基于工業(yè)機器人的實木復(fù)合門單面噴漆生產(chǎn)線設(shè)計*

王 靜

（新疆農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學院農(nóng)業(yè)工程分院，新疆 昌吉 831100）

隨著時代的發(fā)展，科技的進步，我國的生產(chǎn)制造行業(yè)正逐漸向智能制造轉(zhuǎn)變[1-3]。傳統(tǒng)手工工藝的實木復(fù)合門造價高、耗時長，不能夠滿足大批量生產(chǎn)的需求，而現(xiàn)代科技發(fā)展推動機器人行業(yè)的發(fā)展，現(xiàn)代機器人技術(shù)可以通過操作者自己的程序設(shè)計，將要完成的動作通過軟件編程來實現(xiàn)，實木復(fù)合門單面噴漆生產(chǎn)線設(shè)計正是利用了機器人的智能化可編程性，代替了人工，解放了勞動力，提高了生產(chǎn)效率，能夠滿足市場大批量生產(chǎn)需求，同時降低企業(yè)生產(chǎn)成本[4-10]。

1 噴漆生產(chǎn)線工作站布局

1.1 噴漆生產(chǎn)線工作站組成

實木復(fù)合門的單面噴漆生產(chǎn)線設(shè)計中主要包含IRB4400運輸機器人、IRB1600清灰機器人、IRB580噴漆機器人、輸送帶、實木復(fù)合門、傳感器、吸盤、噴槍、工作臺、碼垛臺、導軌、電機、木刷、安全保護裝置以及專門的噴漆場所等。以傳送帶為基準，根據(jù)場地大小正確安放傳送帶，再根據(jù)機器人的工作范圍選擇適當?shù)奈恢冒卜旁O(shè)備，滿足工作要求前提下合理安放各部件。初步建立噴漆生產(chǎn)線工作站以后，對系統(tǒng)I/O板卡進行信號配置，編寫機器人工作規(guī)劃路徑程序，進行各系統(tǒng)之間的信號連接，并調(diào)試運行。

1.2 噴漆生產(chǎn)線總體布局

實木復(fù)合門單面噴漆生產(chǎn)線設(shè)計依據(jù)機器人和人工輔助設(shè)計而成。該工作站以機器人運動路徑規(guī)劃為主，以人工輔助操作彌補機器人工作不足及工作站可能出現(xiàn)的錯誤，從而保證噴漆效果。該工作站利用搬運機器人真空吸盤抓取實木復(fù)合門，在導軌的水平移動下將實木復(fù)合門由固定工作臺搬運至傳送帶上。

1）電機工作帶動傳送帶運行，傳送帶開端設(shè)有傳感器，在檢測到實木復(fù)合門信號后，將信號傳送給輸送系統(tǒng)，輸送系統(tǒng)開始工作，然后由打磨工具對實木復(fù)合門兩邊進行打磨。隨后輸送系統(tǒng)將工件輸送到機器人清灰工位，工件定位完成后，會將到位信號傳送給機器人系統(tǒng)。

2）機器人系統(tǒng)接收信號開始工作，按照事先編寫好的路徑程序?qū)嵞緩?fù)合門表面進行清灰操作，實木復(fù)合門工位處設(shè)有一個傳感器，當清灰操作完成后，機器人系統(tǒng)發(fā)送完成信號給傳感器，傳感器檢測工件并傳送給輸送系統(tǒng)，輸送系統(tǒng)將工件輸送到機器人噴漆工位，工件定位完成后，會將到位信號傳給機器人系統(tǒng)。

3）機器人系統(tǒng)接收信號開始工作，依照編寫好的噴漆程序?qū)嵞緩?fù)合門表面進行兩遍噴漆，整個噴漆運動路徑為“S”型，在整個的噴漆固化過程中傳送帶上裝有防護裝置，避免廢料對傳送帶造成破壞，在傳送帶下面設(shè)有廢料收集裝置，將噴漆固化過程產(chǎn)生的廢料、廢渣收集到一塊，最后流入鐵桶內(nèi)。當噴漆操作完成后，機器人系統(tǒng)發(fā)送完成信號給傳感器。

4）傳感器檢測工件并將信號傳給輸送系統(tǒng)，輸送系統(tǒng)將工件轉(zhuǎn)移出噴漆房，在傳送帶的末端滑到工作臺上，由人工將實木復(fù)合門搬運并放入碼垛臺上。

