本文介紹了西門子S7-1500PLC在噴涂機(jī)器人及懸掛行走機(jī)構(gòu)總控系統(tǒng)中的應(yīng)用；從軟硬件設(shè)計(jì)方面，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試實(shí)例，敘述了對(duì)關(guān)鍵功能的成功實(shí)現(xiàn)。

一、項(xiàng)目介紹

近年來，機(jī)器人自動(dòng)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(qiáng)、效率高等眾多優(yōu)點(diǎn)，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(dòng)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(dòng)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(shí)代大背景下，中航工業(yè)復(fù)合材料制造所高瞻遠(yuǎn)矚，率先在噴涂領(lǐng)域采用機(jī)器人進(jìn)行自動(dòng)化生產(chǎn)，加快了企業(yè)生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)型升級(jí)，提高了裝備先進(jìn)制造能力。

本項(xiàng)目采用的是一臺(tái)可移動(dòng)的懸掛式噴涂6軸機(jī)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(jìn)行前后、左右、上下及旋轉(zhuǎn)等多個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，機(jī)器人的手臂上帶有一支噴槍，能實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jī)器人噴涂系統(tǒng)組成

懸掛式機(jī)器人噴涂系統(tǒng)由總控系統(tǒng)、天車系統(tǒng)（懸掛行走機(jī)構(gòu)）、機(jī)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(jī)構(gòu)（X軸）、1套橫走機(jī)構(gòu)（Y軸）、1套升降機(jī)構(gòu)（Z軸）和電氣伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，還有用于維修和檢測(cè)的走臺(tái)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(hù)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(jī)構(gòu)的必要前提。物料包含油漆、固化劑和清洗劑。

項(xiàng)目選用的是史陶比爾（Staubli）TX250系列6軸機(jī)器人，也是最新款的機(jī)器人。整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)由3個(gè)部件組成，包括控制器CS8C、機(jī)械手臂（Arm）以及手動(dòng)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(jī)操作畫面，TP1200作為操作面板，天車、機(jī)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(jī)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(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控及操作，保證對(duì)整個(gè)工件的連續(xù)噴涂。控制系統(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(shí)現(xiàn)的功能

懸掛式機(jī)器人噴涂系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)天車系統(tǒng)和機(jī)器人噴涂系統(tǒng)的單獨(dú)進(jìn)行操作。在現(xiàn)場(chǎng)天車可以通過操作屏TP700進(jìn)行操作，分別對(duì)X、Y和Z軸伺服電機(jī)進(jìn)行上電、零點(diǎn)校準(zhǔn)、絕對(duì)定位等。

供漆系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)配比情況、氣動(dòng)泵以及防空打保護(hù)器等。

機(jī)器人系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)屏TP700顯示X、Y、Z、RX、RY、RZ六軸移動(dòng)情況。現(xiàn)場(chǎng)示教盒可對(duì)機(jī)器人進(jìn)行離線軌跡規(guī)劃等。

總控制系統(tǒng)包括現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)和遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)兩套組成?，F(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)能通過總線與機(jī)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(duì)整個(gè)工件的連續(xù)噴涂；遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控及操作。

總控制系統(tǒng)能夠?qū)Ψ窒到y(tǒng)進(jìn)行控制及狀態(tài)顯示?？蓪?duì)供漆系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行換色、加料、清洗等操作?？蓪?duì)懸掛行走機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的誤差進(jìn)行修正。

五、噴涂工藝流程及控制的技術(shù)要點(diǎn)

懸掛式機(jī)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(jìn)入指定位置，并定位→系統(tǒng)檢測(cè)工件實(shí)際位置→坐標(biāo)擬合→示教（手動(dòng)調(diào)試程序）→啟動(dòng)運(yùn)行，總控讀取噴漆“工件數(shù)據(jù)”，發(fā)噴涂“軌跡號(hào)”和噴涂“配方確認(rèn)”信號(hào)給機(jī)器人噴涂系統(tǒng)→機(jī)器人噴涂系統(tǒng)讀取噴涂“軌跡號(hào)”和顏色“配方號(hào)”→機(jī)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(qǐng)”信號(hào)→懸掛系統(tǒng)三軸分別到達(dá)指定位置1后，發(fā)“天車已到噴涂位置”信號(hào)給總控→2KS混合，機(jī)器人開始自動(dòng)噴涂（調(diào)用噴涂程序1）→噴涂工件1號(hào)區(qū)域，噴涂完成，機(jī)器人回到HOME位后停止，并給總控發(fā)“噴涂完成”信號(hào)→總控讀取“噴涂完成”信號(hào)，變換工件指針，指向2號(hào)區(qū)域工件數(shù)據(jù)，發(fā)噴涂“軌跡號(hào)”和噴涂“配方確認(rèn)”信號(hào)給機(jī)器人噴涂系統(tǒng)→機(jī)器人噴涂系統(tǒng)讀取噴涂“軌跡號(hào)”和顏色“配方號(hào)”→機(jī)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(qǐng)”信號(hào)→懸掛系統(tǒng)三軸分別到達(dá)指定位置2后，發(fā)“天車已到噴涂位置”信號(hào)給總控→2KS混合，機(jī)器人開始自動(dòng)噴涂（調(diào)用噴涂程序2）→噴涂工件2號(hào)區(qū)域，噴涂完成后，機(jī)器人回到HOME位后停止……

