介紹了多品種汽車混流機器人噴漆自動線上的北京頂噴漆機器人的組成、工作過程。詳細闡述了三菱FX2NPLC控制程序設計，探討了采用三菱FX2NPLC控制設備運行的方法。同時也介紹了該控制系統(tǒng)中F930圖形操作終端用于生產(chǎn)自動線監(jiān)控的方法。通過實際運行表明：該頂噴漆機器人控制系統(tǒng)的設計和開發(fā)應用是成功的，提高了生產(chǎn)效率。 1 引言 東風汽車有限公司車身廠機器人自動噴涂線是一條多品種混流駕駛室面漆自動噴涂生產(chǎn)線，主要由頂噴機器人、北京側噴機器人、日本側噴機器人、總控計算機系統(tǒng)、車型圖像識別系統(tǒng)、自動換色系統(tǒng)等設備組成。自動噴漆線的總體結構如圖1所示。該自動噴漆線負責噴涂長頭車、平頭車等各類東風卡車駕駛室頂面及左右外側面的表面油漆。其中，兩臺北京頂噴機器人（圖1中的1#和2#頂噴機器人，該機器人屬于水平往復式機器人）負責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 總體結構[/align] 隨著東風汽車公司生產(chǎn)規(guī)模逐步擴大和駕駛室產(chǎn)品種類的增多，原北京頂噴機器人控制系統(tǒng)的硬件配置和控制性能已越來越不適應現(xiàn)生產(chǎn)的要求，主要表現(xiàn)在： （1）頂噴機器人控制系統(tǒng)使用的是松下FP—C40PLC可編程序控制器，只有24點輸入、16點輸出，隨著控制功能的增加，其I/O點數(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，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，對北京頂噴機器人（以下簡稱頂噴機）的控制系統(tǒng)進行了全新的設計。 2 頂噴機總體構成及工作過程簡介 北京頂噴機主要由電氣控制柜、頂噴操作機、橫梁、氣動控制柜等部分組成。電氣控制柜是設備動作的控制部分。操作機和橫梁是設備動作的執(zhí)行機構，操作機在噴漆過程中實現(xiàn)噴槍水平往復運行，橫梁實現(xiàn)操作機在橫梁上的上下移動，以實現(xiàn)對高度不同的駕駛室進行噴涂。氣動控制柜是設備的輔助設施，主要由電磁閥、調(diào)壓閥、氣動三聯(lián)件等部件組成，是設備工作的輔助機構，在設備工作過程中起控制噴槍的作用。 頂噴機有聯(lián)線運行、自動運行、手動運行三種工作方式，其工作過程主要有啟動、工作、等待三個階段。在自動運行時，按車型按鈕輸人車型號，PLC自動調(diào)用相應車型的噴涂程序；當隨地鏈移動的駕駛室碰啟動開關時，設備啟動，開始延時，同時橫梁電機運行，操作機在垂直方向移動到適當?shù)奈恢猛Ｖ?；延時時間到，往復電機運轉(zhuǎn)，驅(qū)動噴槍水平往復運行，同時PL～控制噴槍打開或關斷，實現(xiàn)對駕駛室的噴涂；在此過程中對噴槍往復次數(shù)進行計數(shù)；當噴槍往復次數(shù)達到預設值時，即噴涂完畢，噴槍往復運行停止，設備進入等待狀態(tài)，準備噴涂下一臺車。聯(lián)線運行方式中，由總控計算機實時傳送車型號給北京頂噴機，無需人工參與，并且設備運行過程中的相關信息可在總控計算機屏幕上顯示。 3 新的控制系統(tǒng)設計思路及總體方案確定 依據(jù)北京頂噴機的技術要求、工作過程及控制原理，從操作性、維護性和可靠性以及與周邊設備的關聯(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電機和橫梁電機實現(xiàn)噴槍的水平往復運動和橫梁的上下移動，利用霍爾接近開關、旋轉(zhuǎn)碼盤等進行位置反饋，采用適當?shù)目刂坪惋@示來組成整個控制系統(tǒng)的總體思路。 此外，頂噴機是機器人自動噴涂線的一部分，它與整條生產(chǎn)線的總控系統(tǒng)、自動換色系統(tǒng)等外圍設備和信號有密切的聯(lián)系。根據(jù)現(xiàn)場情況，決定采用RS232/422串行通信與總控計算機進行信息傳遞、采用I/O口開關量與換色系統(tǒng)PLC進行聯(lián)絡，以保證整個自動噴漆線能正常運行。 因此，根據(jù)技術要求和總體設計思路，通過對各類PLC控制器的對比，頂噴機控制系統(tǒng)決定采用三菱FX2N-128MR型PLC可編程序控制器。該PLC集成64點晶體管輸入、64點繼電器輸出，共128個I/O點。具有可靠性高、指令豐富、通信能力強、實時性強、易于擴展、便于操作等特點，同時還具有RS232/422通信協(xié)議，以及全雙工通信功能。用一臺日本三菱FR-E520S-1.5K-CH變頻器分時以不同頻率控制往復電機和橫梁電機實現(xiàn)噴槍的水平往復運動和橫梁的上下移動（在啟動階段，變頻器低速輸出端接通，同時接通橫梁電機電路，使橫梁低速運行；在工作階段，變頻器高速輸出端接通，同時接通往復電機電路，使噴槍高速水平往復運行）。利用霍爾接近開關、旋轉(zhuǎn)碼盤等進行位置反饋，實時控制噴槍開關槍。