本文介紹了西門子S7-1500PLC在噴塗機器人及懸掛行走機構總控系統中的應用；從軟硬件設計方面，並結合現場調試實例，敘述了對關鍵功能的成功實現。
一、項目介紹
近年來，機器人自動化噴塗系統因其具有重複精度高、塗裝質量好、可靠性好、適用性強、效率高等眾多優點，已廣泛應用於汽車等工業領域。而目前航空產品製造過程仍舊是勞動密集、工序繁複、工況惡劣、輔以大量工裝夾具並以手工製造為主，自動化生產能力不足。在國家提出十三五規劃，大力發展智能製造2025的時代大背景下，中航工業複合材料製造所高瞻遠矚，率先在噴塗領域採用機器人進行自動化生產，加快了企業生產模式轉型升級，提高了裝備先進製造能力。
本項目採用的是一臺可移動的懸掛式噴塗6軸機器人，它安裝在3自由度直角座標變位天車上，可以在噴房範圍內（噴漆房內尺寸：L30m×W9m×6.5m）進行前後、左右、上下及旋轉等多個自由度的運動，機器人的手臂上帶有一支噴槍，能實現對大型複合材料工件外表面塗裝塗層的噴塗作業。
二、懸掛式機器人噴塗系統組成
懸掛式機器人噴塗系統由總控系統、天車系統（懸掛行走機構）、機器人系統、智能供漆系統以及視頻監控系統組成，系統網絡圖如圖1所示：
天車系統包括：1套縱走機構（X軸）、1套橫走機構（Y軸）、1套升降機構（Z軸）和電氣伺服驅動系統，還有用於維修和檢測的走臺等附屬設施。如圖2所示：
智能供漆系統由虹吸管、隔膜泵、物料罐、過濾器、2KS、調壓器、空打保護器等組成一套完整的供漆系統，是噴塗系統的重要組成部分，其承擔著從原料供應到原料調節預混配比等重要的作用，是執行機構的必要前提。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、控制系統架構
此套系統的總控系統控制器採用西門子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、機器人和供漆系統分別採用S7-1200作為控制器。S7-1500總控系統通過PROFINET總線與噴塗機器人系統、供漆系統和懸掛行走系統通訊，完成系統整體控制，實現對系統運行狀態的實時監控及操作，保證對整個工件的連續噴塗。控制系統架構如圖4所示，主控系統硬件設備表單，如下表1所示。
四、控制系統實現的功能
懸掛式機器人噴塗系統可以實現對天車系統和機器人噴塗系統的單獨進行操作。在現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、絕對定位等。
供漆系統的現場屏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、流體調壓器狀態、2KS系統各種油漆的自動配比情況、氣動泵以及防空打保護器等。
機器人系統的現場屏TP700顯示X、Y、Z、RX、RY、RZ六軸移動情況。現場示教盒可對機器人進行離線軌跡規劃等。
總控制系統包括現場控制系統和遠程控制系統兩套組成。現場控制系統能通過總線與機器人系統、懸掛行走系統和供漆系統通訊，完成系統整體控制，對整個工件的連續噴塗；遠程控制系統主要實現對系統運行狀態的實時監控及操作。
總控制系統能夠對分系統進行控制及狀態顯示。可對供漆系統自動進行換色、加料、清洗等操作。可對懸掛行走機構運動過程中產生的誤差進行修正。
五、噴塗工藝流程及控制的技術要點
懸掛式機器人噴塗系統噴塗工藝流程如下：
首先天車系統、供漆系統和噴塗系統準備就緒，工件進入指定位置，並定位→系統檢測工件實際位置→座標擬合→示教（手動調試程序）→啟動運行，總控讀取噴漆“工件數據”，發噴塗“軌跡號”和噴塗“配方確認”信號給機器人噴塗系統→機器人噴塗系統讀取噴塗“軌跡號”和顏色“配方號”→機器人噴塗系統確定是當前噴塗配方，則給總控發出位置1的“噴塗申請”信號→懸掛系統三軸分別到達指定位置1後，發“天車已到噴塗位置”信號給總控→2KS混合，機器人開始自動噴塗（調用噴塗程序1）→噴塗工件1號區域，噴塗完成，機器人回到HOME位後停止，並給總控發“噴塗完成”信號→總控讀取“噴塗完成”信號，變換工件指針，指向2號區域工件數據，發噴塗“軌跡號”和噴塗“配方確認”信號給機器人噴塗系統→機器人噴塗系統讀取噴塗“軌跡號”和顏色“配方號”→機器人噴塗系統確定是當前噴塗配方，則給總控發出位置2的“噴塗申請”信號→懸掛系統三軸分別到達指定位置2後，發“天車已到噴塗位置”信號給總控→2KS混合，機器人開始自動噴塗（調用噴塗程序2）→噴塗工件2號區域，噴塗完成後，機器人回到HOME位後停止……
按上述程序分別噴塗工件3號區域，4號區域……n號區域，直至完成工件的全部噴塗任務→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噴塗，直至天車回到原始位置，總控的S7-1500控制器作為整個系統最為關鍵的核心部件，協調控制天車和機器人系統的工作。手動示教調試機器人程序時，要把工件在每個區域的天車X、Y、Z座標值、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的數據塊裡，系統自動運行時，再自動一步一步按照工藝順序調用已經存入的數據。
