安川噴涂機(jī)器人仿形制作及其參數(shù)設(shè)定

陶洋，姜磊，晏飛

（奇瑞汽車股份有限公司，安徽 蕪湖 241009）

隨著汽車制造業(yè)的發(fā)展，機(jī)器人噴涂已經(jīng)成為行業(yè)主流。用機(jī)器人替代人工在高污染環(huán)境下進(jìn)行作業(yè)，既解放了勞動(dòng)力，改善了用工條件，極大地提高了勞動(dòng)效率，又能有效避免人為的不穩(wěn)定因素對(duì)噴涂效果的影響。機(jī)器人的仿形制作和工藝設(shè)定尤其重要，直接影響車身的噴涂質(zhì)量。本文以安川MPX3500系列噴涂機(jī)器人為例，探討了其仿形的制作和工藝參數(shù)的設(shè)定。

1 MPX3500 噴涂機(jī)器人簡介

MPX3500(見圖1)采用本質(zhì)安全防爆與內(nèi)壓防爆的組合防爆結(jié)構(gòu)，有適合左右對(duì)稱布局的2 種型號(hào)(YR-MPX3500-*0*和YR-MPX3500-*1*)，可以安裝在地面，也可以壁掛、倒掛。某涂裝車間的往復(fù)機(jī)改造機(jī)器人項(xiàng)目因噴漆室空間偏小，故采用如圖2 所示的壁掛式以節(jié)省空間。該機(jī)器人配備新型的DX200控制柜，也滿足噴涂車間的防爆要求。

圖1 MPX3500 機(jī)器人的模型Figure 1 Model of MPX3500 robot

圖2 采用壁掛式安裝的MPX3500 機(jī)器人Figure 2 Wall-mounted MPX3500 robot

2 機(jī)器人仿形

2.1 仿形前的準(zhǔn)備

分析車身的具體數(shù)據(jù)(如長、寬、高等)，以便后期進(jìn)行噴涂分區(qū)和設(shè)定等待點(diǎn)。收集車身的三維數(shù)模圖形，用于離線仿形的調(diào)試，在重建工作場(chǎng)景的虛擬環(huán)境時(shí)使用。利用三維軟件(如CATIA、UG、CAD 等)調(diào)整三維數(shù)模的比例、顏色及文件格式，以便滿足機(jī)器人離線仿真軟件的要求，確保仿真環(huán)境與實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)一致。

2.2 離線仿型的編制

本文用的仿真軟件是安川機(jī)器人專用的MotoSim EG，可驗(yàn)證機(jī)器人系統(tǒng)的可行性，并輸出離線仿形程序。利用仿真軟件在離線情況下編制出仿形程序，極大地減少了現(xiàn)場(chǎng)示教的工作量。

2.2.1 導(dǎo)入車型數(shù)模

在MotoSim EG 中導(dǎo)入車身數(shù)模(如圖3 所示)，設(shè)置車身比例大小、位置以及輸送帶的速率、啟動(dòng)點(diǎn)等，設(shè)定噴涂工藝，如圖4 所示。

圖3 在MotoSim EG 仿真軟件中導(dǎo)入車身數(shù)模Figure 3 Importing the numerical model of car body in white to MotoSim EG simulation software

圖4 MotoSim EG 仿真軟件的工藝操作界面Figure 4 Display panel of MotoSim EG simulation software for process operation

2.2.2 仿形的離線編制

離線編程改善了編制者的編程環(huán)境，可以提高編程的效率，減少機(jī)器人停機(jī)時(shí)間?；谌S車身數(shù)模，可宏觀地看到車身的輪廓線、平面、曲面、關(guān)鍵點(diǎn)等。根據(jù)工藝要求進(jìn)行一系列操作、調(diào)試，將自動(dòng)生成機(jī)器人的噴涂軌跡(見圖5)，即控制指令。

圖5 用MotoSim EG 仿真軟件通過離線仿形得到的噴涂軌跡Figure 5 Spray trajectory obtained by offline profiling using MotoSim EG simulation software

根據(jù)三維車身數(shù)模來離線編制仿形程序時(shí)應(yīng)充分考慮現(xiàn)場(chǎng)噴涂工藝的需求。根據(jù)車身數(shù)模及工藝需求而編制的仿形Job 程序?qū)嵗缦拢?/p>

程序編制結(jié)束后，需要進(jìn)行多次離線仿真(見圖6)，以修改不正確的機(jī)器人姿勢(shì)或位置，如限位報(bào)警，存在碰撞壁板風(fēng)險(xiǎn)的位置等。

圖6 在MotoSim EG 仿真軟件中進(jìn)行虛擬測(cè)試Figure 6 Virtual testing operated in MotoSim EG simulation software

