個(gè)伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)控制，五個(gè)伺服系統(tǒng)再通過(guò)PLC 自帶的4 組高速脈沖輸出和一個(gè)定位控制模塊通過(guò)發(fā)送高速脈沖的方式控制。IPC 主要提供人機(jī)交互操作界面，設(shè)置參數(shù)，傳送控制命令，監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行等。PLC 作為系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)控制器，接受上位機(jī)傳輸?shù)穆窂揭?guī)劃任務(wù)， 根據(jù)控制命令和傳感器反饋信息對(duì)五軸的伺服電機(jī)實(shí)行位置和速度控制，使電機(jī)按預(yù)定軌跡和要求運(yùn)動(dòng)。噴涂對(duì)象的運(yùn)動(dòng)速度調(diào)節(jié)，由現(xiàn)場(chǎng)噴涂工藝要求決定。通過(guò)PLC 控制數(shù)字變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，再結(jié)合編碼器信號(hào)反饋，實(shí)現(xiàn)噴涂對(duì)象的穩(wěn)定移動(dòng)。系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)示意如圖2。系統(tǒng)通過(guò)RS－485 通信數(shù)據(jù)線將IPC 和PLC 連接起來(lái)， 將IPC 的人機(jī)可操作性和PLC的優(yōu)良控制性能結(jié)合起來(lái)，使之構(gòu)成一個(gè)操控性強(qiáng)的控制系統(tǒng)。

圖2 系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)示意圖

　　1.3 機(jī)器人對(duì)噴涂對(duì)象的跟蹤

　　工業(yè)噴涂現(xiàn)場(chǎng)，往往實(shí)行流水線作業(yè)形式，噴涂對(duì)象以掛件形式跟隨掛架移動(dòng)。為了提高作業(yè)效率，需要機(jī)器人隨噴涂對(duì)象同步運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人跟蹤噴涂對(duì)象的主要思路如下：移動(dòng)掛件主要通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)移動(dòng)， 光電編碼器則負(fù)責(zé)檢測(cè)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度， 編碼器把測(cè)得的脈沖個(gè)數(shù)反饋給PLC，PLC 根據(jù)單位時(shí)間內(nèi)計(jì)量的脈沖個(gè)數(shù)，計(jì)算出當(dāng)前電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)頻率。根據(jù)電機(jī)的頻率，PLC 向X 軸發(fā)送相應(yīng)跟蹤脈沖頻率， 從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人跟蹤對(duì)象噴涂的要求�，F(xiàn)證明對(duì)象移動(dòng)速度與編碼器測(cè)得脈沖個(gè)數(shù)的關(guān)系。設(shè)對(duì)象移動(dòng)的速度為V，齒輪半徑為r，設(shè)在T 時(shí)間內(nèi)，通過(guò)編碼器反饋給PLC 的脈沖個(gè)數(shù)為N，n 為電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)一圈的脈沖數(shù)。對(duì)象移動(dòng)速度公式如下：

　　通過(guò)工程實(shí)際調(diào)試使機(jī)器人運(yùn)動(dòng)與噴涂對(duì)象同速運(yùn)行，記下多組機(jī)器人該運(yùn)行速度時(shí)PLC 發(fā)送脈沖的頻率， 求得平均頻率為f，計(jì)算出f 與N／T（編碼器反饋的電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)頻率）的比例關(guān)系α。由于V 與N 呈線性關(guān)系，因此當(dāng)噴涂對(duì)象運(yùn)行速度變化時(shí)，PLC 只需要發(fā)送跟蹤脈沖頻率f＝α*N／T，就可以使機(jī)器人跟蹤噴涂對(duì)象。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　2.1 主電路設(shè)計(jì)

　　主電路設(shè)計(jì)如圖3 所示。主電路主要給各單元提供電源，設(shè)計(jì)時(shí)必須體現(xiàn)保護(hù)電路各模塊用電安全的思想， 在可能發(fā)生電流過(guò)大的地方需要設(shè)置斷路器， 因此在系統(tǒng)主電路里分別對(duì)交流電主線和驅(qū)動(dòng)器供電部分增設(shè)斷路器。PLC 內(nèi)部本身具有220V 交流電轉(zhuǎn)直流24V 的功能模塊， 為了避免眾多需要24V供電的設(shè)備接向PLC，使PLC 內(nèi)部電壓不穩(wěn)，我們?cè)谥麟娐分杏衷黾恿?20V 交流電轉(zhuǎn)24V 直流的模塊， 供其他需要直流供電的模塊使用。為了保障整體線路的可控性和安全性，對(duì)驅(qū)動(dòng)器和交流轉(zhuǎn)直流模塊等供電電路通斷的控制， 主要通過(guò)接觸器實(shí)現(xiàn)。通過(guò)控制柜面板上電源開(kāi)關(guān)控制接觸器的開(kāi)斷，電源開(kāi)關(guān)閉合，接觸器接通，整個(gè)電路通電。