由於工件種類多，不同工件劃分的區域大小是不一樣的，而且每個區域是多個數值，存儲數據的DB塊是數據的嵌套，即為多重數組，所以DB塊的大小要開闢足夠大，才能滿足生產要求。總控若選擇普通的S7-300/400PLC用STEP7編程方式實現數據的存儲和讀取有一定的困難，故選擇S7-1500PLC採用TIA博途的SCL編程方式實現此功能，更加方便和容易。下面介紹實現過程。
工件工藝數據表的建立過程：
⑴.在TIA博途V13SP1編程軟件下，添加一個新的“PLCdatatypes”（相當於Step7裡建立的用戶自定義DB塊），命名為“工件配方”，在裡面添加“天車X座標”（定義為整數數據類型）、“天車Y座標”（定義為整數數據類型）、“天車Z座標”（定義為整數數據類型）和“機器人軌跡號”（定義為字節數據類型），外加兩個備用數據，防止以後客戶提出增加新功能時用，“油漆配方號”（定義為Word數據類型）和“油漆流量”（定義為整數數據類型），現在這兩個數據是在畫面上直接輸入，供漆系統直接接收的。
⑵在博途的程序文件下添加全局類型的DB塊，數據號為8，名稱為“工件工藝表1”，打開該數據塊，在裡面添加名稱為“工件數據”，數據類型是以上面建立的數組“工件配方”的為類型，範圍是1到200的數組，如圖9所示，數據組展開後如圖10所示。並且把“Retain”掉電保持的選項勾選上。
圖9“工件工藝表1”數據組建立
圖10“工件工藝表1”數據組展開
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存數確認、計數指針等參數。接口參數如圖11所示：
FB63主要程序編寫如下：
IF#HMI確認脈衝=1AND#計數指針<=#最大工件號then
//從觸摸屏即子程序的IN口輸入數值放到DB工藝工件表中
“工件工藝表1”.工件數據[#計數指針].天車X座標：=#X軸位置；
“工件工藝表1”.工件數據[#計數指針].天車Z座標：=#Z軸位置；
“工件工藝表1”.工件數據[#計數指針].機器人軌跡號：=#機器人路徑號；
“工件工藝表1”.工件數據[#計數指針].油漆配方號：=#油漆編號；
#計數指針：=計數指針+1；
//每次輸入完一個數組後，指針加1，指向下一個位置
END_IF；
圖11實際示教填數接口參數
下面是其中一個大機翼示教的數據表，17個定點噴塗，才能完成整個零件的噴塗。
序號X軸座標值Y軸座標值Z軸座標值機器人軌跡號
注：X/Y/Z的單位是mm
表2大機翼示教數據表
自動時多重數組的讀取過程：
這個過程比較複雜，涉及到把存儲在“工件工藝表1”數組DB8裡的每一組數據讀出來，然後把X軸位置、Y軸位置和Z軸位置通過PROFINET通訊傳給天車系統的S7-1200PLC，把機器人軌跡號通過PROFINET通訊傳給機器人系統的S7-1200PLC。根據懸掛式機器人噴塗系統噴塗工藝流程順序執行。
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功能塊FB91，定義輸入輸出接口。接口參數如圖12所示：
圖12自動讀取工件工藝表接口參數
FB91部分程序編寫如下：
IF#啟動信號脈衝=1AND首步驟=0THEN
#o天車X座標：=“工件工藝表1”.工件數據[#i指定開始步驟].天車X座標；
#o天車Y座標：=“工件工藝表1”.工件數據[#i指定開始步驟].天車Y座標；
#o天車Z座標：=“工件工藝表1”.工件數據[#i指定開始步驟].天車Z座標；
#o機器人軌跡號：=“工件工藝表1”.工件數據[#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”.工件數據[#i指定開始步驟].油漆配方號；
#i指定開始步驟：=1；
#計數指針：=#i指定開始步驟；
#o查表完成天車回原點：=0；
END_IF；
六、結束語
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用，相對於西門子PLC的其它類型編程語言而言，SCL在多重數組數據處理中優勢明顯，要求循環使用的控制任務更方便，不僅程序量小，而且不易出錯，調試周期大大縮短，總體來說，採用S7-1500系列PLC在項目開發進程中，縮短了設計和調試周期，改進了設備調試的方法和效率，是工業裝備研發製造的一大利器。
本系統自投運以來，設備運行狀況良好，控制可靠穩定，縮短噴塗作業週期長，提高生產效率，使工件的塗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境，得到了復材領導及一線員工的認可。實現飛機制造從傳統的手工噴塗作業向高效、智能、精確的自動化噴塗作業的跨越，滿足飛機整機性能指標，提高產品質量，增強新一代飛機快速研製生產能力，提高航空工業核心競爭力。
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