工業(yè)機(jī)器人噴釉控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

付凱艷，景會(huì)成

(華北理工大學(xué) 電氣工程學(xué)院，河北 唐山 063210)

工業(yè)機(jī)器人噴釉控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

付凱艷，景會(huì)成

(華北理工大學(xué) 電氣工程學(xué)院，河北 唐山 063210)

噴釉；陶瓷；工業(yè)機(jī)器人；生產(chǎn)線

在陶瓷的生產(chǎn)過(guò)程中，噴釉是極其重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，相對(duì)于原坯制作等復(fù)雜流程相比較易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。近年來(lái)，在國(guó)外已經(jīng)普遍利用機(jī)器人對(duì)衛(wèi)生陶瓷進(jìn)行噴釉且該項(xiàng)技術(shù)在一定程度上也比較成熟，但在國(guó)內(nèi)鮮有成功案例。針對(duì)衛(wèi)生陶瓷在噴釉方面存在的相關(guān)問(wèn)題，該項(xiàng)研究設(shè)計(jì)了用于陶瓷噴釉的工業(yè)機(jī)器人，并詳細(xì)介紹工業(yè)機(jī)器人噴釉控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)、相關(guān)元器件的選型以及噴釉生產(chǎn)線的研究與設(shè)計(jì)，并對(duì)工業(yè)機(jī)器人在安裝調(diào)試過(guò)程中涉及到的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。

0 引言

目前國(guó)內(nèi)很多企業(yè)仍是采用人工進(jìn)行噴釉作業(yè)，但是也有很多公司開(kāi)始逐漸采用噴釉機(jī)器人來(lái)代替人工。究其原因，一方面是由于噴釉材料一般都會(huì)揮發(fā)有毒氣體，不利于工作人員的身體健康。另一方面是源于勞動(dòng)力成本迅速攀升及熟練工人短缺對(duì)企業(yè)造成的費(fèi)用要高于使用工業(yè)機(jī)器人。

在國(guó)內(nèi)的制造業(yè)行業(yè)中，噴釉是生產(chǎn)實(shí)踐過(guò)程中一項(xiàng)非常重要的工序。噴釉工序的意義在于它能保護(hù)工件內(nèi)部材料不受外部環(huán)境的影響，同時(shí)陶釉還可以遮蓋坯體上的某些瑕疵，賦予原坯豐富的色彩，增進(jìn)美觀，能起到很好的裝飾作用。但是噴釉的人工成本巨大，且產(chǎn)品的質(zhì)量不能得到很好的保證，導(dǎo)致企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力低下。由于噴釉易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，因此引入機(jī)器人噴釉技術(shù)對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本、大幅度的提高生產(chǎn)效率和企業(yè)行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力具有深遠(yuǎn)的意義。

1 工業(yè)機(jī)器人噴釉控制系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

在陶瓷的生產(chǎn)過(guò)程中，噴釉是一個(gè)必要的工序，其工作原理是將霧化后的釉漿通過(guò)噴槍附著于原坯的表面。我國(guó)的陶瓷噴釉絕大多數(shù)是靠人工完成的，其工作環(huán)境惡劣，職業(yè)病頻發(fā)，且勞動(dòng)強(qiáng)度較大。產(chǎn)品質(zhì)量差，生產(chǎn)效率低。

隨著社會(huì)的快速發(fā)展，人們對(duì)身體健康問(wèn)題越來(lái)越重視，機(jī)器人代替人工噴釉已成為新的趨勢(shì)。示教噴釉操作簡(jiǎn)單，工廠可直接讓完全沒(méi)有編程經(jīng)驗(yàn)的噴釉工人使用該方法來(lái)操作機(jī)器人通過(guò)示教編程來(lái)對(duì)工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行噴釉。工人通過(guò)對(duì)噴釉過(guò)程軌跡的優(yōu)化和出釉量的調(diào)整大大提高成品率，從而提高產(chǎn)能且節(jié)約成本為企業(yè)帶來(lái)價(jià)值。

完整的機(jī)器人噴釉生產(chǎn)線主要由以下幾個(gè)單元組成：機(jī)器人單元、原坯輸送線單元、噴釉轉(zhuǎn)臺(tái)單元、原坯位置檢測(cè)單元、機(jī)器人單元、機(jī)器人編程單元和原坯位置擺放單元以及整個(gè)生產(chǎn)線控制單元。圖1所示為生產(chǎn)線等軸斜視圖。

