機器人外軸替代法在自動涂裝業(yè)的應(yīng)用

趙之堅，苗 宏，蔡 鵬，榮海東

ZHAO Zhi-jian1,MIAO Hong2,CAI Peng1,RONG Hai-dong3

（1. 三一電氣有限責任公司，北京 102206；2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 深圳研究生院，深圳 518055；3. ABB（中國）有限公司，北京 100016）

0 引言

隨著科技的發(fā)展，近十年噴涂機器人在工業(yè)現(xiàn)場已呈現(xiàn)出廣泛使用的趨勢。由于使用機器人噴涂均勻性好，重復(fù)精確度遠遠高于人工，因此避免了手工噴涂人員因技術(shù)、情緒、體力等因素造成的產(chǎn)品質(zhì)量缺陷，使工件噴涂質(zhì)量有了根本性的保障。由于噴涂作業(yè)屬于有害作業(yè)，采用機器人作業(yè)可大大降低工人的勞動強度，提高生產(chǎn)效率，同時由于機器人在噴涂過程中流量、扇面、霧化的大小均可隨時調(diào)整，可大大減少油漆的損耗，提高油漆的利用率。

機器人系統(tǒng)由機器人機械本體、控制系統(tǒng)、示教器和應(yīng)用軟件等組成。機器人機械本體采用六軸關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)。 控制系統(tǒng)采用奔騰級及更高性能CPU和全數(shù)字式信號通訊方式，能夠控制機器人機械本體的六個軸，還能擴展兩個個外部軸。工件本身體型較大導(dǎo)致需要機器人機械本體需要實現(xiàn)行走，或是工件本身需要實現(xiàn)回轉(zhuǎn)動作時，機器人廠商推薦的實現(xiàn)方案有給六軸機器人配置外部軸的方式。但使用外部軸的實施方式在的成本方面不夠經(jīng)濟，本文介紹了一種采用伺服電機的方式實現(xiàn)機器人機械本體的移動行走和工件本身的回轉(zhuǎn)等動作，以替代給六軸機器人配置外部軸的實現(xiàn)方式。這一替代方法在多個企業(yè)的自動噴涂系統(tǒng)中獲得了應(yīng)用。

1 系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

本文介紹的噴涂系統(tǒng)通常由噴涂機器人，直線行走裝置或工件回轉(zhuǎn)機構(gòu)和供輸漆系統(tǒng)等幾部分組成。系統(tǒng)構(gòu)成見圖1。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成圖

1.1 噴涂機器人簡介

選用ABB公司的IRB540型噴漆機器人。IRB 540是一款面面兼顧、結(jié)構(gòu)精簡的機器人，配備獨創(chuàng)的專利技術(shù)FlexWrist(柔性手腕)，十分方便人工編程（點到點、連續(xù)路徑）。該機器人能穩(wěn)定保持出色的涂裝質(zhì)量并防止過噴，減少原料耗用和浪費。

1.2 直線行走裝置的驅(qū)動系統(tǒng)

采用交流伺服系統(tǒng)，驅(qū)動器本身帶控制，可以對移載機構(gòu)的運動速度和運動距離進行設(shè)置，以滿足機器人在噴涂時對移載機構(gòu)的運動要求。項目實施中實際選用的交流伺服電機技術(shù)參數(shù)如下：

1.3 總控系統(tǒng)

上位機采用工業(yè)控制機，其作用主要是監(jiān)控系統(tǒng)的工作狀態(tài)，報警信息顯示，打印工作報表等。下位機采用西門子公司的S7-200PLC主要作用是對外圍設(shè)備、噴房，移動裝置，總控臺的輸入指令信號、噴漆機器人的工作狀態(tài)信號進行實時處理。

1.4 供輸漆系統(tǒng)和噴槍

均采用美國GRACO公司的產(chǎn)品。

1.5 工業(yè)監(jiān)視系統(tǒng)

通常在自動噴涂段的兩側(cè)兩端各設(shè)1處CCD攝像機，每臺攝像機配置室內(nèi)全方位云臺，可變鏡頭，云臺可實現(xiàn)水平方向0-360°轉(zhuǎn)動，垂直方向可實現(xiàn)±60°轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)全方位監(jiān)控。云臺鏡頭控制器可控制云臺機鏡頭的變化。1臺21”彩色電視監(jiān)視器可自動切換顯示2臺攝像機的監(jiān)視情況。

2 外軸替代法的硬件系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 硬件系統(tǒng)

