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基于PLC 的喷涂机器人控制设计

2014/10/3    来源:万方数据    作者:孙科苗  周亚军      
关键字:PLC  喷涂机器人  控制系统  协调运动  
本文针对当前中小家具企业对性价比高,针对性强的喷涂机器人有较大需求现状,设计了一种基于PLC 控制的喷涂机器人控制系统,系统设计包括机器人控制核心,控制柜主电路和控制电路,控制软件以及喷涂对象跟踪等设计。该系统经实验室现场调试,实现了喷涂机器人的五轴协调运动喷涂的要求,对喷涂机器人的实际应用具有一定参考意义。

  当前,国内中小型家具喷涂企业,在实行家具喷涂作业时普遍采用人工手持喷枪作业的方式。在浙江省实行“机器换人”工程之际, 本文研制一套可以代替人工作业的机器人对家具进行喷涂。目前,国内外很多公司研制的喷涂机器人普遍采用手臂关节型机器人,该型机器人移动速度快,控制灵活,但这类机器人大多数采用专用控制器,控制结构封闭,维修复杂,购买价格高。为了能在中小型企业中应用普及,本课题小组设计了一款系统开放性好,控制简便,机械结构混合的喷涂机器人。

1 机器人结构分析与控制方案

  1.1 系统机械结构

  机器人主要应用于各式家具门的喷涂, 因此对机器人的机械结构设计以门喷涂实际需求为出发点。机器人主要任务是完成对门的两侧面和正面的喷涂, 对机器人关节灵活转动有一定要求。从喷涂精度,作业占用空间和喷涂灵活性等角度考虑,机器人采用五自由度活动关节,混合型机械结构的设计方案。混合型机器人兼具直角坐标型机器人作业精度高,性能稳定的优点,同时又具有关节型机器人动作灵活的特点。机器人以直角坐标形式呈现的三轴分别为X、Y、Z 轴, 关节型形式的两轴分别为P、R 两轴。其中X 轴负责跟踪喷涂对象的移动,Y 轴实行垂直方向的喷涂,Z 作为调节喷枪与对象距离的前后进给轴,P、R 轴用于喷枪360°的多角度协调定位。机器人本体通过控制器控制伺服系统带动五个机械轴实现整体运动, 使喷枪准确到达喷涂的适当位置。机器人系统机械结构示意图1。

机器人系统机械结构图

图1 机器人系统机械结构图

  1.2 系统控制结构

  控制系统以IPC+PLC 为控制核心, 实行上下两级控制结构。系统控制对象由两部分组成,一部分是机器人本体控制,另一部分是对喷涂对象的运动控制。五个机械轴臂由五个伺服系统驱动控制,五个伺服系统再通过PLC 自带的4 组高速脉冲输出和一个定位控制模块通过发送高速脉冲的方式控制。IPC 主要提供人机交互操作界面,设置参数,传送控制命令,监控系统运行等。PLC 作为系统的现场控制器,接受上位机传输的路径规划任务, 根据控制命令和传感器反馈信息对五轴的伺服电机实行位置和速度控制,使电机按预定轨迹和要求运动。喷涂对象的运动速度调节,由现场喷涂工艺要求决定。通过PLC 控制数字变频器驱动电机运转,再结合编码器信号反馈,实现喷涂对象的稳定移动。系统控制结构示意如图2。系统通过RS-485 通信数据线将IPC 和PLC 连接起来, 将IPC 的人机可操作性和PLC的优良控制性能结合起来,使之构成一个操控性强的控制系统。

系统控制结构示意图

图2 系统控制结构示意图

  1.3 机器人对喷涂对象的跟踪

  工业喷涂现场,往往实行流水线作业形式,喷涂对象以挂件形式跟随挂架移动。为了提高作业效率,需要机器人随喷涂对象同步运动。机器人跟踪喷涂对象的主要思路如下:移动挂件主要通过电机带动齿轮旋转移动, 光电编码器则负责检测电机运转速度, 编码器把测得的脉冲个数反馈给PLC,PLC 根据单位时间内计量的脉冲个数,计算出当前电机运转频率。根据电机的频率,PLC 向X 轴发送相应跟踪脉冲频率, 从而实现机器人跟踪对象喷涂的要求。现证明对象移动速度与编码器测得脉冲个数的关系。设对象移动的速度为V,齿轮半径为r,设在T 时间内,通过编码器反馈给PLC 的脉冲个数为N,n 为电机转过一圈的脉冲数。对象移动速度公式如下:

公式

  通过工程实际调试使机器人运动与喷涂对象同速运行,记下多组机器人该运行速度时PLC 发送脉冲的频率, 求得平均频率为f,计算出f 与N/T(编码器反馈的电机运转频率)的比例关系α。由于V 与N 呈线性关系,因此当喷涂对象运行速度变化时,PLC 只需要发送跟踪脉冲频率f=α*N/T,就可以使机器人跟踪喷涂对象。

责任编辑:陈浩
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