介紹了多品種汽車混流機(jī)器人噴漆自動(dòng)線上的北京頂噴漆機(jī)器人的組成、工作過程。詳細(xì)闡述了三菱FX2NPLC控制程序設(shè)計(jì)，探討了采用三菱FX2NPLC控制設(shè)備運(yùn)行的方法。同時(shí)也介紹了該控制系統(tǒng)中F930圖形操作終端用于生產(chǎn)自動(dòng)線監(jiān)控的方法。通過實(shí)際運(yùn)行表明：該頂噴漆機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)應(yīng)用是成功的，提高了生產(chǎn)效率。 1 引言 東風(fēng)汽車有限公司車身廠機(jī)器人自動(dòng)噴涂線是一條多品種混流駕駛室面漆自動(dòng)噴涂生產(chǎn)線，主要由頂噴機(jī)器人、北京側(cè)噴機(jī)器人、日本側(cè)噴機(jī)器人、總控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、車型圖像識(shí)別系統(tǒng)、自動(dòng)換色系統(tǒng)等設(shè)備組成。自動(dòng)噴漆線的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。該自動(dòng)噴漆線負(fù)責(zé)噴涂長頭車、平頭車等各類東風(fēng)卡車駕駛室頂面及左右外側(cè)面的表面油漆。其中，兩臺(tái)北京頂噴機(jī)器人（圖1中的1#和2#頂噴機(jī)器人，該機(jī)器人屬于水平往復(fù)式機(jī)器人）負(fù)責(zé)噴涂駕駛室頂面的表面第一道和第二道油漆，是噴涂線上重要的噴涂設(shè)備，其工作性能的好壞直接影響駕駛室表面的油漆質(zhì)量。 [align=center] 圖1 總體結(jié)構(gòu)[/align] 隨著東風(fēng)汽車公司生產(chǎn)規(guī)模逐步擴(kuò)大和駕駛室產(chǎn)品種類的增多，原北京頂噴機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件配置和控制性能已越來越不適應(yīng)現(xiàn)生產(chǎn)的要求，主要表現(xiàn)在： （1）頂噴機(jī)器人控制系統(tǒng)使用的是松下FP—C40PLC可編程序控制器，只有24點(diǎn)輸入、16點(diǎn)輸出，隨著控制功能的增加，其I/O點(diǎn)數(shù)已無法滿足使用要求； （2）控制系統(tǒng)中的元器件經(jīng)多年運(yùn)行，工作性能下降，故障頻繁； （3）原控制柜內(nèi)由于控制元件的增加，空間狹小，線路凌亂，不便于維修； （4）只有LED數(shù)碼管顯示車型號(hào)，其它信息無法顯示，不便于操作員監(jiān)視和操作管理。鑒于上述情況，對(duì)北京頂噴機(jī)器人（以下簡稱頂噴機(jī)）的控制系統(tǒng)進(jìn)行了全新的設(shè)計(jì)。 2 頂噴機(jī)總體構(gòu)成及工作過程簡介 北京頂噴機(jī)主要由電氣控制柜、頂噴操作機(jī)、橫梁、氣動(dòng)控制柜等部分組成。電氣控制柜是設(shè)備動(dòng)作的控制部分。操作機(jī)和橫梁是設(shè)備動(dòng)作的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，操作機(jī)在噴漆過程中實(shí)現(xiàn)噴槍水平往復(fù)運(yùn)行，橫梁實(shí)現(xiàn)操作機(jī)在橫梁上的上下移動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)高度不同的駕駛室進(jìn)行噴涂。氣動(dòng)控制柜是設(shè)備的輔助設(shè)施，主要由電磁閥、調(diào)壓閥、氣動(dòng)三聯(lián)件等部件組成，是設(shè)備工作的輔助機(jī)構(gòu)，在設(shè)備工作過程中起控制噴槍的作用。 