基于PLC的五轴喷涂机器人设计.pdf

务l lI5 化 基于P L C 的五轴喷涂机器人设计 Des i gn of f i ve- axi s s pr a yi ng r obot bas ed on PL C 姜寅，周建军，王瑶炜 J I AN G Y i n ．Z H OU J i a n - j u n ．WAN G Y a o ． we i 杭州电子科技大学 机械工程学院，杭州 3 1 0 0 1 8 摘要 针对大平面喷涂工艺研究，以防盗门涂装为例，提出了一种适用于家具行业喷涂作业的经济型 喷涂机器人系统的设计。结合中小企业现有悬挂生产线和多品种小批量生产方式，提出了一 种同步跟踪喷涂和兼容多种工件交替喷涂的机器人作业模式及实现方法。讨论了光幕识别系 统的工作原理，以及大幅平面往复快速跟踪喷涂功能系统机构设计及其实现。选用P L O 作为控 制器，伺服电机作为喷涂机运动驱动装置 ，简述了控制喷涂轨迹重叠宽度保证涂层均匀性的 方法和P L C 控制程序的编写。 关键词 机器人喷涂；测量光幕；跟踪喷涂；均匀性 中圈分类号 T H 1 2 2 ；T P 2 4 2 ． 2 文献标识码A 文章编号1 0 0 9 - 0 1 3 4 2 0 1 3 1 1 I- - 0 0 4 6 - 0 5 D o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ J ． i s s n ． 1 0 0 9 - 0 1 3 4 ． 2 0 1 3 ． 1 1 上 ． 1 4 0 引言 目前 ，国内多数 中小家具企业喷涂作业多为 液体涂装 ，并以人工操作为主 。然而众所周知 ， 液体涂料对人体 的毒害 以及高强度 的劳动负荷， 始终困扰着劳动者 以及企业管理者 ，并且人工作 业难以保 证统一 的质量 。其 次，随着人 口红利的 逐渐衰减和原材料价格上涨，身处转型期和产业 升级中的企业面临着诸如招工难和利润空间 日渐 狭窄等压 力。此外在环境保护方面 ，世界各国相 继制定限制V 0 C 与大气中光化学反应相关的挥 发性有机物 排放量的法规 ，对涂装企业的要求 越来越严 。使用环保涂料，提高涂着率 ，降低溶 剂使用率 以及提高废气处理能力 已成为涂装行业 关注的焦点⋯。 随着 “ 数字化智能制造 ”时代 的到来 。制造 业迅速进入机 器人 时代 已成为大势所趋 。作为 涂装行业先进生产设备 的喷涂机器人，正悄然替 代着广大一线工人 。与人工喷涂作 业相比，喷涂 机器人的应用可以大幅提高工作 质量和效率 ，减 少劳动力流动对生产干扰 ，并减轻 了企业招聘专 业技工的负担。然而 ，我 国中小企业 目前 的财力 物力有限，无力承担 国外 品牌专用涂装机器人设 备 的高昂售价 。而国产喷涂机器人 无论在质量 、 性能还是品牌方面的认可度 ，都不 能和国外产品 相 比。再有 ，现 有喷涂机器人产品对工厂生产环 境和配套物流设施等有众多要求，加大 了企业的 技 改投入成本 。此外，大 多数通用标准型喷涂机 器人产 品不兼容中小企业多品种小批量 的生产模 式，无法对市场需求快速响应 。 鉴于 以上问题的考虑，适合 当前 国内中小企 业 的喷涂机器人应兼顾成本和性能，并引领行业 生产趋势发展，以此改变某一行业生产方式 ，形 成生产力 ，提 高对市场的快速反应能力 。同时， 经济型喷涂机器人应使用新型环保喷涂工艺 ，有 效控制vo c } 放。 