徐海巖　任廣通　牛廣飛　謝東廷

摘 要：追蹤式擦凈設(shè)備具有耦合運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，運(yùn)動(dòng)路徑復(fù)雜，易發(fā)生碰撞或干涉，本文基于汽車涂裝的追蹤式擦凈設(shè)備，研究其防碰撞系統(tǒng)。利用編碼器計(jì)算車體理論移動(dòng)位置，與實(shí)際進(jìn)行比對(duì)自動(dòng)判定其碰撞概率并給出警告。利用光電傳感器檢測(cè)設(shè)備與車身之間距離，距離過(guò)小時(shí)及時(shí)停止系統(tǒng)運(yùn)行，解決汽車涂裝的追蹤式擦凈設(shè)備與車體發(fā)生碰撞的難題。

關(guān)鍵詞：汽車涂裝 追蹤式 碰撞系統(tǒng)

Design and Implementation of Anti-collision System for Tracking Cleaning Equipment Based on Automobile Coating

Xu Haiyan，Ren Guangtong，Niu Guangfei，Xie Dongting

Abstract：The tracking type cleaning equipment has the characteristics of coupled motion， the movement path is complicated， and it is prone to collision or interference. This article is based on the tracking type cleaning equipment of automobile coating to study its anti-collision system. The encoder is used to calculate the theoretical moving position of the car body， and comparing it with the actual situation to automatically determines its collision probability and gives a warning. The photoelectric sensor is used to detect the distance between the equipment and the car body， and the system will be stopped in time when the distance is too small to solve the problem of collision between the tracking type cleaning equipment of the car painting and the car body.

Key words：car painting， tracking， collision system

1 引言

涂裝車間面漆工藝前需要對(duì)車體進(jìn)行擦凈處理，最大程度減少后續(xù)噴涂工藝可能產(chǎn)生的噴涂缺陷[1]。在噴涂工藝前，車身輸送過(guò)程中的工藝、環(huán)境等各種因素會(huì)對(duì)車身造成污染，車身大多存在油污、鐵屑、打磨灰等雜質(zhì)。噴涂工藝要求車身具有較高的潔凈度，任何污染或雜質(zhì)可能會(huì)造成車身縮孔、漆渣、不沾漆等質(zhì)量缺陷，嚴(yán)重時(shí)甚至造成車身報(bào)廢。對(duì)車身擦凈是避免噴涂質(zhì)量缺陷的重要方式，原始的擦凈方式是人工進(jìn)行擦凈，人工擦凈的車身潔凈度不高，目前已經(jīng)被自動(dòng)化的擦凈設(shè)備取代[2]。追蹤式擦凈設(shè)備是在車身前進(jìn)不停的情況下對(duì)車身進(jìn)行擦凈，在提升潔凈度的同時(shí)還滿足了高產(chǎn)量的需求。但是需要擦凈設(shè)備和車身運(yùn)動(dòng)的高度配合，一旦出現(xiàn)微小差異擦凈設(shè)備就會(huì)偏擺超限，與車身碰撞而致使車體損傷甚至報(bào)廢，因此需要設(shè)計(jì)一款防撞系統(tǒng)規(guī)避此現(xiàn)象。

2 系統(tǒng)組成及原理

2.1 光感防撞系統(tǒng)

2.1.1 光感防撞系統(tǒng)組成

擦凈設(shè)備防撞保護(hù)系統(tǒng)，是由四路收發(fā)一體封閉光電型傳感器圖A及西門子遠(yuǎn)程輸入輸出模塊圖B所示和西門子可編程序控制器電路圖C所示組成的。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

當(dāng)系統(tǒng)正常啟動(dòng)工作時(shí)，光電檢測(cè)系統(tǒng)會(huì)以60HZ的頻率檢測(cè)光電傳感器的反饋信號(hào)，正常的光電傳感器通過(guò)西門子遠(yuǎn)程輸入輸出模塊反饋給西門子可編程序控制器的為數(shù)字信號(hào)“1”，反之光電傳感器反饋為數(shù)字信號(hào)“0”，系統(tǒng)則認(rèn)為擦凈設(shè)備與車體發(fā)生碰撞，再通過(guò)西門子可控編程器內(nèi)設(shè)定的邏輯安全程序使擦凈設(shè)備立即進(jìn)入停車狀態(tài)不再運(yùn)行，從而達(dá)到保護(hù)車體不會(huì)因?yàn)椴羶粼O(shè)備受損。