圖3 主電路設(shè)計(jì)圖

　　2.2 控制電路設(shè)計(jì)

　　部分控制電路如圖4。輸入點(diǎn)分高速輸入點(diǎn)和通用輸入點(diǎn)。X0 和X1 為高速輸入點(diǎn)，適用編碼器等高頻信號(hào)的輸入。Y0、Y1等輸出口為高速脈沖輸出口， 主要向用于控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)器發(fā)送脈沖序列和方向信號(hào)。其他通用輸入口則用來(lái)系統(tǒng)啟動(dòng)、停止等開(kāi)關(guān)量的輸入和各軸限位開(kāi)關(guān)信號(hào)量的輸入。通用輸出口除用于使能和剎車(chē)外， 還能用于系統(tǒng)報(bào)警和控制噴槍開(kāi)關(guān)的輸出。輸入輸出口功能定位主要依據(jù)各口接收和發(fā)送頻率大小而定。

3 機(jī)器人控制軟件設(shè)計(jì)

　　機(jī)器人軟件設(shè)計(jì)主要采用梯形圖模塊化設(shè)計(jì)思路， 整個(gè)軟件由六個(gè)功能模塊組成：系統(tǒng)參數(shù)初始化模塊、五軸原點(diǎn)復(fù)位模塊、噴涂對(duì)象移動(dòng)速度檢測(cè)計(jì)算模塊、左側(cè)噴涂模塊、正面噴涂模塊、右側(cè)噴涂模塊。初始化模塊用于寄存器參數(shù)賦值或清零以及部分輔助繼電器使能等操作，比如噴涂總次數(shù)設(shè)定等；五軸原點(diǎn)復(fù)位模塊是作用于初始階段回歸各軸到原點(diǎn)位置的復(fù)位程序，各軸的原點(diǎn)復(fù)位便于機(jī)器人后續(xù)路徑的規(guī)劃；測(cè)速模塊包括對(duì)噴涂對(duì)象移動(dòng)頻率的檢測(cè)以及計(jì)算機(jī)器人跟蹤頻率這兩部分程序，主要為X 軸跟蹤對(duì)象提供數(shù)據(jù)；兩側(cè)及正面噴涂模塊的作用是根據(jù)對(duì)應(yīng)模塊的需要調(diào)動(dòng)相關(guān)軸的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。六個(gè)模塊利用特殊輔助繼電器和計(jì)數(shù)器觸發(fā)各個(gè)功能模塊的交替執(zhí)行，這樣設(shè)計(jì)的程序邏輯結(jié)構(gòu)清晰，程序量少。軟件執(zhí)行流程如圖5。

　　程序設(shè)計(jì)除了采用模塊化設(shè)計(jì)思路外， 為了使程序更加簡(jiǎn)潔高效， 在梯形圖中還采用了臺(tái)達(dá)PLC 中集成的運(yùn)動(dòng)控制指令，通過(guò)直接調(diào)用這些指令控制PLC 脈沖的輸出模式。比如調(diào)制脈沖波寬的PWM 指令，該指令由于具有在指令執(zhí)行過(guò)程中改變其設(shè)定值有效的特點(diǎn)， 使輸出口的脈沖發(fā)送周期能及時(shí)根據(jù)設(shè)定值的改變而改變，并調(diào)節(jié)電機(jī)做相應(yīng)運(yùn)轉(zhuǎn)速度的變化，對(duì)需要跟蹤噴涂對(duì)象， 實(shí)時(shí)控制速度變化的X 軸來(lái)講非常合適。PLSR 是附加減速脈沖輸出指令［4－5］。用戶(hù)可以利用該指令在一定范圍內(nèi)自由設(shè)定加減速時(shí)間， 以便調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)軸的起噴速度和末端噴涂速度。Y 軸在上下噴涂移動(dòng)時(shí)速度快，機(jī)械慣性產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲很大， 使用該指令可以有效降低Y 軸高速起噴時(shí)的振動(dòng)和噪聲。這些指令的使用大大簡(jiǎn)化了程序編寫(xiě)的復(fù)雜性，也方便了我們對(duì)電機(jī)的靈活控制。

4 結(jié)束語(yǔ)

　　根據(jù)以上系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)方法，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室實(shí)際調(diào)試，完成了機(jī)器人對(duì)門(mén)兩側(cè)面和正面的模擬噴涂動(dòng)作， 達(dá)到了跟蹤噴涂的要求。該型機(jī)器人生產(chǎn)成本低，系統(tǒng)開(kāi)放性好，適合在中小型家具噴涂企業(yè)中應(yīng)用推廣。

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本文標(biāo)題：基于PLC 的噴涂機(jī)器人控制設(shè)計(jì)

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