一、引言
柔性仿形自動噴塗系統是一種針對汽車產品外形結構特徵，把工業機器人的靈活性和自動噴塗機結構簡單、效率高、編程容易，使用方便以及高速靜電旋杯優質、低耗、污染少的諸多優點融為一體構成全新的自動噴塗設備。它適應汽車產業高質量、多品種、小批量、大規模自動化生產，可對複雜車形曲面較容易地離線編程示教，自動完成全車各個部分外表面的噴塗。
北京機械工業自動化研究所在2000年，為南京春蘭汽車公司研製了國內第一台4杯柔性仿形高速靜電自動噴塗機系統，用於卡車噴塗。該項目也是國家863項目“95”期間50項重大研製項目之一，目前已經運行4年，性能穩定可靠，經濟效益顯著。在此基礎上，又為重慶力帆汽車公司研製開發了4套用於轎車噴塗的柔性仿形高速靜電自動噴塗機系統。
二、系統構成
每套噴塗系統由頂、側噴塗機機體、高速靜電旋杯、換色裝置、識別裝置、同步裝置、安全防護及電氣控制裝置等構成。每套系統由12台伺服電動機驅動，配有4套靜電旋杯。結構示意如圖1、圖2所示。頂噴橫樑可在Y.z方向上移動，並可以x向為中心轉動，靜電噴杯可在x方向上來回擺動，並可調節杯間距離。側噴可在Z方向上下移動，在X方向上伸縮並可以Y向為中心轉動。
圖1 噴塗系統主機示意圖
圖2噴塗系統實照
三、工作過程
柔性仿形自動噴塗機的工作過程如下：首先對頂噴和側噴進行離線編程。編程的內容包括程序號，車外形參數、噴塗速度、噴塗距離，噴塗位置、旋杯電壓、轉速、流量等。當車體進入噴房后，系統會先自動進行車型識別，並在啟動前把識別的車型並對應的車型參數從資料庫中提出，自動計算規劃仿形噴塗軌跡，判斷仿形軌跡合理性。當啟動信號到來后，系統採集地鏈同步脈衝信號，在特定周期內不斷進行插補計算，控制各軸運動完成噴塗軌跡，同時控制噴塗位置，旋杯流量、電壓、轉速等參數進行噴塗。頂噴主要完成車身正面、頂部、后圍的噴塗，側噴主要完成車身側面的噴塗。
四、電控系統組成
整條噴漆線由一套中塗和三套面塗噴塗系統組成。每套自動噴塗系統由頂噴控制系統、側噴控制系統及靜電旋杯控制系統組成。頂、側噴伺服控制系統採用西門子最新的工藝CPU-317T-2DP與伺服驅動器SIMODRIVE611U，通過Profibus-DP(2)匯流排連接組成。CPU-317T-2DP把CPU317-2DP和運動控制功能、傳動裝置參數結合在一起，採用了SIMOTION Kernel內核，通過集成在STEP7下的軟體包來配置和編程。控制系統配置了DI，DO模塊用於採集啟動、保護、限位等信號，並與旋杯控制系統進行信號交換。FM350高速計數模塊用於採集地面傳送鏈的同步脈衝信號，實現同步控制。每套系統設置了TP270觸摸屏用於分別監控自動噴塗機和旋杯系統。中塗和面塗還各有一套車型識別系統用於自動判斷車型號。一塊TP170在噴房入口用於輸入顏色隊列和手動修改車型隊列。各頂噴和側噴系統又通過PROFIBUS (1)網路連接到一起。
五、系統主要功能及實現
系統功能主要分為車型識別仿形、噴塗控制、監控、故障提示診斷等幾部分，其主要功能如下：
1．車型自動識別和傳送
當車體進入識別區后，系統按照在HMI中設定的車型特徵參數自動識別車型，並存儲在車型隊列中。操作員也可修改、編輯此隊列。
車型、噴塗顏色在各噴塗系統間的傳送是個關鍵問題，為了保證傳遞可靠，並且在一套系統或網路出現故障后其餘系統仍能正常工作，在一個Profibus網路上，各套系統的側噴與頂噴採用主-從MS網路結構方式，主站又與另外噴塗系統的從站採用直接數據交換DX通訊方式。西門子PLC支持的這種網路結構，保證了即使網路上出現故障，某套噴塗系統的頂、側噴間的參數傳遞也不會出現故障，能夠正常運行。
2．離線軌跡計算、模擬噴塗
當車型外形參數、噴塗位置、噴塗角度確定后，系統可按設定的參數及給定的參考鏈速自動運算噴塗軌跡，校驗軌跡的合理性，並可離線模擬運行。圖4為觸摸屏TP270上的車形參數設定界面。
圖4車形參數設定界面
軌跡演算法採用了與地鏈同步的插補演算法。當獲得車形特徵參數后自動計算仿形時特徵點的位置。
設噴杯在YZ平面相對被噴車體表面作直線運動，相對速度為工藝速度VP，如圖5所示。當被噴車體為靜止時，在坐標系OYZ中，起點為坐標原點(0，0)，終點Pe的坐標為(Ye，Ze)，設插補周期為T直線段長度為L
圖5直線插補
則每個插補周期的進給步長為△L= VpT
在系統中，由於工件是非靜止的，而是沿Y軸運動的。設地鏈沿Y軸的負方向的速度為VL。則在一個插補周期T內，實際Y軸和Z軸的位移增量分別為
則插補的疊代公式為
實際軸的合成運行速度，即給定的速度指令應為
在開發離線應用程序的過程中，充分開發應用了Windows CE下VBScript的功能計算一些複雜的數學函數。VBScript是一種簡單的腳本語言，它使用下列結構：
