西門子S7-1500PLC在噴涂機器人及懸掛行走機構(gòu)總控系統(tǒng)中的應(yīng)用

本文介紹了西門子S7-1500PLC在噴涂機器人及懸掛行走機構(gòu)總控系統(tǒng)中的應(yīng)用；從軟硬件設(shè)計方面，并結(jié)合現(xiàn)場調(diào)試實例，敘述了對關(guān)鍵功能的成功實現(xiàn)。

一、項目介紹

近年來，機器人自動化噴涂系統(tǒng)因其具有重復(fù)精度高、涂裝質(zhì)量好、可靠性好、適用性強、效率高等眾多優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于汽車等工業(yè)領(lǐng)域。而目前航空產(chǎn)品制造過程仍舊是勞動密集、工序繁復(fù)、工況惡劣、輔以大量工裝夾具并以手工制造為主，自動化生產(chǎn)能力不足。在國家提出十三五規(guī)劃，大力發(fā)展智能制造2025的時代大背景下，中航工業(yè)復(fù)合材料制造所高瞻遠矚，率先在噴涂領(lǐng)域采用機器人進行自動化生產(chǎn)，加快了企業(yè)生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)型升級，提高了裝備先進制造能力。

本項目采用的是一臺可移動的懸掛式噴涂6軸機器人，它安裝在3自由度直角坐標(biāo)變位天車上，可以在噴房范圍內(nèi)（噴漆房內(nèi)尺寸：L30m×W9m×6.5m）進行前后、左右、上下及旋轉(zhuǎn)等多個自由度的運動，機器人的手臂上帶有一支噴槍，能實現(xiàn)對大型復(fù)合材料工件外表面涂裝涂層的噴涂作業(yè)。

二、懸掛式機器人噴涂系統(tǒng)組成

懸掛式機器人噴涂系統(tǒng)由總控系統(tǒng)、天車系統(tǒng)（懸掛行走機構(gòu)）、機器人系統(tǒng)、智能供漆系統(tǒng)以及視頻監(jiān)控系統(tǒng)組成，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖如圖1所示：

天車系統(tǒng)包括：1套縱走機構(gòu)（X軸）、1套橫走機構(gòu)（Y軸）、1套升降機構(gòu)（Z軸）和電氣伺服驅(qū)動系統(tǒng)，還有用于維修和檢測的走臺等附屬設(shè)施。如圖2所示：

智能供漆系統(tǒng)由虹吸管、隔膜泵、物料罐、過濾器、2KS、調(diào)壓器、空打保護器等組成一套完整的供漆系統(tǒng)，是噴涂系統(tǒng)的重要組成部分，其承擔(dān)著從原料供應(yīng)到原料調(diào)節(jié)預(yù)混配比等重要的作用，是執(zhí)行機構(gòu)的必要前提。物料包含油漆、固化劑和清洗劑。

項目選用的是史陶比爾（Staubli）TX250系列6軸機器人，也是最新款的機器人。整個機器人系統(tǒng)由3個部件組成，包括控制器CS8C、機械手臂（Arm）以及手動示教盒（Manualcontrolpendant，MCP）。

三、控制系統(tǒng)架構(gòu)

此套系統(tǒng)的總控系統(tǒng)控制器采用西門子S7-1500PLC作為主控制器，WinCCProfessionalV13SP1作為上位機操作畫面，TP1200作為操作面板，天車、機器人和供漆系統(tǒng)分別采用S7-1200作為控制器。S7-1500總控系統(tǒng)通過PROFINET總線與噴涂機器人系統(tǒng)、供漆系統(tǒng)和懸掛行走系統(tǒng)通訊，完成系統(tǒng)整體控制，實現(xiàn)對系統(tǒng)運行狀態(tài)的實時監(jiān)控及操作，保證對整個工件的連續(xù)噴涂?？刂葡到y(tǒng)架構(gòu)如圖4所示，主控系統(tǒng)硬件設(shè)備表單，如下表1所示。