圖1 生產(chǎn)線等軸斜視圖

當(dāng)工業(yè)噴釉機(jī)器人開(kāi)始噴釉時(shí)，首先工件從生產(chǎn)線上經(jīng)過(guò)視覺(jué)系統(tǒng)檢測(cè)到工件到位信號(hào)識(shí)別工件種類(lèi)，然后通過(guò)位置檢測(cè)裝置將工件輸送到指定位置，之后控制器將收到外部軸的反饋信號(hào)進(jìn)而驅(qū)動(dòng)外部軸噴釉轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)到指定位置，此時(shí)PLC通過(guò)控制叉車(chē)將工件輸送到噴釉轉(zhuǎn)臺(tái)上進(jìn)行噴釉，噴釉結(jié)束后，又通過(guò)叉車(chē)的上下移動(dòng)可將產(chǎn)品輸出。采用機(jī)器人噴釉時(shí)，噴槍的操縱者是機(jī)器人，而轉(zhuǎn)臺(tái)的操縱者則是其驅(qū)動(dòng)裝置。由于機(jī)器人有擴(kuò)展外部軸的功能，可以把機(jī)器人的外部軸作為轉(zhuǎn)臺(tái)的驅(qū)動(dòng)裝置，這樣有利于噴釉程序的編寫(xiě)和動(dòng)作的控制。

2 工業(yè)機(jī)器人噴釉控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)當(dāng)前市場(chǎng)對(duì)噴釉機(jī)器人的相關(guān)要求，該項(xiàng)研究對(duì)工業(yè)機(jī)器人的硬件系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)，如圖2所示。此外，該課題將選用總線式機(jī)器人控制系統(tǒng)對(duì)機(jī)器人的本體進(jìn)行操作和系統(tǒng)監(jiān)控?？刂葡到y(tǒng)還需要控制伺服電機(jī)以驅(qū)動(dòng)外部軸的運(yùn)行。此外，通過(guò)PLC程序控制噴釉生產(chǎn)線的正常運(yùn)行。根據(jù)工業(yè)機(jī)器人噴釉控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，需對(duì)可編程邏輯控制器(PLC)、伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)、顯示屏等硬件進(jìn)行選型。

圖2 工業(yè)機(jī)器人噴釉控制系統(tǒng)框架圖

2.1 伺服電機(jī)的選擇原則

在噴釉的過(guò)程中常常需要機(jī)器人完成一些復(fù)雜的動(dòng)作以完成所需操作，因此對(duì)伺服電機(jī)的動(dòng)力荷載有很高的要求。由于機(jī)電系統(tǒng)的核心為伺服驅(qū)動(dòng)裝置,故伺服的選擇就顯得至關(guān)重要。伺服電機(jī)選型的幾種建議如下所述。

2.1.1 電動(dòng)機(jī)類(lèi)型的選擇

(1)安裝方式：分為臥式和立式，臥式電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸安裝后為水平位置，立式的轉(zhuǎn)軸則為垂直地面的位置。

(2)軸伸個(gè)數(shù)：伸出到端蓋外面與負(fù)載聯(lián)接的轉(zhuǎn)軸部分，稱(chēng)為軸伸。電動(dòng)機(jī)有單軸軸伸與雙軸軸伸2種。多數(shù)情況下采用單軸伸。

(3)防護(hù)方式：按防護(hù)方式分，電動(dòng)機(jī)有開(kāi)啟式、防護(hù)式、封閉式和防爆式幾種。

2.1.2 電機(jī)參數(shù)的選擇

(1)確定機(jī)構(gòu)形式

首先，需要確定負(fù)載結(jié)構(gòu)，以及各種機(jī)構(gòu)零件(滾珠絲杠的長(zhǎng)度、導(dǎo)程和帶輪直徑等)的細(xì)節(jié)。

常見(jiàn)的典型機(jī)構(gòu)如圖3所示。

圖3 典型的幾種機(jī)構(gòu)形式圖

(2)確定運(yùn)行模式

機(jī)械運(yùn)行模式對(duì)電機(jī)的容量選擇有很大的影響。需要確定加減速時(shí)間、勻速時(shí)間、停止時(shí)間、循環(huán)時(shí)間以及移動(dòng)距離。盡量將加減速時(shí)間、停止時(shí)間取得大些。圖4所示為電機(jī)運(yùn)行模式圖。

圖4 電機(jī)運(yùn)行模式圖

(3)計(jì)算負(fù)載慣量和慣量比：結(jié)合各機(jī)構(gòu)部件計(jì)算負(fù)載慣量。慣量相當(dāng)于保持某種狀態(tài)所需的力。慣量比是電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與負(fù)載慣量的比值。按照通常標(biāo)準(zhǔn)，750 W以下的電機(jī)慣量比為20倍以下，1 000 W以上的電機(jī)的慣量比為10倍以下。