利用MOXA公司RS232/422通訊模塊的MOXA-A50，完成總控計算機與頂噴機控制系統(tǒng)之間的通信。I/O開關量與換色系統(tǒng)PLC進行聯(lián)絡。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)的在線設置與修改。頂噴機控制系統(tǒng)構成如圖2所示。 [align=center] 圖2 頂噴機控制系統(tǒng)總體圖[/align] 4 頂噴機PLC控制程序設計 4.1 頂噴機PLC控制主程序 頂噴機采用FX2N128MR型PLC可編程控制器作為其控制核心。根據(jù)頂噴機的動作要求及其工作原理，其PLC程序主要由車號輸入處理、電機運行控制、噴涂數(shù)據(jù)處理、啟動工作過程控制、故障檢測及信號燈顯示以及與換色系統(tǒng)聯(lián)絡、與主控計算機通信、F930液晶觸摸屏控制等部分組成，通過控制往復電機、橫梁電機、噴槍等部件的運行動作，完成對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PLC主程序框圖[/align] 4.2 橫梁上下移動控制 不同型號駕駛室的寬窄和高度不一樣，需要操作機停在橫梁的垂直方向上不同位置進行噴涂。橫梁電機運行控制分四種情況： （1）上電時若是自動或聯(lián)線工作方式，橫梁自動運行到上端。 （2）聯(lián)線或自動工作時，根據(jù)橫梁位置設定值控制橫梁電機運行：如果要求橫梁到上端，而當前橫梁不在上端，則橫梁電機正轉(zhuǎn)上升；如果要求橫梁到下端，而當前橫梁在上端，則橫梁電機反轉(zhuǎn)下降。 （3）手動工作時，根據(jù)橫梁手動撥段開關控制橫梁電機運行：如果橫梁手動撥段開關撥到上端而當前橫梁不在上端，則橫梁電機正轉(zhuǎn)上升；如果橫梁手動撥段開關撥到下端而當前橫梁在上端，則橫梁電機反轉(zhuǎn)下降。 （4）手動工作且橫梁手動撥段開關撥在檢修檔時，依據(jù)橫梁上升或下降按鈕控制橫梁電機點動上升或下降運行。 4.3 噴槍往復噴涂控制 在生產(chǎn)實際中我們將噴槍水平運行的編碼設定值稱為段，將噴槍往復運行的次數(shù)稱為道，依據(jù)噴槍在往復運行中開關槍點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運行過程中噴涂圖形的確定、開關槍的控制、往復次數(shù)的控制。本系統(tǒng)采用軟件對噴槍進行噴涂控制，要求PLC中存貯所有噴槍在工作中的所有相關數(shù)據(jù)，包括啟動延時時間、噴槍往復次數(shù)、噴槍在每一次往復工作中開關槍點的位置等。所有這些數(shù)據(jù)都存貯在PLC的變量存儲器中。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號車的噴涂數(shù)據(jù)區(qū)，D1800-D1899為公共數(shù)據(jù)區(qū)。頂噴機中噴涂數(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)輸入相應的噴涂數(shù)據(jù)區(qū)，例如將0號車的噴涂參數(shù)輸入D1000-D1099，將1號車的噴涂參數(shù)輸入D1100-D1199，以此類推。在工作中，依據(jù)指定的車號將相應噴涂數(shù)據(jù)區(qū)的參數(shù)調(diào)入公共數(shù)據(jù)區(qū)D1800-D1899，如果當前為0號車，則將0號車的噴涂數(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，如果當前為1號車，則將1號車的噴涂數(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。 頂噴機的工作主要分為啟動、工作、等待三個過程。相應地，工作過程控制也主要分為三部分：啟動控制，往復噴涂控制，完成等待控制。 4.3.1 啟動控制 當載有駕駛室的臺車碰啟動開關時，頂噴機啟動。此時，PLC將控制面板上顯示的當前車號的噴涂參數(shù)調(diào)入公共數(shù)據(jù)區(qū)。啟動延時計數(shù)器開始往復前的延時計數(shù)，同時判斷噴涂參數(shù)中的橫梁位置與當前橫梁實際位置是否相符。若要求橫梁位置與實際位置一致，則橫梁不動作；若要求橫梁位置與實際位置不一致，則PLC輸出控制變頻器低速運行，驅(qū)動橫梁電機正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，使橫梁向上移動或向下移動，到達要求的橫梁位置后停止。 4.3.2 往復噴涂控制 當啟動延時計數(shù)到達預設值時，啟動過程結束，頂噴機開始噴涂作業(yè)。此時，PLC控制變頻器高速輸出，驅(qū)動往復電機正轉(zhuǎn)，通過傳動裝置帶動噴槍往復運行。