藍(lán)牙節(jié)能噴涂機(jī)器人設(shè)計

高行健

隨著工業(yè)4.0的深入發(fā)展，大型汽車生產(chǎn)廠的噴涂工藝已經(jīng)全部或部分改用固定式機(jī)器人，而4S店由于噴涂位置不固定，還采用人工噴涂。噴涂過程中產(chǎn)生的廢氣含有大量的苯、對二甲苯、重金屬元素等有害物，噴漆工人長期從事此工種對其身體危害非常大，且人工噴涂效果差，為此我們團(tuán)隊設(shè)計了膜厚同步激光檢測及多級遞進(jìn)式流量流速控制的藍(lán)牙節(jié)能噴涂機(jī)器人，用來替代4S店中噴涂工人的噴漆作業(yè)，節(jié)省噴涂用量，提高噴涂質(zhì)量，達(dá)到節(jié)能減排的效果。

【關(guān)鍵詞】六自由度 結(jié)合電控技術(shù)的混氣噴槍 無線通信 絲杠升降

1 項目背景

人工噴涂因?yàn)楣と俗鳂I(yè)水平和作業(yè)狀態(tài)的限制，噴涂效果差，國外噴漆機(jī)器人的設(shè)計與制造是一項十分成熟的技術(shù)，已經(jīng)有三十年以上的發(fā)展歷史。國內(nèi)的噴涂機(jī)器人的研究始于二十世紀(jì)八十年代。但國內(nèi)外廠家研發(fā)和生產(chǎn)的噴涂機(jī)器人一般為臺架固定式三自由度噴涂機(jī)器人，不能滿足汽車修補(bǔ)噴涂的使用。隨著噴涂機(jī)器人的設(shè)計與制造技術(shù)的不斷創(chuàng)新，噴漆機(jī)器人的噴涂精度得到了巨大的提高，使得噴漆機(jī)器人在世界發(fā)達(dá)國家得到了廣泛的應(yīng)用。但是現(xiàn)有噴涂機(jī)器人多應(yīng)用于生產(chǎn)車間的涂裝，未有專門應(yīng)用于汽車修補(bǔ)的噴涂機(jī)器人面世，所以我們團(tuán)隊開發(fā)用于汽車修補(bǔ)噴涂的機(jī)器人在國內(nèi)外尚屬首次。如表1所示。

2 噴涂機(jī)器人總體構(gòu)成

為實(shí)現(xiàn)噴涂機(jī)器人對4S店中各種復(fù)雜噴涂環(huán)境的適應(yīng)能力，設(shè)計該機(jī)器人具有藍(lán)牙遠(yuǎn)程無線操作；控制噴槍的移動速度，通過控制噴幅寬度、膜厚和噴液流量流速指標(biāo)來保持噴涂精度；同時提醒操作人員及時更換、添加噴液的功能。如圖1所示。

其基本結(jié)構(gòu)：

（1）機(jī)械手臂采用六自由度結(jié)構(gòu)，由6個舵機(jī)組成；

（2）底座采用絲杠升降裝置，靠螺旋進(jìn)給實(shí)現(xiàn)升降，絲杠由一個大功率電機(jī)提供動力；

（3）安裝有藍(lán)牙無線通信模塊，通信距離遠(yuǎn)，穿透性強(qiáng)，可以由工人遠(yuǎn)程操作；

（4）噴槍采用先進(jìn)電控混氣噴槍，采用混氣噴涂霧化原理，涂料受壓后突然減壓膨脹而霧化，壓縮空氣的流動，促使涂料進(jìn)一步霧化產(chǎn)生“雙生霧化”效果；

（5）激光測距模塊H-PT5028實(shí)時測距，檢測反饋噴頭與車身距離，調(diào)控流量精確控制膜厚。

（6）噴液儲存裝置內(nèi)配有噴液更換提醒系統(tǒng)，可以自動檢測噴液存量，提醒工作人員及時添加、更換噴液。

其中，控制系統(tǒng)以STC12C5A60S2單片機(jī)為核心，具體包括升降機(jī)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路，六自由度機(jī)械臂舵機(jī)控制電路，藍(lán)牙無線控制電路，油漆泵、氣泵控制電路從而實(shí)現(xiàn)對整個系統(tǒng)的控制。整體電路結(jié)構(gòu)如圖2。