2.1.1 光感防撞系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

擦凈設(shè)備防撞系統(tǒng)的傳感器由于擦凈設(shè)備工作時(shí)運(yùn)動(dòng)幅度大并且離車體距離有比較近，普通的電容電感式傳感器根本無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)碰撞報(bào)警作用，所以最終選擇了光電對(duì)射式傳感器，對(duì)射傳感器好處是靈敏度高，而且符合設(shè)計(jì)原理[3]，但市場(chǎng)中的光電對(duì)射傳感器直接安裝后由于工作環(huán)境及安裝位置的原因造成誤報(bào)警，經(jīng)分析在擦凈設(shè)備運(yùn)動(dòng)動(dòng)時(shí)滾輪會(huì)阻擋對(duì)射傳感器的光源傳播以及在清擦車身時(shí)一些灰塵也會(huì)降低光線的傳播，因而造成誤報(bào)警。將光電對(duì)射式傳感器的發(fā)射與接收端用膠皮包裹到達(dá)防塵防干擾的效果，在將此組合體安裝在擦凈設(shè)備滾輪四周，在其清擦車身過(guò)程中，如果與車體發(fā)生碰撞時(shí)，滾輪四周用來(lái)包裹光電對(duì)射式傳感器膠皮勢(shì)必會(huì)因擠壓變形，從而阻擋內(nèi)部光線傳播達(dá)到改變光電對(duì)射傳感器信號(hào)改變的效果，再通過(guò)西門子可編程序控制器內(nèi)部設(shè)定好的安全程序是機(jī)器人第一時(shí)間停車，起到保護(hù)車身的效果。

2.2 位置同步檢測(cè)系統(tǒng)

2.2.1 位置同步檢測(cè)系統(tǒng)的系統(tǒng)組成及原理

光感防撞系統(tǒng)僅用于擦凈機(jī)器人對(duì)車身擦凈時(shí)的檢測(cè)，其覆蓋范圍總體不夠全面。車身滑移導(dǎo)致編碼器計(jì)算的理論位置和實(shí)際位置差異是碰撞發(fā)生的主要原因，所以設(shè)計(jì)一套位置同步檢測(cè)系統(tǒng)配合此套系統(tǒng)使用，用于車身在行進(jìn)過(guò)程中的同步檢測(cè)，由三個(gè)電感式傳感器及西門子遠(yuǎn)程輸入輸出模塊、西門子可編程序控制器組成。

當(dāng)車身進(jìn)入擦凈站內(nèi)時(shí)，承載車身的滑撬觸發(fā)傳感器，此時(shí)車身繼續(xù)前進(jìn)，由西門子可編程序控制器（以下簡(jiǎn)稱CPU-300）軟件編寫(xiě)的程序開(kāi)始運(yùn)行計(jì)算并在特定位置與程序內(nèi)預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)（預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)為車身正常進(jìn)入擦凈站內(nèi)監(jiān)控百余次計(jì)算的平均值）進(jìn)行對(duì)比，其報(bào)警精度為30mm，如果車身非正常進(jìn)入或者進(jìn)入過(guò)程中發(fā)生位置偏移都會(huì)在特定位置與預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，一旦超出范圍就會(huì)報(bào)警并且使站內(nèi)所有機(jī)器人及設(shè)備進(jìn)入到停止?fàn)顟B(tài)，同時(shí)記錄報(bào)警時(shí)的車身錯(cuò)誤距離以便分析錯(cuò)誤原因，這樣就避免設(shè)備輥輪與車身發(fā)生碰撞，達(dá)到保護(hù)車身的目的。

2.2.2 位置同步檢測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

位置同步檢測(cè)系統(tǒng)是在現(xiàn)場(chǎng)擦凈站內(nèi)的輥床上選取三個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，在三個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)處安裝傳感器用于檢測(cè)以及比對(duì)車體距離，每個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的選取都是根據(jù)擦凈設(shè)備的仿形決定，因?yàn)檫@套系統(tǒng)的主要作用就是避免擦凈設(shè)備與車身發(fā)生碰撞，所以選取關(guān)鍵點(diǎn)時(shí)，就要基于仿形特征去選取，而這三個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)最主要的特征就是在關(guān)鍵點(diǎn)之前即使車身發(fā)生了位置偏移，設(shè)備的運(yùn)行軌跡也不會(huì)與車身發(fā)生碰撞，檢測(cè)傳感器的位置選取與設(shè)備的仿形設(shè)計(jì)就要達(dá)到高度契合、相輔相成。從而達(dá)到監(jiān)控車身距離避免碰撞的效果。

2.2.3 位置同步檢測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

位置同步檢測(cè)系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，方便擴(kuò)展移植調(diào)用[4]。采用PLC中的STL語(yǔ)言編程。主要有主程序、車身距離檢測(cè)比對(duì)子程序、FC7報(bào)警中斷程序、錯(cuò)誤數(shù)據(jù)記錄子程序。

PLC主程序程序主要用于計(jì)算運(yùn)動(dòng)擦凈過(guò)程中的輸送距離，由輸送電機(jī)安裝編碼器通過(guò)線纜傳送，在經(jīng)過(guò)高速脈沖計(jì)數(shù)器最終通過(guò)西門子遠(yuǎn)程輸入輸出模擬量模塊給至CPU-300經(jīng)過(guò)自主編寫(xiě)的程序運(yùn)算得出車身實(shí)際的距離以供機(jī)器人進(jìn)行跟蹤。