2.3 仿形現(xiàn)場(chǎng)示教及測(cè)試

2.3.1 現(xiàn)場(chǎng)示教

為了減小離線仿真與實(shí)際車身的差異，需要在線示教，優(yōu)化仿形，直至滿足實(shí)際質(zhì)量要求為止。應(yīng)注意TCP(tool central point，工具坐標(biāo)的原點(diǎn))與車身表面的相對(duì)距離、方向和速度，一般情況下TCP 與車身的距離(又稱槍距，即機(jī)器人旋杯與車身表面的距離)為220～ 250 mm。頂蓋與側(cè)面、拐角處的上漆率不同，可稍作調(diào)整。為方便觀察槍距，示教時(shí)可在霧化器前端綁定參考尺，如綁定一定長度的扎帶(見圖7)。兩條噴涂軌跡間的距離稱為噴涂間距(即圖8 中貼在車身上的兩標(biāo)識(shí)膠帶之間的距離)，它與油漆的重疊率有關(guān)：一般油漆的重疊率在60%～ 85%之內(nèi)，因此噴涂間距在平整表面一般設(shè)定為100 mm 左右，在邊角、邊緣段可小些，如50～ 70 mm。

圖7 綁定扎帶便于觀察槍距Figure 7 Facile observation of the distance between spray gun and car body through binding ribbons

圖8 在車身上標(biāo)記規(guī)劃的噴涂軌跡Figure 8 Marking of planned spray trajectory on car body

2.3.2 仿形的復(fù)制

如果機(jī)器人數(shù)量和布置相同，為減少編程，提高編程效率，可將面漆站的仿形數(shù)據(jù)復(fù)制到清漆站的機(jī)器人中，根據(jù)本站的工藝參數(shù)作出相應(yīng)修改即可，如左右對(duì)稱噴涂仿形可以進(jìn)行平移及局部修改、調(diào)整姿勢(shì)等，這樣操作既簡單又快捷。

2.3.3 等待點(diǎn)的設(shè)置與調(diào)整

機(jī)器人通過輸送帶編碼器傳遞的脈沖信號(hào)時(shí)時(shí)刻刻計(jì)算出車身位置，進(jìn)行跟蹤噴涂。在程序中可以設(shè)置輸送帶運(yùn)行數(shù)值(即車身位置)為機(jī)器人不同噴涂區(qū)域的追蹤啟動(dòng)點(diǎn)，如程序段“SYSTART CV#(1)STP=650.000”，即表示當(dāng)輸送帶運(yùn)行到等于或高于650.000 時(shí)，機(jī)器人方可執(zhí)行下一步程序，否則繼續(xù)等待，不做任何動(dòng)作。需要考慮車身長度、間距、干涉區(qū)等因素，設(shè)置合理的等待點(diǎn)以避免因設(shè)置不當(dāng)而造成機(jī)器人軸極限報(bào)警、干涉區(qū)碰撞等問題。

2.3.4 無車在線仿形模擬

仿形示教完成后可做無車虛擬測(cè)試，即在噴涂平臺(tái)系統(tǒng)中輸入一臺(tái)車身的虛擬信息。機(jī)器人接收了虛擬車身數(shù)據(jù)后進(jìn)行模擬噴涂。這可以進(jìn)一步查出仿形存在的問題，如機(jī)器人關(guān)節(jié)軸極限報(bào)警、干涉區(qū)碰撞、加速度過大、異常報(bào)警、不合理編程等。用示教器修改未能通過的軌跡點(diǎn)并重復(fù)測(cè)試，直至順利運(yùn)行為止。

2.3.5 實(shí)車運(yùn)動(dòng)軌跡測(cè)試

通過虛擬測(cè)試之后，再執(zhí)行一遍實(shí)車運(yùn)行。在測(cè)試過程中可故意多次停止輸送帶，以查看仿形編制中等待點(diǎn)的設(shè)置是否合理。運(yùn)行測(cè)試時(shí)需手持示教器，以便在發(fā)現(xiàn)有砸車危險(xiǎn)的情況下立即按下急停。該階段是仿形制作的最后一次測(cè)試，不只是測(cè)試等待點(diǎn)設(shè)置的合理性，也為了測(cè)試以下問題：(1)車型的識(shí)別；(2)仿形的偏差；(3)機(jī)器人的加速度；(4)動(dòng)作的連貫性；(5)砸車風(fēng)險(xiǎn)。發(fā)現(xiàn)問題點(diǎn)后應(yīng)即時(shí)返回示教階段，修改仿形程序，直至完全通過為止。

