基于PLC的五轴喷涂机器人控制系统设计初探

刘玉潇　康颖　郭淼

摘 要：对于我国中小型家具企业而言，在针对性强且性价比高的五轴喷涂机器人有非常大的需求。基于此，笔者从五轴喷涂机器人的组成及驱动设计入手，分析了基于PLC的五轴喷涂机器人控制系统设计，分别指出了控制系统的硬件设计及软件设计中的注意事项，能够实现五轴喷涂机器人对喷涂对象的跟踪，而且本文提出的设计方法可以有效提高电机控制的灵活性，有助于五轴喷涂机器人的有效应用。

关键词：PLC；五轴喷涂机器人；控制电路

前言：就目前的表面喷涂设备而言，主要有喷涂機和喷涂机器人这两类。喷涂机主要用于简单的直线喷涂；喷涂机器人能够进行复杂喷涂表面喷涂，而且运动轨迹非常灵活，喷涂的质量也比较高。根据大型立方体工件的特点，有研究学者研发了五轴喷涂机器人用于该工件的喷涂，这种喷涂机器人能够同时控制五个喷枪进行喷涂工作，常用于电脑外壳或者汽车等塑料件以及金属件的表面喷涂。在实际的使用中，如何有效控制喷枪是人们关注的重点。

1.五轴喷涂机器人概述

1.1结构组成

一般来说，五轴喷涂机器人的结果后主要分为两个部分，其一是进行大平面喷涂的三自由度混联机构，在这部分的输出构件上安装有一把喷枪；其二是进行纵向以及横向侧面喷涂的二自由度串联机构，分别在纵向与横向上安装有一把喷枪。在五轴喷涂机器人的机构设计原理中，混联机构通常安装于机架上方，婚恋机构是由二滑块负责驱动的平面并联机构与Z方向上的单自由度机构串联而成，两个组成机构全部在二平行的导轨上。因此，当二滑块沿着二平行导轨进行往复直线移动的时候，能够使安装在平面并联机构位置的主喷枪进行平面运动，实现大平面的上下喷涂。

在五轴喷涂机器人的机构设计原理中，串联机构中的纵向与横向互相垂直，两个机构分别在同步带位置安装有辅助喷枪。因此，当辅助喷枪沿着纵向与横向进行往复直线运动的时候，能够使机器人进行工件两个侧面的喷涂。除此之外，二滑块导轨的两端分别安装了原点开关以及限位开关，分别用于喷枪的定位以及保护。

1.2驱动设计

五轴喷涂机器人主要通过电力进行驱动，二滑块主要用于平面并联机构的驱动，驱动方式为开环控制的交流伺服系统，还会通过行星减速器和同步带传动系统将伺服电机的转动转变为二滑块直线移动；在Z轴方向的单自由度直线机构，主要采用开环控制的步进电机进行驱动，还会通过滚珠丝杠传统系统将伺服电机的转动转变为直线运动；在横轴和纵轴方向的喷涂机构，主要通过开环控制的交流伺服系统进行驱动，还会通过同步带传统系统将伺服电机的转动转变为辅助喷枪喷漆的直线移动[1]。

2.基于PLC的五轴喷涂机器人控制系统设计

2.1系统的硬件设计

首先，主电路设计。主电路住要用于控制系统各个单元的电力供应，在进行主电路的设计时，需要确保各个电路模块能够安全用电，并在电流过大的位置设计断路器。一般来说，设计人员需要在交流电主线位置以及驱动器的供电位置进行了断路器的设计。PLC内部含有220V交流电转换成直流24V的功能模块，但是为了防止过多的24V供电设备与PLC进行连接，导致PLC内部电压不稳，设计人员需要在主电路增加一个220V交流电转换成直流24V的功能模块。

