噴涂機器人在解放車橋上的應(yīng)用

王伯元，朱興龍，宮金寶，魏慶風(fēng)，王猛

（1.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 230026；2. 一汽解放汽車有限公司傳動事業(yè)部車橋廠，吉林 長春 130011；3. 第一汽車集團有限公司發(fā)展制造部，吉林 長春 130011；4.北京點石科技有限公司，北京 100176）

前言

隨著近年來經(jīng)濟的發(fā)展，市場對解放商用車需求迅速增加，對車橋總成的產(chǎn)能提出了新的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的噴涂方式采用人工噴涂，工作效率低、涂層膜厚不均、漆膜質(zhì)量穩(wěn)定性差、涂料利用率低。為了適應(yīng)新的生產(chǎn)形勢對產(chǎn)能及產(chǎn)品質(zhì)量的需求，采用噴涂機器人進行噴涂作業(yè)成為了必然的趨勢。一汽解放車橋廠通過改造原有涂裝線，增加了FANUC機器人噴涂系統(tǒng)。本文對FANUC噴涂機器人選型、機器人噴涂軌跡編程設(shè)計、機器人噴涂參數(shù)調(diào)試及噴涂問題的解決方案等分別進行了闡述。

1 機器人的選型

橋總成最大噴涂外形尺寸、現(xiàn)有噴漆室面積以及有效噴涂等是機器人選型的主要參考因素?，F(xiàn)橋總成最大噴涂外形尺寸 2900mm×1200 mm×1400mm，如果要保證工件外表面全部覆蓋噴涂、對支架等局部凸出部位能夠噴涂到、對有加強筋和凹面的減殼等特殊部位能夠在工藝節(jié)拍內(nèi)噴涂完成，則對于FANUC噴涂機器人需要選擇P250iB的產(chǎn)品，其運動尺寸如圖 1[1]所示。其最大運動尺寸能夠確保橋總成的最遠(yuǎn)點及最近點機器人手臂都能正常噴涂到位；其最大的噴涂速度 （1500 mm/s）可以確保每個工位噴涂任務(wù)的完成。圖2是在噴涂中的FANUC P250iB噴涂機器人，從圖中可以看出，機器人在每個工位完成半面橋產(chǎn)品的噴涂作業(yè)，機器人正對面裝置是噴漆室里面的水簾及漆霧收集裝置。

圖1 P250iB 噴涂機器人運動尺寸圖

圖2 在噴涂中的FANUC 機器人

2 噴涂機器人在噴漆室內(nèi)平面布局及噴涂參數(shù)

噴涂機器人在噴漆室內(nèi)平面布局如圖3所示。前四個工位是機器人噴漆室，后兩個工位是人工補噴室。由于橋總成外表面積大、形狀復(fù)雜、單個工位噴涂時間比較短、不能在單個工位一次性完成整橋噴涂等因素，將橋總成分成左右（沿著橋產(chǎn)品在懸鏈上圖示箭頭方向看）兩部分進行噴涂，每個工位完成半面橋的噴涂任務(wù)，前兩個機器人工位主要負(fù)責(zé)先完成橋產(chǎn)品上特殊位置的噴涂，中間兩個機器人工位負(fù)責(zé)完成橋產(chǎn)品剩余面積的噴涂，最后兩個工位是人工小局部修補。原有噴漆室在寬度方向（距離機械化懸鏈）為2.2米，在此基礎(chǔ)上，現(xiàn)有機器人位置加寬了0.3米，可以確保P250iB 噴涂機器人的作業(yè)空間，機器人手臂可以正常作業(yè)。

噴涂主要參數(shù)如下：噴涂面積范圍為約3.5～5.3m2/件（不同橋產(chǎn)品）；橋產(chǎn)品之間的最大間距為 750mm；輸漆系統(tǒng)噴漆壓力范圍為20～50 Kg（可調(diào)）。

圖3 噴涂機器人在噴漆室內(nèi)平面布局

3 機器人系統(tǒng)構(gòu)成

機器人整套系統(tǒng)主要由四臺 FANUC P250iB噴涂機器人、一套總控系統(tǒng)、兩套輸漆系統(tǒng)、一套掃描裝置等構(gòu)成?？偪叵到y(tǒng)包括上位機控制系統(tǒng)、輸漆控制系統(tǒng)以及通信系統(tǒng)。輸漆系統(tǒng)由管路保溫系統(tǒng)、兩套調(diào)漆輸漆罐和漆循環(huán)系統(tǒng)組成。通過人工掃描橋產(chǎn)品條碼方式，對不同橋產(chǎn)品進行識別確認(rèn)。

