电气工程及其自动化毕业设计 基于PLC的喷涂机器人控制系统的设计

基于PLC的喷涂机器人控制系统的设计【内容摘要】：随着喷涂行的迅速发展，对于喷涂要求逐渐提升，喷涂机器人能够代替人工完成更复杂的喷涂作业。以汽车喷漆为例设计了一套基于PLC的喷涂机器人控制系统，主要由控制、执行、检测、驱动四大模块构成。控制模块以S7-200PLC为控制核心，对喷涂机器人各部分驱动模块进行方向、位置的调整，执行模块完成电机带动喷枪移动实现喷涂作业；检测模块是在喷涂机器臂携带喷枪的升降、移动路径上设置限位传感器与光电传感器，将所接收信息转换为电信号传递至控制器处理。通过PLC控制异步电机作为喷涂机器人运动驱动装置，喷涂运动机构通过PLC编写的程序实现喷涂运动控制并设置功能保护以达到喷涂质量和效率。通过组态软件对所设计喷涂机器人控制系统进行仿真模拟调试，可以实现控制要求。【关键词】：喷涂机器人；PLC；喷枪目录TOC\o"1-2"\h\u8450一、系统总体方案设计 基于PLC的喷涂机器人控制系统的设计随着社会生产水平与电子科技的蓬勃发展，工业生产的自动化需求不断提高，开发出多种多样功能的喷涂机器人设计成为社会的必然趋势。上世纪五十年代诞生了世界上第一台喷涂机器人。70年代各国开始引入喷涂机器人投入生产制造，我国也开始了自主研发喷涂机器人设计。直到今天，各类喷涂机器人设计仍伴随着新兴技术改革不断进步，在工业生产、服务建设等领域发挥重要作用。目前喷涂机器人大致有三类应用方向：第一类即喷涂机器人作为独立的设计，在可编程控制器的控制下完成相应功能；第二类即喷涂机器人作为生产线的一部分，完成其相应部分功能，例如传送带完成传送或是上下料等等；第三类需要的喷涂机器人设计较为复杂，各方面精度也较高，它主要代替人工在高危环境下进行作业，或是进行一些精密的军事安装工业等。喷涂机器人的控制方式随着新兴技术的改革也在不断改进，过去一般采用传统的继电接触器控制方式，其机械触点不仅多，且易磨损损耗，故障率高，后期进行功能改写操作复杂。针对这一系列难题，采用可编程控制器PLC进行改进，其与前者形成了鲜明对比，它内部存在无数个可使用的触点，并且可以进行不限次数的改写，易于改进维护，可靠性高，抗干扰能力强。喷涂机器人移动、升降等操作一般由电机正反转控制完成。系统总体方案设计喷涂工作方案选择根据目前的喷涂行业中，喷涂机器人使用比较多的两种作业方式是：第一种是喷枪动/静工作模式，即喷枪运动喷涂时工件是被固定的状态。第二种是工件流动模式，即喷枪进行喷漆时工件均匀通过喷枪喷漆范围内。在喷枪动/静喷涂模式下，将需要喷涂的工件传送到喷枪喷涂区域，并将工件固定好在喷涂范围内。在喷枪喷漆作业的过程中，工件处于静止状态，喷枪按照设定好的轨迹路线对工件表面进行喷漆。这种扫掠的喷漆方式有利于对涂料用量进行控制，对固定的工件更有利于涂料的附着，其可以提升喷涂的质量和降低涂料的浪费。这种喷涂作业模式对于喷涂轨迹的控制和喷涂轨迹的规划也相对的容易，可以更简单的完成对一些要求喷涂质量较高的工件进行喷涂。但是因为这种喷涂方式只能完成对固定工件的喷涂任务，就导致其喷涂的工作效率相对较低。动/静工作模式如1.1所示。图1.1喷枪动/静工作模式工件流动喷涂模式，在喷涂流水线的输送链上将工件进行悬挂式固定。使工件由传输链带动均匀通过喷涂区域。喷涂机器人的喷枪垂直的对经过工件的表面进行喷漆。在这种模式下的优点就是喷涂机器人能够不间断的对工件进行喷漆，生产效率相对喷枪动/静模式可以大幅度提高，适用于大批量生产。但是这种模式的喷涂机器人空间自由度小，方向单一导致工作环境受限过大。此外，喷枪范围往往要大于工件面积，就导致喷漆的附着力降低和涂料浪费。工件流动喷涂模式如图1.2所示。图1.2工件流动工作模式通过上述两种工作模式的对比，本设计采用动/静工作模式，将工件固定在喷涂范围内，由喷涂机器人根据运动轨迹均匀在工件表面进行喷漆作业。系统总体方案设计本次设计总体可分为两大部分：（1）本设计应用场景为汽车喷涂，通过喷涂机器人对车体进行喷涂。喷涂机器人根据PLC中所编程序，对于汽车车顶和车门由两种喷漆运动轨迹实现；动作程序共设定有手动操作，单次自动操作，循环自动操作三种模式。