四、控制系統(tǒng)實現(xiàn)的功能

懸掛式機器人噴涂系統(tǒng)可以實現(xiàn)對天車系統(tǒng)和機器人噴涂系統(tǒng)的單獨進行操作。在現(xiàn)場天車可以通過操作屏TP700進行操作，分別對X、Y和Z軸伺服電機進行上電、零點校準(zhǔn)、絕對定位等。

供漆系統(tǒng)的現(xiàn)場屏TP700可以顯示油漆液位、清洗劑液位、固化劑液位、管路壓力、電磁閥狀態(tài)、流體調(diào)壓器狀態(tài)、2KS系統(tǒng)各種油漆的自動配比情況、氣動泵以及防空打保護器等。

機器人系統(tǒng)的現(xiàn)場屏TP700顯示X、Y、Z、RX、RY、RZ六軸移動情況?，F(xiàn)場示教盒可對機器人進行離線軌跡規(guī)劃等。

總控制系統(tǒng)包括現(xiàn)場控制系統(tǒng)和遠程控制系統(tǒng)兩套組成?，F(xiàn)場控制系統(tǒng)能通過總線與機器人系統(tǒng)、懸掛行走系統(tǒng)和供漆系統(tǒng)通訊，完成系統(tǒng)整體控制，對整個工件的連續(xù)噴涂；遠程控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)對系統(tǒng)運行狀態(tài)的實時監(jiān)控及操作。

總控制系統(tǒng)能夠?qū)Ψ窒到y(tǒng)進行控制及狀態(tài)顯示。可對供漆系統(tǒng)自動進行換色、加料、清洗等操作?？蓪覓煨凶邫C構(gòu)運動過程中產(chǎn)生的誤差進行修正。

五、噴涂工藝流程及控制的技術(shù)要點

懸掛式機器人噴涂系統(tǒng)噴涂工藝流程如下：

首先天車系統(tǒng)、供漆系統(tǒng)和噴涂系統(tǒng)準(zhǔn)備就緒，工件進入指定位置，并定位→系統(tǒng)檢測工件實際位置→坐標(biāo)擬合→示教（手動調(diào)試程序）→啟動運行，總控讀取噴漆“工件數(shù)據(jù)”，發(fā)噴涂“軌跡號”和噴涂“配方確認”信號給機器人噴涂系統(tǒng)→機器人噴涂系統(tǒng)讀取噴涂“軌跡號”和顏色“配方號”→機器人噴涂系統(tǒng)確定是當(dāng)前噴涂配方，則給總控發(fā)出位置1的“噴涂申請”信號→懸掛系統(tǒng)三軸分別到達指定位置1后，發(fā)“天車已到噴涂位置”信號給總控→2KS混合，機器人開始自動噴涂（調(diào)用噴涂程序1）→噴涂工件1號區(qū)域，噴涂完成，機器人回到HOME位后停止，并給總控發(fā)“噴涂完成”信號→總控讀取“噴涂完成”信號，變換工件指針，指向2號區(qū)域工件數(shù)據(jù)，發(fā)噴涂“軌跡號”和噴涂“配方確認”信號給機器人噴涂系統(tǒng)→機器人噴涂系統(tǒng)讀取噴涂“軌跡號”和顏色“配方號”→機器人噴涂系統(tǒng)確定是當(dāng)前噴涂配方，則給總控發(fā)出位置2的“噴涂申請”信號→懸掛系統(tǒng)三軸分別到達指定位置2后，發(fā)“天車已到噴涂位置”信號給總控→2KS混合，機器人開始自動噴涂（調(diào)用噴涂程序2）→噴涂工件2號區(qū)域，噴涂完成后，機器人回到HOME位后停止……

按上述程序分別噴涂工件3號區(qū)域，4號區(qū)域……n號區(qū)域，直至完成工件的全部噴涂任務(wù)→機器人回零位（HOME點），天車回到原始位置，工件下線。

