基于SIMOTION D運動控制系統(tǒng)的新型噴涂設(shè)備

趙增強(qiáng)，李 慧，高云萌

（北京機(jī)械工業(yè)自動化研究所有限公司，北京 100120）

0 引言

隨著機(jī)器人噴涂技術(shù)的日益成熟，噴涂機(jī)器人廣泛應(yīng)用于各行業(yè)。機(jī)器人自動噴涂會大大提高噴涂質(zhì)量和生產(chǎn)效率，但是機(jī)器人自身的運動范圍有限，無法勝任大的工件的表面噴涂，故需要機(jī)器人外部軸的配合擴(kuò)大機(jī)器人的運動范圍，于是基于SIMOTION D運動控制系統(tǒng)開發(fā)的新型機(jī)器人涂裝設(shè)備應(yīng)運而生，并在實際應(yīng)用中取得了良好的應(yīng)用效果。

1 系統(tǒng)總體布置

本系統(tǒng)介紹的機(jī)器人自動噴涂設(shè)備是基于SIMOTION D運動控制系統(tǒng)開發(fā)的，應(yīng)用于北京某工藝開發(fā)公司的一種圓柱形工件的外表面噴膠和噴漆。工件示意圖如圖1所示。工件兩端連接帶中心軸的過渡環(huán)，以其中心軸支撐并傳遞旋轉(zhuǎn)動力。

圖1 工件外形示意圖

機(jī)器人及旋轉(zhuǎn)支撐由可在軌道上移動的旋轉(zhuǎn)支撐部分和圓柱段噴涂設(shè)備（配1臺機(jī)器人）組成。噴涂時工件旋轉(zhuǎn)，機(jī)器人夾持噴槍做往復(fù)運動，并可在導(dǎo)軌上移動，以圓環(huán)式分區(qū)噴涂或螺旋線形式連續(xù)噴涂完成噴涂。另外本系統(tǒng)還需要對涂料污染進(jìn)行遮擋處理，故設(shè)計了飛濺遮擋裝置。

噴涂設(shè)備的總體布置如圖2所示。

圖2 機(jī)器人自動噴涂系統(tǒng)總體布置圖

2 系統(tǒng)構(gòu)成

新型涂裝設(shè)備的系統(tǒng)組成分為噴涂機(jī)器人、機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三大部分。

2.1 噴涂機(jī)器人

噴涂機(jī)器人采用ABB的FlexPainter IRB5500-22防爆機(jī)器人，F(xiàn)lexPainter IRB5500-22機(jī)器人獨有的設(shè)計與結(jié)構(gòu)，使其擁有加速度高、噴涂速度快、工作范圍大、動作靈活、超長正常運動時間、節(jié)省涂料等諸多優(yōu)勢。機(jī)器人的工作范圍如圖3所示。

圖3 機(jī)器人工作范圍

2.2 機(jī)械系統(tǒng)

機(jī)械系統(tǒng)由直線行走裝置、工件旋轉(zhuǎn)支撐裝置、飛濺遮擋裝置組成。旋轉(zhuǎn)裝置通過過渡環(huán)中心軸與驅(qū)動裝置輸出端萬向聯(lián)軸器聯(lián)接，驅(qū)動工件以一定速度旋轉(zhuǎn)，機(jī)器人固定在直線行走裝置的滑板上，噴槍通過噴槍支架與機(jī)器人手腕相連接。噴涂作業(yè)時機(jī)器人夾持噴槍做往復(fù)運動，并可在導(dǎo)軌上移動，對固定或旋轉(zhuǎn)的工件進(jìn)行圓環(huán)式分區(qū)噴涂或螺旋線形式連續(xù)噴涂完成泡沫塑料及其他涂料的噴涂。

3 直線行走裝置

為了擴(kuò)展機(jī)器人動作范圍，使機(jī)器人工作范圍完全覆蓋工件圓柱段待涂外表面，本系統(tǒng)在噴房內(nèi)平臺上安裝直線行走裝置，移動行程約為17米。

直線行走裝置由交流伺服電機(jī)及減速器、滑板、直線導(dǎo)軌副、齒輪齒條副、導(dǎo)軌基座、防塵裝置、纜線拖鏈等部分組成。裝置由交流伺服電機(jī)、減速機(jī)組驅(qū)動，再經(jīng)過齒輪、齒條傳動，拖動安裝有機(jī)器人的滑板沿抗污染滾子直線導(dǎo)軌往復(fù)移動，使安裝在滑板上的機(jī)器人完成圓柱段外表面的噴涂，且噴涂過程中行走平穩(wěn)，拖鏈布置合理，便于機(jī)器人示教。