1 喷涂机器人设计 以适合中小企 业的低成本防盗 门涂装线的 自 动作 业机 器人 为例 ，喷涂 机器 人 系统 由喷涂设 备、机 器人本体 、光幕识别系统 、控制驱动 系统 以及软件程序 四大部分组成 。根据大幅面工件喷 涂作业的要求 ，采用空间直角3 轴配 以手腕2 轴机 构类型。结合可靠性和成本的考虑 ，使用可编程 控制器 P L C作为控制器，既可实现多轴联动协 调运作的功能 ，满足各种大幅多面体工件的喷涂 作业需求，又降低控制驱动 系统成本 。此外，应用 光幕识别系统采集产品外形数据，引导P L C执行不 同的喷涂作业轨迹，实现多品种工件作业的功能。 1 ． 1喷枪设备简介 本文使用 了静 电粉末喷涂工艺作为喷涂机 器 人的作业方式。与传统的空气液体喷涂相比，静 电粉末喷涂可厚涂且不产生挂流 ，涂装工件具 有 收稽日期2 0 1 3 - 0 7 - 0 4 作者简介姜寅 1 9 8 6一，男，浙江杭州人，硕士生，主要从事机器人控制研究。 [ 4 6 l 第3 5 卷第1 1 期2 0 1 3 -1 1 上 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 訇 似 更加高的耐用性 ，涂层表面 ，不易破碎 ，刮擦 ， 褪色和磨损 。并且 ，静 电粉末喷涂也能较好的进 行环境保护 。涂料不含溶剂 ，容易实现 自动化 ， 并且具有涂料回收装置可使9 0 ％以上的粉末涂料 回 收循环利用等优点口 】 ，可以满足苛刻 的Vo C排放标 准 ，作业环境也相对洁净 。本文使用瑞士金马公 司的O p t i 系列静 电喷涂设备，包括O p t i Gu n G A0 2 型静 电粉末 自动喷枪、Op t i S t a r C G0 6 型智能喷枪 控制器和Op t i F l o w I G 0 2 粉泵 。 1 ． 2光幕识别系统简介 测量光幂 图1 光幕识别系统组成 根据企业的实际生产 ，门框和 门板是 防盗 门 生产 的主要工件 ，此外 生产线上 的产 品规格可 以 多种 。在一条悬挂 线上 完成相关喷涂作业 ，喷涂 机器人必 须具备识 别需喷涂工件 的能力 。本文采 用专用光幕识别 系统实现 了经济型喷涂 系统对多 品种工件 的兼容生产功能 。该光幕识别 系统 由测 量光幕 、单 片机 系统、控制机 器人运动P L C及旋 转编码器组成 如图1 所示 ， 系统结构简单，元器 件成本低 ，经济实用 。可 以识别送入喷涂作业区 中的工件类型 、大小 、规格等数据 。其 工作原理 是依靠测量光幕上等间距垂直排列的光电对射开 关 的遮挡状况 ，反馈 出代表与之对应二进制 字符 串至单片机 系统 中 ，经过换算 圆整过理 后，识别 工 件参数 ，与预先设 定参数 比较 ，得 出即将 进入 喷 涂区的工件 类型及参数 ，进 而以参数化 的形式 控制机器人 喷涂 作业。当工件通过光幕 的发射 与 接 受段之 间时 ，光幕上量程 内被遮挡光 电对射开 关输 出信号 1 ，未被遮挡的对射点输 出信号0 ，由 此 ，根据 固定 的采样频率可以获得n 个不同时刻采 集到的二进制数组。将得到 的数组信号通过4 8 5 通 信协 议输 入至单 片机 系统 ，经过 进行分析 比对 ， 可 以判 断工件 类型 ，并 测出其长 宽尺寸 。结合旋 转编码器反馈 的脉 冲信号 ，单片机 系统还可 以计 算出悬挂线的实时速度，以及通过累加获得门板的 位移来确定工件的水平位置。因此， 单片机系统最终 向主控制器输出工件类型信号、单程喷涂行程、往复 次数 以及起喷位置信号，使喷涂作业具有一定的智 能性， 可以自动引导机器人进行后续喷涂工作。 