電氣工程及其自動化畢業(yè)設計 基于PLC的噴涂機器人控制系統(tǒng)的設計

基于PLC的噴涂機器人控制系統(tǒng)的設計【內(nèi)容摘要】：隨著噴涂行的迅速發(fā)展，對于噴涂要求逐漸提升，噴涂機器人能夠代替人工完成更復雜的噴涂作業(yè)。以汽車噴漆為例設計了一套基于PLC的噴涂機器人控制系統(tǒng)，主要由控制、執(zhí)行、檢測、驅(qū)動四大模塊構(gòu)成?？刂颇K以S7-200PLC為控制核心，對噴涂機器人各部分驅(qū)動模塊進行方向、位置的調(diào)整，執(zhí)行模塊完成電機帶動噴槍移動實現(xiàn)噴涂作業(yè)；檢測模塊是在噴涂機器臂攜帶噴槍的升降、移動路徑上設置限位傳感器與光電傳感器，將所接收信息轉(zhuǎn)換為電信號傳遞至控制器處理。通過PLC控制異步電機作為噴涂機器人運動驅(qū)動裝置，噴涂運動機構(gòu)通過PLC編寫的程序?qū)崿F(xiàn)噴涂運動控制并設置功能保護以達到噴涂質(zhì)量和效率。通過組態(tài)軟件對所設計噴涂機器人控制系統(tǒng)進行仿真模擬調(diào)試，可以實現(xiàn)控制要求?！娟P(guān)鍵詞】：噴涂機器人；PLC；噴槍目錄TOC\o"1-2"\h\u8450一、系統(tǒng)總體方案設計 基于PLC的噴涂機器人控制系統(tǒng)的設計隨著社會生產(chǎn)水平與電子科技的蓬勃發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)的自動化需求不斷提高，開發(fā)出多種多樣功能的噴涂機器人設計成為社會的必然趨勢。上世紀五十年代誕生了世界上第一臺噴涂機器人。70年代各國開始引入噴涂機器人投入生產(chǎn)制造，我國也開始了自主研發(fā)噴涂機器人設計。直到今天，各類噴涂機器人設計仍伴隨著新興技術(shù)改革不斷進步，在工業(yè)生產(chǎn)、服務建設等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。目前噴涂機器人大致有三類應用方向：第一類即噴涂機器人作為獨立的設計，在可編程控制器的控制下完成相應功能；第二類即噴涂機器人作為生產(chǎn)線的一部分，完成其相應部分功能，例如傳送帶完成傳送或是上下料等等；第三類需要的噴涂機器人設計較為復雜，各方面精度也較高，它主要代替人工在高危環(huán)境下進行作業(yè)，或是進行一些精密的軍事安裝工業(yè)等。噴涂機器人的控制方式隨著新興技術(shù)的改革也在不斷改進，過去一般采用傳統(tǒng)的繼電接觸器控制方式，其機械觸點不僅多，且易磨損損耗，故障率高，后期進行功能改寫操作復雜。針對這一系列難題，采用可編程控制器PLC進行改進，其與前者形成了鮮明對比，它內(nèi)部存在無數(shù)個可使用的觸點，并且可以進行不限次數(shù)的改寫，易于改進維護，可靠性高，抗干擾能力強。噴涂機器人移動、升降等操作一般由電機正反轉(zhuǎn)控制完成。系統(tǒng)總體方案設計噴涂工作方案選擇根據(jù)目前的噴涂行業(yè)中，噴涂機器人使用比較多的兩種作業(yè)方式是：第一種是噴槍動/靜工作模式，即噴槍運動噴涂時工件是被固定的狀態(tài)。第二種是工件流動模式，即噴槍進行噴漆時工件均勻通過噴槍噴漆范圍內(nèi)。在噴槍動/靜噴涂模式下，將需要噴涂的工件傳送到噴槍噴涂區(qū)域，并將工件固定好在噴涂范圍內(nèi)。