3 設(shè)計制作中解決的關(guān)鍵技術(shù)問題

3.1 多級遞進(jìn)式激光測距

（1）選用激光測距技術(shù)，測距精度等級高可達(dá)10μm，且其抗干擾性強(qiáng)，較超聲測距技術(shù)而言，更適合在噴涂惡劣環(huán)境下作用，可有效避免其他因素的干擾。

（2）多級監(jiān)控：（一級）檢測0.3m內(nèi)有無目標(biāo)；（二級）每0.5s檢測一次，反饋目標(biāo)距離，至處開始噴涂；（三級）循環(huán)檢測確定距離不變，保持連續(xù)噴涂。

3.2 多級遞進(jìn)式流量流速控制系統(tǒng)

（1）考慮到汽修汽車維修店操作人員技術(shù)水平，故我們采用泵體流量流速控制技術(shù)來調(diào)節(jié)設(shè)備噴涂量，手機(jī)藍(lán)牙客戶端實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，可操作性強(qiáng)，避免人員實(shí)地操作帶來的人身傷害；

（2）為最大可能滿足不同漆層厚度需求，設(shè)計可調(diào)多級遞進(jìn)式流量流速，根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行設(shè)置。初始化參考設(shè)置分別為一級膜厚45μm，二級膜厚55μm，三級膜厚65μm，并可配合噴槍實(shí)現(xiàn)5μm遞進(jìn)式噴涂，誤差范圍±1μm。

3.3 垂直升降裝置控制

滿足噴涂高度的需求，由操作人員根據(jù)需要通過藍(lán)牙遠(yuǎn)程控制，創(chuàng)造性采用絲杠螺母裝置提升了升降過程的平穩(wěn)性，在工作過程中適時調(diào)節(jié)高度，提高噴涂質(zhì)量。

3.4 智能延時

充分考慮使用時操作人員失誤的情況，設(shè)置智能延時功能，延時5s，5s確定無誤后啟動噴涂作業(yè)。

4 項目創(chuàng)新性、優(yōu)越性

（1）在自由度方面，國內(nèi)外生產(chǎn)廠家研發(fā)和生產(chǎn)的噴涂機(jī)器人一般為固定式三自由度噴涂機(jī)器人，不能滿足汽車修補(bǔ)噴涂的使用，本機(jī)器人采用六自由度機(jī)械臂，最大限度提升噴槍的伸展空間，完成噴槍的各種動作，使噴槍在一次噴涂中可噴涂范圍更大，軌跡靈活，可完成內(nèi)表面和外表面的噴涂任務(wù)，放行噴涂軌跡精確，提高了涂膜的均勻性，將減少噴涂量和清洗溶劑的用量，提高材料的利用率，對環(huán)境保護(hù)起到非常大的作用；

（2）在機(jī)構(gòu)上，該機(jī)器人引入了新穎的絲杠垂直伸縮裝置，在不影響噴槍靈活度的基礎(chǔ)上提升了噴槍的工作高度，使噴槍更好地適應(yīng)多種工作環(huán)境的需要，使噴槍的運(yùn)動更為靈活，掃除了一些噴涂中常見的死角，極大地提升了噴涂效率，減輕了工作人員的工作量；

（3）藍(lán)牙無線通信模塊使得遠(yuǎn)程操作機(jī)器人成為可能，將噴漆工人從直接噴漆的環(huán)境中解脫出來，保護(hù)了工人的身體健康。

（通訊作者：曹利華）

參考文獻(xiàn)

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作者單位

1.山東省實(shí)驗(yàn)中學(xué) 山東省濟(jì)南市 250100

2.山東大學(xué) 山東省濟(jì)南市 250100