1 ． 3喷涂机器人本体设计 1 ． 3 ． 1机器人机构布局选择 为便于 与原有 生产线匹配 ，选择喷涂机器人 跟踪悬挂流水线喷涂的作业模式 。同时机器人又可 以识别进入作业区工件 的二维形体，从而做出不同 的轨迹规划的判断，实现多品种的生产模式。 1 ． 3 ． 2坐标选择与三自由度主体结构设计 针对大幅面工 件的喷涂 ，选择合适 的坐标 系 和机构 驱动形式 ，可 以达到简化控制算法 、增加 机构稳定性 以及减低设备成本方面设计 目的。喷 涂机器人 的主体结构选择直线坐标式结构 ，以满 足快速往 复直线运动 的要求 ，适用于大平面喷涂 作业 。其次 ，使用直线坐标式结构可简化运动控 制设计 。此外 ，从成本 ，刚度和运动耦合等方面 考虑 ，直线坐标式结构是最佳 的选择 。选定水平 运动方向为x轴，垂直运动方向为Y轴，前后方 向 为z 轴，布局如图2 所示。 图2三 自由度主体结构布 局 由于企业采用了悬挂式生产线吊装工件，使得 喷涂机器人需要实现横 向或者纵向大行程往复喷涂 的功能。而快速往复的直线运动对机构的刚度以及 惯量具有一定的要求。为此，主体结构中水平方向 X向采用上下双边直线导轨平行支撑形式，垂 直方 向 Y向也采用双导轨支撑形式，以提高主 体结构的整体刚度和强度 。同时 ，x轴在各轴 向中 负载最大，因此采用双边同步驱动，这样的结构既 实现水平运动时的稳定性 ，也利于提高机器人的运 动性能和喷涂作业的质量 。另外结合精度要求和成 本控制的原则，选择同步带驱动类型的线性模组。 1 ． 3 ． 3 二自由度手腕机构设计 由于喷涂作业中需实现 不同工作面的切换 ， 需要 设计 手 腕来 改变 末端 执 行器 喷枪 的朝 第3 5 卷第1 1 期2 0 1 3 - 1 1 上 [ 4 7 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 务l lI5 似 幕 识别系统输出的起喷原点坐标后做出调整，驱动 x、Y、z和R 轴 ，使机器人在起喷原点就位 ，准备 对 门板工件 的左侧喷 涂。当工件边缘到达工作 区 域内的起喷原点，单片机控制板向P L C输出起喷信 号 。由此P L C开始对门板工件的右侧 、正面和左侧 依次进行往复喷涂，由于喷枪涂料的辐射范围足够 大 ，两个侧面各进行一次喷涂即可 ，而正面按照单 片机 系统计算的喷涂次数n 进行往复遍历喷涂。如 图6 所示正面喷涂轨迹呈弓字形 ，由喷涂路径和过 渡路径组成 。执行喷涂轨迹时，机器人x轴向补偿 的速度和方向与悬挂线体相同，从而实现 同步跟踪 喷涂 ；当一条喷涂轨迹走完时，喷涂机器人x轴停 顿片刻，使喷枪与运动的工件错开一段喷幅宽度， 形成过渡轨迹 。接着执行下一条喷涂轨迹 。如此往 复喷涂，便可在工件表面形成垂直美观的涂层。 图6门板喷涂示意图 2 ． 2 ． 2 门框喷涂 门框 只需 单 行程 喷 涂 两立 柱 和一 横梁 的正 面 。因此，其喷涂轨迹为如图7 所示的三条直线轨 迹 。各直线轨迹大于相应 的边长 ，以保证完整喷 涂 ，不 留死角 。各直线轨迹间也有过渡轨迹 。双 立柱喷涂时，机器人同步跟踪喷涂。横梁喷涂时， 由于线体速度方 向与x轴向进给相反 ，X轴进给速 度在数值上为立柱喷涂时Y 轴进给速度与悬挂线体 速度之差。由此保证 ，门框三边喷涂速度相等 。 3 涂层均匀性控制算法简介 涂层均 匀性 是衡量大幅面工件产 品涂装质量 的重要指标之一 ，它对确保涂层功能 、门板产 品 美观、提高成品合格率和节约涂料都具有重要意 义 。