基于汽車涂裝的追蹤式擦凈設備防碰撞系統的 設計和實現

徐海巖　任廣通　牛廣飛　謝東廷

摘 要：追蹤式擦凈設備具有耦合運動的特點，運動路徑復雜，易發生碰撞或干涉，本文基于汽車涂裝的追蹤式擦凈設備，研究其防碰撞系統。利用編碼器計算車體理論移動位置，與實際進行比對自動判定其碰撞概率并給出警告。利用光電傳感器檢測設備與車身之間距離，距離過小時及時停止系統運行，解決汽車涂裝的追蹤式擦凈設備與車體發生碰撞的難題。

關鍵詞：汽車涂裝 追蹤式 碰撞系統

Design and Implementation of Anti-collision System for Tracking Cleaning Equipment Based on Automobile Coating

Xu Haiyan，Ren Guangtong，Niu Guangfei，Xie Dongting

Abstract：The tracking type cleaning equipment has the characteristics of coupled motion， the movement path is complicated， and it is prone to collision or interference. This article is based on the tracking type cleaning equipment of automobile coating to study its anti-collision system. The encoder is used to calculate the theoretical moving position of the car body， and comparing it with the actual situation to automatically determines its collision probability and gives a warning. The photoelectric sensor is used to detect the distance between the equipment and the car body， and the system will be stopped in time when the distance is too small to solve the problem of collision between the tracking type cleaning equipment of the car painting and the car body.

Key words：car painting， tracking， collision system

1 引言

涂裝車間面漆工藝前需要對車體進行擦凈處理，最大程度減少后續噴涂工藝可能產生的噴涂缺陷[1]。在噴涂工藝前，車身輸送過程中的工藝、環境等各種因素會對車身造成污染，車身大多存在油污、鐵屑、打磨灰等雜質。噴涂工藝要求車身具有較高的潔凈度，任何污染或雜質可能會造成車身縮孔、漆渣、不沾漆等質量缺陷，嚴重時甚至造成車身報廢。對車身擦凈是避免噴涂質量缺陷的重要方式，原始的擦凈方式是人工進行擦凈，人工擦凈的車身潔凈度不高，目前已經被自動化的擦凈設備取代[2]。追蹤式擦凈設備是在車身前進不停的情況下對車身進行擦凈，在提升潔凈度的同時還滿足了高產量的需求。但是需要擦凈設備和車身運動的高度配合，一旦出現微小差異擦凈設備就會偏擺超限，與車身碰撞而致使車體損傷甚至報廢，因此需要設計一款防撞系統規避此現象。

2 系統組成及原理

2.1 光感防撞系統

2.1.1 光感防撞系統組成

擦凈設備防撞保護系統，是由四路收發一體封閉光電型傳感器圖A及西門子遠程輸入輸出模塊圖B所示和西門子可編程序控制器電路圖C所示組成的。系統組成框圖如圖1所示。

當系統正常啟動工作時，光電檢測系統會以60HZ的頻率檢測光電傳感器的反饋信號，正常的光電傳感器通過西門子遠程輸入輸出模塊反饋給西門子可編程序控制器的為數字信號“1”，反之光電傳感器反饋為數字信號“0”，系統則認為擦凈設備與車體發生碰撞，再通過西門子可控編程器內設定的邏輯安全程序使擦凈設備立即進入停車狀態不再運行，從而達到保護車體不會因為擦凈設備受損。

2.1.1 光感防撞系統的硬件設計

擦凈設備防撞系統的傳感器由于擦凈設備工作時運動幅度大并且離車體距離有比較近，普通的電容電感式傳感器根本無法達到設計碰撞報警作用，所以最終選擇了光電對射式傳感器，對射傳感器好處是靈敏度高，而且符合設計原理[3]，但市場中的光電對射傳感器直接安裝后由于工作環境及安裝位置的原因造成誤報警，經分析在擦凈設備運動動時滾輪會阻擋對射傳感器的光源傳播以及在清擦車身時一些灰塵也會降低光線的傳播，因而造成誤報警。將光電對射式傳感器的發射與接收端用膠皮包裹到達防塵防干擾的效果，在將此組合體安裝在擦凈設備滾輪四周，在其清擦車身過程中，如果與車體發生碰撞時，滾輪四周用來包裹光電對射式傳感器膠皮勢必會因擠壓變形，從而阻擋內部光線傳播達到改變光電對射傳感器信號改變的效果，再通過西門子可編程序控制器內部設定好的安全程序是機器人第一時間停車，起到保護車身的效果。

2.2 位置同步檢測系統

2.2.1 位置同步檢測系統的系統組成及原理

光感防撞系統僅用于擦凈機器人對車身擦凈時的檢測，其覆蓋范圍總體不夠全面。車身滑移導致編碼器計算的理論位置和實際位置差異是碰撞發生的主要原因，所以設計一套位置同步檢測系統配合此套系統使用，用于車身在行進過程中的同步檢測，由三個電感式傳感器及西門子遠程輸入輸出模塊、西門子可編程序控制器組成。