在噴槍噴漆作業(yè)的過程中，工件處于靜止狀態(tài)，噴槍按照設定好的軌跡路線對工件表面進行噴漆。這種掃掠的噴漆方式有利于對涂料用量進行控制，對固定的工件更有利于涂料的附著，其可以提升噴涂的質(zhì)量和降低涂料的浪費。這種噴涂作業(yè)模式對于噴涂軌跡的控制和噴涂軌跡的規(guī)劃也相對的容易，可以更簡單的完成對一些要求噴涂質(zhì)量較高的工件進行噴涂。但是因為這種噴涂方式只能完成對固定工件的噴涂任務，就導致其噴涂的工作效率相對較低。動/靜工作模式如1.1所示。圖1.1噴槍動/靜工作模式工件流動噴涂模式，在噴涂流水線的輸送鏈上將工件進行懸掛式固定。使工件由傳輸鏈帶動均勻通過噴涂區(qū)域。噴涂機器人的噴槍垂直的對經(jīng)過工件的表面進行噴漆。在這種模式下的優(yōu)點就是噴涂機器人能夠不間斷的對工件進行噴漆，生產(chǎn)效率相對噴槍動/靜模式可以大幅度提高，適用于大批量生產(chǎn)。但是這種模式的噴涂機器人空間自由度小，方向單一導致工作環(huán)境受限過大。此外，噴槍范圍往往要大于工件面積，就導致噴漆的附著力降低和涂料浪費。工件流動噴涂模式如圖1.2所示。圖1.2工件流動工作模式通過上述兩種工作模式的對比，本設計采用動/靜工作模式，將工件固定在噴涂范圍內(nèi)，由噴涂機器人根據(jù)運動軌跡均勻在工件表面進行噴漆作業(yè)。系統(tǒng)總體方案設計本次設計總體可分為兩大部分：（1）本設計應用場景為汽車噴涂，通過噴涂機器人對車體進行噴涂。噴涂機器人根據(jù)PLC中所編程序，對于汽車車頂和車門由兩種噴漆運動軌跡實現(xiàn)；動作程序共設定有手動操作，單次自動操作，循環(huán)自動操作三種模式。本設計使用兩電機分別驅(qū)動水平和垂直方向的運動。設計可分為控制模塊、執(zhí)行模塊、顯示模塊、檢測模塊，對各模塊具體介紹，其構(gòu)成關(guān)系如圖1.3所示。顯示模塊顯示模塊控制模塊執(zhí)行模塊檢測模塊圖1.3設計構(gòu)成關(guān)系顯示模塊（2）使用上位機對整個操作過程進行實時監(jiān)控，使用組態(tài)王組態(tài)軟件構(gòu)建監(jiān)控系統(tǒng)，通過對PLC控制噴涂機器人的各信號變量進行采集，實現(xiàn)對噴涂機器人升降、移動、噴漆等操作的實時顯示，并設置相應按鈕完成對噴涂機器人的噴槍控制及其他模式的切換，最終達到使上位機準確操控設計的目的。其整體結(jié)構(gòu)框圖如圖顯示模塊PLCPLC啟動按鈕停止按鈕光電感應器上下限位開關(guān)左右限位開關(guān)屏幕控制器自動連續(xù)關(guān)單循環(huán)開關(guān)執(zhí)行機構(gòu)圖1.4整體結(jié)構(gòu)框圖系統(tǒng)的硬件設計控制模塊近年來，隨著工程技術(shù)的不斷精進，從PLC產(chǎn)生到其迅猛發(fā)展，它分別實現(xiàn)了技術(shù)上、功能上、應用領(lǐng)域上的大跨步飛躍，如今PLC處理信息和運算以及網(wǎng)絡通信等功能都有了極大提升，逐漸成為工業(yè)控制的中流砥柱，在各行業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著重大作用，PLC一般由中央處理單元、存儲器、I/O單元、編程器、電源等組成。