基于機(jī)載電子設(shè)備的噴涂機(jī)器人生產(chǎn)線方案

仝曉剛

(中國電子科技集團(tuán)公司 第十研究所，四川 成都 610036)

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基于機(jī)載電子設(shè)備的噴涂機(jī)器人生產(chǎn)線方案

仝曉剛

(中國電子科技集團(tuán)公司 第十研究所，四川 成都 610036)

針對機(jī)載電子設(shè)備結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜、零件尺寸不大、批量較小、種類較多及漆種較多的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種高柔性多品種小批量的全自動(dòng)機(jī)器人噴涂生產(chǎn)線。該生產(chǎn)線采用基于Profibus工業(yè)總線的控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)噴涂生產(chǎn)線系統(tǒng)的通信和組網(wǎng)。采用射頻識別技術(shù)進(jìn)行零件噴涂工藝信息的識別。采用基于UG模型的全數(shù)字化噴涂程序設(shè)計(jì)及噴涂仿真技術(shù)進(jìn)行零件噴涂程序的設(shè)計(jì)、噴涂工藝的優(yōu)化。

噴涂機(jī)器人; 機(jī)載電子設(shè)備; 工業(yè)總線; 噴涂生產(chǎn)線

引 言

我所機(jī)載電子設(shè)備由于結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，零件尺寸較小，產(chǎn)品種類較多，批量小等特點(diǎn)，不適合于采用目前成熟的汽車噴涂生產(chǎn)線技術(shù)。另外，機(jī)載電子設(shè)備由于設(shè)備的多樣性導(dǎo)致油漆種類、顏色的多樣性，因而機(jī)載電子設(shè)備零部件要利用全自動(dòng)化的機(jī)器人噴涂技術(shù)，需要解決兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題：一是機(jī)載電子設(shè)備批量較小、結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，采用目前主流的示教編程方法花費(fèi)的編程時(shí)間長，造成機(jī)器人噴涂生線噴涂效率低下；二是由于機(jī)載電子設(shè)備零部件涂層及顏色的多樣性、零部件結(jié)構(gòu)的細(xì)微差別造成零部件噴涂加工信息識別比較復(fù)雜，容易造成零件噴涂加工信息識別不準(zhǔn)確。因而，機(jī)載電子設(shè)備零件機(jī)器人噴涂生產(chǎn)線必須是能夠適應(yīng)多品種、小批量的柔性化生產(chǎn)線。

目前，機(jī)器人制造商已經(jīng)推出了基于零件三維數(shù)字化模型的離線編程技術(shù)用于機(jī)器人噴涂程序的編制。離線編程系統(tǒng)可以快速、高效的進(jìn)行機(jī)器人噴涂軌跡規(guī)劃以及噴涂效果的演示與驗(yàn)證，提高噴涂機(jī)器人的噴涂效率，獲得最佳噴涂效果[1]，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)軌跡的編程[2]。另外，汽車制造領(lǐng)域采用基于Profibus現(xiàn)場總線的射頻識別技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對生產(chǎn)過程中各類數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)、狀態(tài)監(jiān)控及質(zhì)量檢查等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，及時(shí)傳送到生產(chǎn)控制中心，從而實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)線的控制和通信[3-5]。因而，本研究開展了基于離線編程技術(shù)、射頻識別技術(shù)的現(xiàn)場總線控制技術(shù)的機(jī)載電子設(shè)備噴涂生產(chǎn)線方案的設(shè)計(jì)。

1 線體規(guī)劃

整個(gè)線體的規(guī)劃采用分布式的控制系統(tǒng)，具體為采用了基于Profibus現(xiàn)場總線的集成工控機(jī)與噴涂機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制器的三級分布式系統(tǒng)。具體見圖1。

圖1 機(jī)載電子設(shè)備噴涂生產(chǎn)線規(guī)劃圖

從圖1看以看出，整個(gè)控制系統(tǒng)分為組織層、協(xié)調(diào)層和執(zhí)行層三個(gè)層次。底層的現(xiàn)場執(zhí)行層由生產(chǎn)線各設(shè)備、噴涂機(jī)器人、數(shù)據(jù)采集模塊以及工藝控制模塊組成，這些設(shè)備通過電連接、機(jī)械連接和Profibus現(xiàn)場總線的方式與西門子S7300PLC連接，形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)并通過PLC進(jìn)行通信并與機(jī)器人控制器交換信息；協(xié)調(diào)層由西門子S7300PLC、機(jī)器人控制器組成，接受來自組織層的程序指令以及對執(zhí)行層的各設(shè)備進(jìn)行控制，主要是通過Profibus現(xiàn)場總線與整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行連接進(jìn)行通信和信息交換；組織層包括編程計(jì)算機(jī)、監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)，二者通過TCP/IP協(xié)議與整個(gè)系統(tǒng)相連進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)傳輸。

