高效、環(huán)保、經濟型遮蓋式噴涂機器人的研究

姚亞夫 ，龔理，，羅昌杰

（1.中南大學 機電工程學院，長沙 410083；2.中國科學院深圳先進技術研究院 精密工程中心，廣東 深圳 518055）

1 引言

我國是全球最大的玩具生產制造國，尤其是珠三角地區(qū)玩具廠家數量眾多［1］。作為傳統(tǒng)的勞動密集型行業(yè)，玩具噴漆自動化水平較低。近年來隨著國家對工人勞動環(huán)境和勞動強度的監(jiān)督管理日益嚴格，人力成本的大幅提高，產業(yè)已面臨發(fā)展的瓶頸，亟待產業(yè)結構調整和技術升級換代，發(fā)展自動化設備是唯一出路［2］。

目前在塑料玩具行業(yè)中，主要采用遮蓋式噴涂對玩具上色。這種噴涂方式要借助模具套模，工藝極為煩瑣和復雜，嚴重依賴經驗豐富的技工，且噴漆效率低下，工作環(huán)境也最為惡劣，以至從事此項工作的人員越來越少，招工困難的現(xiàn)象也日益嚴重。而由于人工操作的缺陷，造成高檔類玩具手工噴漆效果欠佳、個性差異較大，合格率不高，因此迫切需要自動化噴漆裝備。

玩具噴漆雖然屬于噴涂行業(yè)的一類，目前主導的噴漆加工設備-噴涂往復機（包括三軸、四軸、五軸、六軸、七軸機械手往復機）、自動分度往復噴漆機、內壁自動噴漆機、全方位數控打版機，甚至是ABB、FANUC 等國際知名品牌的六軸噴涂機器人對被噴件都是采用整體噴涂，自動噴涂行業(yè)還沒有很好地解決玩具噴漆中的這種遮蓋式局部噴涂。而且由于玩具的個性差異極大，噴涂表面顏色種類繁多，玩具的新產品開發(fā)和市場化更新率極快，對噴漆裝備的要求極高，傳統(tǒng)的噴涂機不能滿足也不適合玩具行業(yè)。為促進傳統(tǒng)加工企業(yè)的產業(yè)升級，使工人從玩具噴漆行業(yè)的惡劣工作環(huán)境中解放出來，迫切需要攻克這個技術難關。

為此，首先對玩具遮蓋噴涂工藝進行了研究，對其實現(xiàn)自動化進行了設計，研制出了針對遮蓋式噴涂的專用機器人。本文詳細介紹了機器人的機構設計與控制系統(tǒng)實現(xiàn)過程。通過生產實驗，驗證了設計的可行性。

2 自動化噴涂研究

2.1 玩具噴涂工藝

玩具噴漆主要采用的是一種遮蓋式局部噴涂工藝，主要工藝如圖1 所示。在玩噴涂前首先要制作相應的銅模，銅模把玩具不需要噴涂部分遮住，需要噴涂的部分裸露在外面，玩具噴涂時銅模與玩具的配合稱之為合模，其效果如圖2 所示。銅模與玩具配合要求比較高，尤其是糖膠類軟玩具對合模的配合精度要求非常高。

圖1 玩具噴漆基本工藝

圖2 某款玩具公仔合模圖

玩具噴涂時要求上色邊界輪廓清晰。由于銅模有一定的厚度，模與玩具配合存在一定的誤差，銅模和玩具有間隙，容易出現(xiàn)飛油（油漆噴涂超過了指定的輪廓線）的現(xiàn)象。

為了使得工件噴涂的漆膜厚度均勻，不產生色差、斑馬紋、流掛和橘皮等缺陷，噴涂過程中盡量保持噴槍的位置始終與噴涂面的距離保持一致，姿態(tài)與噴涂面的法向一致，且噴槍所行走的軌跡視玩具的表面情況而定［3］。由于玩具之間差異性很大，每款玩具的噴涂方式都不相同。目前一般每個玩具噴涂的時間大約為10s。