PLC的應用領(lǐng)域極其廣泛，主要有工業(yè)生產(chǎn)、交通運輸、文化娛樂等，按照它在其中充當功能可以分為以下幾類：（1）工業(yè)過程控制，即PLC利用相應數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊對其實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理，進而完成控制功能，這在冶金、化工等領(lǐng)域得到廣泛應用。（2）運動控制，PLC可以配合電機實現(xiàn)對物體運動的控制，多應用在機器人、電梯、傳送帶等場景。（3）網(wǎng)絡通信，現(xiàn)在許多PLC都設置了網(wǎng)絡通信接口，可以與其他設備實現(xiàn)通信；（4）開關(guān)量邏輯控制，替代繼電—接觸器完成開關(guān)控制；（5）數(shù)據(jù)處理，PLC可以通過運算指令對數(shù)據(jù)實現(xiàn)簡單的分析及處理工作，通常用于冶金等行業(yè)。本設計選用西門子S7-200作為控制部分，它主要有如下特點：內(nèi)含功能指令豐富；處理運行速度快；內(nèi)置大容量存儲器，寄存器數(shù)量多；西門子為其研發(fā)了STEP7-Micro軟件，專門實現(xiàn)對S7-200的編程工作，軟件便利且運行穩(wěn)定，作為西門子最出色處理器之一，它可以完成復雜的控制功能，實現(xiàn)生產(chǎn)自動化。S7-200是一種小型PLC，但其功能卻十分強大，因而其性價比極高。其應用范圍極廣，現(xiàn)在向生產(chǎn)自動化邁進的企業(yè)，經(jīng)常能看到它的身影。PLC選型在對系統(tǒng)的可編程控制器進行選型時，首先對項目大小進行一個綜合的考量，本設計項目體量較小，一般選擇小型PLC即可滿足要求；再考慮被控制器件所使用的I/O點數(shù)，本設計所使用的輸入為15點，輸出為9點。最后綜合考慮控制器的功能性、結(jié)構(gòu)性、運行速度、穩(wěn)定性、自診斷能力和性價比等因素后，選擇西門子S7-200小型PLC，由于共使用輸入為15點，輸出為9點，若選擇CPU224或以下型號，輸入端口無法滿足需求，需要加裝擴展模塊，這將對系統(tǒng)以后的功能擴展造成一定影響；所以選擇CPU226型號，其共有24點輸入，16點輸出，可滿足設計的基本需求及擴展需求。如圖2.1為S7-200的實物圖。圖2.1S7-200CPU226的實物圖執(zhí)行模塊電動機選型執(zhí)行模塊由電機帶動滑桿組成，本設計采用的是型號Y132M-4三相異步電機，它是由控制模塊所驅(qū)動，電機的結(jié)構(gòu)通?？梢院唵畏譃槎ㄗ雍娃D(zhuǎn)子，三相異步電動機就是定子中有三組電磁繞組的電機，當分別為這三組繞組通入交流電時，定子中就產(chǎn)生了磁場，此時轉(zhuǎn)子通電，根據(jù)安培定理，它在磁場中將做切割磁場的運動，這就是三相異步電動機的工作原理。三相異步電動機的參數(shù)如表2.1所示。表2.1Y132M-4三相異步電動機規(guī)格參數(shù)三相異步電機型號Y132M-4功率7.5KW頻率50Hz電壓380V電流15.4A接法△轉(zhuǎn)速1440r/min絕緣等級E工作方式連續(xù)溫升80℃防護等級IP44重量55Kg設計中共有兩臺電機分別驅(qū)動水平和垂直兩部分滑桿，電機用以控制滑桿收縮或推出實現(xiàn)機噴槍運動。噴槍設備選型本設計采用4個并排的Opti系列靜電噴涂設備，其中包括OptiGunGA02型靜電粉末自動噴槍和OptiFlowIG02粉泵如圖2.2所示。