3 噴涂工藝參數(shù)的設(shè)定

噴涂設(shè)備廠家都有各自的工作臺(tái)軟件方便工作人員調(diào)整工藝參數(shù)，盡管軟件界面不同，但調(diào)整工藝參數(shù)的功能是一樣的。本文以安川都林公司開發(fā)的“Paint Studio”軟件設(shè)定工藝，采用OLP(off-line programming，離線編程)和噴漆工作臺(tái)一體化的系統(tǒng)，通過3D 模擬簡便地修改機(jī)器人的噴涂仿形及高壓、旋杯轉(zhuǎn)速、流量、成型空氣等參數(shù)，其操作界面如圖9 所示。

圖9 Paint Studio 軟件的操作界面Figure 9 Human-machine interface of the Paint Studio software

3.1 刷子號(hào)的調(diào)整

在設(shè)定工藝參數(shù)前先要調(diào)整好刷子號(hào)(即噴涂分區(qū)，是設(shè)置流量、高壓、轉(zhuǎn)速、成型等的最小單元載體)，用來實(shí)施車身不同區(qū)域的工藝指標(biāo)。刷子號(hào)的設(shè)定原則一般是往復(fù)噴涂路徑相同且表面平整、膜厚要求一致的編為一個(gè)刷子號(hào)。邊角及邊緣、棱角突出位置單獨(dú)設(shè)置刷子號(hào)，有利于后期某處出現(xiàn)問題時(shí)調(diào)整工藝參數(shù)，而不至于影響其他刷子號(hào)的噴涂分區(qū)。圖10 是規(guī)劃的刷子號(hào)分布，其中64 號(hào)刷子定義為等待點(diǎn)刷子，無噴涂流量。

圖10 規(guī)劃的噴涂分區(qū)示意圖Figure 10 Schematic diagram of planned spraying zoning

3.2 工藝參數(shù)的設(shè)定

3.2.1 噴涂流量

噴涂流量是單位時(shí)間內(nèi)通過計(jì)量單元輸送給霧化裝置的涂料量，它直接影響車身膜厚。不同顏色及不同供應(yīng)商提供的涂料的遮蓋力不盡相同，車身不同位置(如頂蓋和側(cè)裙部位)的上漆率又有所不同。一些常見的涂裝缺陷(如流掛、少漆、露底等)直接與膜厚有關(guān)。一般流量控制在50～ 700 mL/min，取決于涂料特性及工藝要求。需注意要定期(一般每月一次)標(biāo)定計(jì)量單元，發(fā)現(xiàn)誤差及時(shí)校正或更換。若臨時(shí)應(yīng)急，可調(diào)整“參數(shù)的過載百分比”，一般各類噴涂工作臺(tái)的人機(jī)界面都有此選項(xiàng)，保證給予的涂料量是準(zhǔn)確的。

3.2.2 旋杯轉(zhuǎn)速

旋杯的轉(zhuǎn)速也是影響涂料霧化效果的重要因素。當(dāng)其他工藝參數(shù)不變時(shí)，旋杯的轉(zhuǎn)速越大，霧化的涂料滴直徑越小，霧化細(xì)度越好；反之，轉(zhuǎn)速越小，霧化細(xì)度越差。轉(zhuǎn)速過低會(huì)導(dǎo)致涂層粗糙，而轉(zhuǎn)速過大會(huì)導(dǎo)致涂料損失過大，以及對(duì)噴涂室細(xì)微的氣流變化敏感，令膜厚出現(xiàn)波動(dòng)。不合理的過大轉(zhuǎn)速也會(huì)造成霧化裝置的空氣軸承異常磨損。一般適宜的轉(zhuǎn)速為40 000～ 70 000 r/min，根據(jù)不同部位的工藝需求以及不同涂料的流率特性而設(shè)定。

3.2.3 成型空氣

成型空氣是從均勻分布于霧化器成形空氣罩內(nèi)的小孔中噴出的，其作用是控制漆霧扇面大小，又稱整形空氣或扇面空氣?？諝饬髁繒?huì)影響漆膜的重疊率，常設(shè)置在100～ 350 NL/min 的范圍內(nèi)。

3.2.4 高壓

在高壓靜電噴涂中，一般旋杯為負(fù)極，車身為正極，在兩極之間施加高電壓后，霧化后的漆霧顆粒吸附到被噴涂的車身表面。高壓的大小直接影響上漆率和膜厚的均勻性。若電壓過低，涂料的上漆率差，易產(chǎn)生橘皮、少漆等質(zhì)量問題；若電壓過高，易產(chǎn)生放電，特別是在車身的邊緣、折角部分出現(xiàn)起泡、流掛、發(fā)花、凸起物密集[1]等缺陷。在汽車噴涂中的高壓一般在40～ 80 kV 之內(nèi)。為避免靜電效應(yīng)，通常折角區(qū)域的電壓設(shè)置為40～ 50 kV。