為了完成對整個工件的連續(xù)噴涂，直至天車回到原始位置，總控的S7-1500控制器作為整個系統(tǒng)最為關(guān)鍵的核心部件，協(xié)調(diào)控制天車和機器人系統(tǒng)的工作。手動示教調(diào)試機器人程序時，要把工件在每個區(qū)域的天車X、Y、Z坐標(biāo)值、機器人的軌跡號要手動記錄下來，通過在總控的操作屏TP1200或者在中控的工控機上輸入，存入總控S7-1500PLC的數(shù)據(jù)塊里，系統(tǒng)自動運行時，再自動一步一步按照工藝順序調(diào)用已經(jīng)存入的數(shù)據(jù)。

由于工件種類多，不同工件劃分的區(qū)域大小是不一樣的，而且每個區(qū)域是多個數(shù)值，存儲數(shù)據(jù)的DB塊是數(shù)據(jù)的嵌套，即為多重數(shù)組，所以DB塊的大小要開辟足夠大，才能滿足生產(chǎn)要求?？偪厝暨x擇普通的S7-300/400PLC用STEP7編程方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲和讀取有一定的困難，故選擇S7-1500PLC采用TIA博途的SCL編程方式實現(xiàn)此功能，更加方便和容易。下面介紹實現(xiàn)過程。

工件工藝數(shù)據(jù)表的建立過程：

⑴.在TIA博途V13SP1編程軟件下，添加一個新的“PLCdatatypes”（相當(dāng)于Step7里建立的用戶自定義DB塊），命名為“工件配方”，在里面添加“天車X坐標(biāo)”（定義為整數(shù)數(shù)據(jù)類型）、“天車Y坐標(biāo)”（定義為整數(shù)數(shù)據(jù)類型）、“天車Z坐標(biāo)”（定義為整數(shù)數(shù)據(jù)類型）和“機器人軌跡號”（定義為字節(jié)數(shù)據(jù)類型），外加兩個備用數(shù)據(jù)，防止以后客戶提出增加新功能時用，“油漆配方號”（定義為Word數(shù)據(jù)類型）和“油漆流量”（定義為整數(shù)數(shù)據(jù)類型），現(xiàn)在這兩個數(shù)據(jù)是在畫面上直接輸入，供漆系統(tǒng)直接接收的。

⑵在博途的程序文件下添加全局類型的DB塊，數(shù)據(jù)號為8，名稱為“工件工藝表1”，打開該數(shù)據(jù)塊，在里面添加名稱為“工件數(shù)據(jù)”，數(shù)據(jù)類型是以上面建立的數(shù)組“工件配方”的為類型，范圍是1到200的數(shù)組，如圖9所示，數(shù)據(jù)組展開后如圖10所示。并且把“Retain”掉電保持的選項勾選上。

圖9“工件工藝表1”數(shù)據(jù)組建立

圖10“工件工藝表1”數(shù)據(jù)組展開

⑶實際示教填表SCL程序的編寫：在博途的程序文件下添加函數(shù)功能塊FB63，定義輸入輸出接口，X軸位置、Y軸位置、Z軸位置、機器人路徑號、油漆編號、最大工件號及HMI存數(shù)確認、計數(shù)指針等參數(shù)。接口參數(shù)如圖11所示：

FB63主要程序編寫如下：

IF#HMI確認脈沖=1AND#計數(shù)指針<=#最大工件號then

//從觸摸屏即子程序的IN口輸入數(shù)值放到DB工藝工件表中

“工件工藝表1”.工件數(shù)據(jù)[#計數(shù)指針].天車X坐標(biāo)：=#X軸位置；

“工件工藝表1”.工件數(shù)據(jù)[#計數(shù)指針].天車Z坐標(biāo)：=#Z軸位置；

“工件工藝表1”.工件數(shù)據(jù)[#計數(shù)指針].機器人軌跡號：=#機器人路徑號；

“工件工藝表1”.工件數(shù)據(jù)[#計數(shù)指針].油漆配方號：=#油漆編號；

#計數(shù)指針：=計數(shù)指針+1；

//每次輸入完一個數(shù)組后，指針加1，指向下一個位置

END_IF；

圖11實際示教填數(shù)接口參數(shù)

