一種適應(yīng)于小批量多品種的噴涂工作站的研制與應(yīng)用

徐友法，王衛(wèi)軍，楊亞，孫海峰

（中國電子科技集團(tuán)公司第二十一研究所，上海 200233）

近年來，隨著噴涂工藝的不斷發(fā)展和完善，以及噴涂行業(yè)人力成本的不斷攀升，行業(yè)內(nèi)每時(shí)每刻都在尋找新的生產(chǎn)方式，以滿足安全、環(huán)保、高效、精準(zhǔn)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展新要求。在這樣的背景下，為順應(yīng)生產(chǎn)自動(dòng)化需求和“機(jī)器換人”大趨勢[1-2]，噴涂機(jī)器人系統(tǒng)獲得廣泛應(yīng)用，并在推動(dòng)行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的過程中迎來快速發(fā)展。

工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)噴涂具有以下明顯的優(yōu)點(diǎn)：

(1) 柔性大，工作范圍廣[3-4]，可與物料輸送系統(tǒng)組成柔性制造系統(tǒng)(FMS)，實(shí)現(xiàn)快速制造。

(2) 噴涂軌跡精確，表面噴涂均勻，重復(fù)定位精度高，涂層質(zhì)量好[5-6]。

(3) 能讓工人避開有毒的環(huán)境，保護(hù)工人的職業(yè)健康。

(4) 能顯著降低噴涂過程中涂料及輔料的消耗，噴涂作業(yè)中所產(chǎn)生的揮發(fā)性有機(jī)化合物也隨之減少，減輕了環(huán)境污染。

(5) 操作簡便，通過使用機(jī)器人示教器能對(duì)機(jī)器人的動(dòng)作進(jìn)行快速設(shè)置，噴涂時(shí)間短，生產(chǎn)效率高。

現(xiàn)在行業(yè)內(nèi)噴涂主要依靠人工，批量噴涂時(shí)效率低、噴涂效果一致性差，而且噴涂出現(xiàn)的油霧對(duì)工人的身體健康影響較大。本文設(shè)計(jì)的噴涂用機(jī)器人工作站可實(shí)現(xiàn)小批量產(chǎn)品生產(chǎn)的自動(dòng)化噴涂，具備連續(xù)化噴涂、自動(dòng)換油漆、自動(dòng)清洗的功能，既提高了生產(chǎn)效率，又降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，并減少了對(duì)工人健康的影響。

1 噴涂用防爆機(jī)器人

在噴涂過程中易產(chǎn)生易燃易爆的漆霧，因此需要噴涂機(jī)器人防爆。噴涂的過程需要對(duì)機(jī)器人示教。 如果每個(gè)點(diǎn)都進(jìn)行示教一遍，工作量龐大且效果不佳。拖拽示教，即拖動(dòng)機(jī)器人，在運(yùn)行過程中機(jī)器人自動(dòng)記錄下運(yùn)動(dòng)軌跡，操作容易，效果較好。因此，既有防爆又有拖拽示教功能的噴涂機(jī)器人是本項(xiàng)目的首選。

本文選擇了國內(nèi)某品牌的一款6軸電控機(jī)器人(如圖1所示)，它特別適合木制品、金屬件、塑料件的噴涂，具備自我示教與點(diǎn)對(duì)點(diǎn)編程的雙重功能。就自我示教功能而言，由操作者指定噴涂軌跡，電腦控制系統(tǒng)存儲(chǔ)并輸出相關(guān)動(dòng)作，重新生成程序。借助程序系統(tǒng)，在自我示教過程中也可以完成多種噴涂功能的控制。

圖1 6軸噴涂機(jī)器人示意圖 Figure 1 Schematic diagram of 6-axis spraying robot

操作工人第一次對(duì)機(jī)器人示教完成后，以后機(jī)器人的噴涂過程就是重復(fù)工人的示教過程，保證了產(chǎn)品噴涂效果的一致性問題。因此，工人第一次示教效果的好壞直接決定了以后所有產(chǎn)品的質(zhì)量。

噴涂工作站中，針對(duì)不同的工件，工人需要提前示教好噴涂軌跡，并保存噴涂所需要的工藝參數(shù)，包括噴涂流量、噴幅、扇形大小、油漆種類等，并對(duì)程序進(jìn)行命名，其中程序名字和工件類型一一對(duì)應(yīng)。在對(duì)工件進(jìn)行噴涂時(shí)，只需找到對(duì)應(yīng)的程序并運(yùn)行即可。

2 供漆系統(tǒng)

根據(jù)噴涂需求，采用如圖2所示的供漆系統(tǒng)。4個(gè)供漆桶可以提供3種油漆和1種涂膠的自動(dòng)更換；2個(gè)清洗桶裝有2種溶劑，分別清洗油漆和涂膠，可以實(shí)現(xiàn)管道和噴槍的自動(dòng)清洗；噴槍可以根據(jù)油漆的黏度自動(dòng)調(diào)節(jié)扇幅和流量，扇幅調(diào)節(jié)范圍為50 ～ 125 mm，可以在噴涂過程中實(shí)時(shí)改變噴幅的大小。

圖2 油漆供給系統(tǒng)的組成 Figure 2 Constitution of paint supply system

噴涂系統(tǒng)中油漆的轉(zhuǎn)換和清洗主要通過機(jī)器人的IO(輸入輸出)端口進(jìn)行控制。通過對(duì)不同端口的高低電平的控制，實(shí)現(xiàn)油漆換色、清洗、供漆等操作。噴槍配備有噴控系統(tǒng)，通過比例閥校準(zhǔn)后輸出固定的扇幅、流量、霧化開度，并配合外部機(jī)器人勻速移動(dòng)，可以保證每次噴涂的膜厚和寬度的一致性。

