（机械制造及其自动化专业论文）载重汽车自动喷涂机控制系统实现与运动轨迹规划.pdf

摘要 论文以东风公司车身厂涂装二车间金属漆七杯站静电喷涂机项目为工程背 景，以自动喷涂机控制系统和喷涂轨迹为研究对象，以七杯站自动喷涂机样机开 发为目标，建立了一套柔性仿形静电自动喷涂系统，并成功应用于实际生产。 基于德国西门子公司s c o u t 软件生成的插补曲线，建立了自动喷涂项喷机 各运动轴运行速度与地链速度之间的关联数学模型。同时，根据喷涂工艺要求， 推导并建立了齿轮泵流量与漆膜厚度之间的数学模型，为喷涂轨迹规划和流量控 制提供了理论基础。 此外，基于自动喷涂机工作流程，采取分布式控制系统总体设计方案，对整 体控制系统进行硬件配置并建立了相应的通信关系，根据控制对象不同，将控制 系统分为驱动控制系统和气路控制系统两部分，分别对其进行了设计，包括硬件 选取和软件设计。 进而，以控制系统软件设计为基础，以自动喷涂机为对象进行系统调试，其 中包括旋杯工艺参数和旋杯开关枪数据的调试，使自动喷涂机可以完全适应喷涂 生产线的工作，并使其喷涂效果达到最优。 最后，论文对本项目的工作进行了总结，并对未来工作做出了展望。未来工 作的重点是使系统操作简便并具有一定的智能化，进一步提高柔性仿形自动喷涂 系统的生产效率。 关键词：静电喷涂旋杯轨迹规划控制系统 a b s t r a c t t h eb a c k g r o u n do ft h e s i si so r i g i n a t e df r o map r o j e c to ft h et r u c kb o d yp a i n t i n g p r o d u c t i o nl i n e c o n s t r u c t i o nf o rt h ed o n g f e n gc o m m e r c i a lv e h i c l ec o r p o r a t i o n l i m i t e dw h e r et h ea u t o m a t i cs p r a y i n gm a c h i n ew i t hs e v e na t o m i z e r si so fg r e a t c o n c e r n e d o nt h eb a s i so fd e s i g nf o rt h ec o n t r o ls y s t e ma n dp a i n t i n gt r a c k ，af l e x i b l e p r o f i l i n ga u t o m a t i cs p r a y i n gs y s t e mi sb u i l tu p t h i se q u i p m e n th a sb e e ns u c c e s s f u l l y u s e di nt h ep r o d u c t i o nl i n e i n l i n ew i t ht h es i e m e n ss c o u ti n t e r p o l a t i o nc u r v e ，w ee s t a b l i s ha m a t h e m a t i c a lm o d e lr e f l e c t i n gt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e na x i sm o v e m e n tv e l o c i t yo f t o ps p r a y i n gm a c h i n ea n dc h a i nv e l o c i t y a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to fs p r a y i n g t e c h n o l o g y , w em a t h e m a t i c a l l yf o r m u l i z et h ee x a c tr e l a t i o n s h i pb e t w e e ng e a rp u m p f l o wa n dp a i n tt h i c k n e s s t h e s ew o r k sp r o v i d ew i t hat h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h e t r a j e c t o r yp l a n n i n ga n dc o n t r o lp a i n t i n gf l o w b a s e do nt h ew o r k f l o wo ft h ea u t o m a t i cs p r a y i n gm a c h i n e ，w es e l e c td i s t r i b u t e d c o n t r o ls t r a t e g ya st h eo v e r a l lc o n t r o ls c h e m ef o r p