機(jī)器人在飛機(jī)蒙皮熒光滲透靜電噴涂檢測中的應(yīng)用

沈陽新松機(jī)器人自動(dòng)化股份有限公司 皮景峰 劉 洋

在民用飛機(jī)中，為了檢測對(duì)零件強(qiáng)度影響較大的表面開口缺陷，無損檢測方法——涂熒光滲透檢測被廣泛應(yīng)用。對(duì)于小尺寸、批量零件可采用常見的侵入法檢測或人工靜電噴涂熒光滲透檢測，而對(duì)于大型零件如飛機(jī)蒙皮、發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇框架、壓力機(jī)機(jī)匣、渦輪寬肩等大尺寸、復(fù)雜型面的零件更適合采用機(jī)器人靜電噴涂熒光滲透檢測。

沈陽新松機(jī)器人自動(dòng)化股份有限公司為了滿足飛機(jī)鋁及鋁合金蒙皮等大型復(fù)雜形狀零件檢測的要求，采用雙直角坐標(biāo)機(jī)器人和SAMES自動(dòng)靜電噴涂設(shè)備，設(shè)計(jì)制造了機(jī)器人熒光滲透靜電噴涂檢測生產(chǎn)線，此項(xiàng)目的實(shí)施會(huì)對(duì)未來的生產(chǎn)帶來深遠(yuǎn)的影響。

熒光滲透靜電噴涂檢測簡介

1 熒光滲透檢測

滲透檢測是基于液體的毛細(xì)作用（或毛細(xì)現(xiàn)象）和固體染料在一定條件下的發(fā)光現(xiàn)象。

滲透檢測的工作原理是：工件表面被施涂含有熒光染料或者著色染料的滲透劑后，在毛細(xì)作用下，經(jīng)過一定時(shí)間，滲透劑可以滲入表面開口缺陷中；去除工作表面多余的滲透劑，經(jīng)過干燥后，再在工件表面施涂吸附介質(zhì)——顯像劑；同樣在毛細(xì)作用下，顯像劑將吸引缺陷中的滲透劑，即滲透劑回滲到顯像中；在一定的光源下（黑光或白光），缺陷處的滲透劑痕跡被顯示（黃綠色熒光或鮮艷紅色），從而探測出缺陷的形貌及分布狀態(tài)。

根據(jù)飛機(jī)蒙皮熒光滲透靜電噴涂檢測要求選擇水洗型熒光滲透檢測（干粉顯像），查表1代號(hào)為：I A- a，可顯示的裂紋區(qū)位數(shù)為3，查表2靈敏度等級(jí)為3級(jí)。

2 靜電噴涂

靜電噴涂是利用高壓靜電電場使帶負(fù)電的涂料微粒沿著電場相反方向定向運(yùn)動(dòng)，并將涂料微粒吸附在工件表面的一種噴涂方法。靜電噴涂設(shè)備由噴槍、噴杯以及靜電噴涂高壓電源等組成。

表1 滲透檢測方法分類

表2 靈敏度等級(jí)

如圖1所示，工作時(shí)靜電噴涂的噴槍（或噴盤、噴杯），涂料微粒部分接負(fù)極，工件接正極并接地，在高壓電源的高電壓作用下，噴槍（或噴盤、噴杯）的端部與工件之間就形成一個(gè)靜電場。涂料微粒所受到的電場力與靜電場的電壓和涂料微粒的帶電量成正比，而與噴槍和工件間的距離成反比，當(dāng)電壓足夠高時(shí)，噴槍端部附近區(qū)域形成空氣電離區(qū)，空氣激烈地離子化和發(fā)熱，使噴槍端部銳邊或極針周圍形成一個(gè)暗紅色的暈圈，在黑暗中能明顯看見，這時(shí)空氣產(chǎn)生強(qiáng)烈的電暈放電。

圖1 靜電噴涂原理

涂料經(jīng)噴嘴霧化后噴出，被霧化的涂料微粒通過槍口的極針（或噴盤、噴杯）的邊緣時(shí)因接觸而帶電，當(dāng)經(jīng)過電暈放電所產(chǎn)生的氣體電離區(qū)時(shí)，將再一次增加其表面電荷密度。這些帶負(fù)電荷的涂料微粒的靜電場作用下，向?qū)O性的工件表面運(yùn)動(dòng)，并被沉積在工件表面上形成均勻的涂膜。

熒光滲透靜電噴涂生產(chǎn)線組成

1 設(shè)備概述

如圖2所示，熒光滲透靜電噴涂生產(chǎn)線分為兩個(gè)車間，即熒光滲透噴涂車間和檢驗(yàn)車間，兩個(gè)車間通過廠房自動(dòng)門進(jìn)行物理分隔。在熒光滲透噴涂車間內(nèi)配置一套電控系統(tǒng)、一個(gè)操作臺(tái)、兩臺(tái)防爆直角坐標(biāo)機(jī)器人、兩套靜電噴涂系統(tǒng)、兩套噴淋裝置、兩套干燥裝置。為了保持熒光滲透噴涂車間的潔凈配有排送風(fēng)過濾系統(tǒng)和地面導(dǎo)流裝置。