4 試噴涂、優(yōu)化調(diào)整以及數(shù)據(jù)備份

4.1 車身試噴涂

在車身不同部位粘貼試板卡用于檢驗(yàn)?zāi)ず?用膜厚儀測(cè)量)或進(jìn)行色差對(duì)比。實(shí)車試噴涂不但可以檢查噴涂效果，也再次驗(yàn)證仿形的槍距、速度等設(shè)置是否存在問題。發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問題后應(yīng)及時(shí)分析原因，并調(diào)整噴涂工藝參數(shù)或優(yōu)化仿形。

4.2 仿形的同步微調(diào)及優(yōu)化

仿形本應(yīng)在編制與調(diào)試階段進(jìn)行，但是有時(shí)因現(xiàn)場(chǎng)需要或遇到工藝參數(shù)方面無法處理的問題，需要微調(diào)仿形給予解決，如調(diào)整機(jī)器人的姿勢(shì)、噴涂移動(dòng)速率等。此時(shí)若還是離線編制程序，則時(shí)間往往不允許；若是現(xiàn)場(chǎng)示教，又需要生產(chǎn)停線。這就需要同步優(yōu)化仿形程序，不經(jīng)歷機(jī)器人現(xiàn)場(chǎng)示教階段，令修改的仿形立即在機(jī)器人上執(zhí)行。安川都林的Paint Studio(見圖11)就是一款能在線修改的工作平臺(tái)，可同步優(yōu)化在線的機(jī)器人仿形，調(diào)整過的仿形軌跡經(jīng)保存、下載，會(huì)立即執(zhí)行于當(dāng)前在線的機(jī)器人作業(yè)中。

圖11 仿形優(yōu)化界面Figure 11 Interface for profiling optimization

在做仿形同步優(yōu)化時(shí)一定要謹(jǐn)慎操作，結(jié)合現(xiàn)有工藝需要和以往經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化，調(diào)整仿形時(shí)注意機(jī)器人的姿勢(shì)、運(yùn)動(dòng)速率、槍距的修改，考慮是否會(huì)造成機(jī)器人進(jìn)入干涉區(qū)、出現(xiàn)軸極限位報(bào)警、發(fā)生砸車等風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)推理及經(jīng)驗(yàn)判斷確認(rèn)無誤后再下載到正在作業(yè)的機(jī)器人中執(zhí)行。因此，建議比較大幅度的仿形局部修改還是在停線時(shí)通過示教對(duì)點(diǎn)階段、模擬測(cè)試階段后確認(rèn)無誤，再到現(xiàn)場(chǎng)機(jī)器人的作業(yè)中執(zhí)行。

4.3 數(shù)據(jù)的備份

仿形和工藝參數(shù)是噴涂機(jī)器人的兩大核心數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)的安全性是十分重要的。各大設(shè)備廠商在噴涂工作臺(tái)配置的軟件中都具備定期備份或自動(dòng)備份每次修改前的數(shù)據(jù)等功能。但是，仍然建議1～ 3 個(gè)月至少手動(dòng)備份一次并存放在外置儲(chǔ)存介質(zhì)中(如移動(dòng)硬盤、光盤、U 盤等)，以備不時(shí)之需。在PLC(可編程邏輯控制器)異常停機(jī)或重啟時(shí)，應(yīng)確保PLC 程序中DB 塊中儲(chǔ)存的工藝參數(shù)和噴涂工作臺(tái)參數(shù)一致，若有異常及時(shí)處理，保證各項(xiàng)工藝數(shù)據(jù)正確無誤地執(zhí)行在噴涂系統(tǒng)中，才能確保車身按正確的工藝參數(shù)完成噴涂。

5 結(jié)語

車身噴涂仿形的編制和優(yōu)化直接奠定了機(jī)器人噴涂的基礎(chǔ)，各項(xiàng)噴涂參數(shù)在此之上又各自發(fā)揮不同的作用，致使噴涂呈現(xiàn)出不同的效果。仿形和工藝參數(shù)相輔相成，工藝參數(shù)之間相互影響、相互制約或補(bǔ)償，同時(shí)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)對(duì)各工藝參數(shù)的影響也應(yīng)充分考慮在內(nèi)。這些因素相互影響的同時(shí)，又受到整個(gè)噴涂系統(tǒng)環(huán)境(如噴房溫度、濕度、風(fēng)向等)的影響。所以，調(diào)試出良好的噴涂質(zhì)量效果，不光需要數(shù)據(jù)分析理論的支撐，更多的是需要現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)的積累。