總控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)包括以下器件：

機器人控制器自帶一塊直流24V數(shù)字式I/O板，16入/16出；

交流伺服電機驅(qū)動器配備一塊數(shù)字式I/O卡，14入/8出；

主控制器即PLC的數(shù)字輸入輸出模塊的點數(shù)配置留有10%—20%余量。

項目實施的難點之一就是三個I/O單元連接方式的拓撲機構(gòu)。實際使用中用到了兩種方式，一種是以PLC為中心的星形連接方式，一種是PLC、機器人和伺服電機構(gòu)成的三角形連接方式。

其中星形連接方式 用于綿陽某單位的精密自動噴涂系統(tǒng)中，三角形連接方式用于西安某單位的兩套三防機器人自動噴涂系統(tǒng)中。兩種方式均實現(xiàn)了客戶的技術(shù)要求，但在實現(xiàn)過程中，都具有一定的優(yōu)點和不足之處。

2.2 軟件系統(tǒng)

總控系統(tǒng)的軟件的實現(xiàn)。

工作站總控制系統(tǒng)的功能：

1）協(xié)調(diào)控制噴漆室設(shè)備與自動噴涂設(shè)備，形成聯(lián)鎖保護。

2）協(xié)調(diào)控制行走機構(gòu)，涂料輸送，噴槍開關(guān)與機器人動作。

3）實現(xiàn)噴漆室內(nèi)及控制室內(nèi)兩地控制轉(zhuǎn)換。

4）各種工件程序選擇。

5）工作站故障報警與顯示。

6）自動生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計及打印。

7）電視監(jiān)控系統(tǒng)控制。

8）與消防、安全系統(tǒng)信號銜接。

主控監(jiān)控界面如圖2所示。

圖2 主監(jiān)控畫面

3 自動噴涂項目實現(xiàn)方法

3.1 項目各部分聯(lián)動工作過程說明

1）各單元（噴房、外圍設(shè)備、機器人、回轉(zhuǎn)裝置、總控系統(tǒng)）分別上電后；

2）總控系統(tǒng)首先檢測各子系統(tǒng)的工作狀態(tài)（如噴房的溫度、濕度、壓力是否正常，空氣的正壓和負壓、消防系統(tǒng)和機器人系統(tǒng)是否正常），如果一切正常，向總控系統(tǒng)發(fā)機器人準備就緒信號，等待工作。

3）系統(tǒng)操作人員從總控臺上設(shè)置工作程序號及其它參數(shù)，在總控臺或從總控柜上向機器人發(fā)啟動信號。

4）機器人啟動后，首先讓回轉(zhuǎn)裝置以第一段設(shè)置的速度運動第一段角度，同時，機器人執(zhí)行第一段程序，第一段程序噴涂完畢后，回轉(zhuǎn)裝置向機器人發(fā)第一段位置運動完畢命令。

5）機器人收到此信號后立即向回轉(zhuǎn)裝置發(fā)下一段程序運動命令，同時，機器人也執(zhí)行第二段程序，第二段程序噴涂完畢后，回轉(zhuǎn)裝置再向機器人發(fā)第二段位置運動完畢命令，機器人收到此信號后再立即向回轉(zhuǎn)裝置發(fā)下一段程序運動命令。

6）這樣周而復(fù)始的工作，直到一個程序噴涂完為止，這時機器人再向總控發(fā)待命信號，等待總控的第二個啟動信號，或重新改變程序號后再發(fā)啟動信號。

3.2 機器人程序示例

4 結(jié)束語

這些項目的開發(fā)、研制，及調(diào)試工作已順利完成。經(jīng)過試生產(chǎn)后該系統(tǒng)已正式投入運行，該系統(tǒng)運行性能穩(wěn)定，各子系統(tǒng)運行可靠，各項指標均符合設(shè)計要求。工件噴涂后漆膜厚度均勻、一致性好、無桔皮現(xiàn)象、色差均勻、油漆消耗降低了30%，產(chǎn)品一次合格率高。

隨著我國工業(yè)領(lǐng)域自動化水平的不斷提高，噴涂機器人的應(yīng)用會更加廣泛，這將大大提高我國整個制造行業(yè)的自動化水平。

[1]S7-200技術(shù)資料集[Z]

[2]ABB機器人用戶手冊[Z].ABB公司.

[3]伺服電機及驅(qū)動器技術(shù)手冊.Kollmorgen公司