圖4 直線行走裝置

直線行走裝置在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，采取驅(qū)動電機(jī)減速機(jī)外置的方式，為了不影響工人的現(xiàn)場編程操作，將交流伺服電機(jī)、齒輪、齒條、拖鏈布置在滑動平臺外部，并且導(dǎo)軌裝置上表面全部鋪設(shè)可踩踏鋼制蓋板。

4 工件旋轉(zhuǎn)支撐裝置

工件旋轉(zhuǎn)支撐裝置是工件進(jìn)出噴房的工具，主要包括由兩組旋轉(zhuǎn)支撐裝置和驅(qū)動裝置組成，驅(qū)動裝置固定在噴房內(nèi)部，通過聯(lián)軸器與工件過渡環(huán)中心軸聯(lián)接，實現(xiàn)工件的自動旋轉(zhuǎn)。

驅(qū)動裝置主要由機(jī)架、交流伺服電機(jī)、減速器、萬向聯(lián)軸器、升降支撐架等組成；其中交流伺服電機(jī)采用封閉式安裝，腔體內(nèi)通壓縮空氣，做到正壓防爆。

考慮到工件安裝在車體兩端軸承座支架上，而且支撐裝置坐落在鋼軌上，其鋼軌鋪設(shè)誤差、過渡環(huán)與工件的安裝誤差，不可避免使減速器輸出端和工件驅(qū)動輸入端產(chǎn)生偏心現(xiàn)象，為了彌補(bǔ)此偏心，采用萬向聯(lián)軸器做為傳遞扭矩的載體，保證了工件旋轉(zhuǎn)過程中平穩(wěn)。即旋轉(zhuǎn)驅(qū)動方式采用交流伺服電機(jī)經(jīng)減速器帶動萬向聯(lián)軸器，由萬向聯(lián)軸器與過渡環(huán)上的中心軸連接后，實現(xiàn)箱體自動旋轉(zhuǎn)，并且設(shè)置升降支撐架，當(dāng)工件與驅(qū)動端脫離時，支撐架可以托起萬向聯(lián)軸器待用。

驅(qū)動連接方式如圖5所示。

圖5 萬向聯(lián)軸器連接示意圖

每個旋轉(zhuǎn)支撐裝置上安裝有工件旋轉(zhuǎn)所需支撐軸承座，工件在安裝好過渡環(huán)后，過渡環(huán)中心軸支撐在兩端旋轉(zhuǎn)支撐裝置的軸承座上，將兩端的車體軸承座上鎖緊，再由人工將載有工件的旋轉(zhuǎn)支撐裝置推進(jìn)噴房，連接上過渡環(huán)中心軸與驅(qū)動裝置萬向聯(lián)軸器,實現(xiàn)工件的自動旋轉(zhuǎn)。支撐部分具備手動剎車裝置，可在導(dǎo)軌上自由移動，就位后可固定。

5 飛濺遮擋裝置

飛濺遮擋裝置與機(jī)器人滑板通過連接板連接，為了滿足機(jī)器人擺幅寬度調(diào)整需要，可手動調(diào)整遮擋裝置與機(jī)器人間的距離，通過機(jī)器人移動滑板帶動遮擋裝置前進(jìn)、后退，遮擋裝置水平運動速度與機(jī)器人同步。

飛濺遮擋裝置結(jié)構(gòu)采用卷取設(shè)備中開卷機(jī)、收卷機(jī)的形式。收卷部分采用防爆變頻調(diào)速電機(jī)驅(qū)動通過實時調(diào)整變頻器的頻率，保持遮擋帶線速度恒定，同時在放卷部分的安全卡盤后部安裝氣動制動器，使收卷時遮擋帶保持一定張力，最終由收卷部分收起。

6 控制系統(tǒng)

6.1 控制系統(tǒng)的構(gòu)成

控制系統(tǒng)由主控系統(tǒng)、控制盒以及機(jī)器人控制系統(tǒng)等組成，完成對機(jī)器人、直線行走裝置、工件旋轉(zhuǎn)支撐裝置、涂料飛濺遮擋裝置、噴槍開關(guān)動作等設(shè)備的協(xié)調(diào)與控制。控制系統(tǒng)與噴房之間進(jìn)行I/O通訊，通過實時計算機(jī)器人位置，以此分段控制噴房的送排風(fēng)。

