針對(duì)大型圓筒形工件的噴漆機(jī)器人應(yīng)用工程

高云萌， 趙增強(qiáng) ，房晶晶

GAO Yun-meng, ZHAO Zeng-qiang, FANG Jing-jing

（北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所，北京 100120）

0 引言

近年來(lái)，噴漆機(jī)器人在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，特別是在汽車(chē)行業(yè)，對(duì)于形狀復(fù)雜，漆膜質(zhì)量要求高的工件，具有6個(gè)伺服控制軸和流量控制系統(tǒng)的先進(jìn)的噴漆機(jī)器人可以高效高質(zhì)量的完成噴涂任務(wù)。而對(duì)于大型圓筒形工件的圓柱面的噴涂，噴漆機(jī)器人也有很好的應(yīng)用。這種大型工件，一般直徑在3～5米，長(zhǎng)度一般10米以上，人工噴涂起來(lái)非常困難，而且漆膜質(zhì)量難以保證，效率也很低下。因此我們采用噴漆機(jī)器人并配以必要的外圍輔助設(shè)備進(jìn)行噴涂工作，獲得了良好的效果。本文將介紹圓筒形工件機(jī)器人自動(dòng)噴涂設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)構(gòu)成及工作原理等內(nèi)容。

1 系統(tǒng)總體方案及總體布置

由于待噴件體積巨大，固定放置噴涂困難，方案采用工件置于旋轉(zhuǎn)小車(chē)之上，噴漆機(jī)器人隨直線行走裝置滑板沿工件長(zhǎng)度方向移動(dòng)，同時(shí)計(jì)算好相應(yīng)節(jié)拍，對(duì)旋轉(zhuǎn)小車(chē)正在旋轉(zhuǎn)著的工件進(jìn)行噴涂作業(yè)。直線行走裝置安放在鋼架平臺(tái)上，根據(jù)圖上所示，機(jī)器人手腕端部噴槍可以從工件頂部進(jìn)行噴涂。控制系統(tǒng)對(duì)機(jī)器人、機(jī)器人直線移動(dòng)裝置、工件旋轉(zhuǎn)車(chē)、噴槍開(kāi)關(guān)動(dòng)作等設(shè)備進(jìn)行協(xié)調(diào)與控制。噴漆機(jī)器人通過(guò)噴涂程序完成工件噴涂工作。

此自動(dòng)噴涂設(shè)備主要由4部分組成：工件旋轉(zhuǎn)小車(chē)，直線行走裝置，ABB噴涂機(jī)器人，總控系統(tǒng)。

圖1 總體布置圖

2 噴涂方式

工件在旋轉(zhuǎn)裝置帶動(dòng)下按一定的轉(zhuǎn)速自動(dòng)旋轉(zhuǎn)，由于噴涂涂料為雙組份涂料，考慮這種涂料極易堵槍?zhuān)瑸榱丝s短工件噴涂的工作時(shí)間，提高生產(chǎn)效率，在機(jī)器人移動(dòng)直線導(dǎo)軌裝置上布置三個(gè)獨(dú)立滑板，由三臺(tái)機(jī)器人同時(shí)工作共同完成圓柱段的噴涂作業(yè)；當(dāng)三臺(tái)機(jī)器人同時(shí)工作時(shí)，為了避免其中一臺(tái)機(jī)器人重復(fù)覆蓋另外兩臺(tái)機(jī)器人的噴涂表面，要求后一臺(tái)機(jī)器人噴涂區(qū)域應(yīng)跨越其前進(jìn)方向的另外兩臺(tái)噴涂的噴涂區(qū)域，三臺(tái)機(jī)器人形成的噴涂形狀類(lèi)似三頭螺帶，因此要求工件旋轉(zhuǎn)速度和機(jī)器人移動(dòng)速度匹配，即在工件每旋轉(zhuǎn)一周時(shí)間內(nèi)，機(jī)器人移動(dòng)三倍的機(jī)器人擺幅長(zhǎng)度。

圖2 噴涂形狀示意圖

3 各部分結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

3.1 ABB噴漆機(jī)器人簡(jiǎn)介

ABB公司于20世紀(jì)70年代設(shè)計(jì)生產(chǎn)出世界上第一臺(tái)電動(dòng)噴涂機(jī)器人,其IRB 5400-12型機(jī)器人是該公司集30余年涂裝機(jī)器人設(shè)計(jì)、制造、應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)而推出的新機(jī)型。具有工作范圍大、負(fù)載能力強(qiáng)、采用空心手腕技術(shù)，增加動(dòng)作的靈活性、噴槍姿態(tài)范圍大、操作更加靈活。是適宜大型零件噴涂作業(yè)的最佳機(jī)型，在國(guó)內(nèi)已得到廣泛采用。

