實驗室涂裝機器人底座的改進

劉傳輝++袁洪印++王霞玲

摘 要：實驗室噴涂機器人是研發(fā)汽車涂料的主要設(shè)備之一，本文根據(jù)實驗室現(xiàn)有二維汽車涂裝機器人的性能，確定了改進的三維汽車涂裝機器人。利用CATIA軟件對涂裝機器人的運動機構(gòu)進行三維建模。對伺服電機和執(zhí)行機構(gòu)進行了分析和選擇。對改進設(shè)計的噴涂機器人進行組裝測試，對改進前后和進口國外的噴涂機器人的實驗性能進行比較。得出改進涂裝機器人達到實用要求的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：實驗室；涂裝；機器人；底座；改進

中圖分類號：TP242 文獻標(biāo)識碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20160832073

引言

汽車涂料是影響汽車涂層的主要因素之一，由于生產(chǎn)汽車涂料時所使用的原材料批次有所不同，所以每次生產(chǎn)涂料的原材料配方有所不同，特別是在顏色、外觀等方面[1-3]。為了生產(chǎn)出高質(zhì)量的涂料，涂料研發(fā)中心做了大量實驗，模擬汽車生產(chǎn)線噴涂，然而由于噴涂機器人比較古老自身存在缺陷，無法自動調(diào)節(jié)噴涂距離（板距），只能把涂料噴在較薄的平板上，這就導(dǎo)致誤差的存在，從而導(dǎo)致實驗室合格的涂料到汽車生產(chǎn)線使用時還需要調(diào)試。

由于現(xiàn)在可自動調(diào)節(jié)噴涂距離的機器人價格比較昂貴，一般企業(yè)難以接受。為配合汽車涂裝生產(chǎn)線，噴涂更加穩(wěn)定準(zhǔn)確，實現(xiàn)現(xiàn)有3自由度噴涂機器人的功能，節(jié)約成本。本文針對實驗室，改進設(shè)計了一種專門用于實驗室涂料研發(fā)的噴涂機器人。

1 噴涂機器人改進設(shè)計及控制

1.1 傳動部件選擇

噴涂機器人機械運動機構(gòu)包括底座上的X軸、Y軸和帶動槍托的Z軸。為了更加穩(wěn)定的噴涂，達到現(xiàn)有3自由度噴涂機器人的功能，運動機構(gòu)采用較高精度的專用的軸承，以達到運動平穩(wěn)、使用壽命長、噪音小等特點[4-5]。噴涂機器人驅(qū)動方式主要包括：伺服電機驅(qū)動，滾珠絲杠等主要驅(qū)動部件[6-8]。通過理論計算選出滾珠絲杠和伺服電機（表1和表2）。

1.2 軸承的選擇

綜合比較，滾珠絲杠應(yīng)選擇高精度、加速性能好、維修方便的軸承，所以滾珠絲杠前端選著高精度、啟動阻力低的角接觸球軸承；后端要求承受較小的載荷，可以補償熱變形伸長，所以采用深溝球軸承，中間主要是支承作用，防止絲杠由于太長高速運動時太熱產(chǎn)生彎曲變形，所以采用當(dāng)量摩擦系數(shù)最小，具有一定承載能力的深溝球軸承。

1.3 導(dǎo)向部件的選擇

滾動直線導(dǎo)軌是一種精密的導(dǎo)向部件，它具有承載高、精度高、運行速度高、摩擦力小、可靠性高等特點，現(xiàn)如今已經(jīng)被大多數(shù)機械、自動化生產(chǎn)線領(lǐng)域所應(yīng)用。為了增加滾珠絲杠的使用壽命，穩(wěn)定的噴涂，提高噴涂質(zhì)量，所以，選著導(dǎo)向支承的部件——直線圓柱導(dǎo)軌。滾動直線導(dǎo)軌是由LM光軸、鋼球、軸承套、保持器、密封墊片等組成。通過計算選擇的直線圓柱導(dǎo)軌（如表2）。

1.4 底座的結(jié)構(gòu)

噴涂機器人的噴涂效果和底座的結(jié)構(gòu)有一定關(guān)系，底座結(jié)構(gòu)比較簡單、剛性好、便于安裝和維護、容易安裝限位開關(guān)和傳感器等。底座包括X軸運動和Y軸運動（如圖1和圖2）。大導(dǎo)程滾珠絲杠和直線導(dǎo)軌的結(jié)合可以減小摩擦力、精度穩(wěn)定性高。底座由工作臺、滾珠絲杠、直線軌道、Y軸支架、連接X、Y軸的支架等組成，配合伺服電機X軸最大運行速度可以達到1m/s。

1.5 底座的控制

噴涂機器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括：噴涂系統(tǒng)、PC電腦、數(shù)控系統(tǒng)、電氣控制柜等，軟件包括數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)的修改、PLC程序編制等[9-11]。噴涂機器人的主要運動機構(gòu)（X、Y軸）由數(shù)控系統(tǒng)和執(zhí)行機構(gòu)完成，其他輔助由數(shù)控系統(tǒng)的PLC完成。為了防止運動機構(gòu)運行超程，在X、Y 2軸2端安裝了限位開關(guān)，當(dāng)3軸碰到限位開關(guān)時，系統(tǒng)會報警提示工作人員。