l a n n i n gd e s i g n ，h a r d w a r e c o n f i g u r i n g ，b u i l d - u po v e r a l lc o n t r o ls y s t e ma n dc o m m u n i c a t i o nf a s h i o n k e e p i n gt h e d i f f e r e n to b j e c to ft h ec o n t r o ls y s t e mi nm i n d ，t h ec o n t r o ls y s t e mi sd i v i d e di n t ot w o p a r t s ：d r i v e nc o n t r o ls y s t e ma n dg a sc o n t r o ls y s t e m ，a n dt h ed e s i g n i n ga r ec a r r i e do u t i ti n c l u d e ss u i t a b l es e l e c t i o no f h a r d w a r em o d u l e sa n dw a yo fp r o g r a m m i n g b a s e do nt h ed e s i g n i n go ft h ec o n t r o ls y s t e ma n dw o r k i n gt a r g e to fa u t o m a t i c s p r a y i n gm a c h i n e ，w ec a nd e b u gt h ea u t o m a t i cp a i n t i n gm a c h i n ei n c l u d i n gt h e p r o c e s sp a r a m e t e r so f t h er o t a r ya t o m i z e ra n dt h et r i g g e rp a r a m e t e r s t h i sd e s i g n i n g s t r a t e g yf o ra u t o m a t i cp a i n t i n gm a c h i n ec a nb ef u l l ys a t i s f i e dt h en e e df o rt h e s p r a y i n gp r o d u c t i o nl i n e ，m a k i n gs p r a y i n ge f f e c to p t i m a l f i n a l l y , w es u m m a r i z et h em a j o rw o r ki n v o l v e di nt h i sp r o j e c ta n dp o i n to u tt h e f u t u r ew o r k t h ef u t u r ew o r kw i l lb ee m p h a s i z e do ns i m p l i f y i n gs y s t e mo p e r a t i o na n d m a k i n gt h es y s t e mi n t e l l i g e n ta sw e l la sf u r t h e ri m p r o v et h ep r o d u c t i v i t yo fa u t o m a t i c s p r a y i n gs y s t e m k e yw o r d s ：e l e c t r o s t a t i cp a i n t i n g ，r o t a r ya t o m i z e r , t r a j e c t o r yp l a n n i n g ， c o n t r o ls y s t e m 独创性声明 本人声明所呈交的学f t 论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：寅) 应弓 签字只期： 知吵年 多月牛日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位沦文作者签名：童；域弓 签字1 期：跏夕年乡月乒 同 导师签名：咖 签字r 期：么_ 罗年月夕f i 第一章绪论 1 1 课题研究背景和意义 第一章绪论 汽车制造业作为国家“十一五”规划的重要内容，要做到提高自主创新能力、 提高服务业比重和加强制造业的基础设施建设，加快科技成果转化生产力的能 力，从而提升撼体产业的技术水平，使中国汽车制造业在世界能够占有一席之地。 车身的外观质量是生产厂家和购车者关注的重要方面而车身外观又取决于 车身喷涂的涂装效果。自动喷涂设备| = 上其涂着效率高、装饰性好、生产效率高、 节约涂料与能源、保护环境等优点，越来越普遍地教国内外汽车制造企业的涂装 生产线所采用，并发挥着重要作用，成为代表汽车涂装生产线的工艺水平和自动 化程度的重要标志。 在本项目中，自动喷涂设备采用的是静电喷涂方法。