魏士博

(天津理工大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院,天津 300380)

工藝品自動(dòng)噴漆電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

魏士博

(天津理工大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院,天津 300380)

噴漆機(jī)械手在國(guó)外早已被廣泛地應(yīng)用于汽車(chē),工藝品,飛機(jī)等產(chǎn)品的噴漆生產(chǎn)線(xiàn)。近年來(lái),國(guó)內(nèi)也有很多噴漆機(jī)械手投入到生產(chǎn)線(xiàn)中。在大型涂裝生產(chǎn)線(xiàn),它是通常是將噴漆固定在機(jī)械手上,然后機(jī)械手自動(dòng)對(duì)工件表面進(jìn)行噴漆。國(guó)內(nèi)的方法一般是采用示教的方法,把噴槍固定在機(jī)械手一端,由工人拿著噴槍,沿著工藝品的輪廓進(jìn)行噴涂,并由計(jì)算機(jī)記錄下噴涂路線(xiàn),以后相同的工件都按照此路線(xiàn)進(jìn)行噴涂。

噴漆 PLC 機(jī)械手

1 主控制回路的設(shè)計(jì)

伺服電機(jī)需要五個(gè)，MINAS A5功率750瓦的一個(gè)，MINAS A5功率400瓦的兩個(gè)，LECP6型號(hào)兩個(gè)，CJ2M-CPU14型號(hào)PLC一個(gè)，NB10型號(hào)觸摸屏一個(gè)，數(shù)字量輸出模塊CJ1W-OC211兩個(gè)，數(shù)字量輸出模塊CJ1W-ID211一個(gè)，傳感器若干。系統(tǒng)功率大概在2100w左右，在回路中加了兩個(gè)斷路器，這樣是為了防止過(guò)壓和過(guò)流，有效的保證了安全（如圖1）。

2 硬件系統(tǒng)配置選型

(1)控制器選擇歐姆龍公司的CJ2M系列PLC。CJ2具有容量更大，處理速度更快，控制和通信功能更強(qiáng)，并有助于設(shè)備的更新和降低成本等優(yōu)點(diǎn)。

(2)本系統(tǒng)采用了OMRON公司的NB-Designer10觸摸屏作為上位機(jī)系統(tǒng)，該觸摸屏具有反應(yīng)速度快，抗干擾能力強(qiáng)，更重要的是能利用大容量的U盤(pán)活SD卡作為外部存儲(chǔ)器。將觸摸屏作為數(shù)據(jù)的源頭，避免了使用過(guò)多的輸入輸出模塊，節(jié)約成本，簡(jiǎn)化系統(tǒng)。

(3)端子轉(zhuǎn)接臺(tái)。端子轉(zhuǎn)接臺(tái)是聯(lián)系NC模塊與伺服驅(qū)動(dòng)器的橋梁，所以也稱(chēng)為中繼單元。

(4)伺服驅(qū)動(dòng)器與伺服電機(jī)。伺服驅(qū)動(dòng)器負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)按照既定的軌跡和速度運(yùn)動(dòng)，包括控制伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)的速度，位置，工作方式等等。

3 位置控制單元

PCU是用于實(shí)現(xiàn)精確定位，它從PLC工作區(qū)接受指令并向不同的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器輸出脈沖序列用于定位。在本文中，由于要控制5個(gè)軸的精確定位，所以選取了兩個(gè)PCU單元，一個(gè)NC413與一個(gè)NC213，它們所承擔(dān)功能一樣，不一樣的是NC413能同時(shí)控制4路伺服系統(tǒng)，NC213控制兩路，以下將只對(duì)NC413的功能做簡(jiǎn)單介紹。

3.1 位置控制單元的特點(diǎn)

PCU是CJ系列PLC的特殊輸入/輸出單元，單元從PLC的工作區(qū)接受指令并向不同的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器輸出脈沖序列用于定位。