頂噴機(jī)有聯(lián)線運(yùn)行、自動(dòng)運(yùn)行、手動(dòng)運(yùn)行三種工作方式，其工作過程主要有啟動(dòng)、工作、等待三個(gè)階段。在自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，按車型按鈕輸人車型號(hào)，PLC自動(dòng)調(diào)用相應(yīng)車型的噴涂程序；當(dāng)隨地鏈移動(dòng)的駕駛室碰啟動(dòng)開關(guān)時(shí)，設(shè)備啟動(dòng)，開始延時(shí)，同時(shí)橫梁電機(jī)運(yùn)行，操作機(jī)在垂直方向移動(dòng)到適當(dāng)?shù)奈恢猛Ｖ?；延時(shí)時(shí)間到，往復(fù)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)噴槍水平往復(fù)運(yùn)行，同時(shí)PL～控制噴槍打開或關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)駕駛室的噴涂；在此過程中對(duì)噴槍往復(fù)次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)；當(dāng)噴槍往復(fù)次數(shù)達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)，即噴涂完畢，噴槍往復(fù)運(yùn)行停止，設(shè)備進(jìn)入等待狀態(tài)，準(zhǔn)備噴涂下一臺(tái)車。聯(lián)線運(yùn)行方式中，由總控計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)傳送車型號(hào)給北京頂噴機(jī)，無需人工參與，并且設(shè)備運(yùn)行過程中的相關(guān)信息可在總控計(jì)算機(jī)屏幕上顯示。 3 新的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路及總體方案確定 依據(jù)北京頂噴機(jī)的技術(shù)要求、工作過程及控制原理，從操作性、維護(hù)性和可靠性以及與周邊設(shè)備的關(guān)聯(lián)等綜合因素的考慮，決定采用PLC可編程序控制作為控制系統(tǒng)的控制中樞，采用變頻器控制往復(fù)電機(jī)和橫梁電機(jī)實(shí)現(xiàn)噴槍的水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)和橫梁的上下移動(dòng)，利用霍爾接近開關(guān)、旋轉(zhuǎn)碼盤等進(jìn)行位置反饋，采用適當(dāng)?shù)目刂坪惋@示來組成整個(gè)控制系統(tǒng)的總體思路。 此外，頂噴機(jī)是機(jī)器人自動(dòng)噴涂線的一部分，它與整條生產(chǎn)線的總控系統(tǒng)、自動(dòng)換色系統(tǒng)等外圍設(shè)備和信號(hào)有密切的聯(lián)系。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，決定采用RS232/422串行通信與總控計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息傳遞、采用I/O口開關(guān)量與換色系統(tǒng)PLC進(jìn)行聯(lián)絡(luò)，以保證整個(gè)自動(dòng)噴漆線能正常運(yùn)行。 因此，根據(jù)技術(shù)要求和總體設(shè)計(jì)思路，通過對(duì)各類PLC控制器的對(duì)比，頂噴機(jī)控制系統(tǒng)決定采用三菱FX2N-128MR型PLC可編程序控制器。該P(yáng)LC集成64點(diǎn)晶體管輸入、64點(diǎn)繼電器輸出，共128個(gè)I/O點(diǎn)。