室內(nèi)智能噴涂機(jī)器人噴涂技術(shù)研究

劉國(guó)虬

（廣東博智林機(jī)器人有限公司，廣東 佛山 528312）

國(guó)內(nèi)建筑物的噴涂施工為裝修工程的常見工序，包括室內(nèi)噴涂、外墻噴涂、地坪涂覆等工序，這些工序在我國(guó)基本還停留在人工作業(yè)階段。傳統(tǒng)噴涂施工主要存在以下缺點(diǎn)：外墻噴涂工序?qū)儆诟呖兆鳂I(yè)，存在嚴(yán)重的安全隱患；涂料含有毒物質(zhì)，對(duì)工人有致癌作用；工人的技術(shù)水平會(huì)影響涂層的質(zhì)量；傳統(tǒng)手工噴涂效率低[1]。

噴涂機(jī)器人常見的移動(dòng)方式有導(dǎo)軌式、爬壁式和移動(dòng)式等。對(duì)于建筑室內(nèi)環(huán)境，移動(dòng)式噴涂機(jī)器人工作自由度較高，能靈活應(yīng)對(duì)多種復(fù)雜作業(yè)對(duì)象，具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，因此備受推崇[2]。

為解決傳統(tǒng)的墻面施工問題，應(yīng)用智能機(jī)器人來進(jìn)行作業(yè)，提高墻體立面噴涂效率解決目前用工少、噴涂質(zhì)量參差不齊等問題。目前我司某型號(hào)智能噴涂機(jī)器人對(duì)比手工噴涂具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，基于BIM 技術(shù)，可用于復(fù)雜施工場(chǎng)景的高效智能室內(nèi)噴涂機(jī)器人，可以在不需要人工的情況下沿預(yù)定線路完成墻面噴涂作業(yè)，人力減少66%；噴涂時(shí)間減少60%；噴涂費(fèi)用減少35%，效率提升明顯，但其自動(dòng)化程度尤其噴涂技術(shù)的改進(jìn)仍需進(jìn)一步加強(qiáng)。

保證涂層均勻分布的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃一直是具有挑戰(zhàn)性的研究課題。合理的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡對(duì)于噴涂表面質(zhì)量有很大影響：噴槍需要在墻面表面噴涂過程中與墻面表面保持特定的距離角度；薩摩噴槍需要在噴涂過程中保持特定運(yùn)動(dòng)速度。為了實(shí)現(xiàn)引導(dǎo)噴涂機(jī)器人末端噴槍沿規(guī)劃軌跡對(duì)目標(biāo)墻面表面進(jìn)行噴涂，通常采用人工示教和自動(dòng)規(guī)劃2 種方法[3]。

1 噴涂機(jī)器人的結(jié)構(gòu)組成

如圖1 所示，智能室內(nèi)噴涂機(jī)器人機(jī)架本體內(nèi)設(shè)有兩級(jí)提升機(jī)構(gòu)，兩級(jí)提升機(jī)構(gòu)可沿Y軸上下移動(dòng)。兩級(jí)提升機(jī)構(gòu)上設(shè)有噴槍機(jī)構(gòu)，噴槍機(jī)構(gòu)可以沿著X軸左右移動(dòng)。激光雷達(dá)視覺傳感器設(shè)于機(jī)架本體下端正前方，用于獲取架體所處位置與障礙物之間的距離，且控制器與激光雷達(dá)視覺傳感器連接，以通過激光雷達(dá)視覺傳感器檢測(cè)的距離確定機(jī)架本體所處空間的戶型信息。機(jī)器人機(jī)架本體底部設(shè)有底盤移動(dòng)組件，控制器憑借激光傳感器以及預(yù)先存儲(chǔ)在控制器內(nèi)的程序，根據(jù)戶型信息對(duì)應(yīng)的噴涂路徑控制移動(dòng)組件的運(yùn)動(dòng)，完成噴涂作業(yè)。

圖1 智能室內(nèi)噴涂機(jī)器人

2 噴涂機(jī)器人工作流程

智能噴涂機(jī)器人工作流程如圖2 所示。噴涂機(jī)器人首先通過視覺傳感器獲取所在位置的戶型結(jié)構(gòu)信息，通過與存儲(chǔ)器中預(yù)先存儲(chǔ)的戶型圖進(jìn)行對(duì)比，確定與噴涂機(jī)器人當(dāng)前所在戶型結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的戶型圖，然后控制裝置控制噴涂機(jī)器人按照確定的戶型圖對(duì)應(yīng)的噴涂路徑進(jìn)行移動(dòng)，使得噴涂機(jī)器人根據(jù)視覺傳感器獲取的實(shí)時(shí)信息，自主規(guī)劃噴涂路線，提高作業(yè)效率。

圖2 智能噴涂機(jī)器人工作流程圖

在噴涂機(jī)器人作業(yè)時(shí)，噴涂機(jī)器人移動(dòng)至噴涂路徑的任一噴涂位置時(shí)，控制噴涂機(jī)器人到達(dá)指定位置，使得噴涂機(jī)器人可以根據(jù)噴涂需求，在噴涂路徑的任一位置停止，通過自身兩級(jí)提升機(jī)構(gòu)控制噴涂機(jī)器人的噴槍旋轉(zhuǎn)或移動(dòng)，控制噴槍進(jìn)行噴涂作業(yè)。當(dāng)噴涂機(jī)器人停止移動(dòng)時(shí)，由于機(jī)架本體相對(duì)地面靜止，噴涂機(jī)器人具有較高的穩(wěn)定性，因此在噴槍噴涂作業(yè)時(shí)，更加穩(wěn)定，提高噴涂作業(yè)的準(zhǔn)確性。此外，在噴涂機(jī)器人沿噴涂路徑移動(dòng)的過程中，還可以通過噴涂機(jī)器人的提升機(jī)構(gòu)控制噴涂機(jī)器人的噴槍的移動(dòng)，且控制噴槍進(jìn)行噴涂，使噴涂機(jī)器人一邊移動(dòng)，一邊進(jìn)行噴涂作業(yè)，以提高噴涂作業(yè)效率。