高速旋杯式静电喷涂 简称静电喷涂是近年来在国内外快速发展起来的新型技术，如今已经被广泛应 用到各个工业领域中，它不仅能节省涂料，降低对环境的污染程度，而且可以使 喷涂工艺机械化、连续化、减少废品率，获得优异的涂膜性能大大提高劳动生 产率，改善劳动条件从而获得可观的料会经济效益。 圈i - 1 汽车喷涂生产线现场 在涂装车间内，常用的自动静电喷涂设备有自动喷涂机和喷涂机器人。自动 喷涂机虽然体积庞大但是对控制系统要求较低，并且操作简单。目前国内某些 大学和研究所已经具备了独立开发自动喷涂机的能力，并成功应用于汽车喷涂生 产线上。喷涂机器人采用柔性手腕，既可向各个方向弯曲，又可转动，其动作类 似人的手腕，能方便地通过较小的孔伸入到工件内部，喷涂其内表面。喷涂机器 第一章绪论 人的位置精度高，可以达到更高的喷涂要求，但其成本和对控制系统要均很高。 目前，国内还没有达到制造喷涂机器人的机械水平，所以国内企业只能购买国外 公司( 如瑞士a b b ) 的产品。 本项目的喷涂对象是载重卡车，体积比轿车庞大，涉及到自动喷涂设备上旋 杯的运动行程较长。如果要使用喷涂机器人，不仅只能靠从国外引进，而且喷涂 机器人对控制系统的自动化要求很高，不易实现。同时，考虑到自动喷涂机也能 很好的完成本项目的喷涂作业，且造价便宜，加之有高性能的电控部分与之配合， 使之能够实现机电一体化。所以本项目主要研制以自动喷涂机为基础的柔性仿形 自动喷涂系统。 近十几年来，国内汽车喷涂所用自动喷涂机也是成套引进国外产品( 德国 d u f f 居多) ，但是引进国外的喷涂机存在成本较高、维护困难等缺点。随着国内 在研制自动喷涂机技术上的日趋完善，国内开发的喷涂机也可达到要求的机械精 度，并具有完善的电控技术和人性化的界面，所以如今国内汽车企业均倾向于购 买国内的喷涂机。这对打破国外企业在喷涂行业的垄断，振兴国内汽车行业都有 深远的意义。 与以往国内同类项目相比，本项目在控制系统方面进行了新的改进。在以往 控制系统设计中，均采用异步电机与变频器组合方式驱动喷涂机动作，该方式的 缺陷是不能精确地控制喷涂机旋杯位置，偏差过大会导致撞车现象发生。本项目 控制系统采用伺服电机驱动方式，控制伺服电机的伺服驱动器内置位置控制模 块，可以准确地自动计算出喷涂机旋杯的位置。而变频器没有位置控制功能，调 试人员只能通过p l c 的自控原理算法去计算喷涂机旋杯的位置，并且算法不够 优化，导致计算出的结果与实际情况相比有很大误差。本项目前期研究表明，采 用伺服电机的驱动方式应该成为同类项目中的首选。所以本课题对柔性仿形控制 系统中的改进在车身用高速旋杯式静电喷涂成套设备中的灵活应用具有重要的 指导意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 高压静电旋杯系统 本世纪2 0 年代静电涂装工艺首次应用于工业；1 9 5 0 年出现了第一支旋杯式静 电喷枪，首次使喷涂效率提高到9 5 ，是世界喷涂史上的一次重大突破，高速旋 杯式静电喷枪是其进一步发展的成果。同时，随着涂装业对该设备使用要求的不 断提高，促进了高压静电旋杯系统的不断发展。高压静电旋杯系统的特殊工作原 2 第一章绪论 理决定其只能存在于自动喷涂设备中，其涂膜装饰性好、质量稳定等优越性及其 昂贵的造价决定了它的主要应用领域为汽车涂装领域i lj 。从这些角度上讲，高压 静电旋杯系统的使用在一定程度上促进了汽车自动喷涂设备的发展，如今已经成 功在工业机器人得到应用。车身用高转速旋杯式静电喷涂成套设备是高压静电旋 杯系统在汽车涂装领域内与先进自动喷涂设备的又一次完美结合。 近年来，国内汽车制造行业的蓬勃发展使其对高压静电旋杯系统的需求迅速 增长。国内某些机构开始从事一些针对该系统的研制工作，但由于经费与技术水 平等问题使其研制的产品远不能达到在工业中稳定使用的目的。所以，车身用高 转速旋杯式静电喷涂成套设备中的旋杯控制系统仍然只能完全依赖进口。 1 2 2 柔性仿形系统 柔性仿形自动喷涂系统是一些发达国家在9 0 年代为适用汽车产业高质量、 多品种、小批量、大规模自动化生产而开发的高新技术装备。它针对汽车产品外 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【2 j 。该设备对任何复杂车型曲面都可以容易地编程示教，自动完 成车身各个部分表面的喷涂。 国外车身用柔性仿形自动喷涂系统的主要生产厂商有瑞士a b b 、英国 i t w _ b i n k s 、德国d t l r r 、法国s a m e s 和日本五洲大气社等集团公司，这些厂商都 是( 或曾是) 工业机器人的制造商，也是生产车身用柔性仿形自动喷涂系统成套设 备的名牌厂商。 如今，国内对柔性仿形系统的研制已取得突破性进展，天津大学和北京机械 工业自动化研究所都能够独立研发柔性仿形系统的喷涂机，并能达到工业应用的 稳定性，填补了国内的空白。北京机械工业自动化研究在该项目上起步较早并取 得了一定成果：在1 9 9 4 年为江西上饶客车厂研制了一台移动龙门式仿形喷涂设 备；1 9 9 8 - 1 9 9 9 完成了8 6 3 智能机器人主体课题一桥型移动龙门式仿形喷涂生 产线，但上述项目都是利用硬仿形，对于产品更新很快的变批量、多品种的生 产，其适应性较差；19 9 9 年底，由北京机械工业自动化研究及南京春兰汽车股份 有限公司共同开发此种喷涂设备并被列为8 6 3 重点项目之一。