距離對(duì)比子程序主要是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)安裝的三個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)傳感器進(jìn)行車身的實(shí)時(shí)定位以及計(jì)算比對(duì)，在人為的算出千臺(tái)車在關(guān)鍵點(diǎn)傳感器的距離，然后將此數(shù)據(jù)填寫(xiě)至此程序的管腳，從而達(dá)到車身距離一旦出現(xiàn)異常程序可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)，并等待下一步處理。

FC7報(bào)警中斷程序主要是將距離檢測(cè)出的異常結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步的判斷，如果距離檢測(cè)判斷為異常的結(jié)果，報(bào)警中斷程序就會(huì)給擦凈設(shè)備一個(gè)停止信號(hào)，來(lái)使擦凈設(shè)備進(jìn)入停機(jī)狀態(tài)避免與車體發(fā)生碰撞。

錯(cuò)誤數(shù)據(jù)記錄程序是基于車身距離檢測(cè)程序進(jìn)而演化出來(lái)的，主要針對(duì)車身異常距離的后續(xù)措施，目的是記錄錯(cuò)誤距離然后有利于故障的解決。

3 實(shí)現(xiàn)測(cè)試分析

本系統(tǒng)安裝完成以后，對(duì)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)。為了達(dá)到防碰撞最佳效果就必須考慮安全防撞光柵的靈敏度、位置同步檢測(cè)傳感器是否存在誤差以及程序的正確性。因此需要做出一下實(shí)驗(yàn)分析。

（1）將防撞光柵安置完畢后（確定接收端和發(fā)射端相對(duì)，并能接收光線），用手遮住一端查看傳感器還是否能接受到信號(hào)。確定光柵沒(méi)問(wèn)題后再將膠皮套上，用力使膠皮發(fā)生形變，在查看傳感器是否能接受到信號(hào)。若不能，調(diào)整光柵位置，反復(fù)測(cè)試達(dá)到預(yù)期效果。

（2）安置好三個(gè)位置同步檢測(cè)傳感器后，手動(dòng)將車身移動(dòng)到傳感器處，查看車身位置顯示數(shù)據(jù)和設(shè)置傳感器位置數(shù)據(jù)是否在誤差范圍內(nèi)，在通過(guò)多次的測(cè)量和計(jì)算，通過(guò)編程軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行矯正處理。

（3）確定好硬件設(shè)備都已經(jīng)安裝無(wú)誤，在通過(guò)人為的方式來(lái)觸發(fā)報(bào)警，觀察軟件程序能否及時(shí)相應(yīng)并停止報(bào)出警告。

經(jīng)以上實(shí)驗(yàn)測(cè)試，可分析出此系統(tǒng)在生產(chǎn)過(guò)程中能否起到對(duì)設(shè)備以及車身的保護(hù)功能消除碰撞帶來(lái)的損失。

4 結(jié)語(yǔ)

本文討論并最終實(shí)現(xiàn)的追蹤式擦凈設(shè)備防撞保護(hù)系統(tǒng)，利用編碼器計(jì)算車體理論移動(dòng)位置，與實(shí)際進(jìn)行比對(duì)自動(dòng)判定其碰撞概率并給出警告，利用光電傳感器檢測(cè)設(shè)備與車身之間距離，距離過(guò)小時(shí)及時(shí)停止系統(tǒng)運(yùn)行。有效避免追蹤式擦凈設(shè)備與汽車車身之間碰撞，從而避免由此產(chǎn)生的車身質(zhì)量問(wèn)題或報(bào)廢成本。經(jīng)過(guò)反復(fù)的測(cè)試和驗(yàn)證，此系統(tǒng)已經(jīng)完全規(guī)避掉自動(dòng)化生產(chǎn)中設(shè)備與車身發(fā)生碰撞的問(wèn)題。通過(guò)防碰撞系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)介紹，可供讀者在設(shè)計(jì)各類防撞保護(hù)系統(tǒng)是作為參考。目前智能化工廠普及程度越來(lái)越高，此類防碰撞系統(tǒng)的市場(chǎng)請(qǐng)前景十分廣闊。

參考文獻(xiàn)：

[1]李思遠(yuǎn)，張程皓，姚世琪，等.基于機(jī)器人應(yīng)用的自動(dòng)擦凈設(shè)備研發(fā)集成[J].現(xiàn)代涂料與涂裝，2017（5）.

[2]曾輝，孫承羲，張國(guó)忠.智能化、柔性化的鴕鳥(niǎo)毛自動(dòng)擦凈機(jī)[J].汽車制造業(yè)，2006.

[3]李靖宇.激光對(duì)射式光電傳感器實(shí)現(xiàn)定位車快速精確定位[J]. 水運(yùn)工程，2015，04（4）：50-50.

[4]趙中敏，張秋云，楊廣才.PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)床電器，2007，34（002）：37-40.