轿车柔性仿形自动喷涂控制系统

一、引言

柔性仿形自动喷涂系统是一种针对汽车产品外形结构特征，把工业机器人的灵活性和自动喷涂机结构简单、效率高、编程容易，使用方便以及高速静电旋杯优质、低耗、污染少的诸多优点融为一体构成全新的自动喷涂设备。它适应汽车产业高质量、多品种、小批量、大规模自动化生产，可对复杂车形曲面较容易地离线编程示教，自动完成全车各个部分外表面的喷涂。

北京机械工业自动化研究所在2000年，为南京春兰汽车公司研制了国内第一台4杯柔性仿形高速静电自动喷涂机系统，用于卡车喷涂。该项目也是国家863项目“95”期间50项重大研制项目之一，目前已经运行4年，性能稳定可靠，经济效益显著。在此基础上，又为重庆力帆汽车公司研制开发了4套用于轿车喷涂的柔性仿形高速静电自动喷涂机系统。

二、系统构成

每套喷涂系统由顶、侧喷涂机机体、高速静电旋杯、换色装置、识别装置、同步装置、安全防护及电气控制装置等构成。每套系统由12台伺服电动机驱动，配有4套静电旋杯。结构示意如图1、图2所示。顶喷横梁可在Y.z方向上移动，并可以x向为中心转动，静电喷杯可在x方向上来回摆动，并可调节杯间距离。侧喷可在Z方向上下移动，在X方向上伸缩并可以Y向为中心转动。

图1  喷涂系统主机示意图

图2喷涂系统实照

三、工作过程

柔性仿形自动喷涂机的工作过程如下：首先对顶喷和侧喷进行离线编程。编程的内容包括程序号，车外形参数、喷涂速度、喷涂距离，喷涂位置、旋杯电压、转速、流量等。当车体进入喷房后，系统会先自动进行车型识别，并在启动前把识别的车型并对应的车型参数从数据库中提出，自动计算规划仿形喷涂轨迹，判断仿形轨迹合理性。当启动信号到来后，系统采集地链同步脉冲信号，在特定周期内不断进行插补计算，控制各轴运动完成喷涂轨迹，同时控制喷涂位置，旋杯流量、电压、转速等参数进行喷涂。顶喷主要完成车身正面、顶部、后围的喷涂，侧喷主要完成车身侧面的喷涂。

四、电控系统组成

整条喷漆线由一套中涂和三套面涂喷涂系统组成。每套自动喷涂系统由顶喷控制系统、侧喷控制系统及静电旋杯控制系统组成。顶、侧喷伺服控制系统采用西门子最新的工艺CPU-317T-2DP与伺服驱动器SIMODRIVE611U，通过Profibus-DP(2)总线连接组成。CPU-317T-2DP把CPU317-2DP和运动控制功能、传动装置参数结合在一起，采用了SIMOTION Kernel内核，通过集成在STEP7下的软件包来配置和编程。控制系统配置了DI，DO模块用于采集启动、保护、限位等信号，并与旋杯控制系统进行信号交换。FM350高速计数模块用于采集地面传送链的同步脉冲信号，实现同步控制。每套系统设置了TP270触摸屏用于分别监控自动喷涂机和旋杯系统。中涂和面涂还各有一套车型识别系统用于自动判断车型号。一块TP170在喷房入口用于输入颜色队列和手动修改车型队列。各顶喷和侧喷系统又通过PROFIBUS (1)网络连接到一起。
 

图3  电气系统结构图

五、系统主要功能及实现

系统功能主要分为车型识别仿形、喷涂控制、监控、故障提示诊断等几部分，其主要功能如下：

1．车型自动识别和传送

当车体进入识别区后，系统按照在HMI中设定的车型特征参数自动识别车型，并存储在车型队列中。操作员也可修改、编辑此队列。

车型、喷涂颜色在各喷涂系统间的传送是个关键问题，为了保证传递可靠，并且在一套系统或网络出现故障后其余系统仍能正常工作，在一个Profibus网络上，各套系统的侧喷与顶喷采用主-从MS网络结构方式，主站又与另外喷涂系统的从站采用直接数据交换DX通讯方式。西门子PLC支持的这种网络结构，保证了即使网络上出现故障，某套喷涂系统的顶、侧喷间的参数传递也不会出现故障，能够正常运行。

2．离线轨迹计算、模拟喷涂

当车型外形参数、喷涂位置、喷涂角度确定后，系统可按设定的参数及给定的参考链速自动运算喷涂轨迹，校验轨迹的合理性，并可离线模拟运行。图4为触摸屏TP270上的车形参数设定界面。

图4车形参数设定界面

轨迹算法采用了与地链同步的插补算法。当获得车形特征参数后自动计算仿形时特征点的位置。

设喷杯在YZ平面相对被喷车体表面作直线运动，相对速度为工艺速度VP，如图5所示。当被喷车体为静止时，在坐标系OYZ中，起点为坐标原点(0，0)，终点Pe的坐标为(Ye，Ze)，设插补周期为T直线段长度为L

图5直线插补

则每个插补周期的进给步长为△L= VpT

在系统中，由于工件是非静止的，而是沿Y轴运动的。设地链沿Y轴的负方向的速度为VL。则在一个插补周期T内，实际Y轴和Z轴的位移增量分别为

则插补的叠代公式为

实际轴的合成运行速度，即给定的速度指令应为

在开发离线应用程序的过程中，充分开发应用了Windows CE下VBScript的功能计算一些复杂的数学函数。VBScript是一种简单的脚本语言，它使用下列结构：