天津大学在柔性仿 形系统上也有多次成功研制并成功运用到喷涂生产线的经历：先后开发了南京长 安汽车有限公司自动喷涂线、南京依维柯汽车有限公司自动喷涂线、十堰东风商 用车车身厂旋杯式高速静电侧喷机、南昌江铃汽车股份有限公司旋杯式高速静电 侧喷机、十堰东风商用车车身厂整体柔性仿形系统、三门峡戴卡轮毂制造有限公 司轮毂自动喷涂线等，并参与了北京奔驰戴姆勒克莱斯勒联合涂装车间的喷涂 第一章绪论 机器人安装调试。另外，还开发出了基于滚动轴承支撑、气浮轴承支撑和磁浮轴 承支撑的高速离心雾化涡轮系统，并在国内七家汽车制造企业获得成功应用。 1 3 课题来源 该课题源自2 0 0 9 年十堰东风汽车股份有限公司车身厂涂装二车间金属漆七 杯站静电喷涂机项目。该静电喷涂机被用于完成载重卡车车身面漆喷涂工作，包 括顶部喷涂及侧面喷涂。当车辆跟随地链前进时，要求柔性仿形喷涂机对车辆进 行软仿形动作并完成喷涂作业。本课题旨在完成喷涂机控制系统和喷涂轨迹的研 究和开发。 1 4 本文主要研究内容 本文紧密结合东风汽车有限公司车身厂“金属漆七杯站旋杯式高速静电自动 喷涂机项目”，以高速静电喷涂机为研究对象，研究顶喷机结构设计与自动化控 制技术，开发软仿形自动喷涂控制系统，并用于实际生产。全文内容编排如下： 第一章阐述课题的研究背景和意义，简要评述国内外发展状况，并提出本 文主要研究内容。 第二章顶喷机结构设计与轨迹规划。在构造顶喷机传动系统的基础上，设 计出4 自由度旋杯式高速静电项喷机。基于西门子s c o u t 软件生成的插补曲线， 建立项喷机各运动轴速度与地链速度之间的关联数学模型。 第三章控制系统总体搭建与设计。针对喷涂生产线总体布局和喷涂机喷涂 流程，采用分布式控制系统的总体方案，并建立其通信系统。 第四章驱动控制系统设计。从硬件选取到程序编写，详细阐述驱动控制系 统设计方法。 第五章气路控制系统设计。从硬件选取到程序编写，全面叙述气路控制系 统设计方法。 第六章上位机监控画面与系统调试。在西门子w i n c c 软件环境下编写上位 机监控画面程序。为了达到最优喷涂效果，通过监控画面对自动喷涂机进行旋杯 工艺参数和开关枪参数的调试。 第七章给出全文结论与工作展望。 除本章及最后一章外，全文其他章节均以引言开始，简要介绍各章研究内容 和目标，并以小结结束，简要归纳各章所得结论。 4 第二章顶喷机结构设计与轨迹规划 2 1 引言 第二章顶喷机结构设计与轨迹规划 在喷涂生产线上，顶喷机需要依次喷涂载重卡车的前部、项部和后部，要求 顶喷机旋杯轴线始终与车身表面保持垂直。在喷涂卡车前部时，要求旋杯与车辆 保持匀速前进，并沿垂直方向和车身横截面宽度方向做上升运动和摇摆运动。在 喷涂卡车顶部时，要求旋杯与车顶保持特定距离，并沿地链后退方向做水平运动 和摇摆运动。在喷涂卡车后部时，要求旋杯与车辆匀速前进，并沿垂直方向和车 身横截面宽度方向做下降运动和摇摆运动。根据喷涂工艺要求，对顶喷机自由度 及传动系统进行设计。仿形轨迹规划是实现离线编程的关键，基于西门子s c o u t 生成的插补曲线，建立项喷机各自由度运动速度与地链速度之间的数学模型，为 轨迹规划提供了理论基础。 2 2 顶喷机运动要求 仿形技术是此设备应用的关键技术，它要求旋杯与被喷车辆保持特定距离， 相对于被喷车辆匀速运动的条件下，完成对被喷车辆表面轮廓的仿形p j 。仿形分 为机械硬仿形和软仿形：机械硬仿形是按照被喷对象的外表面设计而成的，导轨 的仿形形状有s 形和c 形等，这样旋杯沿着导轨运动时，正好与被喷对象相吻 合：软仿形是靠计算机软件去控制，对不同的喷涂对象喷涂时，只需使用不同的 运动程序，这样，使用一套软仿形喷涂设备就可以对不同的喷涂对象进行相应的 喷涂。根据软仿形和喷涂工艺的要求，顶喷机对车辆的仿形需要四个基本自由度 完成，分别为基于车身高度的旋杯垂直升降运动、基于地链前进或后退方向的旋 杯水平跟踪运动、基于使旋杯使终处于车体表面法矢方向的旋转运动、基于车身 横截面宽度的旋杯左右摇摆运动。而且要求顶喷机可以根据不同车型的外表面轮 廓，能够自动调整旋杯间的距离，实现全仿形跟踪运动。 项喷机垂直行程的上限位要超过喷涂线上仿形门的高度，因为如果此设备处 于停用状态，要将设备升到最顶端，以确保不会与其它被喷车辆相撞。顶喷机水 平跟踪行程要求以长度最长的车型为标准，在喷涂车辆前部和后部过程中，顶喷 机旋杯要求与被喷车辆保持特定距离并进行匀速跟踪运动，如果水平跟踪行程小 第二章顶喷机结构设计与轨迹规划 于该长度，则顶喷机不能完成软仿形运动。 2 3 顶喷机结构设计 根据运动要求，项喷机传动系统由垂直升降伺服进给系统、水平跟踪伺服进 给系统、横梁旋转伺服进给系统和旋杯摇摆伺服进给系统组成。采用的传动方式 有齿轮传动、链传动和同步带传动。顶喷机总体结构( 图2 1 ) 是由两个立柱、 两个跟踪梁和位于跟踪梁中间的横梁三部分组成，顶喷机的三个旋杯安装在横梁 图2 - 1 顶喷机总体机构图 垂直升降运动系统( 如图2 2 ) 是由顶喷机项部和两个立柱中的传动装置组 成。