具有可靠性高、指令豐富、通信能力強(qiáng)、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、易于擴(kuò)展、便于操作等特點(diǎn)，同時(shí)還具有RS232/422通信協(xié)議，以及全雙工通信功能。用一臺(tái)日本三菱FR-E520S-1.5K-CH變頻器分時(shí)以不同頻率控制往復(fù)電機(jī)和橫梁電機(jī)實(shí)現(xiàn)噴槍的水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)和橫梁的上下移動(dòng)（在啟動(dòng)階段，變頻器低速輸出端接通，同時(shí)接通橫梁電機(jī)電路，使橫梁低速運(yùn)行；在工作階段，變頻器高速輸出端接通，同時(shí)接通往復(fù)電機(jī)電路，使噴槍高速水平往復(fù)運(yùn)行）。利用霍爾接近開關(guān)、旋轉(zhuǎn)碼盤等進(jìn)行位置反饋，實(shí)時(shí)控制噴槍開關(guān)槍。利用MOXA公司RS232/422通訊模塊的MOXA-A50，完成總控計(jì)算機(jī)與頂噴機(jī)控制系統(tǒng)之間的通信。I/O開關(guān)量與換色系統(tǒng)PLC進(jìn)行聯(lián)絡(luò)。采用三菱F930GOT-BWD-C圖形操作終端，該裝置具有背光LCD液晶顯示，能顯示中文，能夠監(jiān)控PLC的元件，更改PLC的數(shù)據(jù)，可以創(chuàng)建用戶定義畫面。完全能滿足系統(tǒng)信息和工作狀態(tài)的顯示以及噴涂參數(shù)的在線設(shè)置與修改。頂噴機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。 [align=center] 圖2 頂噴機(jī)控制系統(tǒng)總體圖[/align] 4 頂噴機(jī)PLC控制程序設(shè)計(jì) 4.1 頂噴機(jī)PLC控制主程序 頂噴機(jī)采用FX2N128MR型PLC可編程控制器作為其控制核心。根據(jù)頂噴機(jī)的動(dòng)作要求及其工作原理，其PLC程序主要由車號(hào)輸入處理、電機(jī)運(yùn)行控制、噴涂數(shù)據(jù)處理、啟動(dòng)工作過程控制、故障檢測(cè)及信號(hào)燈顯示以及與換色系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)、與主控計(jì)算機(jī)通信、F930液晶觸摸屏控制等部分組成，通過控制往復(fù)電機(jī)、橫梁電機(jī)、噴槍等部件的運(yùn)行動(dòng)作，完成對(duì)不同種類駕駛室的頂部外表面油漆噴涂。其囤主程序框圖如圖3所示。 [align=center] 圖3 頂噴機(jī)PLC主程序框圖[/align] 4.2 橫梁上下移動(dòng)控制 不同型號(hào)駕駛室的寬窄和高度不一樣，需要操作機(jī)停在橫梁的垂直方向上不同位置進(jìn)行噴涂。橫梁電機(jī)運(yùn)行控制分四種情況： （1）上電時(shí)若是自動(dòng)或聯(lián)線工作方式，橫梁自動(dòng)運(yùn)行到上端。 （2）聯(lián)線或自動(dòng)工作時(shí)，根據(jù)橫梁位置設(shè)定值控制橫梁電機(jī)運(yùn)行：如果要求橫梁到上端，而當(dāng)前橫梁不在上端，則橫梁電機(jī)正轉(zhuǎn)上升；如果要求橫梁到下端，而當(dāng)前橫梁在上端，則橫梁電機(jī)反轉(zhuǎn)下降。 （3）手動(dòng)工作時(shí)，根據(jù)橫梁手動(dòng)撥段開關(guān)控制橫梁電機(jī)運(yùn)行：如果橫梁手動(dòng)撥段開關(guān)撥到上端而當(dāng)前橫梁不在上端，則橫梁電機(jī)正轉(zhuǎn)上升；如果橫梁手動(dòng)撥段開關(guān)撥到下端而當(dāng)前橫梁在上端，則橫梁電機(jī)反轉(zhuǎn)下降。 （4）手動(dòng)工作且橫梁手動(dòng)撥段開關(guān)撥在檢修檔時(shí)，依據(jù)橫梁上升或下降按鈕控制橫梁電機(jī)點(diǎn)動(dòng)上升或下降運(yùn)行。 4.3 噴槍往復(fù)噴涂控制 在生產(chǎn)實(shí)際中我們將噴槍水平運(yùn)行的編碼設(shè)定值稱為段，將噴槍往復(fù)運(yùn)行的次數(shù)稱為道，依據(jù)噴槍在往復(fù)運(yùn)行中開關(guān)槍點(diǎn)的不同將其分為不同的噴涂圖形。 噴槍的噴涂控制要解決在往復(fù)運(yùn)行過程中噴涂圖形的確定、開關(guān)槍的控制、往復(fù)次數(shù)的控制。本系統(tǒng)采用軟件對(duì)噴槍進(jìn)行噴涂控制，要求PLC中存貯所有噴槍在工作中的所有相關(guān)數(shù)據(jù)，包括啟動(dòng)延時(shí)時(shí)間、噴槍往復(fù)次數(shù)、噴槍在每一次往復(fù)工作中開關(guān)槍點(diǎn)的位置等。所有這些數(shù)據(jù)都存貯在PLC的變量存儲(chǔ)器中。噴涂數(shù)據(jù)區(qū)分配在D1000-D2000之間。其中D1000-D1700分別存貯0-7號(hào)車的噴涂數(shù)據(jù)區(qū)，D1800-D1899為公共數(shù)據(jù)區(qū)。頂噴機(jī)中噴涂數(shù)據(jù)處理的主體思路：工作前將調(diào)試好的各車型的噴涂參數(shù)輸入相應(yīng)的噴涂數(shù)據(jù)區(qū)，例如將0號(hào)車的噴涂參數(shù)輸入D1000-D1099，將1號(hào)車的噴涂參數(shù)輸入D1100-D1199，以此類推。在工作中，依據(jù)指定的車號(hào)將相應(yīng)噴涂數(shù)據(jù)區(qū)的參數(shù)調(diào)入公共數(shù)據(jù)區(qū)D1800-D1899，如果當(dāng)前為0號(hào)車，則將0號(hào)車的噴涂數(shù)據(jù)區(qū)D1000-D1099中的內(nèi)容調(diào)入公共數(shù)據(jù)區(qū)D1800-D1899，如果當(dāng)前為1號(hào)車，則將1號(hào)車的噴涂數(shù)據(jù)區(qū)D1100-D1199中的內(nèi)容調(diào)入公共數(shù)據(jù)區(qū)D1800-D1899，以此類推。 頂噴機(jī)的工作主要分為啟動(dòng)、工作、等待三個(gè)過程。相應(yīng)地，工作過程控制也主要分為三部分：啟動(dòng)控制，往復(fù)噴涂控制，完成等待控制。 4.3.1 啟動(dòng)控制 當(dāng)載有駕駛室的臺(tái)車碰啟動(dòng)開關(guān)時(shí)，頂噴機(jī)啟動(dòng)。此時(shí)，PLC將控制面板上顯示的當(dāng)前車號(hào)的噴涂參數(shù)調(diào)入公共數(shù)據(jù)區(qū)。啟動(dòng)延時(shí)計(jì)數(shù)器開始往復(fù)前的延時(shí)計(jì)數(shù)，同時(shí)判斷噴涂參數(shù)中的橫梁位置與當(dāng)前橫梁實(shí)際位置是否相符。若要求橫梁位置與實(shí)際位置一致，則橫梁不動(dòng)作；若要求橫梁位置與實(shí)際位置不一致，則PLC輸出控制變頻器低速運(yùn)行，驅(qū)動(dòng)橫梁電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，使橫梁向上移動(dòng)或向下移動(dòng)，到達(dá)要求的橫梁位置后停止。 4.3.2 往復(fù)噴涂控制 當(dāng)啟動(dòng)延時(shí)計(jì)數(shù)到達(dá)預(yù)設(shè)值時(shí)，啟動(dòng)過程結(jié)束，頂噴機(jī)開始噴涂作業(yè)。