喷涂均匀性特性是优化机器人喷涂工艺的基 础 ，也是对喷涂机器人轨迹控制算法设计的重要 环节 。本文将结合静 电喷枪喷涂模型 ，探索表面 涂层厚度控制和涂层生长模型重叠相关的参数 。 图7门框喷涂示意图 针对大平面工件喷涂往复遍 历喷涂 的特点 ，涂层 均匀性控制参数主要有不同路径之间重叠度d ，以 及评价涂层均匀性厚度方差v ，并以此结论确定上 位机中必要的工艺设置参数 。 3 ． 1 喷涂累积模型 以使用圆形喷嘴为例 ，单点喷涂积 累速率可 以用数 学模型的方式表现 ，也可以 由经验数据来 表示 。通 常情 况下 ，前者建立的函数较平滑 ，因 而算法的收敛性较好 ，而后者的实际函数 更符合 实际情 况 。主要的涂层积 累速率函数模型有高斯 分布模 型，有限范 围模型 ，无限范围模型和 B分 布模型 。其 中 p分布模型被认 为是一种较好的模 型，得到广泛认可和应用 。本文取 B 2 时得到抛 物线分布模型 。作为分析的模型 ，以便更直观地 表现轨迹叠加对涂层厚度分布带来 的影响 ，规则 平面喷涂过程 中，垂直于喷枪速度方 向的涂层厚 度分布可用以下的 1 3 分布表示 r 4 2 、 l 1 一 l 式 中 T X 是带量纲单行程喷涂涂层厚度， T 是带量纲单行程喷涂涂层最大厚度，w是带量 纲喷幅宽度，x是在喷幅宽度方向上以涂层最大厚 度点为原点的带量纲坐标， X∈ 【． 0 ．5 W ， 0 ．5 W l 。 3 ． 2 涂层均匀性评价 函数 涂 层均匀性评价 函数通 常采用厚度方差 。虽 然厚度方差不能反映厚度相对偏差， 但它作为厚度 的平方加权能较好地反映涂层的均匀性， 计算也 比 归一化方 差简单 。在矩形平面匀速喷涂时 ，喷涂 轨迹为相互平行直线 ，在垂直于轨 迹方向上的涂 层截面具有相同的轮廓，因此V可表示为 1 ， V l 【F ， X ， y 一 o 0 钇 L 其 中 a为喷涂轨 迹，包括 随时间变化 的位置 和姿态F a ， X， Y 为喷涂完后在工件表面上点 第3 5 卷第1 1 期2 0 1 3 -1 1 I- [ 4 0 1 圆 园 圆 囤 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 务l 匐 似 X，Y 的带量纲涂层厚度；F m c c 为工件表面的带 量纲涂层平均厚度 ；L 为喷涂工件的带量纲宽度 。 处理后的量纲一的涂层厚度偏差为 { 一 y m 2 d Z f。 其 中 f为 量 纲 一 的 涂 层 厚 度， f F ， ， r ／ m ；1 为喷涂工件的量纲一的宽 度 ， ， L／ ；f 为 量纲 一 的涂 层平 均 厚度 ， 9 c ， X， r ／ 。 图8 喷 幅 轨 迹 重 叠 不 意 图 上图为量纲一处理的喷涂模型， 粗实线表示作 为喷涂工件的矩形平板 的横截面。各喷涂行程采 用相同重叠宽度进行匀速喷涂， 喷枪行程 与矩形平 板横截面的法线方向一致 。虚线表示喷涂 完成后 在垂直于行程方向的截面上每个喷涂行程沉积的 涂料厚度， 每个位置的涂层厚度和等于各个喷涂行 程在该位置沉积的涂料厚度的叠加 。喷涂工件的 量纲一的宽度为l 。d 为相邻喷涂行程的量纲一的重 叠宽度，d ∈ 『0 ， 0 ． 5 1 。种子路径位置g 为工件上第一 个重叠 区域 中间点到工件 相邻端面的量纲一 的距 离。终喷路径距离r 为工件上最后一个重叠区域 中 间 点到 工 件 相邻 端 面 的量 纲一 的距 离 。n 为对 【 f g ／ O d ia数值。 