3 噴涂機(jī)器人噴涂技術(shù)研究

3.1 智能噴涂機(jī)器人需求說明

目前噴涂工藝主要包括底漆、面漆。人工施工一般是大面積采用噴涂，小面積采用刷漆或者輥涂，封閉底漆的使用對(duì)保證過程質(zhì)量有很大的作用。根據(jù)現(xiàn)有工藝，智能噴涂機(jī)器人設(shè)有一道面漆，兩道底漆工藝，而每一種漆的噴涂又有不同的要求。需要噴涂機(jī)器人噴完后不能有色差、漏噴以及流墜現(xiàn)象等現(xiàn)象。

3.2 噴頭、噴涂機(jī)的選型

針對(duì)工程驗(yàn)收質(zhì)量檢測(cè)的實(shí)際需求，結(jié)合智能噴涂機(jī)器人本體安裝的實(shí)際情況，選取目前主流的噴涂機(jī)固瑞克UltraMax II 595PC Pro 噴涂機(jī)（圖3），斯普瑞噴頭及固瑞克517 噴頭。

圖3 固瑞克UltraMax II595PC Pro噴涂機(jī)

噴涂機(jī)安裝于機(jī)器人本體內(nèi)部，噴槍噴頭安裝于機(jī)器人噴涂機(jī)構(gòu)末端，末端采用中空旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，因此整個(gè)噴涂機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)X、Y、Z軸移動(dòng)以及旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)360°無死角噴涂，圖4 為機(jī)器人末端噴涂系統(tǒng)。

圖4 機(jī)器人末端噴涂系統(tǒng)

3.3 噴涂機(jī)器人噴涂路徑

對(duì)于建筑物室內(nèi)立面的噴涂，智能機(jī)器人機(jī)械臂可以上線移動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)立面的噴涂，圖5 是機(jī)器人噴涂線路示意圖。配合地盤AGV 以及激光傳感器，可以實(shí)現(xiàn)地面左右、前后的移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)各方向的噴涂作業(yè)。

圖5 機(jī)器人噴涂路徑

4 噴涂機(jī)器人噴涂細(xì)化實(shí)驗(yàn)研究

為了摸清噴涂距離、速度、壓力等對(duì)機(jī)器人噴涂質(zhì)量的影響，設(shè)計(jì)本實(shí)驗(yàn)。圖6 為噴嘴與墻面距離、噴幅之間示意圖。

圖6 噴涂示意圖

實(shí)驗(yàn)定量：選用固瑞克390 噴涂機(jī)，噴嘴為固瑞克517；材料為立邦內(nèi)墻底漆GZB-P390 與水的混合溶液，體積比為3∶1；噴涂壓力分別為100bar、120bar、150bar；噴嘴移動(dòng)速度分別為500mm/s、700mm/s、900mm/s；墻面含水率＜10%。噴涂對(duì)象為一塊已經(jīng)刮好膩?zhàn)訉影澹▓D7）。

圖7 膩?zhàn)訉影?/p>

每毫米涂料撞擊體積=有效噴幅×涂料厚度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1 所示。

表1 不同壓力、速度下的噴涂效果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，噴嘴至墻面距離增加，有效噴幅呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，涂料厚度總體呈減小趨勢(shì)，每毫米涂料撞擊體積總體呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)；噴嘴移動(dòng)速度增加，每毫米涂料撞擊體積減小。

根據(jù)同樣的方案，對(duì)第一道面漆、第二道面漆做同樣的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，噴涂機(jī)控制壓力100bar，噴嘴移動(dòng)速度為500mm/s，噴頭距離墻面600mm 時(shí)，效果比較理想，涂料厚度約為75μm。無流墜，無透底現(xiàn)象，噴涂質(zhì)量合格。圖8 為最終噴涂結(jié)果。

圖8 最終噴涂質(zhì)量

5 結(jié)論

本文基于室內(nèi)智能噴涂機(jī)器人下的噴涂技術(shù)研究，針對(duì)機(jī)器人結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、噴涂機(jī)、噴嘴、線路規(guī)劃等，研究出適合機(jī)器人噴涂的噴涂技術(shù)，得到了整機(jī)噴涂下的最優(yōu)方案，主要得到了以下結(jié)論。

1）噴涂底漆，第一道面漆、第二道面漆均可以采用同樣的噴涂機(jī)以及噴嘴，控制噴涂機(jī)工作壓力為100bar，噴頭距離墻面600mm，噴頭移動(dòng)速度為500mm/s 時(shí)效果最佳。

2）對(duì)于噴涂系統(tǒng)，尤其噴嘴的清洗要求較高，每次噴涂完成噴嘴內(nèi)外表面及時(shí)需要清洗，否則容易出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，自動(dòng)清洗技術(shù)有待提高。

3）機(jī)器人替代人工進(jìn)行噴涂作業(yè)是可行的，尤其在地下車庫(kù)等大面積的作業(yè)場(chǎng)景下，噴涂效率更高。噴涂機(jī)器人的自動(dòng)加料，提升噴涂機(jī)器人的作業(yè)覆蓋率和實(shí)用性是后續(xù)主要的研究方向。