3 噴涂流水線

由于工件類型較多，并且不能全部采用掛鉤，論證后選用輸送帶作為噴涂系統(tǒng)的輸送機(jī)構(gòu)。流水線的托盤上面裝有通用的夾具接口，針對(duì)噴涂工件設(shè)計(jì)的夾具固定到流水線托盤上，即可實(shí)現(xiàn)噴涂工件的固定。當(dāng)需要噴涂不同工件時(shí)，更換工件的夾具即可。

流水線的控制原理如圖3所示，雙工位設(shè)計(jì)的上料組件可以實(shí)現(xiàn)噴涂的不間斷工作：當(dāng)工位1進(jìn)行噴涂作業(yè)時(shí)，工位2將同步地進(jìn)行下料工作和重新上料工作；當(dāng)工位1完成噴涂作業(yè)時(shí)，工位2已經(jīng)上料完成，噴涂機(jī)器人繼續(xù)對(duì)工位2進(jìn)行噴涂。

圖3 流水線控制原理 Figure 3 Control principle of production line

控制按鈕包括進(jìn)位按鈕、退位按鈕、啟動(dòng)按鈕、暫停按鈕和急停按鈕，其中進(jìn)位按鈕和退位按鈕控制進(jìn)料組件的上料和退料，啟動(dòng)按鈕和暫停按鈕控制機(jī)器人的噴涂動(dòng)作，急停按鈕則可令整個(gè)系統(tǒng)急停。

流水線的進(jìn)位和退位采用雙控制方法，既可以通過進(jìn)位按鈕、退位按鈕控制，也可以由機(jī)器人單獨(dú)控制，并且機(jī)器人控制會(huì)繼承按鈕控制的結(jié)果，按鈕控制也會(huì)繼承機(jī)器人控制的結(jié)果。

流水線和機(jī)器人的交互機(jī)制如下：選擇工件對(duì)應(yīng)的噴涂程序并運(yùn)行；當(dāng)流水線工件上料后，工人按下啟動(dòng)按鈕，工件被流水線送到噴涂點(diǎn)；流水線上的傳感器檢測到產(chǎn)品后發(fā)送信號(hào)給機(jī)器人，機(jī)器人開始噴涂；噴涂完一側(cè)后，機(jī)器人發(fā)送信號(hào)給流水線，流水線噴盤旋轉(zhuǎn)180°，機(jī)器人開始噴涂另一側(cè)；工件全部噴涂完成后，機(jī)器人發(fā)送噴涂完成信號(hào)給流水線，流水線將產(chǎn)品退出到下料點(diǎn)，由工人下料。機(jī)器人的運(yùn)行和流水線的運(yùn)行是相互控制的，整個(gè)流程如圖4所示。

圖4 噴涂機(jī)器人和流水線的信息交互 Figure 4 Flowchart of information exchange between spraying robot and production line

4 工作站的搭建

整個(gè)系統(tǒng)主要由流水線、機(jī)器人、噴涂系統(tǒng)和干式噴房四部分組成，如圖5所示。流水線分布在機(jī)器人兩側(cè)，采用不銹鋼滑軌，可以實(shí)現(xiàn)無抖動(dòng)快速滑動(dòng)。2條流水線送工件到不同工位時(shí)，機(jī)器人只需要調(diào)節(jié)一下噴涂角度即可進(jìn)行噴涂。噴涂過程如圖6所示。

圖5 機(jī)器人噴涂工作站的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) Figure 5 Structure of robotic spraying station

圖6 噴涂工作站使用流程圖 Figure 6 Flowchart of running of the spraying station

5 實(shí)驗(yàn)

根據(jù)噴涂工作站的設(shè)計(jì)，完成了各零部件的設(shè)計(jì)和選購，搭建了相應(yīng)的平臺(tái)，如圖7所示。

圖7 機(jī)器人噴涂工作站現(xiàn)場搭建 Figure 7 Building of the robotic spraying station

電機(jī)使用量大，并且目前主要靠人工噴涂，耗費(fèi)了大量的人力物力。本文以電機(jī)定子和外殼的噴涂作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。某伺服電機(jī)定子和外殼的結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 噴涂工件 Figure 8 Workpieces to be sprayed

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，本文搭建的電機(jī)噴涂工作站中，工人針對(duì)不同的工件選擇提前設(shè)置好的程序后，只需要完成流水線的上料，并按下流水線啟動(dòng)按鈕，流水線就會(huì)將需要噴涂的電機(jī)輸送到噴涂點(diǎn)，機(jī)器人對(duì)工件噴涂后流水線再將工件送到下料點(diǎn)，工人下料。在不更換工件的情況下，工人只需要交替地對(duì)左右兩條流水線進(jìn)行上料并按下啟動(dòng)鍵和下料操作即可，且工人不需要進(jìn)入噴涂車間。

6 結(jié)語

本文根據(jù)實(shí)際工況和約束條件完成了某電機(jī)噴涂工作站的搭建。在實(shí)際搭建中，完成了機(jī)器人和 流水線的通信交互，實(shí)現(xiàn)了油漆供給系統(tǒng)的顏色自動(dòng)轉(zhuǎn)換和清洗。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文搭建的噴涂工作站可以在電機(jī)噴涂上得到很好的應(yīng)用，可靠性和生產(chǎn)效率都較高，可以完全替代人工。這為相關(guān)的伺服電機(jī)企業(yè)在生產(chǎn)線的改裝換代上提供很好的范例。