(4)計(jì)算轉(zhuǎn)速：根據(jù)移動(dòng)距離、加減速時(shí)間、勻速時(shí)間計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速。

(5)計(jì)算轉(zhuǎn)矩：根據(jù)負(fù)載慣量和加減速時(shí)間、勻速時(shí)間計(jì)算所需的電機(jī)轉(zhuǎn)矩。

選擇電機(jī)時(shí)需能滿足以上3～5項(xiàng)條件的電機(jī)。

2.2 伺服驅(qū)動(dòng)器的選型

伺服驅(qū)動(dòng)器的選型原則：

(1)力矩：負(fù)載力矩lt;額定力矩；加速力矩lt;最大力矩；

(2)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比：負(fù)載側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比要在電機(jī)允許范圍內(nèi)；

(3)轉(zhuǎn)速：設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速lt;電機(jī)最大轉(zhuǎn)速；

(4)控制方法：模擬量控制、脈沖控制或通信控制；

(5)安裝尺寸：應(yīng)考慮電機(jī)法蘭面、軸徑、整體尺寸；

(6)制動(dòng)器：電機(jī)是否需要帶制動(dòng)器；再生能力是否過(guò)大，需加外置再生電阻；

(7)使用環(huán)境：防護(hù)等級(jí)等，電機(jī)是否要加油封(是否有油水)。

根據(jù)所選伺服電機(jī)的功率參數(shù)，選擇相合適的伺服驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)電流。表1所示為8KG工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器與電機(jī)匹配表。

表1 8KG工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器與電機(jī)匹配表

3 機(jī)器人噴釉生產(chǎn)線的相關(guān)設(shè)計(jì)

3.1 原坯輸送線

對(duì)于半自動(dòng)化的噴釉生產(chǎn)線，產(chǎn)品目前還是需要人工使用夾具上卸。一般考慮到未烘焙的原坯缺少韌性與強(qiáng)度，在輸送的過(guò)程中一般采用鏈條式輸送線可防震和磕碰。由于鏈條式生產(chǎn)線不易獲取原坯擺放位置的偏差，該項(xiàng)研究添加了視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)以更好地檢測(cè)原坯的位置。此外，當(dāng)原坯進(jìn)入識(shí)別系統(tǒng)檢驗(yàn)處時(shí)可快速地進(jìn)行辨認(rèn)分揀，從而減輕了工人的工作量，同時(shí)可以保證原坯進(jìn)入噴釉區(qū)的合格率。因此，擬采用鏈條式輸送線。

3.2 噴釉轉(zhuǎn)臺(tái)

影響最終釉面質(zhì)量的關(guān)鍵因素是噴釉轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)速與機(jī)器人噴槍距原坯距離及霧化程度。依據(jù)人工噴釉的習(xí)慣和原理，在噴釉的過(guò)程中轉(zhuǎn)臺(tái)可以變速旋轉(zhuǎn)，因噴釉轉(zhuǎn)臺(tái)為外部軸故其速度的變化完全由機(jī)器人的控制指令來(lái)決定。一般將轉(zhuǎn)臺(tái)作為機(jī)器人的一個(gè)外部軸，在編程過(guò)程中可視為一體考慮，使其操作簡(jiǎn)單化。但是在轉(zhuǎn)臺(tái)電機(jī)的選型問(wèn)題上，還是需要滿足上述電機(jī)要求。

3.3 噴釉機(jī)器人的編程

目前工業(yè)機(jī)器人編程最常用的方法有：示教編程、機(jī)器人語(yǔ)言編程和離線編程。而工業(yè)機(jī)器人噴釉通常采用的是示教編程,即利用示教器對(duì)工業(yè)機(jī)器人的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)動(dòng)作進(jìn)行噴釉示教，由控制器記錄工業(yè)機(jī)器人各關(guān)節(jié)參數(shù)的變化。這種編程方法要求操作人員事先對(duì)工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡和噴釉過(guò)程非常清楚,有相對(duì)豐富的噴釉知識(shí)和工作經(jīng)驗(yàn)以及嫻熟的示教技巧。但是示教程序的靈活性較差，在實(shí)際生產(chǎn)中一次成型率較低，無(wú)法讓生產(chǎn)者利益最大化。機(jī)器人語(yǔ)言編程一般適用于裝配、點(diǎn)焊、弧焊、搬運(yùn)等有明確的起始點(diǎn),通過(guò)機(jī)器人語(yǔ)言能較好地表示工作軌跡的任務(wù),而對(duì)于噴釉任務(wù)則不太適合。離線編程技術(shù)則是通過(guò)圖形與語(yǔ)言的結(jié)合,采用機(jī)器人編程語(yǔ)言設(shè)計(jì)機(jī)器人動(dòng)作,然后對(duì)設(shè)計(jì)的機(jī)器人動(dòng)作進(jìn)行三維圖形動(dòng)畫(huà)仿真,以檢驗(yàn)動(dòng)作設(shè)計(jì)的正確性,最后生成能被機(jī)器人直接執(zhí)行的代碼傳到機(jī)器人控制柜。這種編程方法有如下優(yōu)勢(shì)：首先，適用范圍廣泛，能夠?qū)Ω鞣N用途的機(jī)器人實(shí)現(xiàn)編程，還易于對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行優(yōu)化；其次，便于和CAD系統(tǒng)集成，建立可視化環(huán)境；第三，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的軌跡規(guī)劃；第四，在舒適的環(huán)境下進(jìn)行離線編程，不但可以提高工作效率而且不必再到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)示教機(jī)器人。