此時(shí)，PLC控制變頻器高速輸出，驅(qū)動(dòng)往復(fù)電機(jī)正轉(zhuǎn)，通過傳動(dòng)裝置帶動(dòng)噴槍往復(fù)運(yùn)行。同時(shí)，啟動(dòng)高速計(jì)數(shù)器，對(duì)聯(lián)結(jié)在往復(fù)電機(jī)軸上的碼盤傳過來的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。啟動(dòng)道數(shù)計(jì)數(shù)器，對(duì)噴槍往復(fù)運(yùn)行次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)。 對(duì)噴槍開關(guān)槍的控制方面，PLC將高速計(jì)數(shù)器中的數(shù)值與開槍點(diǎn)1段值進(jìn)行比較，若不等，則噴槍當(dāng)前狀態(tài)保持不變；若相等，則PLC控制噴槍打開，開始對(duì)駕駛室進(jìn)行噴涂；同時(shí)，將高速計(jì)數(shù)器中的數(shù)值與關(guān)槍點(diǎn)1段值進(jìn)行比較。當(dāng)高速計(jì)數(shù)值達(dá)到關(guān)槍點(diǎn)1段值時(shí)，噴槍關(guān)斷。以后，高速計(jì)數(shù)器中的數(shù)值又與開槍點(diǎn)2進(jìn)行比較，到達(dá)時(shí)開槍。如此反復(fù)，達(dá)到在一次往復(fù)中自動(dòng)控制噴槍的打開或關(guān)斷。在此過程中，采用了數(shù)據(jù)寄存器的間接尋址功能，來實(shí)現(xiàn)噴涂參數(shù)的改變。 在噴槍往復(fù)運(yùn)行一個(gè)來回時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電氣零位信號(hào)。此時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)將高速計(jì)數(shù)器當(dāng)前值清0，重新將關(guān)槍點(diǎn)1段值與高速計(jì)數(shù)器當(dāng)前值進(jìn)行比較。同時(shí)，將道數(shù)計(jì)數(shù)器當(dāng)前值加1，將道計(jì)數(shù)器當(dāng)前值與總的往復(fù)道數(shù)進(jìn)行比較，若不等，則重復(fù)以上噴涂過程；若相等，則表示本次噴涂過程結(jié)束，將所有計(jì)數(shù)器及內(nèi)部存貯器清0，切斷變頻器輸出，噴槍停止往復(fù)運(yùn)行。系統(tǒng)進(jìn)入完成等待狀態(tài)。 4.3.3 完成等待控制 當(dāng)頂噴機(jī)處于完成等待狀態(tài)時(shí)，可依據(jù)下一臺(tái)車的情況，輸入相應(yīng)的車號(hào)，準(zhǔn)備噴涂下一臺(tái)車。當(dāng)臺(tái)車碰啟動(dòng)開關(guān)時(shí)，重新開始噴涂過程。頂噴機(jī)工作過程控制程序框圖如圖4所示。 [align=center] 圖4 頂噴機(jī)工作過程控制框圖[/align] 4.4 與總控計(jì)算機(jī)通信設(shè)計(jì) 頂噴機(jī)與總控系統(tǒng)通信采用RS232/422串行通信。在總控計(jì)算機(jī)和機(jī)器人側(cè)采用RS232，中間線路采用RS422，兩側(cè)均有RS232/422轉(zhuǎn)換裝置。 FX2N可編程序控制器具有全雙工通信功能。采用RS指令進(jìn)行串行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。數(shù)據(jù)的傳送格式通過特殊數(shù)據(jù)寄存器D8120設(shè)定。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，設(shè)定頂噴機(jī)與總控計(jì)算機(jī)間的通信格式為，數(shù)據(jù)長：8位，奇偶校驗(yàn)：無，停止位：1位，傳輸速率：2400bps，起始符：無。