3.2 位置控制單元的主要功能

(1)高速響應(yīng)。PCU對(duì)于來(lái)自CPU 單元的指令在2 毫秒內(nèi)做出響應(yīng)。

(2)存儲(chǔ)器操作和直接操作。

(3)控制軸的數(shù)量和輸出類(lèi)型。PCU可以有1、2或者4個(gè)軸。使用2或4個(gè)軸的型號(hào)，對(duì)于所有的軸線(xiàn)線(xiàn)性插譜都可以實(shí)現(xiàn)。

(4)中斷進(jìn)給。

(5)定位和速度控制范圍。(6)原點(diǎn)搜索、點(diǎn)動(dòng)、示教等功能。

3.3 位置控制單元的工作原理

在開(kāi)放循環(huán)系統(tǒng)中，根據(jù)電動(dòng)機(jī)收到的輸入脈沖數(shù)目實(shí)現(xiàn)定位控制，不提供位置進(jìn)給。PCU都采用脈沖輸出類(lèi)型開(kāi)放循環(huán)系統(tǒng)，這種控制系統(tǒng)最常使用的電動(dòng)機(jī)是伺服電機(jī)。伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角可以通過(guò)供應(yīng)給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的脈沖信號(hào)數(shù)目控制。伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)位移與PCU提供的脈沖信號(hào)數(shù)目成比例，伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度與脈沖序列的頻率成比例。

3.4 PCU的定位控制

定位可以使用絕對(duì)數(shù)值(即從原點(diǎn)到一個(gè)絕對(duì)的位置)或者增量數(shù)值(即從當(dāng)前位置移到一個(gè)相對(duì)的位置)。

3.5 PCU單元的功能

NC413模塊具備4路輸出信號(hào)，能同時(shí)控制4路伺服電機(jī)，每路具備20個(gè)引腳。

4 控制點(diǎn)的測(cè)算與模擬量與數(shù)字量模塊電路設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)中，為了保證系統(tǒng)的安全和控制的方便合理，需要引進(jìn)許多的傳感器和按鈕來(lái)設(shè)置系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)也需要把系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)與故障報(bào)警顯示出來(lái)。為了整個(gè)系統(tǒng)操作方便快捷，設(shè)置了系統(tǒng)的工作狀態(tài)，手動(dòng)與自動(dòng)，電機(jī)的正傳與反轉(zhuǎn)，低速與高速等；為了整個(gè)系統(tǒng)控制的方便快捷，需要對(duì)每個(gè)軸的伺服電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行設(shè)置，包括暫停，準(zhǔn)備運(yùn)行，報(bào)警清楚等；為了系統(tǒng)的安全，需要將系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)的通過(guò)指示燈，報(bào)警器等顯示器將信號(hào)告訴給操作員，以便及時(shí)的找對(duì)應(yīng)對(duì)措施，包括，運(yùn)行狀態(tài)，故障指示等。

5 伺服中繼單元的選取及其電路設(shè)計(jì)

伺服中繼單元是聯(lián)系位置控制單元與伺服驅(qū)動(dòng)器的橋梁，由于組NC單元具有40引腳，分成兩路對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行控制，每路伺服也具有20個(gè)引腳，傳統(tǒng)的控制方式是NC單元直接與伺服驅(qū)動(dòng)器對(duì)接。

6 PLC程序的規(guī)劃與實(shí)現(xiàn)

自動(dòng)控制部分所要實(shí)現(xiàn)的功能是，通過(guò)觸摸屏按鈕啟動(dòng)后，系統(tǒng)自動(dòng)完成整個(gè)噴涂作業(yè)，其中包括建自動(dòng)控制部分流程圖如立原點(diǎn)、載入配方、原點(diǎn)搜索、開(kāi)啟噴頭、關(guān)閉噴頭以及循環(huán)讀取數(shù)據(jù)等。

手動(dòng)程序原理較為簡(jiǎn)單，通過(guò)觸摸屏設(shè)置PLC程序各關(guān)節(jié)手動(dòng)(點(diǎn)動(dòng))的速度和方向，并將這些數(shù)據(jù)直接寫(xiě)入PLC所要操作的內(nèi)存地址，當(dāng)通過(guò)啟動(dòng)手動(dòng)運(yùn)行時(shí)即能實(shí)現(xiàn)各手臂關(guān)節(jié)按照指定速度和方向運(yùn)動(dòng)。