本设计使用两电机分别驱动水平和垂直方向的运动。设计可分为控制模块、执行模块、显示模块、检测模块，对各模块具体介绍，其构成关系如图1.3所示。显示模块显示模块控制模块执行模块检测模块图1.3设计构成关系显示模块（2）使用上位机对整个操作过程进行实时监控，使用组态王组态软件构建监控系统，通过对PLC控制喷涂机器人的各信号变量进行采集，实现对喷涂机器人升降、移动、喷漆等操作的实时显示，并设置相应按钮完成对喷涂机器人的喷枪控制及其他模式的切换，最终达到使上位机准确操控设计的目的。其整体结构框图如图显示模块PLCPLC启动按钮停止按钮光电感应器上下限位开关左右限位开关屏幕控制器自动连续关单循环开关执行机构图1.4整体结构框图系统的硬件设计控制模块近年来，随着工程技术的不断精进，从PLC产生到其迅猛发展，它分别实现了技术上、功能上、应用领域上的大跨步飞跃，如今PLC处理信息和运算以及网络通信等功能都有了极大提升，逐渐成为工业控制的中流砥柱，在各行业生产中发挥着重大作用，PLC一般由中央处理单元、存储器、I/O单元、编程器、电源等组成。PLC的应用领域极其广泛，主要有工业生产、交通运输、文化娱乐等，按照它在其中充当功能可以分为以下几类：（1）工业过程控制，即PLC利用相应数模转换模块对其实现数据处理，进而完成控制功能，这在冶金、化工等领域得到广泛应用。（2）运动控制，PLC可以配合电机实现对物体运动的控制，多应用在机器人、电梯、传送带等场景。（3）网络通信，现在许多PLC都设置了网络通信接口，可以与其他设备实现通信；（4）开关量逻辑控制，替代继电—接触器完成开关控制；（5）数据处理，PLC可以通过运算指令对数据实现简单的分析及处理工作，通常用于冶金等行业。本设计选用西门子S7-200作为控制部分，它主要有如下特点：内含功能指令丰富；处理运行速度快；内置大容量存储器，寄存器数量多；西门子为其研发了STEP7-Micro软件，专门实现对S7-200的编程工作，软件便利且运行稳定，作为西门子最出色处理器之一，它可以完成复杂的控制功能，实现生产自动化。S7-200是一种小型PLC，但其功能却十分强大，因而其性价比极高。其应用范围极广，现在向生产自动化迈进的企业，经常能看到它的身影。PLC选型在对系统的可编程控制器进行选型时，首先对项目大小进行一个综合的考量，本设计项目体量较小，一般选择小型PLC即可满足要求；再考虑被控制器件所使用的I/O点数，本设计所使用的输入为15点，输出为9点。最后综合考虑控制器的功能性、结构性、运行速度、稳定性、自诊断能力和性价比等因素后，选择西门子S7-200小型PLC，由于共使用输入为15点，输出为9点，若选择CPU224或以下型号，输入端口无法满足需求，需要加装扩展模块，这将对系统以后的功能扩展造成一定影响；所以选择CPU226型号，其共有24点输入，16点输出，可满足设计的基本需求及扩展需求。如图2.1为S7-200的实物图。图2.1S7-200CPU226的实物图执行模块电动机选型执行模块由电机带动滑杆组成，本设计采用的是型号Y132M-4三相异步电机，它是由控制模块所驱动，电机的结构通常可以简单分为定子和转子，三相异步电动机就是定子中有三组电磁绕组的电机，当分别为这三组绕组通入交流电时，定子中就产生了磁场，此时转子通电，根据安培定理，它在磁场中将做切割磁场的运动，这就是三相异步电动机的工作原理。三相异步电动机的参数如表2.1所示。表2.1Y132M-4三相异步电动机规格参数三相异步电机型号Y132M-4功率7.5KW频率50Hz电压380V电流15.4A接法△转速1440r/min绝缘等级E工作方式连续温升80℃防护等级IP44重量55Kg设计中共有两台电机分别驱动水平和垂直两部分滑杆，电机用以控制滑杆收缩或推出实现机喷枪运动。喷枪设备选型本设计采用4个并排的Opti系列静电喷涂设备，其中包括OptiGunGA02型静电粉末自动喷枪和OptiFlowIG02粉泵如图2.2所示。图2.2OptiGunGAO2型静电粉末自动喷枪型号ptiGun2-A(GA02）静电粉末喷枪，其喷枪的内部装有HYPERLINK"javascript:;"中央电极放电针，能够确保涂料传输效率稳定高效和对工件的附着率，从而可以使粉末的涂层得到均匀整齐。