噴涂機(jī)器人在回轉(zhuǎn)體型工件上的應(yīng)用

顏兵森，田成花，張 波

（北京機(jī)械工業(yè)自動化研究所，北京 100120）

噴涂機(jī)器人在回轉(zhuǎn)體型工件上的應(yīng)用

顏兵森，田成花，張 波

（北京機(jī)械工業(yè)自動化研究所，北京 100120）

隨著工業(yè)自動化技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)控制技術(shù)日新月異，工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域隨之?dāng)U大，這些技術(shù)的發(fā)展給自動化控制技術(shù)與機(jī)器人結(jié)合應(yīng)用于自動噴涂行業(yè)提供了平臺，通過對噴涂機(jī)器人在旋轉(zhuǎn)體工件上的工藝算法進(jìn)行了詳細(xì)的研究，開發(fā)出了一套基于旋轉(zhuǎn)體的機(jī)器人噴涂系統(tǒng)。完成對大型、要求精度高的旋轉(zhuǎn)體工件的自動噴涂工作，保證噴涂質(zhì)量的同時減輕勞作強(qiáng)度；項目實施中證明了該方法的可行性。

噴涂；機(jī)器人；回轉(zhuǎn)體型工件

0 引言

在國內(nèi)制造業(yè)中，噴涂是一項非常常用且重要的工序。雖然國內(nèi)很多企業(yè)還是用人工來進(jìn)行噴涂作業(yè)，但是已經(jīng)有很多公司開始逐漸用噴涂機(jī)器人來代替人工作業(yè)，相比于傳統(tǒng)人工噴涂，機(jī)器人噴涂涂料利用率高[1]，噴涂效率高，工件涂層均勻、噴涂質(zhì)量好[2]等，從而得到廣泛的工業(yè)應(yīng)用 。

本系統(tǒng)針對回轉(zhuǎn)體型工件，對機(jī)器人噴涂方案進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，可大幅提高涂層均勻性和生產(chǎn)效率，通過在項目實施中驗證，本系統(tǒng)針對回轉(zhuǎn)體工件的噴涂具有良好的效果，噴涂均勻性及噴涂質(zhì)量得到保證。

1 機(jī)器人方案設(shè)計

吊裝設(shè)備將旋轉(zhuǎn)體工件吊裝到停放在噴房外的工件旋轉(zhuǎn)運(yùn)輸車的滾輪上，裝夾完畢后，將工件旋轉(zhuǎn)運(yùn)輸車移動至噴房內(nèi)指定噴涂工位，采用工件旋轉(zhuǎn)，工裝靜止的方式進(jìn)行回轉(zhuǎn)體工件的自動噴涂作業(yè)。

噴涂圓柱段時，工件在旋轉(zhuǎn)裝置上按一定的轉(zhuǎn)速自動旋轉(zhuǎn)，防止在噴涂過程中出現(xiàn)易堵槍、噴涂過程時間過長會出現(xiàn)涂料粘度變化，通過縮短噴涂時間，采用機(jī)器人伺服移動裝置上布置兩個獨(dú)立滑板，由兩臺機(jī)器人實現(xiàn)圓柱段指定區(qū)域的噴涂作業(yè)；兩臺機(jī)器人工作時，為了避免其中一臺機(jī)器人重復(fù)覆蓋另外一臺機(jī)器人的噴涂表面，因此要求最后一臺機(jī)器人噴涂螺帶應(yīng)跨越其運(yùn)動方向的另外一臺臺噴涂的噴涂螺帶，整體噴涂形狀為類似三頭螺帶，因此，要求工件每旋轉(zhuǎn)一周所需的時間內(nèi)，機(jī)器人移動距離為三倍的機(jī)器人擺幅距離。如圖1所示。

圖1 機(jī)器人移動距離與擺幅距離

本系統(tǒng)各部分位置如圖2所示。

圖2 噴涂系統(tǒng)各部分位置示意圖

圖2 中，兩臺噴涂機(jī)器人分別安裝在兩個機(jī)器人底座上，如圖噴涂機(jī)器人1、噴涂機(jī)器人2、移動底座1、移動底座2所示，兩個移動底座可在移動平臺上定速、定位、變速等形式攜帶機(jī)器人進(jìn)行移動，移動底座的移動速度及方式與機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)配合，通過總控系統(tǒng)對機(jī)器人的動作及移動底座的移動協(xié)調(diào)控制。旋轉(zhuǎn)型工件在旋轉(zhuǎn)裝置上裝卡，并可定速旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)速度可調(diào)節(jié)。

機(jī)器人噴涂工藝過程描述如下：

1）工件裝夾完成，并運(yùn)送至指定的噴涂位置；

2）當(dāng)收到系統(tǒng)發(fā)出的噴涂工作指令，噴涂機(jī)器人1和噴涂機(jī)器人2自動尋找零點(diǎn)，同時工件開始旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速平穩(wěn)后噴涂準(zhǔn)備就緒，噴涂機(jī)器人1和噴涂機(jī)器人2按預(yù)先示教好的程序?qū)剞D(zhuǎn)體工件的外表面進(jìn)行噴涂作業(yè)。噴涂完畢，噴涂機(jī)器人1和噴涂機(jī)器人2自動回到起始位置等待下次生產(chǎn)指令。