熒光滲透靜電噴涂生產(chǎn)線分為自動(dòng)工作和手動(dòng)工作兩個(gè)工作模式，自動(dòng)模式功能包括自動(dòng)靜電噴涂滲透液、自動(dòng)噴淋清洗、自動(dòng)熱風(fēng)干燥、自動(dòng)噴涂顯像粉；手動(dòng)模式功能包括設(shè)備調(diào)試和工件位置設(shè)定與校驗(yàn)。

工件在熒光滲透噴涂車間靜電噴涂完成后，通過天鏈運(yùn)輸?shù)綑z驗(yàn)車間，在檢驗(yàn)車間進(jìn)行工件缺陷檢測。

2 防爆直角坐標(biāo)機(jī)器人組成及功能

防爆直角坐標(biāo)機(jī)器人能夠在爆炸性環(huán)境下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、可重復(fù)編程、末端操作器的位置在3個(gè)自由度內(nèi)可編程的工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備。這里自由度就是指可運(yùn)動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)的軸。直角坐標(biāo)機(jī)器人是以直線運(yùn)動(dòng)軸為主，各個(gè)運(yùn)動(dòng)軸通常對(duì)應(yīng)直角坐標(biāo)系中的X軸、Y軸和Z軸。

如圖3所示，防爆直角坐標(biāo)機(jī)器人由機(jī)械系統(tǒng)、電控系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、操作工具等組成。

根據(jù)飛機(jī)蒙皮熒光滲透靜電噴涂檢測要求, 需要對(duì)大型復(fù)雜型面飛機(jī)蒙皮等板類零件雙面同時(shí)工作，機(jī)器人分別配備熒光滲透液靜電噴槍、熱水噴頭、熱風(fēng)噴嘴和干粉顯像劑靜電噴槍，重量大約10kg，并且工作環(huán)境為爆炸性環(huán)境，因此直角坐標(biāo)機(jī)器人需要防爆并成對(duì)使用，完成自動(dòng)靜電噴涂滲透液、自動(dòng)噴淋清洗工件表面、自動(dòng)熱風(fēng)干燥工件表面、自動(dòng)噴涂顯像粉等工藝過程。

圖2 設(shè)備布置圖

圖3 防爆直角坐標(biāo)機(jī)器人

3 防爆直角坐標(biāo)機(jī)器人防爆處理

（1）零部件防爆。全部電氣器件滿足防爆環(huán)境使用要求，其中總電控柜采用機(jī)械隔離方式，接近開關(guān)和磁性開關(guān)采用本質(zhì)安全型，電磁閥采用隔爆型，器件均帶有防爆環(huán)境使用認(rèn)證，保證器件出現(xiàn)故障時(shí)不會(huì)對(duì)所處的外在環(huán)境造成危害。整個(gè)電氣系統(tǒng)按照《爆炸性環(huán)境》的要求設(shè)計(jì)執(zhí)行，滿足防爆環(huán)境的使用標(biāo)準(zhǔn)。

（2）防靜電。線體全部采用防靜電材質(zhì)及金屬材質(zhì)制造，能夠不產(chǎn)生靜電或者能夠?qū)⒐ぷ鬟^程中產(chǎn)生的少量靜電瞬間導(dǎo)出，保證危險(xiǎn)品附近電荷向大地釋放，從而使電荷立即消失。設(shè)備配套安裝靜電接地報(bào)警器實(shí)時(shí)檢測靜電電流，基本原理是通過金屬導(dǎo)體使整個(gè)設(shè)備與大地接觸，靜電接地報(bào)警器采用性能可靠的集成電路，防靜電及報(bào)警性能穩(wěn)定可靠，從設(shè)備末端到接地樁整個(gè)接地回路電阻自動(dòng)監(jiān)測，阻值超過預(yù)定值或當(dāng)夾體有一方接觸不良時(shí)，立即做出報(bào)警反應(yīng)，報(bào)警電流為25mA，從設(shè)備末端到接地樁整個(gè)接地回路電阻自動(dòng)檢測阻值60歐姆。接地裝置宜采用鋼材，角鋼及鋼管接地體應(yīng)垂直配置，接地體頂面埋設(shè)深度應(yīng)不宜小于0.6m，除接地體外，接地體引出線的垂直部分和接地裝置焊接部位應(yīng)作防腐處理，接地線最小截面積為6mm2的絕緣導(dǎo)線，垂直接地體的間距不宜小于5m。