并且还可以对喷枪内部进行自动清洁，使喷枪延长使用期限。能够保证涂料喷出的粉末拥有极高的带电率以及较高的穿透力，OptiGunGAO2型静电粉末自动喷枪规格参数如表2.2所示。表2.2OptiGunGAO2型静电粉末自动喷枪规格参数额定输入电压10V额定输出电压98KV极性负极（可选：正极）最大输出电流100μA高压快12级点火防护类型Aacc.EN50177重量607g（740g，带超级电晕环）检测模块在检测模块中常使用各种传感器，传感器搭建了所测信号与电信号的联系，在电子技术中起着关键作用。传感器将被测物体所发出的信号转换为电信号，电信号被传递给控制器以处理信息。在本设计中采用西克GL6-P1112光电传感器如图2.3所示，来检测工件表面控制喷枪的开关，其灵敏性及测量精度较高，适应工作场景普遍，价格便宜。光电传感器为感应式元件，并不需要接触就可以完成测量，当被检物体对光电传感器所发出光线产生反射或遮挡时，即说明物体到达相应位置。图2.3西克GL6-P1112光电传感器限位开关型号选用欧姆龙D4V-8107Z限位开关如图2.4所示。其价格便宜，测量稳定性高，起到的功能机械滑杆在运动过程中会对限位开关产生碰撞，从而限位开关产生电信号，传递至控制器，限位开关通常被用作限制机械部件的运动位置，使其到一定位置就停止或是反向运动。在实际使用过程中，通常预先测量好所期望位置，再加以限位开关实现自动控制。限位开关目前被广泛用于各种机床、机械臂及生产线中，起到限位及终端保护的作用。图2.4欧姆龙D4V-8107Z限位开关在本设计中，分别在水平及垂直滑杆的两端设置限位开关，共四个限位开关，对水平及垂直的极限位置进行拘束，当喷枪运行到相对位置时碰撞开关，开关传递信号至单片机使电机停止运动。PLC外部接线图设计PLC为控制器，其外部输入端口接入模式选择、方向控制、喷漆控制、复位等按钮，外部输出端口接入电机、喷漆和运行指示灯等设备，其外部接线图如图2.5所示。图2.5PLC外部接线图系统的软件设计PLC的输入输出分配根据所选择的PLC型号，对本系统中S7-200的输入、输出端子进行分配，根据实际需要，使用相应的端子，设计所使用的S7-200的CPU模块为CPU226，其共有24个输入点，16个输出点，设计所用输入为15点，输出为9点。本次设计所使用I/O端口地址分配见表3.1所示。表3.1I/O端口地址分配表输入输出输入器件输入继电器输入器件输入继电器手动模式I0.0喷涂机器人上升Q0.0单周期I0.1喷涂机器人下降Q0.1自动模式I0.2喷枪打开Q0.2左限位开关I0.3左限位指示灯Q0.3右限位开关I0.4右限位指示灯Q0.4上限位开关I0.5上限位指示灯Q0.5下限位开关I0.6下限位指示灯Q0.6喷涂机器人喷枪上移I0.7喷涂机器人左移Q0.7喷涂机器人喷枪下移I1.0喷涂机器人右移Q1.0喷涂机器人喷枪前移I1.1喷涂机器人喷枪后移I1.2手动打开喷枪I1.3复位I1.4前光电感应I1.5后光电感应I1.6PLC程序设计本次系统的软件设计选择梯形图作为编程语言，梯形图为PLC的三大编程语言的一种，因其较为简单易学，所以也是大部分初学者的优先选择。它使用图形符号来叙述程序过程，由一种假想的能流从左至右表示程序执行顺序，条件在左，结果在右。编程软件介绍西门子公司针对S7-200小型PLC专门开发了STEP7-Micro/WIN软件，该软件可对S7-200进行编程，其基于Windows系统，具备强大的功能，不仅可用于PLC程序开发，又可以在系统程序运行时对其状态进行持续监控，在PLC系统设计中占有不可忽视的地位。STEP7-Micro/WIN主要具备硬件及参数配置、编程、调试、监控、维护和诊断功能，可以在离线状态下对编写和修改PLC程序，进行联网后可以上传或是下载PLC程序，还可在用户编辑程序的过程中，自动诊断语法错误，提醒用户及时修改，避免程序中低级的语法及数据类型错误，软件界面图如图3.1所示。图3.1STEP7-Micro/WIN的软件界面系统模式选择在系统启动后，首先判断所选模式，本设计共有手动模式、单周期模式、自动模式三种模式，其中手动模式通过方向按键及启动喷枪按钮来实现用户自主对喷漆机器人的控制；单周期模式即机械臂自己完成一个周期的运动，一个完整的周期运动包含喷漆、移动、抬起喷枪等过程；自动模式即循环完成周期运动。