銅模經過多次噴涂后，表面會覆蓋油漆，影響遮蓋效果，使噴漆輪廓不清晰。因此經過多次噴涂后需要清洗銅模。銅模的清洗主要包括以下幾個步驟：用軟膠模具與銅模配合；加入適量清洗液；用毛刷反復洗刷銅模；吹除上表面雜質同時吹干銅模；移開軟膠模具；由于會有少許液體滲入銅模下表面，還要對下表面吹干，否則噴漆表面會出現(xiàn)水跡現(xiàn)象。其中清洗銅模的時間約為35s。

2.2 自動化工藝設計

自動化工藝設計，主要以提高效率為優(yōu)化目標，兼顧成本和環(huán)保。

為了提高生產效率，每次噴涂一個玩具顯然不行。因此在自動化設計時，需要一次合模多個玩具，這樣對機械的精度提出了很高的要求，同時機構需要一定的自校正能力，來吸收誤差，保證合模的精度。

從現(xiàn)有手工噴涂工藝可以看出，清洗銅模消耗的時間比較多。特別是一次合模多個玩具時，清洗范圍更大，清洗花費的時間更長。因此在自動化噴涂設計時使用兩塊銅模，分別設置在兩個工位上，一個工位進行噴涂，另一個工位進行清洗。兩個工位獨立運行，保證每次需要更換銅模時，清洗工位上的銅模已經清洗干凈。由于一次合模多個玩具，上下料的時間也會比較久，自動化工藝設計時也考慮設兩個工位，一個工位上下料，一個工位進行合模噴漆。兩工位并行工作，提高效率。

由于玩具差異性比較大，每款玩具不同部位噴涂的方式也各不相同，實現(xiàn)機器人自主軌跡規(guī)劃不太現(xiàn)實。所以噴涂過程需要采用示教編程的方式［4］。

3 機器人結構設計

圖3 噴漆機器人主要結構

噴漆機器人機械機構如圖3 所示，主要由噴漆機械手、清洗機械手、前合模裝置、后合模裝置、送料轉盤、銅模轉盤、機架等組成。

3.1 送料模塊

為了提高效率，送料轉盤通過氣缸驅動齒輪齒條運動實現(xiàn)180°往復旋轉，實現(xiàn)雙工位工作，可以同時進行合模噴漆和上料卸料操作。銅模轉盤同理實現(xiàn)雙工位工作，一側合模噴漆，一側清洗，兩工位相互獨立，同時工作，這樣只需要兩套模具即可實現(xiàn)高速自動化的噴漆，有效地節(jié)省了模具的費用；為了確保送料轉盤和銅模轉盤旋轉的精度，都設有外部機械輔助定位。當氣缸驅動送料盤旋轉到位后，送料定位鎖伸出與送料轉盤上的導向孔配合，實現(xiàn)180°的精確旋轉。送料轉盤，銅模轉盤、前合模裝置、后合模裝置、采用同一基準固定，可以大大減少位置誤差，從而保證精確套模。如圖4 所示。

圖4 送料模塊主要結構

3.2 噴漆機械手

考慮到成本和控制方便，選用直角坐標機械手作為噴漆機械手，其結構如圖5 所示，包括4（3S+R）個自由度，所有軸都由步進電機驅動。通過同步帶傳動，可以減少急停和快速啟動時的沖擊，防止過載造成電機丟步。為了提高噴涂效率，噴漆機械手上設有兩個噴頭，成一定角度設置（角度可調），每個噴頭獨立控制。

圖5 噴漆機械手

3.3 清洗機械手

同樣，為了降低成本，清洗機械手采用步進電機驅動的直角坐標機械手。其結構如圖6 所示，包括3個自由度。銅模的清洗是一個關鍵環(huán)節(jié)，清洗的效果將直接影響噴漆的質量，為了減少成本，通過交流電機驅動偏心軸旋轉，實現(xiàn)毛刷的振動。清洗機械手上固定有上吹干裝置和噴清洗液裝置（圖示未標出）。