同時，啟動高速計數(shù)器，對聯(lián)結在往復電機軸上的碼盤傳過來的脈沖進行計數(shù)。啟動道數(shù)計數(shù)器，對噴槍往復運行次數(shù)進行計數(shù)。 對噴槍開關槍的控制方面，PLC將高速計數(shù)器中的數(shù)值與開槍點1段值進行比較，若不等，則噴槍當前狀態(tài)保持不變；若相等，則PLC控制噴槍打開，開始對駕駛室進行噴涂；同時，將高速計數(shù)器中的數(shù)值與關槍點1段值進行比較。當高速計數(shù)值達到關槍點1段值時，噴槍關斷。以后，高速計數(shù)器中的數(shù)值又與開槍點2進行比較，到達時開槍。如此反復，達到在一次往復中自動控制噴槍的打開或關斷。在此過程中，采用了數(shù)據(jù)寄存器的間接尋址功能，來實現(xiàn)噴涂參數(shù)的改變。 在噴槍往復運行一個來回時，會產(chǎn)生一個電氣零位信號。此時，系統(tǒng)自動將高速計數(shù)器當前值清0，重新將關槍點1段值與高速計數(shù)器當前值進行比較。同時，將道數(shù)計數(shù)器當前值加1，將道計數(shù)器當前值與總的往復道數(shù)進行比較，若不等，則重復以上噴涂過程；若相等，則表示本次噴涂過程結束，將所有計數(shù)器及內(nèi)部存貯器清0，切斷變頻器輸出，噴槍停止往復運行。系統(tǒng)進入完成等待狀態(tài)。 4.3.3 完成等待控制 當頂噴機處于完成等待狀態(tài)時，可依據(jù)下一臺車的情況，輸入相應的車號，準備噴涂下一臺車。當臺車碰啟動開關時，重新開始噴涂過程。頂噴機工作過程控制程序框圖如圖4所示。 [align=center] 圖4 頂噴機工作過程控制框圖[/align] 4.4 與總控計算機通信設計 頂噴機與總控系統(tǒng)通信采用RS232/422串行通信。在總控計算機和機器人側采用RS232，中間線路采用RS422，兩側均有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設定。根據(jù)現(xiàn)場實際，設定頂噴機與總控計算機間的通信格式為，數(shù)據(jù)長：8位，奇偶校驗：無，停止位：1位，傳輸速率：2400bps，起始符：無。結束符：無。 頂噴機與總控系統(tǒng)發(fā)送握手信號、聯(lián)線成功后，頂噴機即處于聯(lián)線運行狀態(tài)。在聯(lián)線運行過程中，總控計算機向PLC發(fā)送的信號主要為0-7號車。在每次收到頂噴機工作完成信號時，總控計算機就向PLC下發(fā)下一臺車的車號。在聯(lián)線運行過程中，PLC向總控計算機發(fā)送的信號有啟動、工作、完成等工作過程信號，以及急停、變頻器故障、橫梁不到位、換色中啟動等機器人故障信號。頂噴機離線時，PLC向總控計算機發(fā)送離線信號，總控計算機收到此信號后，即不再向PLC發(fā)送任何信息。 4.5 故障檢測與信號燈顯示 頂噴機PLC控制系統(tǒng)具有完善的故障檢測功能，將頂噴機發(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、換色中啟動等五種故障狀態(tài)，相應地在控制柜面板上有相應的故障指示燈。這樣，頂噴機只要出現(xiàn)故障報警停機，PLC就能檢測到并在控制面板上有相應指示燈顯示，方便操作人員和維修人員了解故障的情況，及時采取相應對策處理故障。 另外，頂噴機工作中出現(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頂噴機的故障記錄進行查詢。 4.6 F930圖形操作終端控制 F930圖形操作終端安裝在頂噴機控制柜表面，背光LCD液晶顯示，內(nèi)置國標漢字庫，可同時顯示5行漢字，通過RS422連接器與PLC進行通信，具有顯示、監(jiān)控、數(shù)據(jù)更改、開關等功能。在頂噴機控制系統(tǒng)中，它主要功能有頂噴機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 結論 重新設計的頂噴機新控制系統(tǒng)具有以下特點： （1）系統(tǒng)控制功能完善，具備聯(lián)線、自動、手動、停機等4種方式，設備的各種動作都能實現(xiàn)自動和手動運行。 （2）操作快捷方便，自動控制程度高，對設備的操作只需按1-2個按鈕或撥一下萬能轉(zhuǎn)換開關即可自動進行。 （3）監(jiān)測顯示功能齊全，系統(tǒng)具有顯示燈指示和液晶顯示屏漢字顯示，設備工作過程中的各種工作信息和故障信息都可適時顯示。同時，F(xiàn)930圖形操作終端的監(jiān)控，可顯示PLC內(nèi)部計數(shù)器的信息，便于檢查設備工作狀態(tài)，出現(xiàn)故障時可快速查找故障原因，利于迅速排除設備故障。 新的頂噴機控制系統(tǒng)工作可靠性高，自2003年8月投人生產(chǎn)運行以來，從未出現(xiàn)過故障，減少了設備停機時間，有力地保證了車間生產(chǎn)的順利進行，提高了生產(chǎn)效率。