當前，國內中小型家具噴涂企業，在實行家具噴涂作業時普遍采用人工手持噴槍作業的方式。在浙江省實行“機器換人”工程之際， 本文研制一套可以代替人工作業的機器人對家具進行噴涂。目前，國內外很多公司研制的噴涂機器人普遍采用手臂關節型機器人，該型機器人移動速度快，控制靈活，但這類機器人大多數采用專用控制器，控制結構封閉，維修復雜，購買價格高。為了能在中小型企業中應用普及，本課題小組設計了一款系統開放性好，控制簡便，機械結構混合的噴涂機器人。
1 機器人結構分析與控制方案
1.1 系統機械結構
機器人主要應用于各式家具門的噴涂， 因此對機器人的機械結構設計以門噴涂實際需求為出發點。機器人主要任務是完成對門的兩側面和正面的噴涂， 對機器人關節靈活轉動有一定要求。從噴涂精度，作業占用空間和噴涂靈活性等角度考慮，機器人采用五自由度活動關節，混合型機械結構的設計方案。混合型機器人兼具直角坐標型機器人作業精度高，性能穩定的優點，同時又具有關節型機器人動作靈活的特點。機器人以直角坐標形式呈現的三軸分別為X、Y、Z 軸， 關節型形式的兩軸分別為P、R 兩軸。其中X 軸負責跟蹤噴涂對象的移動，Y 軸實行垂直方向的噴涂，Z 作為調節噴槍與對象距離的前后進給軸，P、R 軸用于噴槍360°的多角度協調定位。機器人本體通過控制器控制伺服系統帶動五個機械軸實現整體運動， 使噴槍準確到達噴涂的適當位置。機器人系統機械結構示意圖1。
圖1 機器人系統機械結構圖
1.2 系統控制結構
控制系統以IPC＋PLC 為控制核心， 實行上下兩級控制結構。系統控制對象由兩部分組成，一部分是機器人本體控制，另一部分是對噴涂對象的運動控制。五個機械軸臂由五個伺服系統驅動控制，五個伺服系統再通過PLC 自帶的4 組高速脈沖輸出和一個定位控制模塊通過發送高速脈沖的方式控制。IPC 主要提供人機交互操作界面，設置參數，傳送控制命令，監控系統運行等。PLC 作為系統的現場控制器，接受上位機傳輸的路徑規劃任務， 根據控制命令和傳感器反饋信息對五軸的伺服電機實行位置和速度控制，使電機按預定軌跡和要求運動。噴涂對象的運動速度調節，由現場噴涂工藝要求決定。通過PLC 控制數字變頻器驅動電機運轉，再結合編碼器信號反饋，實現噴涂對象的穩定移動。系統控制結構示意如圖2。系統通過RS－485 通信數據線將IPC 和PLC 連接起來， 將IPC 的人機可操作性和PLC的優良控制性能結合起來，使之構成一個操控性強的控制系統。
圖2 系統控制結構示意圖
1.3 機器人對噴涂對象的跟蹤
工業噴涂現場，往往實行流水線作業形式，噴涂對象以掛件形式跟隨掛架移動。為了提高作業效率，需要機器人隨噴涂對象同步運動。機器人跟蹤噴涂對象的主要思路如下：移動掛件主要通過電機帶動齒輪旋轉移動， 光電編碼器則負責檢測電機運轉速度， 編碼器把測得的脈沖個數反饋給PLC，PLC 根據單位時間內計量的脈沖個數，計算出當前電機運轉頻率。根據電機的頻率，PLC 向X 軸發送相應跟蹤脈沖頻率， 從而實現機器人跟蹤對象噴涂的要求。現證明對象移動速度與編碼器測得脈沖個數的關系。設對象移動的速度為V，齒輪半徑為r，設在T 時間內，通過編碼器反饋給PLC 的脈沖個數為N，n 為電機轉過一圈的脈沖數。對象移動速度公式如下：
通過工程實際調試使機器人運動與噴涂對象同速運行，記下多組機器人該運行速度時PLC 發送脈沖的頻率， 求得平均頻率為f，計算出f 與N／T（編碼器反饋的電機運轉頻率）的比例關系α。由于V 與N 呈線性關系，因此當噴涂對象運行速度變化時，PLC 只需要發送跟蹤脈沖頻率f＝α*N／T，就可以使機器人跟蹤噴涂對象。
