基于PLC的五軸噴涂機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)初探

劉玉瀟　康穎　郭淼

摘 要：對于我國中小型家具企業(yè)而言，在針對性強(qiáng)且性價(jià)比高的五軸噴涂機(jī)器人有非常大的需求?；诖耍P者從五軸噴涂機(jī)器人的組成及驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)入手，分析了基于PLC的五軸噴涂機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，分別指出了控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)及軟件設(shè)計(jì)中的注意事項(xiàng)，能夠?qū)崿F(xiàn)五軸噴涂機(jī)器人對噴涂對象的跟蹤，而且本文提出的設(shè)計(jì)方法可以有效提高電機(jī)控制的靈活性，有助于五軸噴涂機(jī)器人的有效應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：PLC；五軸噴涂機(jī)器人；控制電路

前言：就目前的表面噴涂設(shè)備而言，主要有噴涂機(jī)和噴涂機(jī)器人這兩類。噴涂機(jī)主要用于簡單的直線噴涂；噴涂機(jī)器人能夠進(jìn)行復(fù)雜噴涂表面噴涂，而且運(yùn)動(dòng)軌跡非常靈活，噴涂的質(zhì)量也比較高。根據(jù)大型立方體工件的特點(diǎn)，有研究學(xué)者研發(fā)了五軸噴涂機(jī)器人用于該工件的噴涂，這種噴涂機(jī)器人能夠同時(shí)控制五個(gè)噴槍進(jìn)行噴涂工作，常用于電腦外殼或者汽車等塑料件以及金屬件的表面噴涂。在實(shí)際的使用中，如何有效控制噴槍是人們關(guān)注的重點(diǎn)。

1.五軸噴涂機(jī)器人概述

1.1結(jié)構(gòu)組成

一般來說，五軸噴涂機(jī)器人的結(jié)果后主要分為兩個(gè)部分，其一是進(jìn)行大平面噴涂的三自由度混聯(lián)機(jī)構(gòu)，在這部分的輸出構(gòu)件上安裝有一把噴槍；其二是進(jìn)行縱向以及橫向側(cè)面噴涂的二自由度串聯(lián)機(jī)構(gòu)，分別在縱向與橫向上安裝有一把噴槍。在五軸噴涂機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)原理中，混聯(lián)機(jī)構(gòu)通常安裝于機(jī)架上方，婚戀機(jī)構(gòu)是由二滑塊負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)的平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)與Z方向上的單自由度機(jī)構(gòu)串聯(lián)而成，兩個(gè)組成機(jī)構(gòu)全部在二平行的導(dǎo)軌上。因此，當(dāng)二滑塊沿著二平行導(dǎo)軌進(jìn)行往復(fù)直線移動(dòng)的時(shí)候，能夠使安裝在平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)位置的主噴槍進(jìn)行平面運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)大平面的上下噴涂。

在五軸噴涂機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)原理中，串聯(lián)機(jī)構(gòu)中的縱向與橫向互相垂直，兩個(gè)機(jī)構(gòu)分別在同步帶位置安裝有輔助噴槍。因此，當(dāng)輔助噴槍沿著縱向與橫向進(jìn)行往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，能夠使機(jī)器人進(jìn)行工件兩個(gè)側(cè)面的噴涂。除此之外，二滑塊導(dǎo)軌的兩端分別安裝了原點(diǎn)開關(guān)以及限位開關(guān)，分別用于噴槍的定位以及保護(hù)。

1.2驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

五軸噴涂機(jī)器人主要通過電力進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，二滑塊主要用于平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)方式為開環(huán)控制的交流伺服系統(tǒng)，還會(huì)通過行星減速器和同步帶傳動(dòng)系統(tǒng)將伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)槎瑝K直線移動(dòng)；在Z軸方向的單自由度直線機(jī)構(gòu)，主要采用開環(huán)控制的步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，還會(huì)通過滾珠絲杠傳統(tǒng)系統(tǒng)將伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)；在橫軸和縱軸方向的噴涂機(jī)構(gòu)，主要通過開環(huán)控制的交流伺服系統(tǒng)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，還會(huì)通過同步帶傳統(tǒng)系統(tǒng)將伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)檩o助噴槍噴漆的直線移動(dòng)[1]。

2.基于PLC的五軸噴涂機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

首先，主電路設(shè)計(jì)。主電路住要用于控制系統(tǒng)各個(gè)單元的電力供應(yīng)，在進(jìn)行主電路的設(shè)計(jì)時(shí)，需要確保各個(gè)電路模塊能夠安全用電，并在電流過大的位置設(shè)計(jì)斷路器。一般來說，設(shè)計(jì)人員需要在交流電主線位置以及驅(qū)動(dòng)器的供電位置進(jìn)行了斷路器的設(shè)計(jì)。PLC內(nèi)部含有220V交流電轉(zhuǎn)換成直流24V的功能模塊，但是為了防止過多的24V供電設(shè)備與PLC進(jìn)行連接，導(dǎo)致PLC內(nèi)部電壓不穩(wěn)，設(shè)計(jì)人員需要在主電路增加一個(gè)220V交流電轉(zhuǎn)換成直流24V的功能模塊。

然后，控制電路設(shè)計(jì)。在機(jī)器人控制系統(tǒng)中，控制電路的包含若干個(gè)輸入點(diǎn)及輸出口，輸入點(diǎn)主要包括高速輸入點(diǎn)以及通用輸入點(diǎn)這兩種。其中，高速輸入點(diǎn)主要用于編碼器等多種高頻信號的輸入；高速脈沖輸出口與驅(qū)動(dòng)器連接，用于脈沖序列以及方向信號的發(fā)送；通用輸入點(diǎn)主要用于控制系統(tǒng)啟動(dòng)、停止等開關(guān)信號的輸入；通用輸出口主要用于剎車指令的發(fā)送，還能夠進(jìn)行噴槍開關(guān)以及系統(tǒng)報(bào)警的輸出。

