遠(yuǎn)程操縱噴涂臂作業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胡國(guó)棟 徐金文

（1.上海埃奇機(jī)器人技術(shù)有限公司，上海 201615；2.埃華路（蕪湖）機(jī)器人工程有限公司，蕪湖 241000）

噴涂作業(yè)是機(jī)械裝備生產(chǎn)的一個(gè)重要工序。它一般采用空氣噴槍，利用壓縮空氣的氣流使從噴槍口流出的油漆霧化成微小顆粒，并在氣流的帶動(dòng)下使油漆小顆粒噴涂到零件表面。噴涂距離一般為20～25 cm。在噴涂作業(yè)空間里，油漆顆粒彌漫在空氣中，對(duì)長(zhǎng)期從事這一行業(yè)的油漆涂料工人危害很大。近年來(lái)，由于油漆涂料中含有的有毒物質(zhì)導(dǎo)致油漆涂料工中毒甚至引起死亡的事件屢見(jiàn)不鮮。目前，汽車等產(chǎn)品由于量大面廣，噴涂軌跡固化且無(wú)需個(gè)性化更改，在涂裝生產(chǎn)線上可以廣泛采用噴涂機(jī)器人[1]。但是，對(duì)一些品種多、批量小的生產(chǎn)情況，頻繁的編程、調(diào)試將導(dǎo)致生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，不宜采用噴涂機(jī)器人作業(yè)。針對(duì)噴涂軌跡不固定的情形，辛付豪基于機(jī)器視覺(jué)研制出機(jī)器人作業(yè)系統(tǒng)，但在噴涂密閉的空間內(nèi)彌漫的油漆顆粒容易造成視覺(jué)系統(tǒng)失靈[2]。

受制于當(dāng)前技術(shù)局限和單件小批量生產(chǎn)特點(diǎn)，當(dāng)前中小企業(yè)仍然大量采用人工噴涂。針對(duì)這一現(xiàn)況，筆者研制遠(yuǎn)程操縱噴涂臂作業(yè)系統(tǒng)，使工人能夠遠(yuǎn)離作業(yè)區(qū)域遠(yuǎn)程操縱噴涂臂進(jìn)行噴涂，改善作業(yè)環(huán)境，在用工荒不斷嚴(yán)峻和環(huán)保意識(shí)深入人心的當(dāng)前具有重要的社會(huì)意義和應(yīng)用價(jià)值。

1 總體方案及傳動(dòng)設(shè)計(jì)

噴涂臂采用仿生學(xué)原理，按照手工噴涂的工序，先噴底漆再噴面漆。噴底漆時(shí)速度較慢，理想噴涂速度為100～300 mm·s-1。具體噴涂工步為[3]：噴槍位置歸零（噴嘴對(duì)準(zhǔn)噴涂工件原點(diǎn)）→打開(kāi)噴槍勻速移動(dòng)（噴涂到工件邊緣）→噴槍下移→噴槍勻速移動(dòng)→重復(fù)路徑動(dòng)作直至噴涂完畢。對(duì)于面漆同樣采用相同的步驟，不同之處在于理想速度為400～800 mm·s-1。

1.1 方案設(shè)計(jì)

人工噴涂是手持噴槍對(duì)準(zhǔn)工件，通過(guò)快速往復(fù)擺動(dòng)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行噴涂。通過(guò)對(duì)人工動(dòng)作進(jìn)行分析可知，其一個(gè)周期的路線為“Z”字形，且始終與工件保持在一個(gè)具有一定距離的平面內(nèi)。如圖1所示，作業(yè)系統(tǒng)模擬人工動(dòng)作，采用2自由度的結(jié)構(gòu)形式?？v向采用框架結(jié)構(gòu)，由后方的絲杠實(shí)現(xiàn)上下運(yùn)動(dòng)。橫向也采用相同的傳動(dòng)方法，通過(guò)上下兩個(gè)滑桿的支撐，實(shí)現(xiàn)噴槍擺動(dòng)臺(tái)在框架前端移動(dòng)。

1.2 噴涂軌跡設(shè)計(jì)