3）回轉(zhuǎn)體工件的噴涂作業(yè)過程分為四個階段：

（1）第一階段為兩臺機(jī)器人陸續(xù)開始噴涂的階段

當(dāng)收到系統(tǒng)發(fā)出的噴涂指令，待噴工件開始旋轉(zhuǎn)，先是噴涂機(jī)器人1由等待位置移動到噴涂開始位置，機(jī)器人開始噴涂，噴涂過程中移動底座1拖動噴涂機(jī)器人1沿著工件的末端開始噴涂，同時噴涂機(jī)器人2由等待位置移動到噴涂開始位置，并從工件的另一端開始噴涂。

（2）第二階段為兩臺機(jī)器人都在噴涂的階段

噴涂作業(yè)開始后，兩臺機(jī)器人在移動平臺上從兩端逐漸噴涂到中間位置。

（3）第三階段為三個機(jī)器人陸續(xù)停止噴涂的階段

當(dāng)兩臺機(jī)器人到達(dá)交匯區(qū)域時，機(jī)器人1完成指定的噴涂工作，并停止噴涂返回起始位置，機(jī)器人2在完成之前的噴涂作業(yè)的同時，并要處理好兩端噴涂部分的銜接，確保圖層的均勻性及厚度，完成后停止噴涂并返回起始位置。

（4）工件選裝裝置停止選裝，并將噴涂完成的工件進(jìn)行檢測及運(yùn)送，根據(jù)需要可連續(xù)裝卡工件。

（5）系統(tǒng)等待下次噴涂指令。

兩臺機(jī)器人同時處于初始設(shè)定位置，全自動待機(jī)。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

噴涂系統(tǒng)采用西門子運(yùn)動控制系統(tǒng)，機(jī)器人伺服移動裝置和工件旋轉(zhuǎn)運(yùn)輸車共含有三臺伺服電機(jī)，因此本控制系統(tǒng)采用3軸伺服控制系統(tǒng)，實現(xiàn)各軸間高精度的獨(dú)立和同步控制。上位采用三臺觸摸屏，實現(xiàn)在工作區(qū)域范圍內(nèi)方便操作，三臺觸摸屏的功能基本相同，具有控制功能、故障顯示功能，便于設(shè)備排除故障；總控系統(tǒng)與機(jī)器人系統(tǒng)間實時交互狀態(tài)信息。

噴涂系統(tǒng)原理圖如圖3所示。

本系統(tǒng)分為如下單元：

1）伺服運(yùn)動控制系統(tǒng)。本部件主要的作用是控制兩臺伺服電機(jī)在導(dǎo)軌上的直線運(yùn)動控制，可以分別在速度方式下工作或位置方式下工作，以滿足在不同的工作模式下對伺服系統(tǒng)的運(yùn)動需求。

2）機(jī)器人控制系統(tǒng)。主要由機(jī)器人本體、機(jī)器人控制柜、機(jī)器人示教器及機(jī)器人清吹系統(tǒng)組成。在需要對機(jī)器人進(jìn)行操作時，操作人員可以通過機(jī)器人的示教器對機(jī)器人進(jìn)行工藝編程。在手動方式下或自動方式下讓機(jī)器人進(jìn)行再現(xiàn)工作，模擬預(yù)定軌跡的程序動作，把設(shè)定的運(yùn)行軌跡重復(fù)再現(xiàn)，以完成噴涂作業(yè)，滿足系統(tǒng)工藝要求。

整套系統(tǒng)出項故障時可以進(jìn)行自動保護(hù)，機(jī)器人是采用ABB公司的防爆型機(jī)器人系統(tǒng)。機(jī)器人本身包含一套完整的防爆系統(tǒng)，當(dāng)機(jī)器人的外部壓力不足或無壓力時系統(tǒng)是不能工作的，對機(jī)器人系統(tǒng)可以進(jìn)行自動保護(hù)，以防止出現(xiàn)不安全因素時對設(shè)備和人身造成傷害。機(jī)器人故障信息與總控相關(guān)聯(lián)，在有異常情況下，系統(tǒng)可實現(xiàn)即時暫停、停止等。

機(jī)器人與總控系統(tǒng)的通信連接采用PROFIBUS-DP通訊方式，采用這種硬件連接方式可以減少現(xiàn)場的接線工作，提高系統(tǒng)的可靠性。