圖2.2OptiGunGAO2型靜電粉末自動噴槍型號ptiGun2-A(GA02）靜電粉末噴槍，其噴槍的內(nèi)部裝有HYPERLINK"javascript:;"中央電極放電針，能夠確保涂料傳輸效率穩(wěn)定高效和對工件的附著率，從而可以使粉末的涂層得到均勻整齊。并且還可以對噴槍內(nèi)部進行自動清潔，使噴槍延長使用期限。能夠保證涂料噴出的粉末擁有極高的帶電率以及較高的穿透力，OptiGunGAO2型靜電粉末自動噴槍規(guī)格參數(shù)如表2.2所示。表2.2OptiGunGAO2型靜電粉末自動噴槍規(guī)格參數(shù)額定輸入電壓10V額定輸出電壓98KV極性負極（可選：正極）最大輸出電流100μA高壓快12級點火防護類型Aacc.EN50177重量607g（740g，帶超級電暈環(huán)）檢測模塊在檢測模塊中常使用各種傳感器，傳感器搭建了所測信號與電信號的聯(lián)系，在電子技術(shù)中起著關(guān)鍵作用。傳感器將被測物體所發(fā)出的信號轉(zhuǎn)換為電信號，電信號被傳遞給控制器以處理信息。在本設計中采用西克GL6-P1112光電傳感器如圖2.3所示，來檢測工件表面控制噴槍的開關(guān)，其靈敏性及測量精度較高，適應工作場景普遍，價格便宜。光電傳感器為感應式元件，并不需要接觸就可以完成測量，當被檢物體對光電傳感器所發(fā)出光線產(chǎn)生反射或遮擋時，即說明物體到達相應位置。圖2.3西克GL6-P1112光電傳感器限位開關(guān)型號選用歐姆龍D4V-8107Z限位開關(guān)如圖2.4所示。其價格便宜，測量穩(wěn)定性高，起到的功能機械滑桿在運動過程中會對限位開關(guān)產(chǎn)生碰撞，從而限位開關(guān)產(chǎn)生電信號，傳遞至控制器，限位開關(guān)通常被用作限制機械部件的運動位置，使其到一定位置就停止或是反向運動。在實際使用過程中，通常預先測量好所期望位置，再加以限位開關(guān)實現(xiàn)自動控制。限位開關(guān)目前被廣泛用于各種機床、機械臂及生產(chǎn)線中，起到限位及終端保護的作用。圖2.4歐姆龍D4V-8107Z限位開關(guān)在本設計中，分別在水平及垂直滑桿的兩端設置限位開關(guān)，共四個限位開關(guān)，對水平及垂直的極限位置進行拘束，當噴槍運行到相對位置時碰撞開關(guān)，開關(guān)傳遞信號至單片機使電機停止運動。PLC外部接線圖設計PLC為控制器，其外部輸入端口接入模式選擇、方向控制、噴漆控制、復位等按鈕，外部輸出端口接入電機、噴漆和運行指示燈等設備，其外部接線圖如圖2.5所示。圖2.5PLC外部接線圖系統(tǒng)的軟件設計PLC的輸入輸出分配根據(jù)所選擇的PLC型號，對本系統(tǒng)中S7-200的輸入、輸出端子進行分配，根據(jù)實際需要，使用相應的端子，設計所使用的S7-200的CPU模塊為CPU226，其共有24個輸入點，16個輸出點，設計所用輸入為15點，輸出為9點。本次設計所使用I/O端口地址分配見表3.1所示。