机器人外轴替代法在自动涂装业的应用

    随着科技的发展，近十年喷涂机器人在工业现场已呈现出广泛使用的趋势。由于使用机器人喷涂均匀性好，重复精确度远远高于人工，因此避免了手工喷涂人员因技术、情绪、体力等因素造成的产品质量缺陷，使工件喷涂质量有了根本性的保障。由于喷涂作业属于有害作业，采用机器人作业可大大降低工人的劳动强度，提高生产效率，同时由于机器人在喷涂过程中流量、扇面、雾化的大小均可随时调整，可大大减少油漆的损耗，提高油漆的利用率。

    机器人系统由机器人机械本体、控制系统、示教器和应用软件等组成。机器人机械本体采用六轴关节式结构。控制系统采用奔腾级及更高性能CPU和全数字式信号通讯方式，能够控制机器人机械本体的六个轴，还能扩展两个个外部轴。工件本身体型较大导致需要机器人机械本体需要实现行走，或是工件本身需要实现回转动作时，机器人厂商推荐的实现方案有给六轴机器人配置外部轴的方式。但使用外部轴的实施方式在的成本方面不够经济，本文介绍了一种采用伺服电机的方式实现机器人机械本体的移动行走和工件本身的回转等动作，以替代给六轴机器人配置外部轴的实现方式。这一替代方法在多个企业的自动喷涂系统中获得了应用。

1 系统构成及工作原理

    本文介绍的喷涂系统通常由喷涂机器人，直线行走装置或工件回转机构和供输漆系统等几部分组成。系统构成见图1。

图1 系统构成图

    1.1喷涂机器人简介

    选用ABB公司的IRB540型喷漆机器人。IRB540是一款面面兼顾、结构精简的机器人，配备独创的专利技术FlexWrist(柔性手腕)，十分方便人工编程（点到点、连续路径）。该机器人能稳定保持出色的涂装质量并防止过喷，减少原料耗用和浪费。

    1.2直线行走装置的驱动系统

    采用交流伺服系统，驱动器本身带控制，可以对移载机构的运动速度和运动距离进行设置，以满足机器人在喷涂时对移载机构的运动要求。项目实施中实际选用的交流伺服电机技术参数如下：

    驱动方式交流伺服电机驱动

    电机型号6SM57S-3000(Kollmorgen)

    最大转速3000r/min

    额定转矩3Nm

    功率0.9kw

    减速比119

    行走速度0.6—6m/min

    电机速度范围180～1800r/min

    齿轮轮直径126mm

    电机最大工作转速3000r/min

    行程6000mm

    精度O.1mm

    1.3总控系统

    上位机采用工业控制机，其作用主要是监控系统的工作状态，报警信息显示，打印工作报表等。下位机采用西门子公司的S7-200PLC主要作用是对外围设备、喷房，移动装置，总控台的输入指令信号、喷漆机器人的工作状态信号进行实时处理。

    1.4供输漆系统和喷枪

    均采用美国GRACO公司的产品。

    1.5工业监视系统

    通常在自动喷涂段的两侧两端各设1处CCD摄像机，每台摄像机配置室内全方位云台，可变镜头，云台可实现水平方向0-360。转动，垂直方向可实现±60。转动，实现全方位监控。云台镜头控制器可控制云台机镜头的变化。1台21"彩色电视监视器可自动切换显示2台摄像机的监视情况。

2 外轴替代法的硬件系统构成

    2.1硬件系统

    总控系统的硬件结构包括以下器件：

    机器人控制器自带一块直流24V数字式I/O板，16入/16出；

    交流伺服电机驱动器配备一块数字式I/O卡14入/8出；

    主控制器即PLC的数字输入输出模块的点数配置留有10%-20%余量。

    项目实施的难点之一就是三个I/O单元连接方式的拓扑机构。实际使用中用到了两种方式，一种是以PLC为中心的星形连接方式，一种是PLC、机器人和伺服电机构成的三角形连接方式。

    其中星形连接方式用于绵阳某单位的精密自动喷涂系统中，三角形连接方式用于西安某单位的两套三防机器人自动喷涂系统中。两种方式均实现了客户的技术要求，但在实现过程中，都具有一定的优点和不足之处。
 