顶喷机顶部传动采用了闭环传动系统，该设计方案保证了两个立柱垂直升降 运动的同步性，这样避免在垂直升降运动过程中，造成横梁上下倾斜从而影响喷 涂效果。 垂直伺服电机的转动将力和运动通过顶部闭环传动系统从右立柱传递到左 立柱。左立柱和右立柱中结构完全相同，力和运动通过锥齿轮改变方向后又传递 给链轮。左、右立柱中的链轮分别带动左、右跟踪梁沿着垂直方向进行升降运动。 跟踪水平运动系统( 如图2 3 ) 是由左右跟踪梁中的传动装置组成。在德国 d t l r r 公司设计的顶喷机中，只使用一个电机驱动横梁一侧的水平运动，而横梁另 一侧需要电机经复杂的传动系统来驱动。并且采用异步电机驱动，保证不了横梁 6 第二章顶喷机结构设计与轨迹规划 两侧水平运动的同步性，会导致横梁的前后倾斜甚至断裂的后果。本项目在该传 动系统上有所改进：在横梁左右两侧各安装一个伺服电机来驱动横梁两侧的水平 运动，并且设计左右跟踪梁中的机械结构完全一致。这种设计方法使项喷机机械 结构更简单，也保证了横梁水平跟踪运动的同步性。 图2 - 2 垂直升降传动系统 摇摆和旋转运动的伺服电机分别安装在与横梁两侧连接的左右箱体内( 如图 2 4 ) 。旋转电机通过同步带传动使横梁前后旋转，摇摆伺服电机通过同步带传动 使旋杯进行基于车身横截面的摇摆运动。除了四个基本自由度外，还有一个由汽 缸控制的自由度，该自由度的作用是调整旋杯间距。 图2 3 水平传动系统示意图 第二章顶喷机结构设计与轨迹规划 图2 4 横梁结构示意图 表2 1 顶喷机技术参数 轴 zxy0 运动方向垂直升降水平跟踪 摇摆 旋转 有效行程2 7 9 0 m m1 7 9 9 m m8 9 8 m m9 0 。 驱动方式伺服驱动伺服驱动伺服驱动伺服驱动 位置检测内置编码器内置编码器内置编码器内置编码器 安全保护限位接近开关限位接近开关限位接近开关限位接近开关 2 4 轨迹规划 在喷涂机运行之前要了解其旋杯仿形轨迹及障碍信息，把喷涂机的预定动作 表示为空间一系列点以及到这些点的速度，即需要进行轨迹规划。轨迹规划的一 般方法是在自动喷涂机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( 如现场障碍、机械阻挡 等) 和工艺要求的输入变量对插入点进行适当的调整【3 j 。 在插入设定点的过程中，通常采用两种控制方法：点位控制( p t p ) 和连续 轨迹控制( c p ) 。p t p 控制通常没有路径约束，只要满足起终位姿。而对有路径 约束的轨迹规划需要采用c p 控制。c p 控制不仅要求有明确的中间路径，而且 要求在连续路径上各环节的运行速度连续。所以在c p 控制过程中，为了保证运 动轨迹的精确就需要插入足够多的中间控制点【4 j 。西门子s c o u t 软件具有通过 不连续点位生成插补曲线的功能，即根据已知点位可以获得经过这些点位的直线 或者曲线。 8 第二章顶喷机结构设计与轨迹规划 下面咀d 3 i o h 车型为例，对其顶喷机旋杯运动轨迹进行规划。本项目采用 的方法：首先按照软仿形技术原理，根据伺服电机内置编码器和地链编码器的参 数获取图2 - 5 中标记点位的坐标值，其中点1 和点8 分别为插补曲线的起始点和 结束点；并且利用西门子s c o u t 软件生成一条插补曲线；再分析该曲线，以建 立项喷机各运动轴的运动速度与地链速度之间的数学模型。 z f 重 釜 鬻 墅 地链位移，m m + x 圈2 - 5 顶喷机轨迹选取点位 将顶喷机喷涂过程分为三部分：第一部分是喷车的前部，水平跟踪速度要 求与地链速度一致，所以旋杯轨迹主要是在y o z 坐标系内垂直运动和摇摆运动 的曲线。第二部分是喷车的顶部垂直高度基本不变，所以旋杯轨迹主要是在 x o y 坐标系内水平跟踪运动和摇摆运动的曲线。第三部分是喷车的后部，水平 跟踪速度要求与地链速度一致，所以旋杯轨迹主要是在y o z 坐标系内垂直运动 和摇摆运动的曲线。 图2 - 6 顶喷机仿形运动轨迹 白西 第二章】页喷机结构设计与轨迹规划 通过s c o u t 插补曲线( 图2 7 ) 得出垂直位移与地链位移之间的关系 其中z ( f 】一地链位移； z ( f 1 一垂直位移： e - - s c o u t 插补曲线斜率； ，一s c o u t 插补曲线截距- 对式( 2 1 ) 两边求导得出垂直速度与地链速度之间的关系 jo)=州f)(2-2) 其中，j ( ，) 一地链速度： j ( f 1 一垂直速度； 由于该插补曲线的斜率在不同时间段内是不等的所以斜率和截距分别用e 和f 柬表示。 潍 丑 柑 徉 ! 。l 墨： ： ；l 一i ： 鹾l l 、一髟； 地链位移，m m _ x 图2 7s c o u t 软件插补直线 查阅以前硕士论文【”，有公式。：鱼，即旋杯轨迹问距等于唼幅直径除以叠 n 幅次数。根据这一公式可以推导出摇摆往复次数与叠幅次数之间的关系( m h ) 下面根据叠幅次数不同的两种情况( 如图2 - 8 ) 进行分析： 第二章项喷机结构设计与轨迹规划 设第1 种喷涂状态叠幅次数为l ，即a = b ，第1 1 个喷涂状态叠幅次数为1 3 ，即 b h 在第1 种喷涂状态三角形a b c 中得出 s m 口：! ：皇 cc l a n 口= f 乌 t a n y = 一f g a g 学m ， 。 