主控系統(tǒng)采用西門子SIMOTION D運動控制系統(tǒng)，控制直線行走裝置的直線軸（小車軸）和工件旋轉(zhuǎn)支撐裝置的旋轉(zhuǎn)軸（主軸），兩軸均采用西門子原裝伺服電機(jī)，主軸伺服電機(jī)帶動工件按設(shè)定的速度旋轉(zhuǎn)，小車軸伺服電機(jī)帶動安裝機(jī)器人的滑臺；涂料飛濺遮擋裝置采用變頻調(diào)速電機(jī)，由西門子變頻器進(jìn)行速度的控制；上位采用的觸摸屏，具有故障顯示功能，便于設(shè)備排除故障；總控系統(tǒng)與機(jī)器人系統(tǒng)間實時交互狀態(tài)信息，機(jī)器人固定在滑臺上，沿導(dǎo)軌按設(shè)定的速度和方向運行，同時控制飛濺遮擋裝置的開收卷動作和噴槍動作，實現(xiàn)在工件表面的噴涂施工。

機(jī)器人控制系統(tǒng)采用IRC5P控制柜，擁有控制機(jī)器人及噴涂工藝設(shè)備所需的全部功能。可通過噴涂示教器（PTPU）、PLC界面采用噴涂指令協(xié)議等方式進(jìn)行機(jī)器人的控制。本系統(tǒng)中配備DP通訊卡，與主控系統(tǒng)之間通過總線通訊。

考慮到噴涂的特殊性，本系統(tǒng)在噴房內(nèi)的器件均采用本安防爆或者做隔爆處理。

主控制柜采用觸摸屏顯示，具備以下功能：

工件旋轉(zhuǎn)：實現(xiàn)轉(zhuǎn)速設(shè)定、顯示，旋轉(zhuǎn)方向選擇等。

機(jī)器人移動：實現(xiàn)機(jī)器人位置檢測、移動速度設(shè)定、顯示等。

機(jī)器人動作：實現(xiàn)機(jī)器人程序選擇、程序段顯示等。

噴槍動作：實現(xiàn)噴槍的開關(guān)、清槍等。

系統(tǒng)安全：實現(xiàn)急停、恢復(fù)等。

控制盒：位于機(jī)器人移動平臺上，設(shè)置以下按鈕：

旋轉(zhuǎn)控制：正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止、正轉(zhuǎn)點動、反轉(zhuǎn)點動，急停等。

移動控制：前進(jìn)、后退、停止、走速檔位選擇，急停等。

噴槍動作：實現(xiàn)噴槍的開關(guān)、清槍等。

6.2 控制系統(tǒng)框圖

SIMOTION D運動控制系統(tǒng)集成了運動控制、邏輯控制和工藝控制功能。本系統(tǒng)采用SIMOTION D425控制器。

控制框圖如圖6所示。

圖6 控制系統(tǒng)框圖

SIMOTION D將PLC功能、工藝功能和運動控制功能直接集成在 SINAMICS S120驅(qū)動系統(tǒng)的控制模塊中，使之成為一個機(jī)器緊湊的擁有控制器及驅(qū)動器的系統(tǒng)。其中，兩臺伺服電機(jī)通過Drive_Cliq口與SIMOTION D的電機(jī)模塊相連；涂料飛濺遮擋裝置的變頻器通過Profibus-DP總線與SIMOTION D通訊來進(jìn)行控制；觸摸屏通過Profinet總線與SIMOTION D實時通訊；噴涂機(jī)器人通過Profibus-DP總線與SIMOTION D實時通訊，外圍信號與運動控制系統(tǒng)SIMOTION D之間通過I/O的方式連接。

6.3 硬件組態(tài)

該系統(tǒng)的硬件組態(tài)如圖6所示。硬件組態(tài)在SIMATIC Manager中編輯。

對照圖7、圖8能清晰的看出系統(tǒng)各個部件組態(tài)情況，詳細(xì)的報文地址和信息。SIMOTIOND本身自帶8個輸入，8個可以自由定義輸入輸出的I/O。如有需要，通過DRIVE-CLIQ接口擴(kuò)展TM15，TM31或者通過總線Profibus-DP/Profinet等方式擴(kuò)展分布式I/O模塊來提供足夠的I/O輸入輸出點的數(shù)量。

