涂膠機系統設計研究與開發

李明儒 于 煥 郭云緋 王秋月

（新松機器人自動化股份有限公司，遼寧 沈陽 110168）

現在國際上流行的噴涂機系統一般分為三種，第一種是一般噴涂機，這種噴涂機只適合于對簡單的工作平面進行噴涂，因為它只有一個運動軸，只能作往復運動（有時也稱往復機），被噴涂的工件一般均在自動線上運動，這樣，噴涂機與自動線配合起來就可以完成對一個平面的噴涂，但是，要對一些有曲面形狀的噴涂對象進行噴涂就無能為力了。第二種是機械硬仿形噴涂機 ，這種噴涂機的噴槍運動是靠安裝在噴涂機內部的仿形導軌來引導噴槍運動的，這種仿形是按照被噴涂對象的外表面設計而成的，導軌的仿形形狀有S 形和C 形等，這樣噴槍沿著導軌運動時，正好與被噴的對象相吻合。第三種是軟仿形噴涂系統，這種噴涂系統在被噴涂表面運動時，一般需要三個運動軸同時運動。噴槍運動的軌跡是靠計算機的軟件編程來控制，以達到對不同的噴涂對象噴涂時，只須使用不同的運動程序，這樣，使用一套軟仿形噴涂設備就可以完成對不同的噴涂對象進行相應的噴涂。

1 系統設計思想及實現方法

本文主要是針對上述第三種噴涂機系統，即軟仿形噴涂系統進行研究和開發。

1.1 涂膠工藝流程

操作者首先將工件放入涂膠機內的定位夾具上，身體退出光柵保護區（防止自動涂裝時誤傷人體），然后啟動工作按鈕。

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，設備發出警報，人工可重新調整擺放。

X，Y，Z 三坐標機械手上的涂膠槍，在氣動系統下從防凝固的硅油杯中提出，按照所選的程序軌跡，對工件平面自動進行涂膠作業。

當涂膠完畢，涂膠槍自動返回原點，涂膠嘴自動浸入硅油液缸，并進行綠燈顯示，此時操作者方可從涂膠機缸內拿出工件。

1.2 涂膠機本體

三坐標機器手X，Y 的兩軸電機采用伺服電機確保控制的精準度，兩個伺服傳動軸均選用日本小金井公司的一體化進口產品，其傳動軸由高精度滾珠絲杠和精密直線導軌組成，通過伺服驅動控制，可實現平面軌跡的直線插補和圓弧插補功能，并保證了涂膠槍行走的高速和軌跡的重復定位精度。Z 軸，高度方向上由氣缸驅動控制，主要用于涂膠槍的上下移動，以實現防干膠保護和調整涂膠嘴與涂膠平面的距離。該涂膠機的設計，制造特點如下：

X，Y，Z 三軸行程分別是，1050mm，800mm，50mm。其中Y 軸為懸臂結構形式。

操作面板為懸臂，可旋轉式安裝結構，便于人工操作。

涂膠機正面配置安全光柵，其他側面配置有機玻璃防護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，定位夾具上設有光電傳感器，以避免零件和噴嘴發生干涉或放錯位置。

安裝定位夾具使用自動定位夾緊方式，且關鍵件全部進行表面亮化處理。

1.3 軟仿形涂膠系統采用的系統配置

1.3.1 采用 PLC，機器人控制機與GOT

采用機器人控制器通過其自帶的軟件實現噴槍的運行軌跡，配置的GOT（圖形操作終端）作為操作人的人機界面，以及用PLC 轉接通訊控制接口。機器人控制器通過編程實現運行軌跡的規劃，并可通過示教確定軌跡路線。外部保護傳感器，按鈕，報警設備接至PLC 可確保運行準確性與安全性。GOT 可提供便捷，直觀的人機交互界面，可確認工作狀態，既便與觀察設備狀況又方便操作。系統框如圖1 所示:

1.3.2 采用變頻調速加位置反饋

采用變頻器控制異步電機加電位器（或編碼器）反饋組成簡易伺服系統，上位機采用PLC（可編程控制器）進行控制。PLC 進行運動軌跡的規劃，通過反饋上來的位置信息進行編程，伺服響應PLC 的控制信號，從而控制電機運行。

系統框圖如圖2 所示

1.3.3 方案比較

比較兩種方案：第二種系統方案的設計優點就是成本比較低，但是，系統組成卻比較困難，因為，組成伺服系統的各個部件（如變頻器，電機，電位器，等均為非伺服系統部件），所以設計系統所須的調研時間相對比較長，控制的精度相對比較低。第一種系統方案的設計的優點是組成系統相對比較容易。基本系統設計所須的時間相對比較短，而且上位機編程比較容易，而且外圍設備可以用PLC 控制。PLC 連接GOT 實現便捷的操作控制。