6 ( “) 2 一( b i n ) 2 mt a n 口：! ! ( c n ) 2 一( b i n ) 2 最后整理得 m = j ! ! ：；二 其中，m 一摇摆往复次数； ”一叠幅次数： c 一叠幅宽度： b 一喷幅直径； a 一旋杯轨迹间距。 圈2 - 9 轨迹实物圈 玲 图2 - 8m - n 关系图 m 与1 3 的表达式)f 2 - 3 】 丁 、 、 h 图2 - 1 0 轨迹示意图 第一部分为车身前部疃涂( 如图2 9 ) 。旋杯与车身始终保持特定的距离，所 第二章顶喷机结构设计与轨迹规划 以该阶段中顶喷机的跟踪速度只需保持与地链速度一致即可，因此跟踪速度对油 漆外观质量没有影响。 由图2 - 1 0 知两个点的坐标，分别是( o ，亡) 、( 五，o ) 在y o z 坐标下 z ( f ) = 一t a n t z y ( f ) ( 2 - 4 ) 其中，口一相对运动角度； ，一车辆高度； j ，( f ) 一摇摆位移。 对式( 2 4 ) 两边求导，得出垂直速度与摇摆速度之间的关系 三( f ) = - t a n a 夕( f )( 2 5 ) 将式( 2 2 ) 代入式( 2 5 ) ，得出摇摆速度与地链速度之间的关系式 夕( f ) ；盟( 2 6 ) ：g 芋t a ng ：b m ，代入式( 2 每) ，得出 m ：一竽蝴 ( 2 7 ) 将式( 2 3 ) 代入式( 2 7 ) ，得出 卜丽罨可雄) ( 2 - 8 ) 其中，夕( f ) 一摇摆速度。 第二部分为车身项部喷涂。在车顶，横梁沿垂直方向上只是略微移动，所以 垂直速度对油漆外观质量没有影响，所以该部分只研究跟踪速度与摇摆速度之间 的关系。在该阶段中，跟踪速度方向为地链后退方向，可以采取与第一部分的相 同的方法。 跟踪位移与摇摆位移之间的关系式 _ o ) ：i w 一一t a n a t y o ) + x o ) ( 2 9 ) 其中，x 1 ( f ) 一水平跟踪位移； w 一车辆长度。 对式( 2 9 ) 两边求导，得出跟踪速度与摇摆速度之间的关系式 南( t ) = - t a n a p ( t ) + c ( t ) ( 2 - 1 0 ) 1 2 第二章顶喷机结构设计与轨迹规划 将式( 2 6 ) 代入式( 2 1 0 ) ，得出跟踪速度与地链速度之间的关系式 j 。( f ) ；( 1 一望) 文( f ) ( 2 - 1 1 ) w 其中，毫( f ) 一水平跟踪速度。 第三部分为车身后部喷涂。该部分轨 迹算法与第一部分类似，唯一不同的就 是旋杯旋转的角度。 在顶喷机喷涂过程中，要使旋杯旋 转轴线始终处于车身表面法矢方向，所 以获得旋杯的旋转速度是相当必要的。 由图2 1 l 中曲线z = f f x ) 可知： m ) ：鱼：塑 。 出 支( f ) x 身轮廓 三( f ) = 文( f ) 厂( x ) 图2 1 1 摆头轨迹示意图 对t 抽9 ：掣两边求导得： z ( t ) s e c 2 嘶) = 丝铲 ( 2 - 1 2 ) 将( 2 1 ) 式与( 2 2 ) 式代入式( 2 1 2 ) ，得出旋转速度与垂直速度的关系式 的= 矿而丽f 瓦y c ( t ) 丽 ( 2 - 13 ) 其中，矽( f ) 一旋转速度。 2 5 漆膜厚度与齿轮泵流量关系 仿形轨迹规划的最终目的是使自动喷涂机的喷涂效果达到喷涂工艺要求，本 项目中油漆外观质量需要达到：金属底色漆的厚度1 5 i t r n ，无发花现象( 关键 取决于油漆品质) ；同一平面的厚度差不超过2 9 r n ；油漆涂着效率要达到8 5 以 上。测定漆膜厚度成为检验油漆外观质量是否达到要求的重要方法，其重要性在 于保证涂覆达到规定的厚度，避免由于不适当的厚度导致涂层的过早失效，所以 必须在涂膜完全干燥后，需采用干膜测厚仪进行测定。 第二章顶喷机结构设计与轨迹规划 干膜测厚仪根据测量原理一般有以下五种类型： 1 ) 磁性测厚法：适用于导磁材料上的非导磁层厚度测量，导磁材料一般为 钢、铁、银、镍，此种方法测量精度高。随着测厚技术的日益进步，特别是近年 来引入微机技术后，采用磁性法的测厚仪向微型、智能、多功能、高精度、实用 化的方向进了一步。测量的分辨率已达0 1 岬，精度可达到l ，有了大幅度的 提高。该类型适用范围广，量程宽、操作简便且价廉，目前是工业和科研应用最 广泛的测厚仪器。 2 ) 涡流测厚法：适用导电金属上的非导电层厚度测量此种方法较磁性测厚 法精度低。 3 ) 超声波测厚法：目前国内还没有用此种方法，国外个别厂家有这样的仪器， 适用多层涂镀层厚度的测量或则是以上两种方法都无法测量的场合但一般价格 昂贵，测量精度也不高。 4 ) 电解测厚法：此方法有别于以上三种，不属于无损检测，需要破坏涂镀层， 一般精度也不高，测量起来较其他几种麻烦。 5 ) 放射测厚法：此种仪器价格非常昂贵( 一般在十万人民币以上) ，适用于一 些特殊场合。 