1.1 執(zhí)行層控制網(wǎng)絡(luò)

執(zhí)行層控制網(wǎng)絡(luò)分為噴涂工藝控制模塊、生產(chǎn)線控制模塊、噴涂機(jī)器人以及數(shù)據(jù)采集模塊。

噴涂機(jī)器人通過Profibus現(xiàn)場總線與機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制器相連進(jìn)行通信。

噴涂工藝控制模塊主要是由供漆系統(tǒng)、自動(dòng)換色系統(tǒng)以及流量控制反饋模塊等與西門子S7300PLC進(jìn)行電連接，在PLC中對I/O進(jìn)行預(yù)定義，然后進(jìn)行硬件組態(tài)，并根據(jù)噴涂工藝編制相應(yīng)的噴涂工藝控制軟件，可以實(shí)現(xiàn)對噴涂工藝模塊的控制。

生產(chǎn)線控制模塊主要是噴涂柜系統(tǒng)、循環(huán)流平室、零件傳輸系統(tǒng)、固化系統(tǒng)以及強(qiáng)冷室等與S7300PLC進(jìn)行電連接，零件噴涂信息識別模塊通過Profibus現(xiàn)場總線與S7300PLC進(jìn)行相連。通過這些硬件的I/O配置，然后進(jìn)行設(shè)備的硬件組態(tài)就形成了生產(chǎn)線控制模塊，根據(jù)生產(chǎn)線工作流程編制相應(yīng)的控制軟件，可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線各設(shè)備的通信與數(shù)據(jù)交換。

數(shù)據(jù)采集模塊與執(zhí)行層的各硬件進(jìn)行相連，采集各設(shè)備工作過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，如采集機(jī)器人的噴涂時(shí)間、輸送系統(tǒng)的輸送時(shí)間以及固化系統(tǒng)的溫度等，把這些數(shù)據(jù)通過S7300PLC傳送給監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)分析，得到線體相應(yīng)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)、質(zhì)量數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集模塊通過Profibus總線與S7300PLC相連。

1.2 協(xié)調(diào)層網(wǎng)絡(luò)

協(xié)調(diào)層網(wǎng)絡(luò)主要是由機(jī)器人控制器、兩臺S7300PLC及以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)組成。協(xié)調(diào)層主要是實(shí)現(xiàn)對執(zhí)行層底層各硬件設(shè)備的控制，同時(shí)接受來自組織層的指令，控制執(zhí)行層執(zhí)行來自組織層的指令。

兩臺S7300PLC通過以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行連接，機(jī)器人控制器與S7300PLC通過Profibus現(xiàn)場總線進(jìn)行連接，機(jī)器人控制器與S7300PLC通過TCP/IP協(xié)議與組織層進(jìn)行通信。

1.3 組織層網(wǎng)絡(luò)

組織層由編程計(jì)算機(jī)、監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)組成。編程計(jì)算機(jī)采用離線編程軟件編寫完零件的噴涂程序并進(jìn)行仿真優(yōu)化后，傳送給機(jī)器人控制器。監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)主要是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線各硬件設(shè)備工況的監(jiān)控并采集各生產(chǎn)設(shè)備的工藝參數(shù)。

2 零件噴涂信息識別系統(tǒng)

由于射頻識別技術(shù)具有耐高溫、儲存零件噴涂信息的載碼體不需要暴露在涂裝生產(chǎn)環(huán)境中以及識別速度高等優(yōu)點(diǎn)，因而零件噴涂信息識別系統(tǒng)采用了射頻識別方案。射頻識別方案如圖2所示。

圖2 射頻識別方案圖

根據(jù)我所生產(chǎn)工藝情況，在零件上件處、噴柜前工件匯集處、噴涂站和噴涂后固化系統(tǒng)分叉處設(shè)計(jì)了4個(gè)讀寫站，用于零件噴涂信息的讀寫。讀寫站主要由位置檢測開關(guān)、射頻讀寫器、通訊接口模塊和人機(jī)界面組成。從圖2可以看出，射頻識別系統(tǒng)主要由4組射頻讀寫器、觸摸屏、光電開關(guān)、CM31通信模塊、載碼體以及S7300PLC組成。光電開關(guān)、CM31模塊通過電連接的方式與S7300PLC相連，射頻讀寫器通過Profibus總線與S7300PLC相連。CM31通信模塊主要是實(shí)現(xiàn)射頻讀寫器與S7300PLC間的Profibus現(xiàn)場總線通信。而CM31模塊與射頻讀寫器通過MUX32協(xié)議進(jìn)行通信。