2 噴漆生產(chǎn)線硬件構(gòu)成

2.1 機器人工具

要保證噴漆效果好，需保證實木復(fù)合門不被破壞，同時做好噴漆固化過程工作、選取合適的噴槍。因此，選取合適的機器人工具尤為重要。

1）對于抓取工具的選擇。目的是能夠?qū)嵞緩?fù)合門牢固吸附以及平穩(wěn)放置在傳送帶上，而且需要選擇能夠承受40 kg工作載荷的真空吸附式吸盤機械手。真空吸盤承受的總重量為40 kg，由于實木復(fù)合門表面平整不變形，可以采用平行吸盤，吸盤需要均勻放置，目的是對工件形成均衡的吸附力。

2）對噴漆工具選擇。需要根據(jù)實木復(fù)合門尺寸來確定，對實木復(fù)合門較大面積處的噴漆，可以選擇噴槍的口徑為0.6 mm～1.3 mm，噴槍口徑選擇也需要以需噴油漆的面積作為參考。選擇靜電噴槍中的液體噴槍可以極大提高實木復(fù)合門的上漆率，減少油漆浪費。

首先，要想有效地實行“翻轉(zhuǎn)課堂”，學校應(yīng)該完善信息技術(shù)軟硬件設(shè)備，學校機房應(yīng)該在課余時間隨時向?qū)W生開放，以方便學生觀看視頻錄像自主學習。

2.2 機器人選擇

1）機器人的抓取工作對環(huán)境要求不高，根據(jù)實木復(fù)合門的尺寸可以選擇相適應(yīng)的機器人。選取的IRB機器人需滿足必要的承重，以及具有合適的高度，在其工作范圍內(nèi)能夠靈活運動，將實木復(fù)合門放置到傳送帶上，使實木復(fù)合門與傳送帶平行放置。選取IRB4400機器人可以滿足條件，保證噴漆質(zhì)量以及合適速度。機器人實景圖如圖1（a）所示。

2）實木復(fù)合門噴漆前需要對其表面清灰，否則會影響噴漆效果。對于清灰機器人類型的選擇，要確保清灰機器人的工作范圍能夠涵蓋實木復(fù)合門的上表面，機器人對環(huán)境的要求不大，選取IRB1600機器人可以滿足條件，保證清灰工作效果。機器人實景圖如圖1（b）所示。

3）實木復(fù)合門噴漆是噴漆生產(chǎn)線設(shè)計關(guān)鍵。噴漆工作環(huán)境需要專門定制，對于噴漆機器人類型的選擇，需要考慮實木復(fù)合門的尺寸、承重，選擇噴漆空間范圍內(nèi)適合的噴漆機器人，目的是確保噴漆機器人的工作范圍能夠涵蓋實木復(fù)合門的噴漆表面，還需要根據(jù)噴漆工具的類型選擇合適的噴漆機器人，噴漆的形式也是重要的參考，選取IRB580機器人可滿足條件，保證噴漆均勻以及速度合適。機器人實景圖如圖1（c）所示。

圖1 機器人實景圖

3 機器人系統(tǒng)方案設(shè)計及主要參數(shù)

3.1 工作站布局

噴漆生產(chǎn)線需要RobotStudio軟件進行編程、仿真，以能在現(xiàn)場環(huán)境模擬機器人運作。根據(jù)需求對輥子輸送帶、實木復(fù)合門、真空吸附式吸盤機械手、噴槍、木刷、工作臺、碼垛臺以及專門的噴漆場所等建立3D模型。創(chuàng)建必要的機器人系統(tǒng)，待建模完成后，通過RobotStudio軟件將數(shù)據(jù)導入已建立好的機器人系統(tǒng)中，根據(jù)工作內(nèi)容編寫路徑程序，并通過仿真調(diào)試模擬實物操作，發(fā)現(xiàn)其中存在的問題，從而避免在實際硬件中一些操作失誤對設(shè)備造成破壞，提高工作效率。噴漆生產(chǎn)線工作站總布局圖如圖2所示。

圖2 噴漆生產(chǎn)線工作站總布局圖

3.2 工業(yè)機器人的參數(shù)

1）IRB4400機器人：承重60 kg，最大工作半徑1.96 m，軸數(shù)6個，重復(fù)定位精度0.19 mm，底座尺寸920 mm×640 mm，本體質(zhì)量1 040 kg，外部接入電源范圍為200 V～600 V、頻率范圍為50 Hz～60 Hz，控制柜防護等級為IP54，單元可接受的溫度范圍為5 ℃～45 ℃，噪聲水平最高70 dB（A），相對濕度最高95%。IRB4400機器人整體結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖3所示。

圖3 IRB4400機器人整體結(jié)構(gòu)參數(shù)