4 不同橋產(chǎn)品的機器人噴涂軌跡編程設(shè)計

4.1 機器人編程方式[2]

FANUC機器人編程有兩種方式：一種是在線編輯，即現(xiàn)場使用示教盒編程；另外一種是離線編程，即在電腦上安裝FANUC的離線編程軟件，來編寫程序之后再上傳。

（1）在線編程：在噴涂現(xiàn)場，程序員利用示教盤示教機器人程序，手動控制機器人的關(guān)節(jié)運動，以使機器人運動到預(yù)定的位置，同時將該位置進行記錄，并傳遞到機器人控制器中，之后的機器人可根據(jù)指令自動重復(fù)該任務(wù)。對于一個新的零件，示教編程需要停下生產(chǎn)線來編程。

（2）離線編程：是通過軟件，在電腦里重建整個工作場景的三維虛擬環(huán)境，程序員以繪圖的方式選擇工件的噴涂區(qū)域，并從中挑選合適的噴涂方案。利用噴涂車間的參數(shù)和專用術(shù)語，機器人的路徑就可以自動生成，然后在軟件中仿真與調(diào)整軌跡，最后生成機器人程序傳輸給機器人。離線編程可以減少機器人的停機時間，當(dāng)對下一個任務(wù)進行編程時，機器人仍可在生產(chǎn)線上進行工作、通過仿真功能，要預(yù)知發(fā)生的問題，從而將問題消滅在萌芽階段、可對復(fù)雜任務(wù)進行編程、便于修改機器人程序等。充分利用了計算機的功能，減少了編寫機器人程序所需要的時間成本。

FANUC離線編程基本操作步驟如下[2]：

①建立基本仿真模型：建立 Workcell，選“File”中的“New Cell”、輸入文件名、選擇建立機器人的方式、選擇機器人的軟件版本、選擇應(yīng)用類型、選擇合適的機型、確認(rèn)機器人選項，點擊“Finish”完成設(shè)置，Workcell 建立完成。

②編輯機器人：在“Cell Browser”里找到機器人、選擇機器人對應(yīng)的參數(shù)；在“Cell Browser”里找到“Parts”、設(shè)定好重量和尺寸后完成添加 Parts；在“Cell Browser”里找到“Fixture”，設(shè)定好相關(guān)參數(shù)完成添加 Parts；在“Cell Bro-wser”里找到“obstacles”，逐一添加最終參數(shù)完善 workcell。

③路徑編輯、模擬及下載：創(chuàng)建目標(biāo)點、將創(chuàng)建的目標(biāo)點加入創(chuàng)建的路徑中、配置噴涂參數(shù)；啟動模擬并檢查，通過每個點的速度、與工件碰撞的可能等等；每次微調(diào)后通過模擬再驗證，可以觀察全局或局部噴涂狀態(tài)，如果程序出現(xiàn)問題會出現(xiàn)警告，提示問題并再修改；模擬后通過離線編程系統(tǒng)自動下載編譯后的程序。

如果示教點數(shù)少，用示教器比較方便，但示教編程只針對特定的機器人進行操作。而對于需示教幾十甚至幾百個點的噴涂行業(yè)，離線編程比較適用，第三方離線編程軟件在這方面能夠支持的機器人品牌都比較多。

4.2 整橋產(chǎn)品噴涂軌跡編程設(shè)計

橋總成分成輪轂總成、橋殼總成、減速器總成3大塊，同系列中橋和后橋總成的差別較大的一般情況在減速器總成上，可以通過比較不同產(chǎn)品的圖紙外形尺寸，對輪轂總成、橋殼總成、減速器總成分別分類編程，在執(zhí)行不同橋產(chǎn)品作業(yè)程序時，調(diào)用之前已編程完成的橋產(chǎn)品對應(yīng)的輪轂總成、橋殼總成、減速器總成程序模塊[3]。如果今后有新產(chǎn)品出現(xiàn)，只編程有變化部分，其它程序模塊直接調(diào)用即可以。

4.3 整橋上特殊部位噴涂軌跡編程設(shè)計

橋總成上有的零部件外形非常不規(guī)則，如圖4所示：(a)支架局部外形凹凸不規(guī)則；(b)支架與旁邊的工件間距過近；(c)殼體類零部件局部有加強筋，且筋之間局部有小凹面。由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)原因，在機器人噴涂這些位置的時候，噴槍距離工件要超過200～250 mm的最佳范圍，以保證工件不碰撞機器人噴槍。但如果距離過遠(yuǎn)，一次噴涂又會產(chǎn)生漆膜厚度偏薄缺陷。