為提高噴涂質(zhì)量，采用柔性仿形自動(dòng)噴涂軌跡[4]。如圖2所示，移動(dòng)噴槍到噴涂起點(diǎn)A，打開(kāi)噴槍，通過(guò)速度控制開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)到合理的速度，操縱控制手柄，由A點(diǎn)勻速移動(dòng)到B點(diǎn)（移動(dòng)中不要停頓，一次性完成為佳）；在B點(diǎn)到C點(diǎn)的過(guò)程中，關(guān)閉噴槍快速移動(dòng)，不會(huì)出現(xiàn)重復(fù)噴涂，同時(shí)可以節(jié)約噴涂原料；C點(diǎn)后重復(fù)操縱A點(diǎn)到C點(diǎn)過(guò)程，直至到達(dá)噴涂終點(diǎn)完成噴涂作業(yè)。

圖1 設(shè)計(jì)原理圖

圖2 軌跡設(shè)計(jì)圖

1.3 作業(yè)系統(tǒng)傳動(dòng)原理

基于類活動(dòng)標(biāo)架，機(jī)械本體由移動(dòng)平臺(tái)、滑桿框體、噴槍平面移動(dòng)機(jī)構(gòu)、噴槍擺動(dòng)機(jī)構(gòu)及噴槍等零部件構(gòu)成。噴槍的水平和豎直兩個(gè)方向的平面移動(dòng)由其平面移動(dòng)機(jī)構(gòu)的滾珠絲杠實(shí)現(xiàn)，變頻器控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠正反轉(zhuǎn)和速度調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)噴槍的變速往復(fù)運(yùn)動(dòng)[4]。作業(yè)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖3所示。滑桿框體上端架由“L”形鋼焊接而成，其上用螺栓固定4個(gè)墊腳套，墊腳套與4個(gè)滑桿上端過(guò)盈裝配并使之固定。4個(gè)滑桿的下端采用同樣的方法固定于移動(dòng)平臺(tái)，底板上安裝有4個(gè)萬(wàn)向輪，在不同場(chǎng)地噴涂時(shí)可便捷移動(dòng)作業(yè)系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)操作。噴槍平面移動(dòng)機(jī)構(gòu)通過(guò)移動(dòng)套以間隙配合方式安裝于4個(gè)滑桿，由縱向伺服電機(jī)通過(guò)縱向滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)上下移動(dòng)。噴槍擺動(dòng)機(jī)構(gòu)連同噴槍由橫向伺服電機(jī)通過(guò)橫向滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)左右移動(dòng)。對(duì)噴槍縱向和橫向聯(lián)動(dòng)控制，即可實(shí)現(xiàn)平面內(nèi)的軌跡運(yùn)動(dòng)。

2 關(guān)鍵機(jī)械部件設(shè)計(jì)

2.1 噴槍擺動(dòng)機(jī)構(gòu)

噴涂過(guò)程中，工件上某些死角或邊緣有可能漏噴，需要噴槍小角度旋轉(zhuǎn)進(jìn)行補(bǔ)噴。噴槍擺動(dòng)機(jī)構(gòu)即可實(shí)現(xiàn)這一功能。如圖4所示，噴槍擺動(dòng)機(jī)構(gòu)由伺服電機(jī)、轉(zhuǎn)盤、連桿機(jī)構(gòu)、噴槍擺動(dòng)臺(tái)及夾緊螺栓等組成。噴槍裝配于噴槍擺動(dòng)臺(tái)，以?shī)A緊螺栓固定。伺服電機(jī)的正反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)順時(shí)針或逆時(shí)針擺動(dòng)，帶動(dòng)噴槍擺動(dòng)臺(tái)左右擺動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)噴槍小角度左右擺動(dòng)。

圖3 作業(yè)系統(tǒng)總裝圖

圖4 噴槍擺動(dòng)機(jī)構(gòu)

2.2 噴槍平面移動(dòng)機(jī)構(gòu)

為實(shí)現(xiàn)噴槍在滑桿框體上的平面移動(dòng)，橫向滾珠螺母和噴槍擺動(dòng)臺(tái)用螺栓固連，橫向伺服電機(jī)與橫向滾珠絲杠通過(guò)聯(lián)軸器連接。橫向伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)橫向滾珠螺母和噴槍擺動(dòng)機(jī)構(gòu)直線移動(dòng)?？刂茩M向伺服電機(jī)的正反轉(zhuǎn)及其速度，可實(shí)現(xiàn)噴槍擺動(dòng)機(jī)構(gòu)的正負(fù)方移動(dòng)及其速度。噴槍擺動(dòng)機(jī)構(gòu)的上下運(yùn)動(dòng)由縱向伺服電機(jī)控制，驅(qū)動(dòng)原理與橫向運(yùn)動(dòng)類似。滾珠絲杠傳動(dòng)平穩(wěn)、響應(yīng)快[5]，可保證噴涂油漆均勻一致。