圖7 SIMATIC Manager中的HW config

圖8 SCOUT中的Telegram configuration

6.4 SIMOTION D控制器與機(jī)器人的通訊

為了增加通訊的數(shù)據(jù)量，減少現(xiàn)場接線，噴涂機(jī)器人配備DP通訊板卡，機(jī)器人和SIMOTION D控制器之間進(jìn)行Profibus-DP通訊。首先需要在SIMATIC Manager的HW Config中安裝機(jī)器人DP通訊板卡的GSD文件，然后對DP通訊板卡進(jìn)行組態(tài)，組態(tài)完成之后對整個項目編譯保存，如圖9所示。

圖9 機(jī)器人板卡的組態(tài)

在SIMOTION SCOUT調(diào)試軟件的ADDRESS LIST中直接按照圖9的HW Config中組態(tài)的地址對機(jī)器人地址區(qū)域IN16～31，OUT16～31的地址進(jìn)行通訊變量的定義（如圖10所示），然后在程序中直接調(diào)用這些變量，即可輕松實現(xiàn)SIMOTION D控制器與機(jī)器人的數(shù)據(jù)交換。

圖10 機(jī)器人通訊數(shù)據(jù)區(qū)域的定義

6.5 人機(jī)界面

本系統(tǒng)人機(jī)界面包括操作面板和觸摸屏兩部分。

通過面板功能按鈕可以完成系統(tǒng)上電斷電操作，設(shè)置工作方式，可以實現(xiàn)對直線行走裝置、工件旋轉(zhuǎn)支撐裝置以及遮擋裝置的手動操作，機(jī)器人噴槍的手動控制，系統(tǒng)回零操作等功能。

觸摸屏采用德國西門子公司的TP1200精智系列觸摸屏，主要功能是完成控制系統(tǒng)的人機(jī)對話，其界面分為主監(jiān)控界面、主軸與小車參數(shù)設(shè)定與狀態(tài)顯示界面、故障報警界面、系統(tǒng)操作界面、控制盒操作界面、輸入輸出信號監(jiān)控界面。通過這些界面，可以完成對整個系統(tǒng)的實時監(jiān)測、動態(tài)顯示工作狀態(tài)等功能。

圖11 人機(jī)界面

6.6 工藝過程描述

圖12 工藝過程示意圖

當(dāng)收到系統(tǒng)發(fā)出的噴涂指令，待噴工件開始旋轉(zhuǎn)，直線行走裝置啟動，噴涂機(jī)器人和飛濺遮擋裝置隨機(jī)器人滑臺向前移動；當(dāng)涂料飛濺遮擋裝置到達(dá)遮擋位置時，啟動飛濺遮擋裝置；噴涂機(jī)器人移動到噴涂位置，打開涂料開關(guān)、打開噴槍開關(guān)，開始噴涂作業(yè)；當(dāng)飛濺遮擋裝置到達(dá)不需要遮擋的位置時，關(guān)閉飛濺遮擋裝置；當(dāng)噴涂機(jī)器人移動到噴涂結(jié)束位置時，關(guān)閉涂料開關(guān)、關(guān)閉噴槍開關(guān)，完成噴涂作業(yè)。

直線行走裝置將噴涂機(jī)器人和飛濺遮擋裝置移載至初始位停止，待命。

6.7 軟件實現(xiàn)

該控制系統(tǒng)的調(diào)試軟件采用西門子的SIMATIC Manager和SIMOTION SCOUT或者集成在Portal里的SCOUT。Portal軟件完成對TP1200精智系列觸摸屏程序的編制，SCOUT軟件完成SIMOTION的調(diào)試，支持多種編程語言，此應(yīng)用中用MCC實現(xiàn)主軸和小車實現(xiàn)運動功能，用LAD完成系統(tǒng)的邏輯判斷和運算。

程序流程圖如圖13所示。

圖13 程序流程圖

7 結(jié)語

該新型噴涂設(shè)備的控制系統(tǒng)采用的西門子SIMOTION D425運動控制系統(tǒng)，模塊化的設(shè)計，運動控制器加觸摸屏的配置方式，使得整個系統(tǒng)簡單明了，功能強(qiáng)大，操作簡便，在降低成本的同時，大大縮短設(shè)計和調(diào)試的時間。SIMOTION D運動控制系統(tǒng)和噴涂機(jī)器人系統(tǒng)實時通訊，高效配合，目前該系統(tǒng)在北京某工藝開發(fā)公司已有兩次成功應(yīng)用。在實際應(yīng)用中，SIMOTION D運動控制系統(tǒng)的高效高質(zhì)量的優(yōu)勢得到了充分的體現(xiàn)。