3.2 直線行走裝置

由于行程較長(zhǎng)，直線行走裝置采取分段制作，分別以結(jié)合面和連接板聯(lián)接，加工時(shí)為保證設(shè)備的整體平行度和直線度，基座焊接成型后相鄰兩段先用連接板聯(lián)接，再加工直線導(dǎo)軌安裝平面。

圖3 直線行走裝置結(jié)構(gòu)圖

直線行走裝置是由交流伺服電機(jī)聯(lián)接減速機(jī)驅(qū)動(dòng)，采用伺服控制系統(tǒng)，可準(zhǔn)確設(shè)定和監(jiān)控機(jī)器人行走的速度及距離，再經(jīng)過(guò)齒輪、齒條傳動(dòng)，拖動(dòng)滑板沿抗污染滾子直線導(dǎo)軌往復(fù)移動(dòng)。直線導(dǎo)軌采用重載45系列，可承受較大負(fù)載。此種結(jié)構(gòu)運(yùn)行平穩(wěn)，精確可靠。

機(jī)器人移動(dòng)裝置的傳動(dòng)及導(dǎo)向部件均采用迷宮式結(jié)構(gòu)全長(zhǎng)防護(hù)，直線導(dǎo)軌、齒條、齒輪均被全部遮蔽在此結(jié)構(gòu)中，機(jī)器人控制電纜，壓縮空氣管路均安裝在拖鏈內(nèi)，這樣即可保證漆霧灰塵等不會(huì)對(duì)精密運(yùn)動(dòng)部件造成影響，裝置可長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

3.3 工件運(yùn)輸車(chē)

由左車(chē)體和右車(chē)體組成，分別托起工件兩端聯(lián)接的工裝環(huán)并可實(shí)現(xiàn)工件的自動(dòng)旋轉(zhuǎn)。兩車(chē)體上均裝有提供車(chē)體旋轉(zhuǎn)的摩擦輪，每組4個(gè)，中間兩個(gè)為主動(dòng)摩擦輪，外側(cè)兩個(gè)為輔助支撐輪，并可調(diào)節(jié)輪的橫向位置?？紤]到工件運(yùn)輸時(shí)可能會(huì)有軸向竄動(dòng)現(xiàn)象，在摩擦輪接觸面設(shè)計(jì)上采用溝槽方式，工裝環(huán)安轉(zhuǎn)在摩擦輪溝槽內(nèi)部，避免軸向竄動(dòng)現(xiàn)象。

圖4 工件運(yùn)輸車(chē)結(jié)構(gòu)圖

由于工件噴涂完成后需推到的烤箱內(nèi)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)考慮為外掛式，避免伺服電機(jī)及電氣接頭受到高溫烘烤。左、右車(chē)體上的其中一個(gè)主動(dòng)摩擦輪通過(guò)傳動(dòng)裝置與由外掛驅(qū)動(dòng)裝置連接，并與另一主動(dòng)輪通過(guò)鏈條傳動(dòng)，外掛驅(qū)動(dòng)裝置由伺服電機(jī)，減速機(jī)，萬(wàn)向聯(lián)軸器組成。由于箱體質(zhì)量較大，設(shè)計(jì)為工件旋轉(zhuǎn)通過(guò)兩端同步驅(qū)動(dòng)，滿足旋轉(zhuǎn)所需的動(dòng)力要求。當(dāng)噴涂時(shí)，兩端車(chē)體分別與外掛驅(qū)動(dòng)裝置連接，連接方法為萬(wàn)向聯(lián)軸器一端與減速機(jī)相連，另一端與車(chē)體上的傳動(dòng)裝置相連接，噴涂完畢工件需進(jìn)入到烤箱時(shí)，將驅(qū)動(dòng)端萬(wàn)向聯(lián)軸器與車(chē)體上的傳動(dòng)裝置脫開(kāi)，即驅(qū)動(dòng)裝置與車(chē)體分離，可以移動(dòng)工件運(yùn)輸車(chē)。

4 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)采用西門(mén)子控制器作為中央控制單元，對(duì)機(jī)器人、機(jī)器人直線移動(dòng)裝置、工件旋轉(zhuǎn)車(chē)等設(shè)備進(jìn)行總體協(xié)調(diào)與控制。上位采用觸摸屏，具有故障顯示功能，便于設(shè)備排除故障，總控系統(tǒng)與機(jī)器人系統(tǒng)間實(shí)時(shí)交互狀態(tài)信息，確保機(jī)器人協(xié)調(diào)有序工作。