然后，控制电路设计。在机器人控制系统中，控制电路的包含若干个输入点及输出口，输入点主要包括高速输入点以及通用输入点这两种。其中，高速输入点主要用于编码器等多种高频信号的输入；高速脉冲输出口与驱动器连接，用于脉冲序列以及方向信号的发送；通用输入点主要用于控制系统启动、停止等开关信号的输入；通用输出口主要用于刹车指令的发送，还能够进行喷枪开关以及系统报警的输出。

最后，硬件设施的选择。机器人控制系统的硬件设施包括上位机、主控制器以及副控制器等设备。上位机主要用于主控制器PLC相关作业参数的设定，并控制系统的启动与停止，在控制系统的运行过程中，上位机会与主控制器的422端口进行通信；设计人员需要根据实际的机器人参数选择不同型号的PLC主控制器及PLC副控制器，常用的主控制器为台达的DVP40EH00T2型号，这种主控制器具备强大的运算能力，数据存储系统配置比较好，能够支持200多个应用指令，可以实现快速响应，常用的副控制器为台达的DVP20EH00R2型号，这种副控制器能够进行悬挂线体运动的控制，设计人员可以在悬挂线体上进行旋转编码器的安装，当工件在工作区运动时，其运动速度能够通过旋转编码器转动生成的脉冲信号传输到PLC中，有助于同步跟踪作业的控制，提高控制系统的控制效果。

2.2系统的软件设计

机器人控制系统的软件可以根据梯形图模块化这一思路进行设计。一般来说，机器人控制系统的软件包括六个功能模块，分别是系统参数初始化模块、五轴原点复位模块、左边喷涂模块、右边喷涂模块、正向喷涂模块以及喷涂对象运动速度监测计算模块。其中，系统参数的初始化模块主要进行寄存器相关参数的赋值和清零，还用于辅助继电器等操作，比如设定机器人的总喷涂次数；五轴原点复位模块，该模块主要是在初始阶段，将五轴回归到原点的复位程序，该模块能够为机器人下一步路径的规划提供便利；三个方向的喷涂模块主要用于机器人各轴的调整，确保机器人进行协调的喷涂运动；速度计算模块主要用于喷涂对象移动频率和机器人跟踪频率的计算，并为X轴的跟踪对象提供有价值的参考数据。

在进行机器人控制系统的软件设计时，设计人员不仅需要应用模块化，还可以通过PLC实现程序的简化及效率的提升。设计人员可以在梯形图中引进PLC的运动控制指令，通过运动控制指令的调动，进行脉冲输出模式的有效控制。比如，在应用脉冲波宽的PWM指令时，PWM指令会在执行的过程中进行设定值的改变，能够使脉冲发送周期随着设定值的变化而变化，并对电机进行相应的调节，改变其运转速度，而机器人在进行喷涂对象的跟踪时，能够实时控制速度的变化非常适用于X轴的控制中；在应用减速脉冲输出的PLSR指令时，用户能够通过该指令进行加减速时间的设定，可以用于运动轴中起喷速度以及末端喷涂速度的设定，而且Y轴在进行上下喷涂的视乎，移动速度比较快，在机械惯性的作用下，会产生较大的噪声与振动，通过PLSR指令的应用，能够有效减少Y轴高速起喷产生的噪声与振动。PLC运动控制指令能够在很大程度上简化程序编写的难度，能够提高电机控制的灵活性[2]。

结论：综上所述，基于PLC的五轴喷涂机器人控制系统能够提高喷涂的效率和质量，要求其具备较高的控制效果。通过对基于PLC的五轴喷涂机器人控制系统的分析可知，设计人员在进行控制系统的设计时，需要选取最适合的硬件设施，并保障系统电路的安全，还需要使用梯形图模块化进行软件设计，提高控制系统的控制灵活性。希望本文可以为五轴喷涂机器人控制系统的设计提供帮助。

参考文献：

[1]王增彪，李菊，邓嘉鸣，沈惠平.基于PLC的喷涂机器人控制系统设计[J].现代职业教育，2015（17）：30-31.

[2]孙科苗.直角坐标型喷涂机器人控制系统设计与实现[D].杭州电子科技大学，2015.