引言

    随着科技的发展，近十年喷涂机器人在工业现场已呈现出广泛使用的趋势。由于使用机器人喷涂均匀性好，重复精确度远远高于人工，因此避免了手工喷涂人员因技术、情绪、体力等因素造成的产品质量缺陷，使工件喷涂质量有了根本性的保障。由于喷涂作业属于有害作业，采用机器人作业可大大降低工人的劳动强度，提高生产效率，同时由于机器人在喷涂过程中流量、扇面、雾化的大小均可随时调整，可大大减少油漆的损耗，提高油漆的利用率。

    机器人系统由机器人机械本体、控制系统、示教器和应用软件等组成。机器人机械本体采用六轴关节式结构。控制系统采用奔腾级及更高性能CPU和全数字式信号通讯方式，能够控制机器人机械本体的六个轴，还能扩展两个个外部轴。工件本身体型较大导致需要机器人机械本体需要实现行走，或是工件本身需要实现回转动作时，机器人厂商推荐的实现方案有给六轴机器人配置外部轴的方式。但使用外部轴的实施方式在的成本方面不够经济，本文介绍了一种采用伺服电机的方式实现机器人机械本体的移动行走和工件本身的回转等动作，以替代给六轴机器人配置外部轴的实现方式。这一替代方法在多个企业的自动喷涂系统中获得了应用。

1 系统构成及工作原理

    本文介绍的喷涂系统通常由喷涂机器人，直线行走装置或工件回转机构和供输漆系统等几部分组成。系统构成见图1。

图1 系统构成图

    1.1喷涂机器人简介

    选用ABB公司的IRB540型喷漆机器人。IRB540是一款面面兼顾、结构精简的机器人，配备独创的专利技术FlexWrist(柔性手腕)，十分方便人工编程（点到点、连续路径）。该机器人能稳定保持出色的涂装质量并防止过喷，减少原料耗用和浪费。

    1.2直线行走装置的驱动系统

    采用交流伺服系统，驱动器本身带控制，可以对移载机构的运动速度和运动距离进行设置，以满足机器人在喷涂时对移载机构的运动要求。项目实施中实际选用的交流伺服电机技术参数如下：

    驱动方式交流伺服电机驱动

    电机型号6SM57S-3000(Kollmorgen)

    最大转速3000r/min

    额定转矩3Nm

    功率0.9kw

    减速比119

    行走速度0.6—6m/min

    电机速度范围180～1800r/min

    齿轮轮直径126mm

    电机最大工作转速3000r/min

    行程6000mm

    精度O.1mm

    1.3总控系统

    上位机采用工业控制机，其作用主要是监控系统的工作状态，报警信息显示，打印工作报表等。下位机采用西门子公司的S7-200PLC主要作用是对外围设备、喷房，移动装置，总控台的输入指令信号、喷漆机器人的工作状态信号进行实时处理。

    1.4供输漆系统和喷枪

    均采用美国GRACO公司的产品。

    1.5工业监视系统

    通常在自动喷涂段的两侧两端各设1处CCD摄像机，每台摄像机配置室内全方位云台，可变镜头，云台可实现水平方向0-360。转动，垂直方向可实现±60。转动，实现全方位监控。云台镜头控制器可控制云台机镜头的变化。1台21"彩色电视监视器可自动切换显示2台摄像机的监视情况。

2 外轴替代法的硬件系统构成

    2.1硬件系统

    总控系统的硬件结构包括以下器件：

    机器人控制器自带一块直流24V数字式I/O板，16入/16出；

    交流伺服电机驱动器配备一块数字式I/O卡14入/8出；

    主控制器即PLC的数字输入输出模块的点数配置留有10%-20%余量。

    项目实施的难点之一就是三个I/O单元连接方式的拓扑机构。实际使用中用到了两种方式，一种是以PLC为中心的星形连接方式，一种是PLC、机器人和伺服电机构成的三角形连接方式。

    其中星形连接方式用于绵阳某单位的精密自动喷涂系统中，三角形连接方式用于西安某单位的两套三防机器人自动喷涂系统中。两种方式均实现了客户的技术要求，但在实现过程中，都具有一定的优点和不足之处。