表3.1I/O端口地址分配表輸入輸出輸入器件輸入繼電器輸入器件輸入繼電器手動模式I0.0噴涂機器人上升Q0.0單周期I0.1噴涂機器人下降Q0.1自動模式I0.2噴槍打開Q0.2左限位開關(guān)I0.3左限位指示燈Q0.3右限位開關(guān)I0.4右限位指示燈Q0.4上限位開關(guān)I0.5上限位指示燈Q0.5下限位開關(guān)I0.6下限位指示燈Q0.6噴涂機器人噴槍上移I0.7噴涂機器人左移Q0.7噴涂機器人噴槍下移I1.0噴涂機器人右移Q1.0噴涂機器人噴槍前移I1.1噴涂機器人噴槍后移I1.2手動打開噴槍I1.3復位I1.4前光電感應I1.5后光電感應I1.6PLC程序設計本次系統(tǒng)的軟件設計選擇梯形圖作為編程語言，梯形圖為PLC的三大編程語言的一種，因其較為簡單易學，所以也是大部分初學者的優(yōu)先選擇。它使用圖形符號來敘述程序過程，由一種假想的能流從左至右表示程序執(zhí)行順序，條件在左，結(jié)果在右。編程軟件介紹西門子公司針對S7-200小型PLC專門開發(fā)了STEP7-Micro/WIN軟件，該軟件可對S7-200進行編程，其基于Windows系統(tǒng)，具備強大的功能，不僅可用于PLC程序開發(fā)，又可以在系統(tǒng)程序運行時對其狀態(tài)進行持續(xù)監(jiān)控，在PLC系統(tǒng)設計中占有不可忽視的地位。STEP7-Micro/WIN主要具備硬件及參數(shù)配置、編程、調(diào)試、監(jiān)控、維護和診斷功能，可以在離線狀態(tài)下對編寫和修改PLC程序，進行聯(lián)網(wǎng)后可以上傳或是下載PLC程序，還可在用戶編輯程序的過程中，自動診斷語法錯誤，提醒用戶及時修改，避免程序中低級的語法及數(shù)據(jù)類型錯誤，軟件界面圖如圖3.1所示。圖3.1STEP7-Micro/WIN的軟件界面系統(tǒng)模式選擇在系統(tǒng)啟動后，首先判斷所選模式，本設計共有手動模式、單周期模式、自動模式三種模式，其中手動模式通過方向按鍵及啟動噴槍按鈕來實現(xiàn)用戶自主對噴漆機器人的控制；單周期模式即機械臂自己完成一個周期的運動，一個完整的周期運動包含噴漆、移動、抬起噴槍等過程；自動模式即循環(huán)完成周期運動。模式選擇如圖3.2所示。電機啟動開始手動模式電機啟動開始手動模式模式選擇單周期模式自動模式結(jié)束圖3.2模式選擇噴槍控制程序設計完成噴槍控制流程如圖3.3所示，首先對按鍵進行鍵值掃描，然后按照對應按鍵控制噴槍開始工作，到噴槍移動到車窗位置后由光電傳感器向PLC發(fā)出信號，隨后控制噴槍停止，這就完成了一次噴槍控制，按照此流程完成噴槍在整個過程中的自動啟?？刂疲纯蓪崿F(xiàn)噴涂機器人的功能。開始開始自動模式N運行手動模式噴槍打開光電傳感器N動運行噴槍停止YY圖3.3噴槍控制流程圖噴槍回原點程序設計噴槍復位控制流程如圖3.4所示，按下復位按鍵后，噴槍停止工作，向上升起到達上限位置后，噴槍左移，左移到左限位置，噴槍下降止下限位置，回到起始點，復位結(jié)束。復位復位噴槍停止噴槍上升到達上限位YN噴槍左移到達左限位達到下限位結(jié)束NYNY噴槍下降圖3.4回原點程序流程圖系統(tǒng)主程序流程圖根據(jù)噴涂機器人的設計要求，畫出系統(tǒng)控制的流程圖如圖3.5所示，噴涂機器人啟動后先擇機器人工作模式，當選擇單周期模式后，噴槍打開開始向后移動進行噴漆，噴漆止擋風玻璃后停止噴漆，噴槍向上抬起，越過擋風玻璃到達車頂噴槍打開，繼續(xù)向后移動對車頂進行噴漆。噴漆止后擋風玻璃處，噴槍停止噴漆，向下移動跳過后擋風玻璃后，噴槍打開對車尾以及車門進行噴漆。噴漆止后限位傳感器后往回按原路徑噴漆，到達前限位傳感器單周期工作結(jié)束。