2 控制系統硬件設計
2.1 主電路設計
主電路設計如圖3 所示。主電路主要給各單元提供電源，設計時必須體現保護電路各模塊用電安全的思想， 在可能發生電流過大的地方需要設置斷路器， 因此在系統主電路里分別對交流電主線和驅動器供電部分增設斷路器。PLC 內部本身具有220V 交流電轉直流24V 的功能模塊， 為了避免眾多需要24V供電的設備接向PLC，使PLC 內部電壓不穩，我們在主電路中又增加了220V 交流電轉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，對驅動器和交流轉直流模塊等供電電路通斷的控制， 主要通過接觸器實現。通過控制柜面板上電源開關控制接觸器的開斷，電源開關閉合，接觸器接通，整個電路通電。
圖3 主電路設計圖
2.2 控制電路設計
部分控制電路如圖4。輸入點分高速輸入點和通用輸入點。X0 和X1 為高速輸入點，適用編碼器等高頻信號的輸入。Y0、Y1等輸出口為高速脈沖輸出口， 主要向用于控制電機正反轉運動的驅動器發送脈沖序列和方向信號。其他通用輸入口則用來系統啟動、停止等開關量的輸入和各軸限位開關信號量的輸入。通用輸出口除用于使能和剎車外， 還能用于系統報警和控制噴槍開關的輸出。輸入輸出口功能定位主要依據各口接收和發送頻率大小而定。
3 機器人控制軟件設計
機器人軟件設計主要采用梯形圖模塊化設計思路， 整個軟件由六個功能模塊組成：系統參數初始化模塊、五軸原點復位模塊、噴涂對象移動速度檢測計算模塊、左側噴涂模塊、正面噴涂模塊、右側噴涂模塊。初始化模塊用于寄存器參數賦值或清零以及部分輔助繼電器使能等操作，比如噴涂總次數設定等；五軸原點復位模塊是作用于初始階段回歸各軸到原點位置的復位程序，各軸的原點復位便于機器人后續路徑的規劃；測速模塊包括對噴涂對象移動頻率的檢測以及計算機器人跟蹤頻率這兩部分程序，主要為X 軸跟蹤對象提供數據；兩側及正面噴涂模塊的作用是根據對應模塊的需要調動相關軸的協調運動。六個模塊利用特殊輔助繼電器和計數器觸發各個功能模塊的交替執行，這樣設計的程序邏輯結構清晰，程序量少。軟件執行流程如圖5。
程序設計除了采用模塊化設計思路外， 為了使程序更加簡潔高效， 在梯形圖中還采用了臺達PLC 中集成的運動控制指令，通過直接調用這些指令控制PLC 脈沖的輸出模式。比如調制脈沖波寬的PWM 指令，該指令由于具有在指令執行過程中改變其設定值有效的特點， 使輸出口的脈沖發送周期能及時根據設定值的改變而改變，并調節電機做相應運轉速度的變化，對需要跟蹤噴涂對象， 實時控制速度變化的X 軸來講非常合適。PLSR 是附加減速脈沖輸出指令［4－5］。用戶可以利用該指令在一定范圍內自由設定加減速時間， 以便調節運動軸的起噴速度和末端噴涂速度。Y 軸在上下噴涂移動時速度快，機械慣性產生的振動和噪聲很大， 使用該指令可以有效降低Y 軸高速起噴時的振動和噪聲。這些指令的使用大大簡化了程序編寫的復雜性，也方便了我們對電機的靈活控制。
4 結束語
根據以上系統控制設計方法，經過實驗室實際調試，完成了機器人對門兩側面和正面的模擬噴涂動作， 達到了跟蹤噴涂的要求。該型機器人生產成本低，系統開放性好，適合在中小型家具噴涂企業中應用推廣。
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本文標題：基于PLC 的噴涂機器人控制設計
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