圖4 不規(guī)則的零部件外形圖

上述問題給機器人噴涂編程帶來了很多困難。因此機器人噴涂仿形軌跡編程設(shè)計時全面考慮橋總成外型、邊角棱線、曲面等設(shè)計因素，經(jīng)過反復(fù)調(diào)整檢查至漆膜沒有流掛或者漆膜厚度沒有偏薄缺陷為止，最后選擇并固化最佳的噴涂編程軌跡。

根據(jù)機器人排布情況，將橋總成外表面分成若干噴涂區(qū)域，并考慮工藝節(jié)拍因素，分別分配給不同的機器人完成，通過機器人之間的相互配合完成整個橋總成的噴涂。在機器人正式噴涂前，調(diào)試出適用的機器人的全部噴涂參數(shù)，所有噴涂速度在噴涂軌跡程序編制過程中調(diào)整，一旦確定之后就基本不再變動。

最后當(dāng)編程試噴結(jié)束，給每個機器人編程設(shè)置1個Home安全點，機器人在這一點時遠(yuǎn)離了工件和周邊的設(shè)備，并且設(shè)置信號給遠(yuǎn)端控制設(shè)備PLC，遠(yuǎn)端控制設(shè)備就可以判斷機器人是否在原點，是否處于安全狀態(tài)。

5 機器人噴涂與人工噴涂的對比分析

表1為人工噴涂與機器人噴涂對比表，分別從噴涂速度、重復(fù)定位精度、噴涂時間、涂料利用率、噴涂質(zhì)量以及噴涂軌跡共六個方面[4]進行了人工噴涂與機器人噴涂的對比。噴涂速度方面機器人要比人工噴涂快約2-3倍，因此機器人噴涂時間要短些；在重復(fù)定位精度方面，人工噴涂無法與機器人比擬，機器人噴涂確保了漆膜質(zhì)量的重復(fù)穩(wěn)定性；由于噴涂機器人運行軌跡的鎖定、重復(fù)定位的精準(zhǔn)以及開關(guān)槍位置的準(zhǔn)確，確保了涂料利用率的提升，減少了涂料的浪費；在成本方面，機器人一次性投資稍多，與人工相比，約3年-5年收回投資。

表1 人工噴涂與機器人噴涂對比表

6 機器人噴涂工藝參數(shù)調(diào)試

6.1 施工固體份、施工粘度對漆膜厚度的影響

根據(jù)原漆固體份 60±2%、原漆粘度 39±3S/25±1℃的數(shù)據(jù)，將水性漆的施工固體份配比成5組不同數(shù)值，測量出對應(yīng)的施工粘度，并對噴涂樣板的漆膜厚度數(shù)值進行了記錄。結(jié)果如表2所示。從表格中可以得出，施工固體份為55±2%、施工粘度35±3S/25±1℃的情況下，漆膜厚度為55-60μm，序號4的方案基本符合橋總成涂層要求。

表2 施工固體份、施工粘度與漆膜厚度對應(yīng)關(guān)系表

6.2 機器人噴槍噴嘴口徑大小對涂層狀態(tài)的影響

在相同節(jié)拍、固體份 55±2%和粘度 35±3 S/25±1℃等工藝參數(shù)的前提下，以噴槍噴嘴口徑型號為 9、12、14、18、20、25的噴槍進行多次試驗，比較了不同大小的噴嘴，對應(yīng)的出漆量和涂層狀態(tài)的不同情況，結(jié)果如表3所示。試驗對比表明，型號18（0.48mm）的噴嘴噴涂效果好，與型號20（0.50mm）對比，出漆量少，正常流平，非常少的漆霧飄散，在節(jié)拍內(nèi)能完成橋總成的噴涂。因此選擇型號18（0.48mm）的噴嘴。

表3 不同大小的噴嘴與出漆量及涂層狀態(tài)對比表

6.3 機器人噴槍壓力不同對涂層狀態(tài)的影響

對輸漆總控系統(tǒng)設(shè)定不同的噴漆壓力，參數(shù)從 5±0.5Kg調(diào)至40±0.5Kg，在固定噴嘴18、節(jié)拍 2min/件、固體份55±2%和粘度35±3 S/25±1℃的前提下，分成8組進行試驗，如表4所示。經(jīng)過8組試驗，序號4的噴槍壓力在20±0.5 Kg的條件下，涂層狀態(tài)無流淌、流平正常、漆膜厚度 55±5μm，這些參數(shù)基本符合本輪試驗的橋總成涂層要求。