通过对上述五种方法的比较，本项目采用的是磁性测厚法来测量漆膜厚度， 它的工作原理是利用从测头经过非铁磁覆层而流入铁磁基体的磁通大小，来测定 覆层厚度。也可以测定与之对应的磁阻大小，来表示其覆层厚度。覆层越厚，则 磁阻越大，磁通越小。利用磁感应原理的测厚仪，原则上可以有导磁基体上的非 导磁覆层厚度。如果覆层材料也有磁性，则要求与基材的导磁率之差足够大( 如 钢上镀镍) 。当软芯上绕着线圈的测头放在被测样板上时，仪器自动输出测试电 流或测试信号。早期的产品采用指针式表头，测量感应电动势的大小，仪器将该 信号放大后来指示覆层厚度。近年来的电路设计引入稳频、锁相、温度补偿等的 新技术，利用磁阻来调制测量信号。还采用专利设计的集成电路，引入微机，使 测量精度和重现性有了大幅度的提高。现代的磁感应测厚仪，分辨率达到0 1 9 m ， 允许误差达1 ，量程达1 0 r a m 。 在喷涂前，将七个试板分别贴在待喷车辆的前部、后部、左面和右面，其中 车身前部贴三个，后部贴两个，左面和右面各贴一个。在喷涂完成后，需要测量 试板上漆膜厚度，具体的测厚方法是：距边缘至少1 0 m m 以上处取几个不同的 点，测量其厚度，然后取平均值作为该部分漆膜的厚度值。其中车身前部和后部 的试板结果反映了顶喷机的喷涂效果，左面和右面的试板结果反映了侧喷机的喷 涂效果。 在明确了测厚仪器与方法后，必须要知道与漆膜厚度有关系的喷涂参数，这 样才能达到控制漆膜厚度的目的，以快速准确的方法达到要求值。由旋杯雾化原 1 4 第二章顶喷机结构设计与轨迹规划 理【5 1 ( 如图2 1 3 ) 可知，漆膜厚度与齿轮泵流量呈正比关系。假设在喷漆过程中， 油漆总量没有损失，全部附着于车身上，可以建立漆膜厚度与齿轮泵流量、喷幅 直径、喷涂距离的数学关系： 旦去：b 上里 ( 2 - 1 4 ) 6 0 三( f ) s i n 口n 、 其中，g 一齿轮泵流量，单位m l m i n ； 盯一漆膜厚度，盯= 1 5 n n 。 车高 旋杯 、 图2 1 2 喷涂叠幅示意图 图2 1 3 旋杯雾化原理模型图 本项目要求叠幅次数n = 2 ，根据公式( 2 3 ) 可以算出m = 9 。本项目轨迹 规划中以车身的左下点作为坐标原点，旋杯在该点处开始喷漆( 如图2 1 2 ) 。根 据喷幅直径b = 4 0 0 r a m ，得出在车长两边喷涂了两遍( 阴影线部分) ，在中间部 分喷涂了四遍( 双阴影部分) 。所以在这两种情况下，流量设定值不一致。 2 6 小结 本章进行了项喷机传动系统的设计和旋杯轨迹的规划。针对喷涂车辆和喷涂 工艺的特点，对四自由度式旋杯式顶喷机的传动系统进行设计，该顶喷机结构适 用于所有载重车面漆喷涂生产。基于西门子s c o u t 软件生成的插补曲线，建立 出顶喷机各自由度运动速度与地链速度之间的数学关系。由于地链速度是可测量 的，所以可根据该公式算出顶喷机各自由度的运动速度，使顶喷机旋杯运行轨迹 得到优化。本章中，还推导出齿轮泵流量和漆膜厚度之间的关系式，根据该公式， 可在已知要求漆膜厚度情况下算出齿轮泵流量的设定值。静电喷涂的油漆附着率 超过9 5 ，所以根据该公式，在实际中测量的漆膜厚度误差不会超过2 1 a m 。 第三章控制系统总体搭建 3 1 引言 第三章控制系统总体搭建 针对静电喷涂工艺和自动喷涂机的运动特点，遵循控制系统响应快速、准确 和运行稳定的原则设计控制系统，从而实现过程自动化和管理自动化。基于喷涂 机工作流程，采用分布式控制系统总体设计方案，并根据控制对象的不同，将控 制系统划分为驱动控制系统和气路控制系统。 3 2 控制系统设计方案 本项目中，柔性仿形自动喷涂系统包括四台侧喷机和一台顶喷机，每台侧喷 机上安装一个旋杯，顶喷机上安装三个旋杯，共有七个旋杯，所以称之为七杯站。 柔性仿形自动喷涂系统的喷涂流程是：车辆进入喷漆室，经车型识别、颜色代码 输入后，自动喷涂机获得该信息，进入待命状态，p l c 根据地链编码器数据确定 车身位置；车辆到达启喷位置后，喷涂机开始进行喷涂作业；喷涂机喷涂时，根 据车身外表面轮廓形状做仿形运动，在仿形过程中旋杯轴线与车身表面保持垂 直；喷涂完毕后，喷涂机重新进入待命状态，等待下辆车进入自动喷涂区域。 根据喷涂机工作流程，采用分布式控制系统的总体设计方案。根据控制对象和功 能不同，将控制系统分为两个子系统：驱动控制系统和气路控制系统。 i i il iil 码码 l i 射i l i ii i i i l i l l l i 顶喷机 7 侧喷机5 侧喷机 地链传送方 6 捍侧喷机4 | 侧喷机 沪萨 一 i l i i l l ll i i i i i l l l i j |i |ii i 向 图3 1 喷漆室布局图 本控制系统的所有硬件和模块均选用德国西门子公司的产品，因为西门子公 第三章控制系统总体搭建 司可以提供多种创新、可靠、高效的优质产品、系统、解决方案和服务，并且一 旦硬件出现故障，维修方便。另外，喷涂生产线上其他设备的控制系统均选用西 门子的产品，方便本设备与其他设备进行通讯。 侧喷机有三个自由度：垂直升降运动、水平伸缩运动、摆头旋转运动，而且 每一个侧喷机中的齿轮泵都需要一个齿轮泵电机来驱动，所以四台侧喷机总共需 要1 6 个伺服电机。