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

為了完成對(duì)整個(gè)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(gè)系統(tǒng)最為關(guān)鍵的核心部件，協(xié)調(diào)控制天車和機(jī)器人系統(tǒng)的工作。手動(dòng)示教調(diào)試機(jī)器人程序時(shí)，要把工件在每個(gè)區(qū)域的天車X、Y、Z坐標(biāo)值、機(jī)器人的軌跡號(hào)要手動(dòng)記錄下來，通過在總控的操作屏TP1200或者在中控的工控機(jī)上輸入，存入總控S7-1500PLC的數(shù)據(jù)塊里，系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，再自動(dòng)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(gè)區(qū)域是多個(gè)數(shù)值，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的DB塊是數(shù)據(jù)的嵌套，即為多重?cái)?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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)此功能，更加方便和容易。下面介紹實(shí)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(gè)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(jī)器人軌跡號(hào)”（定義為字節(jié)數(shù)據(jù)類型），外加兩個(gè)備用數(shù)據(jù)，防止以后客戶提出增加新功能時(shí)用，“油漆配方號(hào)”（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(gè)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(hào)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(xiàng)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(shí)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(jī)器人路徑號(hào)、油漆編號(hào)、最大工件號(hào)及HMI存數(shù)確認(rèn)、計(jì)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(rèn)脈沖=1AND#計(jì)數(shù)指針<=#最大工件號(hào)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(jì)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(jì)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(jì)數(shù)指針].機(jī)器人軌跡號(hào)：=#機(jī)器人路徑號(hào)；

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

#計(jì)數(shù)指針：=計(jì)數(shù)指針+1；

//每次輸入完一個(gè)數(shù)組后，指針加1，指向下一個(gè)位置

END_IF；

圖11實(shí)際示教填數(shù)接口參數(shù)

下面是其中一個(gè)大機(jī)翼示教的數(shù)據(jù)表，17個(gè)定點(diǎn)噴涂，才能完成整個(gè)零件的噴涂。

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

注：X/Y/Z的單位是mm

表2大機(jī)翼示教數(shù)據(jù)表

自動(dòng)時(shí)多重?cái)?shù)組的讀取過程：

這個(gè)過程比較復(fù)雜，涉及到把存儲(chǔ)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(jī)器人軌跡號(hào)通過PROFINET通訊傳給機(jī)器人系統(tǒng)的S7-1200PLC。根據(jù)懸掛式機(jī)器人噴涂系統(tǒng)噴涂工藝流程順序執(zhí)行。

自動(dòng)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(dòng)讀取工件工藝表接口參數(shù)

FB91部分程序編寫如下：

IF#啟動(dòng)信號(hào)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(jī)器人軌跡號(hào)：=“工件工藝表1”.工件數(shù)據(jù)[#i指定開始步驟].機(jī)器人軌跡號(hào)；

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

#i指定開始步驟：=1；

#計(jì)數(shù)指針：=#i指定開始步驟；

#o查表完成天車回原點(diǎn)：=0；

END_IF；

六、結(jié)束語

本次項(xiàng)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(duì)于西門子PLC的其它類型編程語言而言，SCL在多重?cái)?shù)組數(shù)據(jù)處理中優(yōu)勢(shì)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(cuò)，調(diào)試周期大大縮短，總體來說，采用S7-1500系列PLC在項(xiàng)目開發(fā)進(jìn)程中，縮短了設(shè)計(jì)和調(diào)試周期，改進(jìn)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(yùn)以來，設(shè)備運(yùn)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(dá)到了理想的效果，極大地降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)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(rèn)可。實(shí)現(xiàn)飛機(jī)制造從傳統(tǒng)的手工噴涂作業(yè)向高效、智能、精確的自動(dòng)化噴涂作業(yè)的跨越，滿足飛機(jī)整機(jī)性能指標(biāo)，提高產(chǎn)品質(zhì)量，增強(qiáng)新一代飛機(jī)快速研制生產(chǎn)能力，提高航空工業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力。