變數，這些可以是ProTool變數，也可以是內部VBScript變數；
VBScript操作符，例如：+、一、+、or、and;
條件語句，例如：lf...then...else、Select Case;
循環語句，例如：Do...Loop、Wh．le...Wend、For…Next、For each…Next;
VBScript過程，例如：子程序或函數；
VBScript內建過程，例如：Date，Sin，Sqr;
一個VBScript識別兩種過程類型：子程序、函數。與函數相反，子程序沒有返回值。使用這兩種類型的過程都可傳送參數。
應用這些功能在觸摸屏中計算複雜的三角函數和開方運算等，然後將這些特徵點通過Profibus匯流排下傳到PLC中，這樣大大地減少了PLC的運算量並提高了效率。
圖6 VBScript腳本開發
3．仿形軌跡控制
仿形技術是此系統應用的關鍵技術，它要求噴杯在與移動中的被噴車體表面保持特定距離，相對與被噴工件勻速運動的條件下，完成對被噴工件表面輪廓的仿形。仿形軌跡規劃的方法是在噴杯初始位置和目標位置之間沿時間軸插入一系列“控制設定點”來逼近給定路徑，在這期間接受一些表示路徑約束（如被噴車體位置、機械極限等）和工藝要求的輸入變數對插入點進行適當的調整。
噴塗系統的頂噴機用6個西門子伺服電動機驅動橫樑及噴杯在5個自由度上的運動。要求橫樑兩端的驅動電動機運動中完全同步，並與其他電動機在仿形過程中同步運行完成仿形。應用317T中的Synchronism_Technology functions功能及Cam disks功能很好地解決了這個複雜的同步過程。
對於橫樑兩端電動機的同步，在兩電動機找到零點后運用Gear_in命令使兩電動機完全同步。
在仿形過程中，選擇實際的軸作為主軸實現困難，所以巧妙地應用了317T中的虛擬軸概念，設定了一個不存在的虛擬軸，此軸的運行軌跡為噴杯車形軌跡，速度為相對車體表面仿形速度及轉角速度，並使Y軸，Z軸，A軸與此軸同步完成車體仿形，進而簡單有效地解決了這個複雜問題。圖7為在317T中各軸同步的過程。
圖7 317T中的同步過程
在具體應用中還存在一個問題，虛擬軸在車體表面的不同位置要分別以噴塗速度和過度速度連續運行，並且所以在應用MC_MoveAbsolute時，要在車體不同的位置改變速度參數Velocity的付值。在車窗位置還要改變×軸及H軸的運行方式，由往複運行改為對車窗正面的仿形噴塗。圖8為設定軌跡與車體在傳送地鏈上運行時實際同步仿形軌跡的對比。
圖8設定軌跡與實際同步仿形軌跡對比
4．多種仿形方式
仿形噴塗系統可根據工藝要求按照不同的噴塗角度仿形。噴塗旋杯在不同位置可垂直或不垂於噴塗表面，也可在仿形過程中快速越過不需要噴塗的位置。在車窗位置可以根據車窗寬度自動節旋杯間的距離。這樣可以進一步提高噴塗的效率並保證最佳的噴塗效果。
5．噴塗參數調整
噴塗系統噴塗參數調整非常靈活，可在每次往複噴塗中設定開關槍位置，旋杯的電壓、流量噴幅、霧化角度等參數。進而確保了噴塗質量。
利用Protool中的配方功能可以方便地分別對不同的車型設定不同的噴塗參數並隨時調用。
6．自動換色、清洗
噴塗系統會按照車型隊列和顏色隊列自動切換顏色並清洗管路。系統還可以按照設定的清洗率，在噴塗完一定車數后自動在清洗位對旋杯杯口進行清洗。
7．自動安全保護功能
系統設有多種安全自動保護措施，在噴塗室的出入口都有防止人員進入的對射光電開關，當人進入噴塗室後會警告並切斷旋杯的高壓。在頂噴移動橫樑四周也設有對射光電開關，當旋杯距被噴塗車身過近時會自動保護並迅速反向撤離。旋杯還有過電壓、過電流保護，當電壓、電流超時會自動停機報警。
8．故障自動診斷
系統有故障自診斷功能，在出現故障後會自動判斷故障的可能原因並提示操作者處理方法。這樣就顯著降低了非正常停車時間。
317T中有完整的一套(SIMATIC)診斷功能和跟蹤工具，通過讀取每個軸的背景數據塊，可很容易地監控各軸的狀態和故障信息。
系統控制流程如圖9所示。
六、結束語
該套系統已調試完成進入了試生產階段。在鏈速1.86m/min下，4分鐘內可完成一量車的噴塗。在系統噴塗過程中仿形軌跡誤差在±6mm內，塗膜平整均勻，光澤度高噴塗漆膜厚度均勻，塗膜平均厚度誤差在±5l|m內，達到了工藝要求。實踐證明，317T工藝PLC非常適用於運動控制任務，並且邏輯控制和運動控制使用同一個程序，同種語言，大大提高了編程效率，降低了成本。
參考文獻
1．王長民，軟仿形噴塗機系9統設計，國內外機電一體化技術，2001 (2)：15，
2. Siemens 317T_2DP Manual 2003
作者簡介：劉新(1976-)，男，碩士，北京機械工業自動化研究所機器人中心，主要從事智能機器與傳動控制工作。