機(jī)器人與總控系統(tǒng)通信內(nèi)容主要包括：指令信號、報警信息、交互信號等。

機(jī)器人系統(tǒng)的故障信號主要有兩種形式：

（1）機(jī)器人故障信號的輸出。

（2）外部故障信號的輸入。

這兩種故障方式的處理均采用機(jī)器人系統(tǒng)與總控系統(tǒng)硬件直接連接，連接在機(jī)器人系統(tǒng)的安全鏈上，當(dāng)任何一方出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)可以做到互鎖，保證系統(tǒng)在出現(xiàn)故障的第一時間對整個系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)。

圖3 系統(tǒng)原理圖

3）系統(tǒng)的擴(kuò)展I/O信號的作用主要是信號的采集及

【】【】指令的輸入，總控系統(tǒng)與其他傳感器等的信號傳輸、交互，各個運(yùn)動軸上限位信號、零點(diǎn)信號、防撞信號、速度等的處理。

4）擴(kuò)展I/O信號與主控制系統(tǒng)的連接采用PRIFIBUS-DP的連接，總線連接方式使得外部I/O信號擴(kuò)展更加方便。

5）系統(tǒng)的主控制器與伺服控制器是合二為一的，同時伺服控制系統(tǒng)采用MCC編程，采用工藝編程的式的圖形化編程方式，使用方便易于理解。

6）系統(tǒng)的人機(jī)界面采用觸摸屏，本系統(tǒng)采用了三臺西門子的觸摸屏，一臺放在平臺上總控系統(tǒng)柜。另外兩臺觸摸屏放在噴房外機(jī)器人控制柜旁邊作為副屏，兩臺副屏可以完成對旋裝裝置的控制。

3 系統(tǒng)的實現(xiàn)

本系統(tǒng)主要完成如下功能：

1）協(xié)調(diào)各軸之間的互鎖控制，對機(jī)器人移動底座進(jìn)行實時控制：在工作模式下，機(jī)器人移動底座是靠系統(tǒng)程序自動控制。在檢修模式下，可單步進(jìn)行向左或向右操作，系統(tǒng)在檢修狀態(tài)下對移動裝置硬件系統(tǒng)進(jìn)行移動、檢修等操作。

2）完成對機(jī)器人發(fā)送控制命令，以及接收機(jī)器人工作過程中返回的狀態(tài)信息?？偪叵到y(tǒng)與機(jī)器人系統(tǒng)間實時交互狀態(tài)信息，確保機(jī)器人與移動裝置之間及設(shè)備與工件之間協(xié)調(diào)有序的工作。

3）與上位機(jī)的信息交換，接受上位機(jī)發(fā)來的各種命令并對其進(jìn)行相應(yīng)的處理，向上位機(jī)發(fā)送各種狀態(tài)信息。

4）對人機(jī)界面的輸入按鈕及輸出指示進(jìn)行控制，對報警指示燈進(jìn)行控制。

5）對外部的各種輸入輸出信息（如移動裝置的限位信號、零點(diǎn)信號、工件到位信號、故障信號等）進(jìn)行處理。

6）上位機(jī)觸摸屏完成系統(tǒng)工作狀態(tài)監(jiān)控、參數(shù)設(shè)定及修改、參數(shù)顯示、報警信息顯示、故障復(fù)位等工作。

7）機(jī)器人系統(tǒng)，主要完成在自動噴漆過程中對自動噴涂運(yùn)動軌跡進(jìn)行控制，可以對開、關(guān)槍進(jìn)行自動控制。對噴涂的工藝程序可采用示教再現(xiàn)的工作方式。對不同的噴涂軌跡可以設(shè)置成相應(yīng)的程序號。在自動運(yùn)行的情況下，機(jī)器人可以接受總控系統(tǒng)發(fā)來的程序號命令，并調(diào)用相應(yīng)的噴涂程序?qū)ぜM(jìn)行噴涂。

4 結(jié)束語

本文通過對噴涂機(jī)器人在旋轉(zhuǎn)體工件上的工藝算法進(jìn)行了詳細(xì)的研究，開發(fā)出了一套基于旋轉(zhuǎn)體的機(jī)器人噴涂系統(tǒng)。通過現(xiàn)場噴涂結(jié)果表明，該系統(tǒng)優(yōu)化了噴涂效果，提高了噴涂質(zhì)量與噴涂效率，節(jié)省了噴涂成本。

[1] 繆東晶,王國磊,吳聊,等.自由曲面均勻噴涂的機(jī)器人軌跡規(guī)劃方法[J].清華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2013,53(10):1418-1423.

[2] ATKAR P N,GREENFIELD A,CONNER D C,et al．Uniform coverage of automotive surface patch[J].International journal of robotics research,2005,24(11):883-898.

[3] 趙宏劍,王剛,張波,等.飛機(jī)尾翼自動噴涂系統(tǒng)[J].制造業(yè)自動化,2013,35(2):153-156.

Application of painting robot in revolving workpiece

YAN Bing-sen, TIAN Cheng-hua, ZHANG Bo

TP29

：B

1009-0134(2017)06-0005-03

2017-03-07

顏兵森（1984 -），男，河北人，碩士，研究方向為機(jī)械工程。