因此，本文軟仿形電控系統在方案確定時，選用了第一種方案進行設計。

2 系統的組成

本文軟仿形電控系統主要分為三大部分,即：GOT、機器人控制器、PLC。

2.1 GOT（圖形操作終端）

本系統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界面產品。用于在惡劣的工業環境中應用，可代替工控計算機作為人機界面，具有交互性好、可靠性高、編程簡單，與PLC 聯接簡便等特點。其使用RS-232C 與PLC 進行通信。用其自帶的編程軟件實現對觸摸屏內部畫面及其功能的方便編輯。采用觸摸屏作為人機交互界面，作為操作人員和機器設備之間雙向溝通的橋梁，可以通過文字、按鈕、圖形、數字等來處理或控制管理及應付隨時可能的變化信息，能明確指示并了解操作員操作機器目前的狀況，極大提高了設備的附加性。強大的功能及優異的穩定性是它非常適合于工業環境，用它不僅取代了繁瑣的各種按鈕和指示燈，簡化了設計，而且提供了豐富的各種各樣信息。

2.2 機器人控制器

圖3

圖4

該涂膠機的控制器選用日本小金井公司的產品，型號為ABDRCX，控制器的特點為：32 位CPU 可實現高速、高精度的直線，圓弧插補控制，和大容量的I/O 接口配置。其控制原理分四個過程：第一個過程在機器人控制中稱作示教，也就是通過計算機可接受方式告訴機器人去做什么，這里為涂膠槍的走行軌跡；

第二個過程則是機器人控制系統中的計算機部分，它負責整個機器人系統的管理、信息獲取及處理、控制策略的制定，作業軌跡的規劃等任務，這是機器人控制系統的核心部分；第三個過程是機器人控制中的伺服驅動信號，驅動伺服電機，實現機器人的高速、高精度運動，去完成指定的作業。最后一個過程則是機器人控制中的傳感器部分，通過傳感器的反饋，保證機器人去正確地完成指定作業，同時也將各種姿態反饋到計算機中，以便計算機實時監控整個系統的運動情況。圖3是機器人控制的基本原理框圖。

控制機的主要性能指標如下：

控制軸數及方法：2 軸交流伺服驅動，全數字控制。

最大驅動功率：1.2（1.8）KW。

存儲容量：100個程序，1000個點位，每個程序最多255 步。

存儲理電池的使用壽命：5年。

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

外部通電接口：RS232C

運動控制方式：PTP，CP，ARC。

速度設定：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

PLC 是微機技術和繼電器常規控制概念相結合的產物，是在程序控制器、1 位微處理機和微機控制及其基礎上發展起來的新型控制器。從廣義上講，PLC 是一種計算機系統，只不過它比一般的計算機具有更強的與工業工程相接的輸入/輸出接口，具有更適合用于控制用的編程語言，具有更適合應用于工業環境的看干擾能力。因此，PLC 是一種工業控制用的專用計算機。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：

本設計采用了由OMRON 公司C60P 系列PLC,其為整體式結構是把 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構。一個箱體就是一個完整的PLC。它的特點是結構緊湊，體積小，成本低，安裝方便。選用的CPM2AH 型號的C60P 有36 點輸入，24 點輸出，應用其輸入/輸出模塊來實現對外圍設備的控制。PLC 上電后，就在系統程序的監控下，周而復始地按固定順序對系統內部的各種任務進行查詢、判斷和執行，這個過程實質是一個不斷循環的順序掃描過程。PLC 采用周期掃描機制，簡化了程序設計，提高了系統的可靠性。具體表現在：在一個掃描周期內，前面執行的任務結果立即就可被后面將要執行的任務所用；可以通過設定一個監視定時器來監視每個掃描周期的時間是否超過規定值，避免某個任務進入死循環而引起故障。PLC 在一個掃描周期內基本上要執行以下六個任務：

運行監視任務。

與編程器交換信息任務。

與數字處理器（DPU）交換信息任務。

與外部設備交換信息任務。

執行用戶程序任務。

輸入/輸出信息處理任務。

PLC 的工作過程如下圖5所示:

圖5

圖6

2.3.2 PLC 的軟件設計

應用OMRON 公司的PLC 配套軟件，根據被控對象的輸入/輸出信號及所選的PLC型號分配PLC 的硬件資源，為梯形圖的各種繼電器或接點進行編號，再根據軟件規格說明書，用梯形圖進行編程。由于運行軌跡的規劃是在機器人控制器中實現，這樣PLC 編程部分只涉及到安全控制的邏輯編程，以I/O形式與機器人控制器進行通信，實現起來簡單可靠。

3 軟仿型涂膠機的主回路電氣原理圖

整個系統總電源為220V，通過熔斷器給系統給環節上電，同時設有急停開關控制主接觸器保證安全，PLC 環節，在主接觸器后經過隔離變壓器，再通過濾波器進行穩壓，實現PLC 上電，同時經過DC(直流電源)對PLC 輸入/輸出模塊上電，電壓為24V，使得系統同步上電，并有上電指示燈指示上電狀態，隔離變壓器起隔離電壓作用。主要部件前端設有分相空氣開關，便于調試與設備檢修。

4 結論

基于PLC，機器人控制器，GOT 技術設計的涂膠機組成系統比較容易，設計所須的時間相對比較短，編程操作簡單，涂膠控制可視化操作簡單易學，缺點是系統成本相對較高。

[1]歐姆龍產品說明書。

[2]國內外機電一體化技術。

[3]機器人技術與應用文獻

[4]機器人/王天然主編.-北京：化學工業出版社

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