（3）防漏電。對(duì)電控柜內(nèi)主要回路進(jìn)行漏電監(jiān)控，為各回路斷路器配套漏電檢測附件，基本工作原理是使用一個(gè)電子式繼電器，將泄漏電流的電信號(hào)與預(yù)設(shè)值30mA相比較，看是否達(dá)到跳閘限值，一旦泄露電流超限，跳閘機(jī)構(gòu)動(dòng)作，回路呈斷開狀態(tài)。任意支路發(fā)生跳閘，總回路斷路器同時(shí)跳閘，整個(gè)系統(tǒng)斷電，避免發(fā)生漏電事故以及可能由此引發(fā)的人身傷亡和火災(zāi)事故。

機(jī)器人系統(tǒng)編程及應(yīng)用

1 離線編程的優(yōu)點(diǎn)

機(jī)器人是一個(gè)可編程的機(jī)械裝置，其功能的靈活性和智能性很大程度上決定于機(jī)器人的編程能力。機(jī)器入編程方式可分為示教再現(xiàn)編程和離線編程。

目前，在國內(nèi)外生產(chǎn)中應(yīng)用的機(jī)器人系統(tǒng)大多為示教再現(xiàn)型。示教再現(xiàn)型機(jī)器人在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中存在的主要技術(shù)問題有：機(jī)器人的在線示教編程過程繁瑣、效率低；示教的精度完全靠示教者的經(jīng)驗(yàn)?zāi)繙y決定，對(duì)于復(fù)雜路徑難以取得令人滿意的示教結(jié)果；對(duì)于一些需要根據(jù)外部信息進(jìn)行實(shí)時(shí)決策的應(yīng)用無能為力。而離線編程系統(tǒng)可以簡化機(jī)器人編程進(jìn)程，提高編程效率，是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成的必要的軟件支撐系統(tǒng)。與示教編程相比，離線編程系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn)：減少機(jī)器人停機(jī)的時(shí)間，當(dāng)對(duì)下一個(gè)任務(wù)進(jìn)行編程時(shí)，機(jī)器人可仍在生產(chǎn)線上工作；使編程者遠(yuǎn)離危險(xiǎn)的工作環(huán)境，改善編程環(huán)境；離線編程系統(tǒng)使用范圍廣，可以對(duì)各種機(jī)器人進(jìn)行編程，并能方便地實(shí)現(xiàn)優(yōu)化編程；便于和CAD／CAM系統(tǒng)結(jié)合，做CAD/CAM/ROBOTICS一體化；可使用高級(jí)計(jì)算機(jī)編程語言對(duì)復(fù)雜任務(wù)進(jìn)行編程；便于修改機(jī)器人程序[1]。

2 離線編程的過程

離線編程系統(tǒng)是利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的成果，建立起機(jī)器人及其工作環(huán)境的幾何模型，再利用一些規(guī)劃算法，通過對(duì)圖形的控制和操作，在離線的情況下進(jìn)行軌跡規(guī)劃。通過對(duì)編程結(jié)果進(jìn)行三維圖形動(dòng)畫仿真[2]，以檢驗(yàn)編程的正確性，最后將生成的代碼傳到機(jī)器人控制柜，以控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，完成給定任務(wù)。

機(jī)器人離線編程系統(tǒng)不但要在計(jì)算機(jī)上建立起機(jī)器人系統(tǒng)的物理模型，而且要對(duì)其進(jìn)行編程和動(dòng)畫仿真，以及對(duì)編程結(jié)果后置處理，如圖4所示。

（1）CAD建模。CAD建模需要完成以下任務(wù)：零件建模；設(shè)備建模；系統(tǒng)設(shè)計(jì)和布置；幾何模型圖形處理。因?yàn)槔矛F(xiàn)有的CAD數(shù)據(jù)及機(jī)器人理論結(jié)構(gòu)參數(shù)所構(gòu)建的機(jī)器人模型與實(shí)際模型之間存在著誤差，所以必須對(duì)機(jī)器人進(jìn)行標(biāo)定，對(duì)其誤差進(jìn)行測量、分析及不斷校正所建模型。

（2）圖形仿真。離線編程系統(tǒng)的一個(gè)重要作用是離線調(diào)試程序，而離線調(diào)試最直觀有效的方法是在不接觸實(shí)際機(jī)器人及其工作環(huán)境的情況下，利用圖形仿真技術(shù)模擬機(jī)器人的作業(yè)過程，提供一個(gè)與機(jī)器人進(jìn)行交互作用的虛擬環(huán)境。計(jì)算機(jī)圖形仿真是機(jī)器人離線編程系統(tǒng)的重要組成部分，它將機(jī)器人仿真的結(jié)果以圖形的形式顯示出來，直觀地顯示出機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀況，從而可以得到從數(shù)據(jù)曲線或數(shù)據(jù)本身難以分析出來的許多重要信息，離線編程的效果正是通過這個(gè)模塊來驗(yàn)證的。