如前所述，顶喷机的四个自由度需要五个伺服电机来驱动( 水 平跟踪需要两个伺服电机) ，而且顶喷机三个齿轮泵需要三个齿轮泵电机来驱动， 所以驱动控制系统总共需要2 4 个伺服电机。由于采用的伺服电机是西门子的最 新产品，所以选用的驱动控制模块是西门子的高性能伺服驱动器：s i m o t i o n d 4 4 5 ，该模块集硬件配置和软件编程为一体，减小了编程人员的工作量。 在气路控制系统中，压缩空气经电气柜内的电磁阀进到喷涂机内的气动阀， 只有先启动电磁阀，气动阀才能由压缩空气顶开。采用p l c 的远程扩展模块e t 2 0 0 进行控制，应用梯形图程序对系统进行控制。旋杯速度、油漆流量、成型空气、 高压静电、开关枪、换色冲洗、旋杯冲洗等均可即时自动控制。 3 3 控制系统通信方式 3 3 1 分布式控制系统 图3 2 柔性仿形喷涂系统控制方案 分布式控制系统【6 l ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m s ，简称d c s ) ，又称为分散控 制系统或集散控制系统。由多台计算机分别控制生产过程中多个控制回路， 第三章控制系统总体搭建 同时又可集中获取数据、集中管理和集中控制的自动控制系统。分布式控制 系统采用微处理机分别控制各个回路，而用中小型工业控制计算机或高性能 的微处理机实施上一级的控制。各回路之间和上下级之间通过高速数据通 道交换信息。分布式控制系统具有数据获取、直接数字控制、人机交互以及 监控和管理等功能。分布式控制系统是在计算机监督控制系统、直接数字控 制系统和计算机多级控制系统的基础上发展起来的，是生产过程的一种比较 完善的控制与管理系统。在分布式控制系统中，按地区把微处理机安装在测 量装置与控制执行机构附近，将控制功能尽可能分散，管理功能相对集中。 这种分散化的控制方式能改善控制的可靠性，不会由于计算机的故障而使整 个系统失去控制。当管理级发生故障时，过程控制级( 控制回路) 仍具有独 立控制能力，个别控制回路发生故障时也不致于影响全局。与计算机多级控 制系统相比，分布式控制系统在结构上更加灵活、布局更为合理和成本更低。 分散型控制系统( d c s ) 是以微处理机为基础，以危险分散控制，操作 和管理集中为特性，集先进的计算机技术、通讯技术、c r t 技术和控制技术 即4 c 技术于一体的新型控制系统。随着现代计算机和通讯网络技术的高速 发展，d c s 正向着多元化、网络化、开放化、集成管理方向发展，使得不同 型号的d c s 可以互连，进行数据交换，并可通过以太网将d c s 系统和工厂 管理网相连，实现实时数据上网，成为过程工业自动控制的主流。 近几年来，生产行业进一步提高了工厂综合自动化水平，注重信息化的 建设，特别是各地的火电厂纷纷提出适合自己工厂的厂级监控信息系统( s i s ) 以提高生产效率，实现工厂管理信息系统与各种分散控制系统之间的数据交 换。厂级实时监控信息系统以分散控制系统为基础，以经济运行和提高发电 企业整体效益为目的，采用先进、适用、有效的专业计算方法，实现整个电 厂范围内信息共享，厂级生产过程的实时信息监控和调度，同时又提高了机 组运行的可靠性。它为屯厂管理层的决策提供真实、可靠的实时运行数据， 为市场运作下的企业提供科学、准确的经济性指标。 d c s 基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活和组态方便。 该系统具有以下特点： ( 1 ) 高可靠性 由于d c s 将系统控制功能分散在各台计算机上实现，系统结构采用容错 设计，因此某一台计算机出现的故障不会导致系统其它功能的丧失。此外， 由于系统中各台计算机所承担的任务比较单一，可以针对需要实现的功能采 用具有特定结构和软件的专用计算机，从而使系统中每台计算机的可靠性也 得到提高。 第三章控制系统总体搭建 ( 2 ) 开放性 d c s 采用开放式、标准化、模块化和系列化设计，系统中各台计算机采 用局域网方式通信，实现信息传输，当需要改变或扩充系统功能时，可将新 增计算机方便地连入系统通信网络或从网络中卸下，几乎不影响系统其他计 算机的工作。 ( 3 ) 灵活性 通过组态软件根据不同的流程应用对象进行软硬件组态，即确定测量与 控制信号及相互间连接关系、从控制算法库选择适用的控制规律以及从图形 库调用基本图形组成所需的各种监控和报警画面，从而方便地构成所需的控 制系统。 ( 4 ) 易于维护 功能单一的小型或微型专用计算机，具有维护简单、方便的特点，当某 一局部或某个计算机出现故障时，可以在不影响整个系统运行的情况下在线 更换，迅速排除故障。 ( 5 ) 协调性 各工作站之间通过通信网络传送各种数据，整个系统信息共享，协调工 作，以完成控制系统的总体功能和优化处理。 ( 6 ) 控制功能齐全 控制算法丰富，集连续控制、顺序控制和批处理控制于一体，可实现串 级、前馈、解耦、自适应和预测控制等先进控制，并可方便地加入所需的特 殊控制算法。 d c s 的构成方式十分灵活，可由专用的管理计算机站、操作员站、工程 师站、记录站、现场控制站和数据采集站等组成，也可由通用的服务器、工 业控制计算机和可编程控制器构成。 处