4 工業(yè)噴釉機(jī)器人的安裝與調(diào)試

工業(yè)機(jī)器人在安裝與調(diào)試過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)很多的問(wèn)題，下面將對(duì)在安裝與調(diào)試過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題以及相應(yīng)的解決措施做出如下總結(jié)：

(1)系統(tǒng)上電前務(wù)必進(jìn)行系統(tǒng)的線路檢查，其中包括控制柜內(nèi)部及機(jī)械本體外部的接線是否正確，其次還需在上電前檢查線路是否導(dǎo)通以及是否存在線路短接的問(wèn)題，上電前要先把主控24 V電源拔掉，檢查主控電源是否正確。

(2)根據(jù)要求設(shè)置驅(qū)動(dòng)器的相關(guān)參數(shù)，如表2所示。

表2 伺服驅(qū)動(dòng)器的相關(guān)調(diào)試參數(shù)

(3)根據(jù)課題要求設(shè)置機(jī)器人本體參數(shù)，首先將基本參數(shù)與PLC參數(shù)通過(guò)U盤(pán)導(dǎo)入控制系統(tǒng)中，也可利用PC將參數(shù)導(dǎo)入，然后需關(guān)機(jī)重啟，才可保存數(shù)據(jù)。

(4)參數(shù)設(shè)置完成后即可通過(guò)示教器進(jìn)入監(jiān)控界面多次檢查各個(gè)軸的旋轉(zhuǎn)方向以及跟蹤誤差是否正確，一般會(huì)出現(xiàn)以下2種情況：a. 若軸的旋轉(zhuǎn)方向與規(guī)定方向不一致可對(duì)電機(jī)進(jìn)行取反；b. 如若跟蹤誤差在同一方向上持續(xù)增加則可進(jìn)行編碼器取反操作。

(5)以上設(shè)置完成后進(jìn)入校準(zhǔn)界面，對(duì)機(jī)器人進(jìn)行較零操作(1～6軸分別為0°、90°、0°、0°、0°、0°)。

5 結(jié)論

(1)著重分析了國(guó)內(nèi)陶瓷噴釉的現(xiàn)狀，針對(duì)當(dāng)前國(guó)內(nèi)衛(wèi)生陶瓷噴釉的實(shí)際情況，研究開(kāi)發(fā)了用于衛(wèi)生瓷噴釉的工業(yè)機(jī)器人以及對(duì)衛(wèi)生瓷噴釉生產(chǎn)線的相關(guān)設(shè)計(jì)。

(2)對(duì)工業(yè)機(jī)器人的硬件設(shè)計(jì)、相關(guān)元器件的選型、噴釉生產(chǎn)線設(shè)計(jì)以及在安裝調(diào)試過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。對(duì)工業(yè)機(jī)器人今后更好地用于衛(wèi)生瓷噴釉行業(yè)起到了一定的促進(jìn)作用。

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DesignofIndustrialRobotSprayingGlazeControlSystem

FU Kai-yan, JING Hui-cheng

(College of Electrical Engineering, North China University of Science and Technology, Tangshan Hebei 063210, China)

glaze spraying; ceramic; industrial robot; production line

In the production process of ceramics, glazing is an extremely important part. Compared to the production of ceramic body and other complex processes, it is easy to realize automation. Glaze spraying by robot has been widely used in sanitary ceramic production in foreign countries in recent years, it is a mature technology to a certain extent, but few successful cases in China. In view of the related problems of glazing in sanitary ceramics , a industrial robot was designed for sanitary glaze spraying, and the hardware design of the industrial robot glaze spraying control system, the model selection of related components and parts as well as the research and design of the production line of glaze spraying were introduced in detail. . Related issues in the installation and debugging process of industrial robot were elaborated in detail.

2095-2716(2017)04-0071-06

2017-05-07

2017-09-21

TP241.2

A