最后，硬件設(shè)施的選擇。機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件設(shè)施包括上位機(jī)、主控制器以及副控制器等設(shè)備。上位機(jī)主要用于主控制器PLC相關(guān)作業(yè)參數(shù)的設(shè)定，并控制系統(tǒng)的啟動(dòng)與停止，在控制系統(tǒng)的運(yùn)行過程中，上位機(jī)會(huì)與主控制器的422端口進(jìn)行通信；設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)實(shí)際的機(jī)器人參數(shù)選擇不同型號的PLC主控制器及PLC副控制器，常用的主控制器為臺達(dá)的DVP40EH00T2型號，這種主控制器具備強(qiáng)大的運(yùn)算能力，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)配置比較好，能夠支持200多個(gè)應(yīng)用指令，可以實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)，常用的副控制器為臺達(dá)的DVP20EH00R2型號，這種副控制器能夠進(jìn)行懸掛線體運(yùn)動(dòng)的控制，設(shè)計(jì)人員可以在懸掛線體上進(jìn)行旋轉(zhuǎn)編碼器的安裝，當(dāng)工件在工作區(qū)運(yùn)動(dòng)時(shí)，其運(yùn)動(dòng)速度能夠通過旋轉(zhuǎn)編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)生成的脈沖信號傳輸?shù)絇LC中，有助于同步跟蹤作業(yè)的控制，提高控制系統(tǒng)的控制效果。

2.2系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

機(jī)器人控制系統(tǒng)的軟件可以根據(jù)梯形圖模塊化這一思路進(jìn)行設(shè)計(jì)。一般來說，機(jī)器人控制系統(tǒng)的軟件包括六個(gè)功能模塊，分別是系統(tǒng)參數(shù)初始化模塊、五軸原點(diǎn)復(fù)位模塊、左邊噴涂模塊、右邊噴涂模塊、正向噴涂模塊以及噴涂對象運(yùn)動(dòng)速度監(jiān)測計(jì)算模塊。其中，系統(tǒng)參數(shù)的初始化模塊主要進(jìn)行寄存器相關(guān)參數(shù)的賦值和清零，還用于輔助繼電器等操作，比如設(shè)定機(jī)器人的總噴涂次數(shù)；五軸原點(diǎn)復(fù)位模塊，該模塊主要是在初始階段，將五軸回歸到原點(diǎn)的復(fù)位程序，該模塊能夠?yàn)闄C(jī)器人下一步路徑的規(guī)劃提供便利；三個(gè)方向的噴涂模塊主要用于機(jī)器人各軸的調(diào)整，確保機(jī)器人進(jìn)行協(xié)調(diào)的噴涂運(yùn)動(dòng)；速度計(jì)算模塊主要用于噴涂對象移動(dòng)頻率和機(jī)器人跟蹤頻率的計(jì)算，并為X軸的跟蹤對象提供有價(jià)值的參考數(shù)據(jù)。

在進(jìn)行機(jī)器人控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員不僅需要應(yīng)用模塊化，還可以通過PLC實(shí)現(xiàn)程序的簡化及效率的提升。設(shè)計(jì)人員可以在梯形圖中引進(jìn)PLC的運(yùn)動(dòng)控制指令，通過運(yùn)動(dòng)控制指令的調(diào)動(dòng)，進(jìn)行脈沖輸出模式的有效控制。比如，在應(yīng)用脈沖波寬的PWM指令時(shí)，PWM指令會(huì)在執(zhí)行的過程中進(jìn)行設(shè)定值的改變，能夠使脈沖發(fā)送周期隨著設(shè)定值的變化而變化，并對電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)，改變其運(yùn)轉(zhuǎn)速度，而機(jī)器人在進(jìn)行噴涂對象的跟蹤時(shí)，能夠?qū)崟r(shí)控制速度的變化非常適用于X軸的控制中；在應(yīng)用減速脈沖輸出的PLSR指令時(shí)，用戶能夠通過該指令進(jìn)行加減速時(shí)間的設(shè)定，可以用于運(yùn)動(dòng)軸中起噴速度以及末端噴涂速度的設(shè)定，而且Y軸在進(jìn)行上下噴涂的視乎，移動(dòng)速度比較快，在機(jī)械慣性的作用下，會(huì)產(chǎn)生較大的噪聲與振動(dòng)，通過PLSR指令的應(yīng)用，能夠有效減少Y軸高速起噴產(chǎn)生的噪聲與振動(dòng)。PLC運(yùn)動(dòng)控制指令能夠在很大程度上簡化程序編寫的難度，能夠提高電機(jī)控制的靈活性[2]。

結(jié)論：綜上所述，基于PLC的五軸噴涂機(jī)器人控制系統(tǒng)能夠提高噴涂的效率和質(zhì)量，要求其具備較高的控制效果。通過對基于PLC的五軸噴涂機(jī)器人控制系統(tǒng)的分析可知，設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，需要選取最適合的硬件設(shè)施，并保障系統(tǒng)電路的安全，還需要使用梯形圖模塊化進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，提高控制系統(tǒng)的控制靈活性。希望本文可以為五軸噴涂機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供幫助。

參考文獻(xiàn)：

[1]王增彪，李菊，鄧嘉鳴，沈惠平.基于PLC的噴涂機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代職業(yè)教育，2015（17）：30-31.

[2]孫科苗.直角坐標(biāo)型噴涂機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].杭州電子科技大學(xué)，2015.