噴涂機器人運動機構(gòu)需要滿足3個主軸滾珠絲杠可以同步運動、X軸滾珠絲杠可以按照需要更改運動的速度、Y軸按照工件的厚度調(diào)整位置保證工件噴涂面與噴槍或者旋杯之間的距離為25cm，Z軸運行到噴涂起點位置準(zhǔn)備噴涂。噴涂機器人有X、Y、2個進給坐標(biāo)，其中X、Y 2個坐標(biāo)在底座上，為工件運動。噴涂機器人運動機構(gòu)主要由絲杠和直線圓柱軌道組成的機械部分（如圖3）。

2 噴涂機器人試驗研究與分析

汽車涂料的顏色、橘皮、性能等是涂料研發(fā)公司進行研究的主要指標(biāo)，本實驗以保險杠涂料作為實驗涂料，板材為提供的大小馬口鐵PP性能板和PP顏色板。實驗結(jié)果結(jié)合了理論與實際進行分析。實驗的條件、實驗設(shè)備和檢測設(shè)備的特點都會影響實驗的結(jié)果，本實驗是在大型涂料研發(fā)公司進行的，采用先進的設(shè)備進行檢查，噴涂工藝完全一樣，并且與汽車涂裝生產(chǎn)線相結(jié)合，這樣使得論文的研究具有更大的意義。

2.1 實驗材料

小馬口鐵和大馬口鐵各16塊，不同厚度的板材（1～5cm），每種厚度板材15塊共75塊，1k淺灰導(dǎo)電底，金屬漆（土豪金）和白實色，2k保險杠清漆，異丙醇，粘性擦布。

2.2 測量儀器

自動程序膜厚儀

2.3 實驗步驟

用異丙醇將試驗板材擦洗干凈。

用噴涂機器人分別把1cm的板材， 噴好1k淺灰導(dǎo)電底。

閃8min，按照相對應(yīng)的程序分別將色漆噴好（原漆粘度DIN杯17s/23℃，施工粘度Ford4杯17s/23℃）。

閃8min，按照2k保險杠清漆程序清漆噴好（粘度DIN杯23s/23℃）。

平10min，分別放進3個完全一樣的烘箱的同一個位置，烘烤溫度85℃，烘烤時間20min烘烤。

取出試板，帶冷卻后進行膜厚測量。

分別將同厚度的板材用機器人按照以上步驟流程完成，在進行下一厚度板材，進行比較。

2.4 實驗結(jié)果

噴涂機器人主要是針對實驗室研發(fā)涂料所應(yīng)用，不適合在汽車生產(chǎn)線上應(yīng)用，具有以下特點：

滾珠絲杠和直線導(dǎo)軌的增加使得噴涂機器人運行更加平穩(wěn)、精度更高，噴涂膜厚更加均勻。

可以實現(xiàn)背板的半自動調(diào)節(jié)，范圍是250～600mm，同時能實現(xiàn)多厚度工件的噴涂，工件厚度可以達到300mm。如此一來，原來由于厚度較大而不能直接噴漆的工件，在該設(shè)備下便可以通過調(diào)整繼續(xù)進行噴涂研究，從而可以根據(jù)客戶需求研發(fā)涂料，進而為研發(fā)商帶來更多的效益。

噴槍（或者旋杯）扇面的重疊更加均勻。

3 總結(jié)

本文經(jīng)過了詳細精準(zhǔn)的計算與選擇噴涂機器人的運動部件、運用CATIAV5R20軟件進行三維建模，對實驗室噴涂機器人的運動部分進行了研究，主要結(jié)論如下：

對于可以忽略厚度的噴涂工件，改進前噴涂機器人噴出的膜厚波動比較大，其膜厚偏離標(biāo)準(zhǔn)值；進口噴涂機器人噴出的膜厚偏離比較小，膜厚值在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)；而改進后的噴涂機器人雖然膜厚有波動，但是波動比較小，整體膜厚可以滿足標(biāo)準(zhǔn)范圍。

對于厚度不可忽略的噴涂工件，隨著板材厚度的增加改進前的噴涂機器人漆膜隨著增加，并且隨著漆膜厚度的增加，增加浮動越來越大；而改進后可以調(diào)節(jié)噴涂距離的噴涂機器人，所以噴出的漆膜復(fù)合標(biāo)準(zhǔn)范圍，但是跟進口機器人有輕微的差別。

通過實驗對比，在相同工藝下，使用改進前后和進口的噴涂機器人進行噴涂比較，無論是薄噴涂工件還是厚噴涂工件，改進前的噴涂機器人所噴涂出的膜厚遠偏離標(biāo)準(zhǔn)范圍，改進后的噴涂機器人更接近進口國外現(xiàn)使用的噴涂機器人所噴出的膜厚，其膜厚可以達到標(biāo)準(zhǔn)范圍。而在相同的涂料工藝下，膜厚決定涂料的顏色與性能的質(zhì)量。所以改進后的噴涂機器人，可以達到生產(chǎn)需要。

參考文獻

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