下面是其中一個大機翼示教的數(shù)據(jù)表，17個定點噴涂，才能完成整個零件的噴涂。

序號X軸坐標(biāo)值Y軸坐標(biāo)值Z軸坐標(biāo)值機器人軌跡號

注：X/Y/Z的單位是mm

表2大機翼示教數(shù)據(jù)表

自動時多重數(shù)組的讀取過程：

這個過程比較復(fù)雜，涉及到把存儲在“工件工藝表1”數(shù)組DB8里的每一組數(shù)據(jù)讀出來，然后把X軸位置、Y軸位置和Z軸位置通過PROFINET通訊傳給天車系統(tǒng)的S7-1200PLC，把機器人軌跡號通過PROFINET通訊傳給機器人系統(tǒng)的S7-1200PLC。根據(jù)懸掛式機器人噴涂系統(tǒng)噴涂工藝流程順序執(zhí)行。

自動讀取工件工藝表SCL程序的編寫：在博途的程序文件下添函數(shù)功能塊FB91，定義輸入輸出接口。接口參數(shù)如圖12所示：

圖12自動讀取工件工藝表接口參數(shù)

FB91部分程序編寫如下：

IF#啟動信號脈沖=1AND首步驟=0THEN

#o天車X坐標(biāo)：=“工件工藝表1”.工件數(shù)據(jù)[#i指定開始步驟].天車X坐標(biāo)；

#o天車Y坐標(biāo)：=“工件工藝表1”.工件數(shù)據(jù)[#i指定開始步驟].天車Y坐標(biāo)；

#o天車Z坐標(biāo)：=“工件工藝表1”.工件數(shù)據(jù)[#i指定開始步驟].天車Z坐標(biāo)；

#o機器人軌跡號：=“工件工藝表1”.工件數(shù)據(jù)[#i指定開始步驟].機器人軌跡號；

#o油漆配方號：=“工件工藝表1”.工件數(shù)據(jù)[#i指定開始步驟].油漆配方號；

#i指定開始步驟：=1；

#計數(shù)指針：=#i指定開始步驟；

#o查表完成天車回原點：=0；

END_IF；

六、結(jié)束語

本次項目使用西門子S7-1500PLC與TIA博途軟件，S7-SCL語言在編程過程中得到大量的應(yīng)用，相對于西門子PLC的其它類型編程語言而言，SCL在多重數(shù)組數(shù)據(jù)處理中優(yōu)勢明顯，要求循環(huán)使用的控制任務(wù)更方便，不僅程序量小，而且不易出錯，調(diào)試周期大大縮短，總體來說，采用S7-1500系列PLC在項目開發(fā)進程中，縮短了設(shè)計和調(diào)試周期，改進了設(shè)備調(diào)試的方法和效率，是工業(yè)裝備研發(fā)制造的一大利器。

本系統(tǒng)自投運以來，設(shè)備運行狀況良好，控制可靠穩(wěn)定，縮短噴涂作業(yè)周期長，提高生產(chǎn)效率，使工件的涂層厚度和均勻度都達到了理想的效果，極大地降低了工人的勞動強度和改善工作環(huán)境，得到了復(fù)材領(lǐng)導(dǎo)及一線員工的認可。實現(xiàn)飛機制造從傳統(tǒng)的手工噴涂作業(yè)向高效、智能、精確的自動化噴涂作業(yè)的跨越，滿足飛機整機性能指標(biāo)，提高產(chǎn)品質(zhì)量，增強新一代飛機快速研制生產(chǎn)能力，提高航空工業(yè)核心競爭力。