四個(gè)讀寫站的作用與動(dòng)作已在線體的S7300PLC控制軟件進(jìn)行了預(yù)先的定義，在機(jī)器人控制軟件中對噴槍、氣壓及噴涂操作臺的旋轉(zhuǎn)頂升裝置等進(jìn)行了預(yù)先定義。因而，編制的零件噴涂程序已包含了零件的噴涂過程，這樣當(dāng)在四個(gè)關(guān)鍵工位識別到零件的噴涂信息后，噴涂機(jī)器人工藝控制模塊、生產(chǎn)線控制模塊會調(diào)用相關(guān)的執(zhí)行層硬件按照程序進(jìn)行運(yùn)行。實(shí)現(xiàn)了零件噴涂加工信息的識別以及整個(gè)線體間設(shè)備的通信。

3 離線編程技術(shù)

本方案選擇了ABB的IRB 82噴涂機(jī)器人，離線編程軟件采用了ABB的RobotStudio離線編程軟件。由于目前行業(yè)內(nèi)大多采用示教編程方法，因而設(shè)計(jì)了相應(yīng)的工藝樣件對離線編程軟件編程方法進(jìn)行了驗(yàn)證。

3.1 工藝樣件的設(shè)計(jì)

機(jī)箱工藝樣件的特點(diǎn)是側(cè)板、蓋板表面有很多散熱槽，特別是側(cè)板上的散熱槽深度達(dá)1cm左右，機(jī)箱采用整體噴涂時(shí)噴涂難度較大，油漆容易流淌，導(dǎo)致零件表面產(chǎn)生油漆留痕，影響涂層外觀質(zhì)量。可以用來驗(yàn)證離線編程技術(shù)。

圖3 機(jī)箱工藝樣件

機(jī)箱零件裝配后整體噴涂，零件采用鋁5A06材料，零件表面經(jīng)鈍化處理后表面粗糙度Ra 3.2。

3.2 機(jī)箱噴涂程序的編制及噴涂

在進(jìn)行噴涂程序編制時(shí)首先要把零件的三維模型格式更改為RobotStudio兼容的IGS或STP格式，進(jìn)行其他如噴槍、工裝等模型的建立，然后在軟件中建立噴涂工作站。完后建立零件的噴涂軌跡，并對噴槍的虛擬姿態(tài)進(jìn)行優(yōu)化，然后進(jìn)行程序后處理添加執(zhí)行程序及噴涂過渡點(diǎn)，完后進(jìn)行程序的仿真優(yōu)化,得到工藝樣件的最佳噴槍軌跡，優(yōu)化了噴涂機(jī)器人噴槍的姿態(tài)，設(shè)定噴槍離噴涂表面20cm，采用上下掃槍的方式，機(jī)箱寬面噴10槍，窄面噴5槍，每個(gè)面噴兩遍。這樣采用基于零件三維模型數(shù)字化的噴涂程序設(shè)計(jì)方法保證了零件表面各特征噴槍軌跡的一致性，從而易于保證零件表面涂層厚度的一致性，也保證了產(chǎn)品各批次質(zhì)量的一致性。

機(jī)箱工藝樣件按照天津燈塔涂料公司的黑色氟聚氨酯磁漆的工藝參數(shù)進(jìn)行噴涂，其工藝參數(shù)采用噴涂機(jī)器人的工藝控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，如噴涂壓力，噴霧幅面都得到了精確控制，避免了人工噴涂過程中導(dǎo)致的噴涂工藝參數(shù)難以量化而導(dǎo)致的零件表面涂層厚度不一致以及批次不一致的情況。另外，通過系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集的相關(guān)數(shù)據(jù)形成作業(yè)記錄，并可以監(jiān)控整條生產(chǎn)線各設(shè)備的運(yùn)行狀況，避免了人工作業(yè)記錄造假的情況，全部噴涂作業(yè)過程不需要人工參與，避免了噴涂人員接觸噴涂過程的有害環(huán)境，大大降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。由于整個(gè)系統(tǒng)采用信息化全自動(dòng)的控制方式，提高了生產(chǎn)效率。