r 为 ，一 ， 一 g ～ n O 、 量纲一的涂层平均厚度可按下式计算 l r ] Ⅲ S gS r J f 其中s 为 【 1 一 区间内量纲一的涂层厚度 和，s 为在 1 一 d 区间左侧的量纲一的涂层厚度 和，s r为在 1 一 区间右侧的量纲一的涂层厚度和。 涂层平均厚度f m 是涂层均匀性的重要参数 。经 研究发现 ，其最小值和最大值 的取值与g 和1 的取值 无关 。因此， d 是影 响f m的主要因素，g 和l 是次要 因素。当l 固定时，g／ 1 一 取为不同常量， 将得 到一组类似的v 与d 的关系曲线。 涂层最佳均匀度应出现在v 取最小值的时候 。 v i a得最小值区间，关键取决于d 的值 ，g t l l 的影响 可忽略 。因此，往复平行喷涂过程 中，喷涂轨迹 [ 5 0 】 第3 5 卷第1 1 期2 0 1 3 -1 1 上 图9 V 与d 的关 系曲线 重叠宽度d 是影 响涂层厚度均 匀性 的重要参数 。 以上图为例 ，取 ， 4，g0 ． 7 5 1 一 时 ，在d 为 0 ． 2 9 - 0 ． 3 1 时， v 有最小值区间0 ． 0 0 2 5 ～ 0 ． 0 0 2 8 。因 此，单涂层最优均 匀喷涂时，可以d O ． 3 进行喷涂 作业。另外 ，若需要得到较大的平均厚度，在轨 迹规划时应采用较大的d 值，即以较大的轨迹重叠 宽度取得均匀的厚涂层 。因此 ，喷涂机器人在作 业前 ，需要在上位机 中设置d 的宽度 ，以确保喷涂 的质量 。根据使用者 的习惯和色泽 目测能力 ，设 置喷幅宽度w 1 一 d 为工艺参数于上位机 中，用户 可凭喷枪的参数和作业经验来确定这一参数值 。 4 结束语 本文 以防盗门喷涂生产为例 ，针对大幅面平 板往复跟踪快速喷涂工艺要求，开发 了一款适用 于家具行 业的经济型喷涂机器人系统 。功能上选 择 了合适 的五轴机构和通用型 的控制器和驱动设 备来实现 了要求的功能 ，实现 了成本和性能兼顾 的 目标 ；选用 了静电粉末喷涂工艺 ，提高涂料利 用率，节能环保 ；通过分析涂料累积模型，拟定 了提高涂 层均匀性和控制涂层厚度的工艺参数 。 另一方面 ，从企业应用角度来 看，本 喷涂机器人 对兼容企业已有生产装备 ，整机 结构简单 ，便于 维护升级 ；使用低成本 的光幕识别系统 ，增强了 喷涂机器人对中小企业现有生产模 式的适应性， 可提高了中小企业产品对市场的响应能力。 参考文献 【 1 】王锡春． 工业涂装中降低VO C的措施和节能减排 续 [ J 】 ． 中国涂料． 2 0 0 8 ， 2 3 5 1 7 - 2 1 ， 2 4 ． 【 2 】王贺． 中国制造业进入 “ 机器人”时代大势所趋 [ E B ／ O L ]． h t t p ／ r mf o ． ma c h i n e ．h c 3 6 0 ． c o m ／ 2 0 1 3 ／ 0 4 ／ 1 1 0 8 5 9 4 3 6 2 0 7 ． s h t ml 2 0 1 3 4 _ l 1 ． 【 3 】张学敏． 涂装工艺学【 M】 ． 2 0 0 2 1 9 1 ． [ 4 ]王康． 涂层厚度控制及机器人喷枪轨迹规划模拟【 D】 ． 华 中科技 大学， 2 0 0 9 ． 【 5 】陈雁， 颜华， 王力强， 等． 机器人匀速喷涂涂层均匀性分析 【 J ] ． 清华大学学报 自然科学版 ．2 0 1 O o 8 1 2 1 0 - 1 2 1 3 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m