機(jī)器人伺服直線移動(dòng)裝置和工件旋轉(zhuǎn)運(yùn)輸車(chē)共含有5臺(tái)伺服電機(jī)，采用西門(mén)子的5軸伺服控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)各軸間高精度的獨(dú)立和同步控制，協(xié)調(diào)各軸之間的互鎖控制。實(shí)現(xiàn)多種功能：系統(tǒng)發(fā)送對(duì)機(jī)器人的控制命令，以及接收機(jī)器人工作過(guò)程中返回的狀態(tài)信息；與上位機(jī)進(jìn)行信息交換，接受上位機(jī)發(fā)來(lái)的各種命令并對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的處理，并向上位機(jī)發(fā)送各種狀態(tài)信息；對(duì)人機(jī)界面的輸入按鈕及輸出指示進(jìn)行控制，對(duì)報(bào)警指示燈進(jìn)行控制；對(duì)外部的各種輸入輸出信息（如移動(dòng)裝置的限位信號(hào)、零點(diǎn)信號(hào)、工件到位信號(hào)、故障信號(hào)等）進(jìn)行處理；上位機(jī)觸摸屏完成系統(tǒng)工作狀態(tài)監(jiān)控、參數(shù)設(shè)定及修改、參數(shù)顯示、報(bào)警信息顯示、故障復(fù)位等工作。在帶動(dòng)箱體轉(zhuǎn)動(dòng)的工裝環(huán)圓周表面上加外部編碼器，實(shí)時(shí)測(cè)量出箱體的實(shí)際位置，實(shí)現(xiàn)箱體旋轉(zhuǎn)的位置環(huán)控制，避免了箱體旋轉(zhuǎn)時(shí)丟轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

機(jī)器人系統(tǒng)主要完成在自動(dòng)噴涂過(guò)程中對(duì)自動(dòng)噴涂運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行控制，可以對(duì)開(kāi)、關(guān)槍進(jìn)行自動(dòng)控制。對(duì)不同的噴涂軌跡可以設(shè)置成相應(yīng)的程序號(hào)，機(jī)器人可以接受總控系統(tǒng)發(fā)來(lái)的程序號(hào)命令，調(diào)用相應(yīng)的的噴涂程序。機(jī)器人噴涂軌跡，可人工示教或通過(guò)圖形編輯器離線編程實(shí)現(xiàn)。大型工件人工示教比較困難，通常采用離線編程的方法，即把工件CAD圖輸入到軟件中進(jìn)行軌跡設(shè)定，并編寫(xiě)噴涂程序。

圖5 機(jī)器人噴涂系統(tǒng)各部分位置示意圖

噴涂流程描述：當(dāng)收到總控系統(tǒng)發(fā)出的噴涂指令，工件隨著旋轉(zhuǎn)小車(chē)開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，啟動(dòng)機(jī)器人直線行走裝置，機(jī)器人由起始等待位置移動(dòng)到噴涂開(kāi)始位置，噴槍開(kāi)關(guān)打開(kāi)，機(jī)器人開(kāi)始噴涂，噴涂過(guò)程中滑板拖動(dòng)機(jī)器人沿噴涂方向前進(jìn)，當(dāng)機(jī)器人移動(dòng)到接近噴涂停止的位置時(shí)，關(guān)閉涂料開(kāi)關(guān)、機(jī)器人到達(dá)噴涂結(jié)束位置，關(guān)閉噴槍開(kāi)關(guān)，完成圓柱段的噴涂作業(yè)。再由滑板拖動(dòng)機(jī)器人繼續(xù)前進(jìn)至機(jī)器人停止位置，停止。機(jī)器人伺服移動(dòng)裝置將機(jī)器人啟動(dòng)回到初始位停止，待命。由于是三臺(tái)機(jī)器人同時(shí)進(jìn)行噴涂，每個(gè)滑板需分別設(shè)置起始位置，采用行程開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)，三臺(tái)機(jī)器人在移動(dòng)過(guò)程中通過(guò)伺服控制系統(tǒng)的軟件功能進(jìn)行同步控制，保證三臺(tái)機(jī)器人同步移動(dòng)。機(jī)器人噴涂的起始位置，在示教過(guò)程中設(shè)定，需經(jīng)過(guò)試噴調(diào)整后，確定適合的點(diǎn)位，每種工件起始噴涂位置不盡相同。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著現(xiàn)代工業(yè)和科技的發(fā)展，噴涂工件的種類(lèi)將會(huì)越來(lái)越多樣化，噴漆機(jī)器人應(yīng)用工程也會(huì)逐步應(yīng)用于大型工件的噴涂作業(yè)中，從而取代以前簡(jiǎn)單的人工噴涂的方法。本文介紹的大型工件的噴涂應(yīng)用工程，已成功應(yīng)用在用戶(hù)現(xiàn)場(chǎng)，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，把操作人員由有毒的環(huán)境中解放出來(lái)，獲得了用戶(hù)的好評(píng)，并獲得了一定的認(rèn)可，相信也在以后的應(yīng)用中會(huì)更加成熟可靠。