噴涂后零件的外觀達(dá)到SJ/T 10674-1995《涂料涂覆通用技術(shù)條件》中Ⅱ級涂層外觀的要求，如圖4所示。

圖4 噴涂后機(jī)箱工藝樣件

3.3 噴涂工藝樣件的測試

噴涂后的工藝樣件分別進(jìn)行了附著力試驗(yàn)和環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)。

3.3.1 附著力試驗(yàn)

附著力試驗(yàn)按照GB1720-1979《涂膜附著力測定法》進(jìn)行。

測試結(jié)果為采用RobotStudio編制的程序噴涂的工藝樣件表面附著力等級為Ⅱ級，滿足了機(jī)載電子設(shè)備表面涂層附著力的要求。

3.3.2 環(huán)境適應(yīng)性

環(huán)境試驗(yàn)主要是進(jìn)行了高溫、低溫貯存試驗(yàn)和十個(gè)周期的交變濕熱條件。

高溫、低溫貯存試驗(yàn)按照GJB150.3A-2009及GJB150.4A-2009進(jìn)行，具體要求如下：高溫θ為85℃，貯存48h，然后低溫θ為-55℃，貯存24h；緊接著按照GJB150.9A-2009進(jìn)行十個(gè)周期共計(jì)240h的交變濕熱試驗(yàn)，交變濕熱試驗(yàn)的具體要求見表1[6]：

表1 交變濕熱試驗(yàn)條件

經(jīng)過交變濕熱試驗(yàn)后，采用RobotStudio軟件編制的程序噴涂的機(jī)箱表面涂層良好，沒有腐蝕點(diǎn)、起泡、涂層與機(jī)箱脫落的現(xiàn)象。因而，采用基于UG模型的離線編程和仿真技術(shù)利用噴涂機(jī)器人加工的涂層完全可以滿足機(jī)載電子設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)性要求。

4 小 結(jié)

整個(gè)機(jī)器人自動(dòng)噴涂生產(chǎn)線由于采用了射頻識別系統(tǒng)、自動(dòng)換漆及供漆系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了機(jī)載電子設(shè)備的柔性化生產(chǎn)，提高了生產(chǎn)效率。機(jī)箱工藝樣件的外觀測試，附著力測試，高溫、低溫存貯試驗(yàn)和交變濕熱試驗(yàn)的結(jié)果來看，采用基于UG模型的離線編程及仿真技術(shù)可以應(yīng)用于小批量多品種的復(fù)雜機(jī)載電子設(shè)備零件的編程，并且可以切實(shí)提高零件的編程效率。

[1] 樊帥權(quán),周波,孟正大,等.三維可視化的噴涂機(jī)器人離線軌跡規(guī)劃系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展,2012,(22):13-17.

[2] 郭世輝.基于CATIA平臺的六自由度噴涂機(jī)器人編程控制及運(yùn)動(dòng)仿真[C].沈陽:沈陽航空航天大學(xué),2012：1.

[3] 沈明,余和清.射頻識別技術(shù)在汽車涂裝生產(chǎn)線上的應(yīng)用[J].硬件研究,1999,20(5):72-74.

[4] 沈繼忱,彭猛,宋崗.基于Profibus的車輛油漆噴涂生產(chǎn)線[J].PLC&FA,2010,(11):111-112.

[5] 李光蘭,龐博.Profibus-DP總線控制系統(tǒng)在汽車涂裝工藝中的研究[J].真空,2010,(47):163-165.

[6] 李曉艷,仝曉剛.鋁基材微波固態(tài)電路腔體局部磁控濺射鍍銀工藝[J].電鍍與精飾,2013,35(12):25-28.

Scheme of Spraying Robot Production Line based on Airborne Electronic Equipment

TONG Xiaogang

(The 10th Institute of CETC,Chengdu 610036,China)

A kind of automatic robot spraying production line with high flexibility, multiple kinds and small quantity was designed based on the characteristics of airbone electronic equipment, such as complicated stucture, small size of the component, small quantity and multiple kinds of paint.This production line realized the communication and networking of the whole spraying line system by using control technology based on Profibus industrial bus. The radio frequency technology was used to identify the part spraying information.Design and optimization of the spraying program were conducted using full digital spraying program designing technology and spraying simulation technology based on UG model.

robot paint; Airbone equipment; industry line; and spraying line

2016-07-25

2016-08-28

TP242

B

10.3969/j.issn.1001-3849.2016.11.007