機器人外軸替代法在自動涂裝業的應用

趙之堅，苗 宏，蔡 鵬，榮海東

ZHAO Zhi-jian1,MIAO Hong2,CAI Peng1,RONG Hai-dong3

（1. 三一電氣有限責任公司，北京 102206；2. 哈爾濱工業大學 深圳研究生院，深圳 518055；3. ABB（中國）有限公司，北京 100016）

0 引言

隨著科技的發展，近十年噴涂機器人在工業現場已呈現出廣泛使用的趨勢。由于使用機器人噴涂均勻性好，重復精確度遠遠高于人工，因此避免了手工噴涂人員因技術、情緒、體力等因素造成的產品質量缺陷，使工件噴涂質量有了根本性的保障。由于噴涂作業屬于有害作業，采用機器人作業可大大降低工人的勞動強度，提高生產效率，同時由于機器人在噴涂過程中流量、扇面、霧化的大小均可隨時調整，可大大減少油漆的損耗，提高油漆的利用率。

機器人系統由機器人機械本體、控制系統、示教器和應用軟件等組成。機器人機械本體采用六軸關節式結構。 控制系統采用奔騰級及更高性能CPU和全數字式信號通訊方式，能夠控制機器人機械本體的六個軸，還能擴展兩個個外部軸。工件本身體型較大導致需要機器人機械本體需要實現行走，或是工件本身需要實現回轉動作時，機器人廠商推薦的實現方案有給六軸機器人配置外部軸的方式。但使用外部軸的實施方式在的成本方面不夠經濟，本文介紹了一種采用伺服電機的方式實現機器人機械本體的移動行走和工件本身的回轉等動作，以替代給六軸機器人配置外部軸的實現方式。這一替代方法在多個企業的自動噴涂系統中獲得了應用。

1 系統構成及工作原理

本文介紹的噴涂系統通常由噴涂機器人，直線行走裝置或工件回轉機構和供輸漆系統等幾部分組成。系統構成見圖1。

圖1 系統構成圖

1.1 噴涂機器人簡介

選用ABB公司的IRB540型噴漆機器人。IRB 540是一款面面兼顧、結構精簡的機器人，配備獨創的專利技術FlexWrist(柔性手腕)，十分方便人工編程（點到點、連續路徑）。該機器人能穩定保持出色的涂裝質量并防止過噴，減少原料耗用和浪費。

1.2 直線行走裝置的驅動系統

采用交流伺服系統，驅動器本身帶控制，可以對移載機構的運動速度和運動距離進行設置，以滿足機器人在噴涂時對移載機構的運動要求。項目實施中實際選用的交流伺服電機技術參數如下：

1.3 總控系統

上位機采用工業控制機，其作用主要是監控系統的工作狀態，報警信息顯示，打印工作報表等。下位機采用西門子公司的S7-200PLC主要作用是對外圍設備、噴房，移動裝置，總控臺的輸入指令信號、噴漆機器人的工作狀態信號進行實時處理。

1.4 供輸漆系統和噴槍

均采用美國GRACO公司的產品。

1.5 工業監視系統

通常在自動噴涂段的兩側兩端各設1處CCD攝像機，每臺攝像機配置室內全方位云臺，可變鏡頭，云臺可實現水平方向0-360°轉動，垂直方向可實現±60°轉動，實現全方位監控。云臺鏡頭控制器可控制云臺機鏡頭的變化。1臺21”彩色電視監視器可自動切換顯示2臺攝像機的監視情況。

2 外軸替代法的硬件系統構成

2.1 硬件系統

總控系統的硬件結構包括以下器件：

機器人控制器自帶一塊直流24V數字式I/O板，16入/16出；

交流伺服電機驅動器配備一塊數字式I/O卡，14入/8出；

主控制器即PLC的數字輸入輸出模塊的點數配置留有10%—20%余量。

項目實施的難點之一就是三個I/O單元連接方式的拓撲機構。實際使用中用到了兩種方式，一種是以PLC為中心的星形連接方式，一種是PLC、機器人和伺服電機構成的三角形連接方式。

其中星形連接方式 用于綿陽某單位的精密自動噴涂系統中，三角形連接方式用于西安某單位的兩套三防機器人自動噴涂系統中。兩種方式均實現了客戶的技術要求，但在實現過程中，都具有一定的優點和不足之處。

2.2 軟件系統

總控系統的軟件的實現。

工作站總控制系統的功能：

1）協調控制噴漆室設備與自動噴涂設備，形成聯鎖保護。

2）協調控制行走機構，涂料輸送，噴槍開關與機器人動作。

3）實現噴漆室內及控制室內兩地控制轉換。

4）各種工件程序選擇。

5）工作站故障報警與顯示。

6）自動生產數據統計及打印。

7）電視監控系統控制。

8）與消防、安全系統信號銜接。

主控監控界面如圖2所示。

圖2 主監控畫面

3 自動噴涂項目實現方法

3.1 項目各部分聯動工作過程說明

1）各單元（噴房、外圍設備、機器人、回轉裝置、總控系統）分別上電后；

2）總控系統首先檢測各子系統的工作狀態（如噴房的溫度、濕度、壓力是否正常，空氣的正壓和負壓、消防系統和機器人系統是否正常），如果一切正常，向總控系統發機器人準備就緒信號，等待工作。

3）系統操作人員從總控臺上設置工作程序號及其它參數，在總控臺或從總控柜上向機器人發啟動信號。

4）機器人啟動后，首先讓回轉裝置以第一段設置的速度運動第一段角度，同時，機器人執行第一段程序，第一段程序噴涂完畢后，回轉裝置向機器人發第一段位置運動完畢命令。

5）機器人收到此信號后立即向回轉裝置發下一段程序運動命令，同時，機器人也執行第二段程序，第二段程序噴涂完畢后，回轉裝置再向機器人發第二段位置運動完畢命令，機器人收到此信號后再立即向回轉裝置發下一段程序運動命令。

6）這樣周而復始的工作，直到一個程序噴涂完為止，這時機器人再向總控發待命信號，等待總控的第二個啟動信號，或重新改變程序號后再發啟動信號。

3.2 機器人程序示例

4 結束語

這些項目的開發、研制，及調試工作已順利完成。經過試生產后該系統已正式投入運行，該系統運行性能穩定，各子系統運行可靠，各項指標均符合設計要求。工件噴涂后漆膜厚度均勻、一致性好、無桔皮現象、色差均勻、油漆消耗降低了30%，產品一次合格率高。

隨著我國工業領域自動化水平的不斷提高，噴涂機器人的應用會更加廣泛，這將大大提高我國整個制造行業的自動化水平。

[1]S7-200技術資料集[Z]

[2]ABB機器人用戶手冊[Z].ABB公司.

[3]伺服電機及驅動器技術手冊.Kollmorgen公司