变量，这些可以是ProTool变量，也可以是内部VBScript变量；

VBScript操作符，例如：+、一、+、or、and;

条件语句，例如：lf...then...else、Select Case;

循环语句，例如：Do...Loop、Wh．le...Wend、For…Next、For each…Next;

VBScript过程，例如：子程序或函数；

VBScript内建过程，例如：Date，Sin，Sqr;

一个VBScript识别两种过程类型：子程序、函数。与函数相反，子程序没有返回值。使用这两种类型的过程都可传送参数。

应用这些功能在触摸屏中计算复杂的三角函数和开方运算等，然后将这些特征点通过Profibus总线下传到PLC中，这样大大地减少了PLC的运算量并提高了效率。

图6 VBScript脚本开发

3．仿形轨迹控制

仿形技术是此系统应用的关键技术，它要求喷杯在与移动中的被喷车体表面保持特定距离，相对与被喷工件匀速运动的条件下，完成对被喷工件表面轮廓的仿形。仿形轨迹规划的方法是在喷杯初始位置和目标位置之间沿时间轴插入一系列“控制设定点”来逼近给定路径，在这期间接受一些表示路径约束（如被喷车体位置、机械极限等）和工艺要求的输入变量对插入点进行适当的调整。

喷涂系统的顶喷机用6个西门子伺服电动机驱动横梁及喷杯在5个自由度上的运动。要求横梁两端的驱动电动机运动中完全同步，并与其他电动机在仿形过程中同步运行完成仿形。应用317T中的Synchronism_Technology functions功能及Cam disks功能很好地解决了这个复杂的同步过程。

对于横梁两端电动机的同步，在两电动机找到零点后运用Gear_in命令使两电动机完全同步。

在仿形过程中，选择实际的轴作为主轴实现困难，所以巧妙地应用了317T中的虚拟轴概念，设定了一个不存在的虚拟轴，此轴的运行轨迹为喷杯车形轨迹，速度为相对车体表面仿形速度及转角速度，并使Y轴，Z轴，A轴与此轴同步完成车体仿形，进而简单有效地解决了这个复杂问题。图7为在317T中各轴同步的过程。

图7 317T中的同步过程

在具体应用中还存在一个问题，虚拟轴在车体表面的不同位置要分别以喷涂速度和过度速度连续运行，并且所以在应用MC_MoveAbsolute时，要在车体不同的位置改变速度参数Velocity的付值。在车窗位置还要改变×轴及H轴的运行方式，由往复运行改为对车窗正面的仿形喷涂。图8为设定轨迹与车体在传送地链上运行时实际同步仿形轨迹的对比。

图8设定轨迹与实际同步仿形轨迹对比

4．多种仿形方式

仿形喷涂系统可根据工艺要求按照不同的喷涂角度仿形。喷涂旋杯在不同位置可垂直或不垂于喷涂表面，也可在仿形过程中快速越过不需要喷涂的位置。在车窗位置可以根据车窗宽度自动节旋杯间的距离。这样可以进一步提高喷涂的效率并保证最佳的喷涂效果。

5．喷涂参数调整

喷涂系统喷涂参数调整非常灵活，可在每次往复喷涂中设定开关枪位置，旋杯的电压、流量喷幅、雾化角度等参数。进而确保了喷涂质量。

利用Protool中的配方功能可以方便地分别对不同的车型设定不同的喷涂参数并随时调用。

6．自动换色、清洗

喷涂系统会按照车型队列和颜色队列自动切换颜色并清洗管路。系统还可以按照设定的清洗率，在喷涂完一定车数后自动在清洗位对旋杯杯口进行清洗。

7．自动安全保护功能

系统设有多种安全自动保护措施，在喷涂室的出入口都有防止人员进入的对射光电开关，当人进入喷涂室后会警告并切断旋杯的高压。在顶喷移动横梁四周也设有对射光电开关，当旋杯距被喷涂车身过近时会自动保护并迅速反向撤离。旋杯还有过电压、过电流保护，当电压、电流超时会自动停机报警。

8．故障自动诊断

系统有故障自诊断功能，在出现故障后会自动判断故障的可能原因并提示操作者处理方法。这样就显著降低了非正常停车时间。

317T中有完整的一套(SIMATIC)诊断功能和跟踪工具，通过读取每个轴的背景数据块，可很容易地监控各轴的状态和故障信息。

系统控制流程如图9所示。

六、结束语

该套系统已调试完成进入了试生产阶段。在链速1.86m/min下，4分钟内可完成一量车的喷涂。在系统喷涂过程中仿形轨迹误差在±6mm内，涂膜平整均匀，光泽度高喷涂漆膜厚度均匀，涂膜平均厚度误差在±5l|m内，达到了工艺要求。实践证明，317T工艺PLC非常适用于运动控制任务，并且逻辑控制和运动控制使用同一个程序，同种语言，大大提高了编程效率，降低了成本。

参考文献

1．王长民，软仿形喷涂机系9统设计，国内外机电一体化技术，2001 (2)：15，

2.  Siemens 317T_2DP Manual 2003

作者简介：刘新(1976-)，男，硕士，北京机械工业自动化研究所机器人中心，主要从事智能机器与传动控制工作。

附件：实际喷涂