田麗欣

（唐山學(xué)院智能與信息工程學(xué)院,河北 唐山063000）

1 概述

我國是陶瓷器生產(chǎn)大國，陶瓷的生產(chǎn)工藝直接影響著瓷器的產(chǎn)品質(zhì)量。其中對陶瓷產(chǎn)品的施釉是一個至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，而噴釉又是施釉常用方法之一。傳統(tǒng)的人工噴釉方法具有環(huán)境差、效率低、釉料浪費(fèi)等缺點(diǎn)，自動噴釉可有效的實(shí)現(xiàn)高效高質(zhì)噴釉，適用于批量生產(chǎn)。隨著工業(yè)科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，機(jī)器人廣泛應(yīng)用于自動化行業(yè)各領(lǐng)域。具有示教功能的噴釉機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)對人工示教軌跡的快速學(xué)習(xí)并完成軌跡再現(xiàn)，可用于各種瓷器的生產(chǎn)過程中，滿足對噴釉的要求。

本設(shè)計(jì)針對目前噴釉機(jī)器人編程復(fù)雜以及不易普及的問題，開發(fā)了一個以可編程控制器PLC 作為控制核心的具有示教功能的五自由度噴釉機(jī)器人控制系統(tǒng)，系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)、工作穩(wěn)定，可用于多類型陶瓷產(chǎn)品加工生產(chǎn)線中。

2 陶瓷噴釉機(jī)器人結(jié)構(gòu)及工作原理

噴釉機(jī)器人具有五個自由度，包括機(jī)器人本身的腰部旋轉(zhuǎn)軸、下臂伸縮軸、上臂伸縮軸，其在各自的伺服電機(jī)驅(qū)動下能夠繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動。通過PLC 實(shí)現(xiàn)對這三個自由度動作的協(xié)調(diào)控制從而確定手腕的空間位置，手腕處噴槍具有正交結(jié)構(gòu)的二自由度，通過手腕轉(zhuǎn)動控制噴槍的擺動方向。通過陶瓷噴釉機(jī)器人控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對噴釉機(jī)器人五個自由度的協(xié)調(diào)聯(lián)動控制，結(jié)合對承坯臺的旋轉(zhuǎn)控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)噴槍與待加工陶瓷工件表面間的相對距離、方向和速度的控制，從而達(dá)到對陶瓷表面均勻噴釉的目的。

3 陶瓷噴釉機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

陶瓷噴釉機(jī)器人控制系統(tǒng)完成對機(jī)器人各關(guān)節(jié)臂的聯(lián)合控制。系統(tǒng)采用“觸摸屏”+“PLC 控制器”的結(jié)構(gòu)，以PLC 控制器、運(yùn)動控制模塊、伺服驅(qū)動模塊、傳感檢測模塊和觸摸屏模塊為主體。其中觸摸屏采用OMRON NB7W-TW00B 型號，主要完成參數(shù)設(shè)置、操作控制及狀態(tài)監(jiān)控等功能；PLC 采用三菱Mitsubishi Q 系列CPU，具有抗干擾性強(qiáng)、性能穩(wěn)定、控制精度高的優(yōu)點(diǎn)，適用于噴釉現(xiàn)場較惡略的工作環(huán)境。陶瓷噴釉機(jī)的各個軸通過伺服系統(tǒng)拖動，伺服系統(tǒng)由伺服電機(jī)和伺服驅(qū)動器組成，伺服系統(tǒng)采用位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)三閉環(huán)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)快速性好，抗負(fù)載擾動能力強(qiáng)，運(yùn)動控制定位精度高，滿足工業(yè)機(jī)器人噴釉控制的要求。

控制系統(tǒng)應(yīng)用PLC 結(jié)合三菱QD75 型定位模塊作為下位機(jī)運(yùn)動控制核心，實(shí)現(xiàn)對噴釉軌跡的示教和再現(xiàn)，主要完成對陶瓷噴釉機(jī)器人多個關(guān)節(jié)自由度的位置和速度的實(shí)時控制，實(shí)現(xiàn)對各個軸動作的協(xié)調(diào)控制，使其按照加工軌跡精確動作，以使噴釉表面均勻與光滑。

陶瓷噴釉機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。

圖1

4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括觸摸屏人機(jī)界面組態(tài)設(shè)計(jì)和PLC 對噴釉機(jī)器人動作的邏輯編程。采用觸摸屏作為HMI 人機(jī)交互接口完成示教和操作控制，示教臺包含機(jī)械臂五自由度的各軸+和各軸- 點(diǎn)動控制操作按鈕，觸摸屏通過串行通信接口實(shí)現(xiàn)與PLC 通信，完成數(shù)據(jù)交互。PLC 作為下位機(jī)是整個控制系統(tǒng)的核心，主要實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人手動和自動兩種方式的控制。手動控制實(shí)現(xiàn)對各自由度的單獨(dú)控制以及位置示教等功能，可用于生產(chǎn)線初裝時的系統(tǒng)調(diào)試，檢測設(shè)備各部件能否正常運(yùn)行以及示教操作和對示教位置數(shù)據(jù)的存儲等。自動控制方式完成對各個軸的聯(lián)合控制，使各自由度在PLC 的邏輯控制下按照噴釉軌跡要求聯(lián)合運(yùn)動，協(xié)調(diào)動作。系統(tǒng)上電后，陶坯到位，首先按照產(chǎn)品噴釉要求，完成機(jī)器人位置示教，存儲示教信息。通過PLC 結(jié)合QD75 型定位模塊實(shí)現(xiàn)對陶瓷噴釉軌跡的示教，首先通過JOG 運(yùn)行執(zhí)行機(jī)械移動，使機(jī)械移動到適當(dāng)?shù)奈恢肞1，設(shè)置運(yùn)行方式F1、定位地址N1 及速度V1 等參數(shù)，然后再次通過JOG 運(yùn)行執(zhí)行機(jī)械移動，使機(jī)械移動到適當(dāng)?shù)奈恢肞2，繼續(xù)設(shè)置運(yùn)行方式F2、定位地址N2 及速度V2 等參數(shù)……直至能夠完成整體工作的最后一個位置Pn，此時示教工作結(jié)束。示教子程序流程如圖2 所示。在自動控制方式下，機(jī)器人各軸首先回原位，之后PLC 進(jìn)行加工參數(shù)自檢，然后按照示教參數(shù)腰部旋轉(zhuǎn)軸、下臂伸縮軸和上臂伸縮軸三軸執(zhí)行示教點(diǎn)動作，手腕處兩軸執(zhí)行噴槍擺動動作，同時打開噴釉電磁閥噴釉，直到自動噴釉完成。自動運(yùn)行程序流程如圖3 所示。

5 結(jié)論

圖2 示教程序流程圖

圖3 自動控制程序流程圖

該陶瓷噴釉機(jī)器人控制系統(tǒng)采用PLC 加定位模塊的控制方法實(shí)現(xiàn)對噴釉機(jī)器人各軸伺服驅(qū)動裝置的聯(lián)合控制，采用觸摸屏作為人機(jī)交互界面，系統(tǒng)具有對噴釉軌跡的示教和再現(xiàn)功能，能夠完成不同陶瓷產(chǎn)品對噴釉軌跡的要求。該系統(tǒng)的應(yīng)用可以提高自動化控制水平，解決人工噴釉工作條件惡劣和效率低等弊端。該系統(tǒng)的抗干擾能力強(qiáng)、運(yùn)動誤差小、工作可靠性高，適用于批量生產(chǎn)需求。