圖6 噴漆機械手

3.4 廢氣、廢漆凈化回收系統(tǒng)

圖7 清洗液多重過濾系統(tǒng)結構

為了改善工作環(huán)境和減少污染，噴漆與清洗都在密閉的工作區(qū)間內進行，廢氣通過抽風設備抽走后凈化處理。清洗銅模的清洗液中含有大量廢漆雜質和有機溶劑，通過清洗液循環(huán)利用裝置對清洗液回收再利用，其結構如圖7 所示。清洗液經過不銹鋼濾網過濾，大塊未溶解的油漆從清洗液中脫離出來，防止油漆二次溶解，降低清洗液溶解能力。過濾后的清洗液再經沉淀、滲透后，可以循環(huán)使用。

4 控制系統(tǒng)設計

4.1 硬件控制系統(tǒng)的設計

Euro209 是Trio 公司一款基于DSP 和FPGA（Fieldprogrammable Gate Array，現(xiàn)場可編程門陣列）的具有開放式結構的高性能、高可靠性、高集成的數字運動控制器。它采用32 位120MHz DSP 處理技術，可提供多達九軸的精密步進或伺服控制，能實現(xiàn)多軸直線插補和圓弧插補，并且集成了數字及模擬I/O、通訊接口和擴展軸接口［5］?；赥rio 運動控制器的開放式數控系統(tǒng)硬件構成如圖8 所示。

圖8 噴漆機器人的硬件結構

PC的主要作用是程序編寫、下載和調試。與運動控制卡通過以太網接口（Ethernet）連接，實現(xiàn)雙向高速數據訪問。觸摸屏作為人機界面，通過RS232 串口與運動控制器通信，主要作用是實現(xiàn)數控編程與保存、向Euro209 發(fā)出運動控制指令、監(jiān)控運動控制器及機器人狀態(tài)和相關參數等功能。

運動控制器上的軸控制模塊提供了伺服電機/步進電機的標準接口，很方便地控制機器人七個步進軸的運動，通過開關量I/O 接口，運動控制器不僅可以接收限位開關和零點開關信號，還可以控制氣缸、清洗液泵、油漆泵的的運行。Trio 運動控制器具有12 位分辨率的0～10V模擬量輸入，用來檢測油漆壓力。

4.2 軟件控制系統(tǒng)的設計

4.2.1 運動控制卡程序設計

Trio 運動控制器本身就是一個可以執(zhí)行多任務程序的嵌入式系統(tǒng)。Euro209 內置有比較完整的運動控制程序，可以以指令的形式調用，用戶可以根據需要將一串指令編成一個“宏指令”（即用戶程序），用于控制更為復雜的運動。用戶程序用Trio BASIC 編寫，可在運動控制器軟件開發(fā)環(huán)境MotionPerfect2中開發(fā)?？蓜?chuàng)建不同的程序配合上位機軟件實現(xiàn)多種功能［6］。玩具噴漆機器人的控制流程如圖9 所示。

圖9 噴漆機器人的軟件結構

程序主要包括手動模塊、自動模塊、示教模塊。由于自動運行時噴漆和清洗是獨立運行，因此使用兩個線程分別控制。在示教模塊，運用了運動控制卡自帶的直線插補和圓弧插補功能MOVEABS 和MOVECIRC。

噴漆過程中油漆壓力對噴漆厚度影響顯著，因此需要對油漆壓力進行實時監(jiān)測，下面給出的程序在一個線程中持續(xù)運行，周期性地讀取模擬量輸入信號，數字濾波后，存放在一個通用存器VR（10）中：