結(jié)束符：無。 頂噴機(jī)與總控系統(tǒng)發(fā)送握手信號(hào)、聯(lián)線成功后，頂噴機(jī)即處于聯(lián)線運(yùn)行狀態(tài)。在聯(lián)線運(yùn)行過程中，總控計(jì)算機(jī)向PLC發(fā)送的信號(hào)主要為0-7號(hào)車。在每次收到頂噴機(jī)工作完成信號(hào)時(shí)，總控計(jì)算機(jī)就向PLC下發(fā)下一臺(tái)車的車號(hào)。在聯(lián)線運(yùn)行過程中，PLC向總控計(jì)算機(jī)發(fā)送的信號(hào)有啟動(dòng)、工作、完成等工作過程信號(hào)，以及急停、變頻器故障、橫梁不到位、換色中啟動(dòng)等機(jī)器人故障信號(hào)。頂噴機(jī)離線時(shí)，PLC向總控計(jì)算機(jī)發(fā)送離線信號(hào)，總控計(jì)算機(jī)收到此信號(hào)后，即不再向PLC發(fā)送任何信息。 4.5 故障檢測(cè)與信號(hào)燈顯示 頂噴機(jī)PLC控制系統(tǒng)具有完善的故障檢測(cè)功能，將頂噴機(jī)發(fā)生故障的所有情況歸納為急停、變頻器故障、聯(lián)線失敗、橫梁不到位、換色中啟動(dòng)等五種故障狀態(tài)，相應(yīng)地在控制柜面板上有相應(yīng)的故障指示燈。這樣，頂噴機(jī)只要出現(xiàn)故障報(bào)警停機(jī)，PLC就能檢測(cè)到并在控制面板上有相應(yīng)指示燈顯示，方便操作人員和維修人員了解故障的情況，及時(shí)采取相應(yīng)對(duì)策處理故障。 另外，頂噴機(jī)工作中出現(xiàn)的故障還可在F930圖形操作終端的顯示屏上以漢字醒目顯示，并且通過選擇菜單還可對(duì)頂噴機(jī)的故障記錄進(jìn)行查詢。 4.6 F930圖形操作終端控制 F930圖形操作終端安裝在頂噴機(jī)控制柜表面，背光LCD液晶顯示，內(nèi)置國標(biāo)漢字庫，可同時(shí)顯示5行漢字，通過RS422連接器與PLC進(jìn)行通信，具有顯示、監(jiān)控、數(shù)據(jù)更改、開關(guān)等功能。在頂噴機(jī)控制系統(tǒng)中，它主要功能有頂噴機(jī)所有工作信息的顯示、元器件的監(jiān)控及噴涂參數(shù)在線修改與調(diào)試等功能。 5 結(jié)論 重新設(shè)計(jì)的頂噴機(jī)新控制系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)： （1）系統(tǒng)控制功能完善，具備聯(lián)線、自動(dòng)、手動(dòng)、停機(jī)等4種方式，設(shè)備的各種動(dòng)作都能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)和手動(dòng)運(yùn)行。 （2）操作快捷方便，自動(dòng)控制程度高，對(duì)設(shè)備的操作只需按1-2個(gè)按鈕或撥一下萬能轉(zhuǎn)換開關(guān)即可自動(dòng)進(jìn)行。 （3）監(jiān)測(cè)顯示功能齊全，系統(tǒng)具有顯示燈指示和液晶顯示屏漢字顯示，設(shè)備工作過程中的各種工作信息和故障信息都可適時(shí)顯示。同時(shí)，F(xiàn)930圖形操作終端的監(jiān)控，可顯示PLC內(nèi)部計(jì)數(shù)器的信息，便于檢查設(shè)備工作狀態(tài)，出現(xiàn)故障時(shí)可快速查找故障原因，利于迅速排除設(shè)備故障。 新的頂噴機(jī)控制系統(tǒng)工作可靠性高，自2003年8月投人生產(chǎn)運(yùn)行以來，從未出現(xiàn)過故障，減少了設(shè)備停機(jī)時(shí)間，有力地保證了車間生產(chǎn)的順利進(jìn)行，提高了生產(chǎn)效率。