圖3.5程序流程圖上位機監(jiān)控系統(tǒng)設計組態(tài)軟件介紹組態(tài)王是用于構(gòu)建上位機監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件，它可以對現(xiàn)場各種數(shù)據(jù)及運行情況完成檢測和數(shù)據(jù)處理工作，其具備完善的功能，用戶操作清晰簡便，可視好等特點。通過與其他硬件設備相配合，可以完成系統(tǒng)的監(jiān)控模塊構(gòu)建。用戶可以通過組態(tài)軟件搭建應用系統(tǒng)，實現(xiàn)系統(tǒng)的無紙化記錄，減少相應按鍵外設，其軟件界面如圖4.1所示。圖4.1組態(tài)王組態(tài)軟件界面圖組態(tài)監(jiān)控畫面的建立打開組態(tài)王軟件進入實時模擬監(jiān)控畫面的設計界面圖，構(gòu)建出噴漆應用場景中的車體部分，如圖4.2所示。圖4.2組態(tài)模型設計監(jiān)控畫面為了將單/自動周期模式與手動模式區(qū)分，對手動模式設計了額外的控制按鍵，實現(xiàn)手動模式控制噴槍臂升降，移動以及噴槍的啟停，如圖4.3組態(tài)界面按鍵設計所示。圖4.3組態(tài)界面按鍵設計監(jiān)控系統(tǒng)設計監(jiān)控系統(tǒng)的主界面如圖4.4所示，上面共設置有系統(tǒng)啟動與停止、三種模式選擇、方向操作、噴漆控制等按鈕；還設置有三個按鈕完成模式切換操作；且界面還對多種指示燈，分別為移動指示燈、位置限制指示燈、復位指示燈，對系統(tǒng)相應操作實現(xiàn)提示；噴槍分別有開始噴漆和停止噴漆兩種狀態(tài)。圖4.4監(jiān)控系統(tǒng)主界面三種模式的噴涂機器人運行流程均相同，此處僅對運行流程做一次描述，噴涂機器人的初始位置位于左邊及下邊位置下限，停止和下限指示燈發(fā)光，此時噴涂機器人為待啟動狀態(tài)，監(jiān)控系統(tǒng)界面如圖4.5所示。圖4.5噴涂機器人運行界面圖1隨后點擊啟動，噴涂機器人位于下限位置，下限指示燈發(fā)光，開始對車輛車頭進行噴漆，并向右方移動，噴漆指示燈發(fā)光，表示噴涂機器人此時已開始噴漆。此時監(jiān)控系統(tǒng)界面如圖4.6所示。圖4.6噴涂機器人運行界面圖2之后噴涂機器人運行至右邊前擋風玻璃處，達到光電感應位置，光電傳感器指示燈發(fā)光，噴槍垂直升起至上限位置，停止噴漆，將噴槍右移動到車頂位置，噴槍對車頂開始噴漆，此時監(jiān)控系統(tǒng)界面如圖4.7所示。圖4.7噴涂機器人運行界面圖3之后噴涂機器人噴漆右移止后擋風玻璃處，噴槍停止，噴槍開始右移下降止下限位置，噴槍打開對車位進行噴漆。最后對工作臺車門部件進行噴漆，此時監(jiān)控系統(tǒng)界面如圖4.8所示?；氐狡瘘c，單周期噴漆結(jié)束。圖4.8噴涂機器人運行界面圖4總結(jié)隨著電機科技的蓬勃發(fā)展，自動化控制成為了各行各業(yè)所面對的新興發(fā)展與挑戰(zhàn)，機器人代替人力完成大量枯燥重復的工作已成為時代的必然趨勢，對于研究機器人控制，如何提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可操作性成為了關(guān)鍵的命題。而對于噴涂機器人設計來說，所需完成的動作較多，因而關(guān)鍵就在于如何完成各模塊與工作部件的相互配合，因此在進行設計的過程中，應不斷學習了解各個模塊的使用特性與應用方法以及上位機與