當車身進入擦凈站內時，承載車身的滑撬觸發傳感器，此時車身繼續前進，由西門子可編程序控制器（以下簡稱CPU-300）軟件編寫的程序開始運行計算并在特定位置與程序內預設數據（預設數據為車身正常進入擦凈站內監控百余次計算的平均值）進行對比，其報警精度為30mm，如果車身非正常進入或者進入過程中發生位置偏移都會在特定位置與預設數據進行對比，一旦超出范圍就會報警并且使站內所有機器人及設備進入到停止狀態，同時記錄報警時的車身錯誤距離以便分析錯誤原因，這樣就避免設備輥輪與車身發生碰撞，達到保護車身的目的。

2.2.2 位置同步檢測系統的硬件設計

位置同步檢測系統是在現場擦凈站內的輥床上選取三個關鍵點，在三個關鍵點處安裝傳感器用于檢測以及比對車體距離，每個關鍵點的選取都是根據擦凈設備的仿形決定，因為這套系統的主要作用就是避免擦凈設備與車身發生碰撞，所以選取關鍵點時，就要基于仿形特征去選取，而這三個關鍵點最主要的特征就是在關鍵點之前即使車身發生了位置偏移，設備的運行軌跡也不會與車身發生碰撞，檢測傳感器的位置選取與設備的仿形設計就要達到高度契合、相輔相成。從而達到監控車身距離避免碰撞的效果。

2.2.3 位置同步檢測系統的軟件設計

位置同步檢測系統軟件采用模塊化設計，方便擴展移植調用[4]。采用PLC中的STL語言編程。主要有主程序、車身距離檢測比對子程序、FC7報警中斷程序、錯誤數據記錄子程序。

PLC主程序程序主要用于計算運動擦凈過程中的輸送距離，由輸送電機安裝編碼器通過線纜傳送，在經過高速脈沖計數器最終通過西門子遠程輸入輸出模擬量模塊給至CPU-300經過自主編寫的程序運算得出車身實際的距離以供機器人進行跟蹤。

距離對比子程序主要是根據現場安裝的三個關鍵點傳感器進行車身的實時定位以及計算比對，在人為的算出千臺車在關鍵點傳感器的距離，然后將此數據填寫至此程序的管腳，從而達到車身距離一旦出現異常程序可以及時發現，并等待下一步處理。

FC7報警中斷程序主要是將距離檢測出的異常結果進行進一步的判斷，如果距離檢測判斷為異常的結果，報警中斷程序就會給擦凈設備一個停止信號，來使擦凈設備進入停機狀態避免與車體發生碰撞。

錯誤數據記錄程序是基于車身距離檢測程序進而演化出來的，主要針對車身異常距離的后續措施，目的是記錄錯誤距離然后有利于故障的解決。

3 實現測試分析

本系統安裝完成以后，對相關設備進行檢測。為了達到防碰撞最佳效果就必須考慮安全防撞光柵的靈敏度、位置同步檢測傳感器是否存在誤差以及程序的正確性。因此需要做出一下實驗分析。

（1）將防撞光柵安置完畢后（確定接收端和發射端相對，并能接收光線），用手遮住一端查看傳感器還是否能接受到信號。確定光柵沒問題后再將膠皮套上，用力使膠皮發生形變，在查看傳感器是否能接受到信號。若不能，調整光柵位置，反復測試達到預期效果。

（2）安置好三個位置同步檢測傳感器后，手動將車身移動到傳感器處，查看車身位置顯示數據和設置傳感器位置數據是否在誤差范圍內，在通過多次的測量和計算，通過編程軟件對數據進行矯正處理。

（3）確定好硬件設備都已經安裝無誤，在通過人為的方式來觸發報警，觀察軟件程序能否及時相應并停止報出警告。

經以上實驗測試，可分析出此系統在生產過程中能否起到對設備以及車身的保護功能消除碰撞帶來的損失。

4 結語

本文討論并最終實現的追蹤式擦凈設備防撞保護系統，利用編碼器計算車體理論移動位置，與實際進行比對自動判定其碰撞概率并給出警告，利用光電傳感器檢測設備與車身之間距離，距離過小時及時停止系統運行。有效避免追蹤式擦凈設備與汽車車身之間碰撞，從而避免由此產生的車身質量問題或報廢成本。經過反復的測試和驗證，此系統已經完全規避掉自動化生產中設備與車身發生碰撞的問題。通過防碰撞系統的設計和實現介紹，可供讀者在設計各類防撞保護系統是作為參考。目前智能化工廠普及程度越來越高，此類防碰撞系統的市場請前景十分廣闊。

參考文獻：

[1]李思遠，張程皓，姚世琪，等.基于機器人應用的自動擦凈設備研發集成[J].現代涂料與涂裝，2017（5）.

[2]曾輝，孫承羲，張國忠.智能化、柔性化的鴕鳥毛自動擦凈機[J].汽車制造業，2006.

[3]李靖宇.激光對射式光電傳感器實現定位車快速精確定位[J]. 水運工程，2015，04（4）：50-50.

[4]趙中敏，張秋云，楊廣才.PLC控制系統設計[J].機床電器，2007，34（002）：37-40.