2）IRB580噴漆機器人：承重能力10 kg，軸數(shù)6個，手臂長度為1 220 mm，底座尺寸660 mm ×750 mm，本體質(zhì)量627 kg，外部接入電源范圍為200 V～600 V、頻率范圍為50 Hz～60 Hz，控制柜防護等級IP67，單元可接受的溫度范圍為5 ℃～45 ℃，位姿精度0.3 mm，路徑精度范圍為±3 mm，安全性達到緊急停、啟動裝置、普通方式停、自動方式停、測試方式停、控制柜互鎖要求。IRB580機器人整體結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖4所示。

圖4 IRB580機器人整體結(jié)構(gòu)參數(shù)

3）IRB1600清灰機器人：承重能力6 kg，軸數(shù)6個，手臂長度為1 200 mm，底座尺寸484 mm×684 mm，本體質(zhì)量250 kg，外部接入電源范圍為200 V～600 V、頻率范圍為50 Hz～60 Hz，功耗0.58 kW，控制柜防護等級為IP67，單元可接受的溫度范圍為5 ℃～45 ℃，重復(fù)定位精度0.02 mm，路徑定位精度0.13 mm，安全性達到雙回路監(jiān)控、緊急停機要求。IRB1600機器人整體結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖5所示。

圖5 IRB1600機器人整體結(jié)構(gòu)參數(shù)

3.3 離線程序編程

1）搬運機器人的I/O信號創(chuàng)建。新建Signal，重啟示教器后在事件管理器添加I/O 信號觸發(fā)器。IRB4400的I/O system的具體參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 IRB4400的I/O系統(tǒng)的具體參數(shù)設(shè)置

2）SmartComponet-1輸送帶的設(shè)計。利用SmartComponet-1創(chuàng)建傳感器及輸送系統(tǒng)，系統(tǒng)界面參數(shù)設(shè)置如圖6、圖7所示。

圖6 LineSensor屬性

圖7 LineMover2屬性

3）清灰機器人的I/O信號。在控制器配置中添加信號：添加信號類型為數(shù)字輸入信號，信號名稱為M；添加信號類型為數(shù)字輸出信號，信號名稱為W1。

4）SmartComponet-2輸送帶的設(shè)計。SmartComponet-2控制傳送帶將實木復(fù)合門從清灰機器人處運動到噴漆場所內(nèi)部。系統(tǒng)界面參數(shù)設(shè)置如圖8、圖9所示。

圖8 LinearMover2屬性

圖9 LineSensor屬性

5）噴漆機器人的I/O信號。在控制器配置中添加信號：添加信號類型為數(shù)字輸入信號，信號名稱為PT；添加信號類型為數(shù)字輸出信號，信號名稱為QC。

6）SmartComponet-3輸送帶的設(shè)計。SmartComponet-3控制傳送帶將實木復(fù)合門從噴漆場所內(nèi)部運動到傳送帶末尾。系統(tǒng)界面參數(shù)設(shè)置如圖10、圖11所示。

圖10 LinearMover2屬性

圖11 LineSensor-2屬性

3.4 工作站運行和調(diào)試

1）示教器調(diào)試。利用示教器將機器人系統(tǒng)所要編程的路徑軌跡程序單獨調(diào)試，調(diào)試成功后將噴漆需要的部件導入工作站中，合理放置位置。在機器人系統(tǒng)的路徑與步驟中找到機器人系統(tǒng)的軌跡路徑程序，通過對工業(yè)機器人示教器進行程序調(diào)試，并檢測機器人工作范圍是否有干涉、信號連接是否正確、路徑指令程序是否正確等。若仿真播放運行工作站成功，將工作站保存。

2）仿真工作站運行。將上述工作準備完畢后，檢查并測試程序沒有錯誤，以及機器人運動不存在問題后，在RobotStudio界面進行仿真演示，在功能選項中點擊錄制視圖，保存并命名，最后生成exe文件。

4 結(jié)論

1）基于工業(yè)機器人的實木復(fù)合門單面噴漆生產(chǎn)線主要由IRB4400運輸機器人、IRB1600清灰機器人、IRB580噴漆機器人、輸送帶、實木復(fù)合門、傳感器、吸盤、噴槍以及專門的噴漆場所等部分組成，具有生產(chǎn)效率高、噴漆效果均勻等特點。

2）選取IRB4400機器人可以保證噴漆質(zhì)量以及速度合適，選取IRB1600機器人可以保證對實木復(fù)合門的清灰工作質(zhì)量，選取IRB580機器人可以保證實木復(fù)合門的噴漆均勻以及速度合適。

3）設(shè)計了工作站布局圖，并進行了工作站的搭建，然后進行離線編程及調(diào)試，接著編寫相關(guān)的運行程序，最后進行離線仿真實驗完成整個生產(chǎn)線的設(shè)計。