（3）編程。編程模塊一般包括：機(jī)器人及設(shè)備的作業(yè)任務(wù)描述(包括路徑點(diǎn)的設(shè)定)、建立變換方程、求解未知矩陣及編制任務(wù)程序等。在進(jìn)行圖形仿真以后，根據(jù)動(dòng)態(tài)仿真的結(jié)果，對(duì)程序做適當(dāng)?shù)男拚?，以達(dá)到滿意效果，最后在線控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)以完成作業(yè)。

（4）后置處理。后置處理的主要任務(wù)是把離線編程的源程序編譯為機(jī)器人控制系統(tǒng)能夠識(shí)別的目標(biāo)程序，即當(dāng)作業(yè)程序的仿真結(jié)果完全達(dá)到作業(yè)的要求后，將該作業(yè)程序轉(zhuǎn)換成目標(biāo)機(jī)器人的控制程序和數(shù)據(jù)，并通過通信接口下裝到目標(biāo)機(jī)器人控制柜，驅(qū)動(dòng)機(jī)器人去完成指定任務(wù)[3]。

圖4 雙機(jī)器人軌跡

3 雙機(jī)器人協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)

在工業(yè)自動(dòng)化和柔性生產(chǎn)中，存在這樣一些情況，比如，在處理諸如裝配復(fù)雜工件、搬運(yùn)大型物體、噴涂等任務(wù)中,單機(jī)器人所表現(xiàn)出來的能力略顯不足,因而雙機(jī)器人乃至多機(jī)器人系統(tǒng)正逐漸被應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域中。這種變化不但能提高機(jī)器人自身的利用率,增加產(chǎn)量,而且能最大限度發(fā)揮機(jī)器人系統(tǒng)的工作潛能,提高機(jī)器人的多用途性。另外，雙機(jī)器人協(xié)調(diào)工作，可減少機(jī)器人的復(fù)雜性?，F(xiàn)階段，對(duì)于雙機(jī)器人協(xié)調(diào)系統(tǒng)主要集中于兩個(gè)方面∶松協(xié)調(diào)和緊協(xié)調(diào)。前者是指兩個(gè)機(jī)器人未形成共同抓取前的無碰撞軌跡規(guī)劃問題,后者指兩個(gè)機(jī)器人抓取同一物體形成閉環(huán)后的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制問題。

據(jù)此熒光滲透靜電噴涂為松協(xié)調(diào)，即雙機(jī)器人空間復(fù)制邊緣無接觸的跟蹤，通過確定雙機(jī)器人協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的約束關(guān)系，然后將這一系列的約束關(guān)系作用到機(jī)器人末端操作器上，從而獲得機(jī)器人協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的位置和姿態(tài)，如圖5所示。

圖5 雙機(jī)器人協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)

在進(jìn)行熒光滲透靜電噴涂時(shí)，工件固定，工件兩側(cè)兩機(jī)器人都進(jìn)行噴涂作業(yè)，即從機(jī)器人根據(jù)主機(jī)器人末端位姿態(tài)進(jìn)行跟隨協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。雙面雙機(jī)器人噴涂采用主從協(xié)調(diào)控制策略，根據(jù)主機(jī)器人末端位置和姿態(tài)，以工件基準(zhǔn)路徑平面為對(duì)稱面，經(jīng)過運(yùn)動(dòng)學(xué)坐標(biāo)變換，從而控制從機(jī)器人跟隨主機(jī)器人協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了雙面雙噴涂機(jī)器人噴涂[4]。

結(jié) 論

采用機(jī)器人離線編程和協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)策略的機(jī)器人熒光滲透靜電噴涂檢測適用于航空行業(yè)多品種小批量大型復(fù)雜型面飛機(jī)蒙皮等板類零件的生產(chǎn)。此項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用將提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本、減少生產(chǎn)工藝規(guī)劃時(shí)間、提供生產(chǎn)效率，使操作員遠(yuǎn)離危險(xiǎn)的工作環(huán)境 ，對(duì)航空業(yè)的生產(chǎn)有重要意義。

[1]趙東渡，熊有倫.機(jī)器人離線編程研究 .機(jī)器人，1997(4)：75-81.

[2]趙東波，熊有倫.面向?qū)ο髾C(jī)器人離線編程系統(tǒng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則.機(jī)器人，1997(6)：2-7.

[3]劉振宇，徐方.一種通用的機(jī)器人三維圖形仿真的實(shí)現(xiàn)機(jī)器人，2001(5)∶4904-406.

[4]張華軍，張廣軍，蔡春波，等. 雙面雙弧焊機(jī)器人主從協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制.焊接學(xué)報(bào)，2011，32(1)：25-28.