2.3 操縱控制機(jī)構(gòu)

為達(dá)到遠(yuǎn)程操縱目標(biāo)，以集成開(kāi)關(guān)按鈕的操縱面板對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行控制。如圖5所示，操縱手柄常態(tài)下位于4觸點(diǎn)的中心位置，底部的萬(wàn)向節(jié)可實(shí)現(xiàn)其向各個(gè)方向旋轉(zhuǎn)。A、B、C、D分別對(duì)應(yīng)SB1、SB2、SB3、SB4（參見(jiàn)圖7）開(kāi)關(guān)的觸點(diǎn)。實(shí)際操縱時(shí)，旋轉(zhuǎn)操縱手柄到相應(yīng)的位置，其上觸點(diǎn)連通對(duì)應(yīng)位置的開(kāi)關(guān)，分別控制橫向伺服電機(jī)（M1）和縱向伺服電機(jī)（M2）的正反轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)滾珠絲桿螺母副實(shí)現(xiàn)噴槍在相應(yīng)方向上的移動(dòng)。電機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度由位于操縱手柄上端的滾輪調(diào)節(jié)，手動(dòng)滾動(dòng)滾輪，通過(guò)皮帶帶動(dòng)內(nèi)部的電位器轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)節(jié)變頻器的輸入信號(hào)，從而控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)平面移動(dòng)機(jī)構(gòu)的變速。

根據(jù)作業(yè)系統(tǒng)傳動(dòng)原理及關(guān)鍵機(jī)械部件機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)的噴涂臂作業(yè)系統(tǒng)本體三維模型如圖6所示。運(yùn)動(dòng)仿真分析顯示，機(jī)構(gòu)各部件運(yùn)動(dòng)不干涉，能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期噴涂動(dòng)作。

圖5 操縱面板圖

圖6 三維模型圖

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 位置速度控制

如圖7所示，控制回路由主電路、正反轉(zhuǎn)控制回路和調(diào)速回路組成。主電路為“電源→開(kāi)關(guān)→熔斷器→熱繼電器→電機(jī)”，作用為給電機(jī)提供動(dòng)力、得失電及保護(hù)電路；正反轉(zhuǎn)控制回路以繼電器為控制元件，通過(guò)互鎖方式實(shí)現(xiàn)電機(jī)M1、M2的正反轉(zhuǎn)及電機(jī)的啟停等控制；調(diào)速回路由變頻器和電位器組成，作用為調(diào)節(jié)電機(jī)進(jìn)給速度。

圖7 控制線路圖

3.2 變頻信號(hào)輸入與輸出

采用交-交變頻器，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時(shí)間小于2 ms，速度控制精度在±2%范圍內(nèi)[6]。選用WS19-3電位器，作為信號(hào)輸入源。通過(guò)調(diào)節(jié)電位器產(chǎn)生不同大小的電流信號(hào)，變頻器接收該電流信號(hào)，把恒壓恒頻（Constant Voltage and Constant Frequency，CVCF）的 交 流 電直接變換成變壓變頻（Variable Voltage and Variable Frequency，VVVF）的交流電輸出，通過(guò)輸出交流電的頻率不同實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速。

4 結(jié)論

基于當(dāng)前人口紅利的逐漸消失和勞工成本的不斷提高，模擬傳統(tǒng)手工噴涂方式，采用類活動(dòng)標(biāo)架機(jī)構(gòu)與變頻調(diào)速控制原理，開(kāi)發(fā)了用于小批量大平面工件表面的遠(yuǎn)程操縱噴涂作業(yè)系統(tǒng)，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）不間斷對(duì)工件進(jìn)行噴涂作業(yè)，工作效率高；

（2）勻速連續(xù)噴涂，噴涂質(zhì)量較高；

（3）遠(yuǎn)程操縱控制方式實(shí)現(xiàn)了人員與噴頭的隔離，改善了工作環(huán)境；

（4）操縱手柄符合人機(jī)工程學(xué)原理，便于操縱人員使用；

（5）本體底座裝有萬(wàn)向輪，便于工作場(chǎng)地的靈活移動(dòng)。

該機(jī)造價(jià)低，適用性好，可替代現(xiàn)有的手工噴涂作業(yè)，改善工作環(huán)境，緩解當(dāng)前不斷嚴(yán)重的用工荒現(xiàn)狀，預(yù)期將在中小型企業(yè)中得到普及。