表4 在不同噴槍壓力條件下，涂層狀態(tài)對比表

6.4 機器人噴槍扇幅壓力與橋總成外形尺寸匹配關(guān)系

在固定噴嘴 18、節(jié)拍 2min/件、固體份 55±2%、粘度35±3 S/25±1℃和噴槍壓力在20±0.5 Kg的前提下，對輸漆總控系統(tǒng)設(shè)定不同的噴槍扇幅壓力，測量對應(yīng)的扇幅寬度，找到與橋總成外形尺寸相匹配的扇幅壓力[5]。壓力變化從5±0.5Kg調(diào)至40±0.5Kg，分成8組進行試驗，如表5所示。經(jīng)過8組試驗，序號5的噴槍壓力在25±0.5 Kg的條件下，扇幅適當(dāng)：占橋總成面積最大的橋殼寬度約 2/3-4/7左右，匹配最佳。

表5 在不同扇幅壓力條件下，不同的扇幅寬度與橋總成外形尺寸匹配情況

在程序編制時，需將噴幅寬度確定，通過設(shè)定噴槍扇幅壓力來鎖定，由于橋總成外形非常不規(guī)則，調(diào)整主要是針對一些特殊平面，如對于窄平面使用小的幅寬能有效節(jié)約涂料。調(diào)整中需要關(guān)注因為噴幅變化帶來的其他影響噴涂質(zhì)量的情況，如當(dāng)通過噴涂距離調(diào)整幅寬時，涂料到達(dá)被噴涂面可能發(fā)生相應(yīng)的流掛，根據(jù)具體部位的不同進行調(diào)整。

7 機器人噴涂中主要問題的解決措施

7.1 機器人碰撞工件問題解決措施

橋產(chǎn)品種類非常多，外形差別非常大，吊掛橋總成到涂裝線上是通過人工方式完成，容易產(chǎn)生個別橋總成吊掛姿態(tài)不正確，導(dǎo)致機器人噴槍碰撞工件的現(xiàn)象出現(xiàn)。

解決措施是：第一、將吊掛橋產(chǎn)品的正確姿態(tài)圖片掛在操作工位醒目位置，并且定期在現(xiàn)場培訓(xùn)；第二、如果有碰撞，應(yīng)急先自動停止機械化懸鏈的運行，同時在人工掃描識別橋產(chǎn)品工位采用聲光報警，避免更大的損失出現(xiàn)；第三、總結(jié)經(jīng)常碰撞的橋部位，對此重新進行軌跡編程，進一步優(yōu)化噴涂角度、噴涂距離以及重復(fù)噴涂次數(shù)。

7.2 機器人有運動軌跡但不噴漆問題解決措施

機器人有運動軌跡，但是噴槍不出漆或者噴出的漆不霧化。

解決措施是：第一、先檢查噴嘴是否堵塞、第一道的入口壓縮空氣壓力是否正常，通過每班定點清理噴嘴及每班前點檢壓力表來減少問題出現(xiàn)。第二、檢查換色閥上對應(yīng)漆出口上的氣針閥是否有正常開關(guān)的動作；第三、機器人手臂里的涂料管路和空氣管路是否由于機器人第4、5、6軸在一個方向上反復(fù)轉(zhuǎn)動導(dǎo)致涂料管路和空氣管路纏繞不出漆或者無壓縮空氣，如果是這個原因，重新檢查噴涂軌跡，查看機器人第4、5、6軸關(guān)節(jié)是否有大幅度同一方向轉(zhuǎn)動的或者動作突變的，在開始點和最后一點之間示教機器人，觀察手爪的姿勢是否逐漸變化，不斷調(diào)整，盡可能使機器人的姿勢不要突變或者同一方向轉(zhuǎn)動。通過局部點重新調(diào)整關(guān)節(jié)動作，確保機器人關(guān)節(jié)動作順暢，解決由此產(chǎn)生的噴槍不出漆或者漆不霧化現(xiàn)象。

8 結(jié)語

橋產(chǎn)品外形復(fù)雜、凹凸不平、非常不規(guī)則，人工噴涂很難控制及穩(wěn)定漆膜質(zhì)量。解放車橋產(chǎn)品采用了機器人噴涂，提高了漆膜質(zhì)量的穩(wěn)定性、減少了人工噴涂的成本、減少了涂料消耗量、改善了人工作業(yè)環(huán)境，實現(xiàn)了橋產(chǎn)品自動化噴涂。