模式选择如图3.2所示。电机启动开始手动模式电机启动开始手动模式模式选择单周期模式自动模式结束图3.2模式选择喷枪控制程序设计完成喷枪控制流程如图3.3所示，首先对按键进行键值扫描，然后按照对应按键控制喷枪开始工作，到喷枪移动到车窗位置后由光电传感器向PLC发出信号，随后控制喷枪停止，这就完成了一次喷枪控制，按照此流程完成喷枪在整个过程中的自动启停控制，即可实现喷涂机器人的功能。开始开始自动模式N运行手动模式喷枪打开光电传感器N动运行喷枪停止YY图3.3喷枪控制流程图喷枪回原点程序设计喷枪复位控制流程如图3.4所示，按下复位按键后，喷枪停止工作，向上升起到达上限位置后，喷枪左移，左移到左限位置，喷枪下降止下限位置，回到起始点，复位结束。复位复位喷枪停止喷枪上升到达上限位YN喷枪左移到达左限位达到下限位结束NYNY喷枪下降图3.4回原点程序流程图系统主程序流程图根据喷涂机器人的设计要求，画出系统控制的流程图如图3.5所示，喷涂机器人启动后先择机器人工作模式，当选择单周期模式后，喷枪打开开始向后移动进行喷漆，喷漆止挡风玻璃后停止喷漆，喷枪向上抬起，越过挡风玻璃到达车顶喷枪打开，继续向后移动对车顶进行喷漆。喷漆止后挡风玻璃处，喷枪停止喷漆，向下移动跳过后挡风玻璃后，喷枪打开对车尾以及车门进行喷漆。喷漆止后限位传感器后往回按原路径喷漆，到达前限位传感器单周期工作结束。图3.5程序流程图上位机监控系统设计组态软件介绍组态王是用于构建上位机监控系统的组态软件，它可以对现场各种数据及运行情况完成检测和数据处理工作，其具备完善的功能，用户操作清晰简便，可视好等特点。通过与其他硬件设备相配合，可以完成系统的监控模块构建。用户可以通过组态软件搭建应用系统，实现系统的无纸化记录，减少相应按键外设，其软件界面如图4.1所示。图4.1组态王组态软件界面图组态监控画面的建立打开组态王软件进入实时模拟监控画面的设计界面图，构建出喷漆应用场景中的车体部分，如图4.2所示。图4.2组态模型设计监控画面为了将单/自动周期模式与手动模式区分，对手动模式设计了额外的控制按键，实现手动模式控制喷枪臂升降，移动以及喷枪的启停，如图4.3组态界面按键设计所示。图4.3组态界面按键设计监控系统设计监控系统的主界面如图4.4所示，上面共设置有系统启动与停止、三种模式选择、方向操作、喷漆控制等按钮；还设置有三个按钮完成模式切换操作；且界面还对多种指示灯，分别为移动指示灯、位置限制指示灯、复位指示灯，对系统相应操作实现提示；喷枪分别有开始喷漆和停止喷漆两种状态。图4.4监控系统主界面三种模式的喷涂机器人运行流程均相同，此处仅对运行流程做一次描述，喷涂机器人的初始位置位于左边及下边位置下限，停止和下限指示灯发光，此时喷涂机器人为待启动状态，监控系统界面如图4.5所示。图4.5喷涂机器人运行界面图1随后点击启动，喷涂机器人位于下限位置，下限指示灯发光，开始对车辆车头进行喷漆，并向右方移动，喷漆指示灯发光，表示喷涂机器人此时已开始喷漆。此时监控系统界面如图4.6所示。图4.6喷涂机器人运行界面图2之后喷涂机器人运行至右边前挡风玻璃处，达到光电感应位置，光电传感器指示灯发光，喷枪垂直升起至上限位置，停止喷漆，将喷枪右移动到车顶位置，喷枪对车顶开始喷漆，此时监控系统界面如图4.7所示。图4.7喷涂机器人运行界面图3之后喷涂机器人喷漆右移止后挡风玻璃处，喷枪停止，喷枪开始右移下降止下限位置，喷枪打开对车位进行喷漆。最后对工作台车门部件进行喷漆，此时监控系统界面如图4.8所示。回到起点，单周期喷漆结束。图4.8喷涂机器人运行界面图4总结随着电机科技的蓬勃发展，自动化控制成为了各行各业所面对的新兴发展与挑战，机器人代替人力完成大量枯燥重复的工作已成为时代的必然趋势，对于研究机器人控制，如何提高系统的稳定性与可操作性成为了关键的命题。而对于喷涂机器人设计来说，所需完成的动作较多，因而关键就在于如何完成各模块与工作部件的相互配合，因此在进行设计的过程中，应不断学习了解各个模块的使用特性与应用方法以及上位机与