在實時運行速度里引入一個變化因子K 來修正油漆壓力的影響，其公式如下：

實際運行速度=K×VR（10）×設置速度（其中K 是常數系數）

這樣當油漆壓力減少時，噴涂速度相應變慢，保證油漆厚度一致。

4.2.2 觸摸屏軟件設計

觸摸屏采用昆侖通泰工業(yè)觸摸屏，其開發(fā)軟件為MCGS（Monitor and Control Generated System，監(jiān)視與控制通用系統(tǒng)）是一套基于Windows 平臺的、用于快速構造和生成上位機監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng)。這款觸摸屏主要特點是：實時性強、有良好的并行處理性能；方便控制復雜的運行流程。MCGS 嵌入版開辟了“運行策略”窗口，用戶可以選用系統(tǒng)提供的各種條件和功能的策略構件，用圖形化的方法和簡單的類Basic 語言構造多分支的應用程序，按照設定的條件和順序，操作外部設備，控制窗口的打開或關閉，與實時數據庫進行數據交換，實現(xiàn)自由、精確地控制運行流程，同時也可以由用戶創(chuàng)建新的策略構件，擴展系統(tǒng)的功能。根據示教需求，編寫了觸摸界面和相應程序，其主要界面如圖10 所示。

圖10 主要人機交互界面

由于示教編程需要存儲數據量比較大，使用系統(tǒng)自帶函數!SetDevice（設備0，6，“WritePV（4，0202，WB，528，下載Data000，nReturn）”）對數據進行存儲。每11個數據為一組代表一條示教指令。其含義如表1 所示。下位機通過識別每組數據的第一個數據來判斷運動方式。

5 實 驗

根據上述設計和實現(xiàn)方案，成功研制出了樣機，并在某上市玩具公司進行了生產實驗，實驗是對一款出口產品進行噴涂實驗，并將自動化噴涂實驗與手工噴涂進行了對比，其結果如表2 所示?？梢钥闯霰就婢邍娖釞C器人的噴涂效果良好，產品合格率高，大大提高了生產效率，改善了工作環(huán)境。圖11為樣機的實物圖。圖12（a）是樣機在對一款出口玩具進行噴涂實驗。圖12（b）是這款出口玩具的機器人噴漆效果圖。

表1 示教指令數據存儲含義

表2 一款出口玩具手工噴涂與機器人噴涂實驗情況對比

圖11 遮蓋式噴涂機器人實物圖

圖12 噴涂實驗與噴涂效果

6 結論

本文給出了玩具遮蓋式噴涂工藝的自動化設計方法，及以工藝為先導的遮蓋式噴涂機器人結構設計和控制系統(tǒng)實現(xiàn)方法。噴漆機器人采用步進電機驅動的直角坐標機械手，在滿足噴漆需求的前提下大大降低了成本；送料與合模、噴漆和清洗分別都采用雙工位，同時一次合模多個玩具，顯著提高了生產效率；對廢氣凈化，廢水多級凈化回收利用，改善了工作環(huán)境，同時減少了污染。

本噴漆機器人的成功研制，為玩具噴涂的全自動化奠定了基礎，同時對其余非玩具類零件（比如手機機殼）的遮蓋式噴涂自動化設計有指導作用。

［1］陳澤鋒.從2012中國玩具展看行業(yè)的轉型謀變［J］.玩具世界，2012（11）：2.

［2］王文璧.2012 年玩具行業(yè)新動向［J］.玩具世界，2012（2）：2.

［3］梁治齊，熊楚才.涂料噴涂工藝與技術［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2006：293-297.

［4］ASAKAWA N，TAKEUCHI Y.Teachingless Spray-Painting of Sculptured Surface by an Industrial Robot［C］//Proceedings of IEEE International Conference on Robotics and Automation.Albuquerque New Mexico，1997：1875-1879.

［5］Trio English Manual Book.PCI209 運動控制［EB/OL］.http//www.triomotion.net.

［6］毛俊峰.基于Trio 控制器的焊接定位機器人控制系統(tǒng)研究［D］.大連：大連交通大學，2011.