機(jī)器人自動噴涂系統(tǒng)淺談

　　噴涂機(jī)器人又叫噴漆機(jī)器人（spray painTIng robot）， 是可進(jìn)行自動噴漆或噴涂其他涂料的工業(yè)機(jī)器人，1969年由挪威Trallfa公司（后并入ABB集團(tuán)）發(fā)明。噴漆機(jī)器人主要由機(jī)器人本體、計算機(jī)和相應(yīng)的控制系統(tǒng)組成，液壓驅(qū)動的噴漆機(jī)器人還包括液壓油源，如油泵、油箱和電機(jī)等。多采用5或6自由度關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)，手臂有較大的運動空間，并可做復(fù)雜的軌跡運動，其腕部一般有2～3個自由度，可靈活運動。較先進(jìn)的噴漆機(jī)器人腕部采用柔性手腕，既可向各個方向彎曲，又可轉(zhuǎn)動，其動作類似人的手腕，能方便地通過較小的孔伸入工件內(nèi)部，噴涂其內(nèi)表面。噴漆機(jī)器人一般采用液壓驅(qū)動，具有動作速度快、防爆性能好等特點，可通過手把手示教或點位示數(shù)來實現(xiàn)示教。噴漆機(jī)器人廣泛用于汽車、儀表、電器、搪瓷等工藝生產(chǎn)部門。

　　（1）柔性大。工作范圍大大。

　?。?）提高噴涂質(zhì)量和材料使用率。

　?。?）易于操作和維護(hù)?？呻x線編程，大大的縮短現(xiàn)場調(diào)試時間。

　?。?）設(shè)備利用率高。噴涂機(jī)器人的利用率可達(dá)90%-95%。

　　1、自動噴涂機(jī)器人針對空氣噴槍、靜電旋杯噴涂，可以通過機(jī)器人直接修改油漆吐出量、霧化控制氣壓以及噴幅控制氣壓等噴涂參數(shù)，極大地提高了控制噴涂工藝的效率。

　　2、自動噴涂機(jī)器人控制器是從安全、可靠和高效方面出發(fā)設(shè)計的機(jī)器人控制器。內(nèi)部模塊式的設(shè)計結(jié)構(gòu)使得功能升級以及維護(hù)更方便。針對噴涂應(yīng)用，內(nèi)部擁有獨立的空氣凈化控制模塊，其示教盤也是防爆的。

　　3、自動噴涂機(jī)器人噴涂控制柜，通過標(biāo)準(zhǔn)的模擬量輸出模塊控制吐出量、噴幅、霧化等噴涂參數(shù)。

　　4 自動噴涂機(jī)器人閉環(huán)控制輸供系統(tǒng)可自動調(diào)整流量，提供穩(wěn)定的液流和最佳的最終質(zhì)量。 集成的微動換色閥縮減了換色時間，減少浪費。

　　5、自動噴涂機(jī)器人針對噴涂應(yīng)用而設(shè)計的軟件，在工作程序中靈活調(diào)用?？深A(yù)設(shè)的噴涂參數(shù)有油漆吐出量、霧化控制氣壓以及噴幅控制氣壓等。利用這種功能，不需要實際運行傳送鏈就可以來測試在線跟蹤程序，從而提高示教的效率。

　　1、機(jī)器人主體

　　機(jī)器人主體即機(jī)座、臂部、腕部和終端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是一個帶有旋轉(zhuǎn)連接和AC伺服電機(jī)（見圖5）的6軸或7軸聯(lián)動的一系列的機(jī)械連接，使用輪系（齒輪傳動鏈）和RV（旋轉(zhuǎn)向量）型減速器。大多數(shù)噴涂機(jī)器人有3～6個運動自由度（對于帶軌道式機(jī)器人，一般將機(jī)器人本體在軌道上的水平移動設(shè)置為擴(kuò)展軸，稱為第7軸）。其中腕部通常有1～3個運動自由度。

　　驅(qū)動系統(tǒng)包括動力裝置和傳動機(jī)構(gòu)，用以使執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生相應(yīng)的動作，即每個軸的運動由安裝在機(jī)器人手臂內(nèi)的伺服電機(jī)驅(qū)動傳動機(jī)構(gòu)來控制。執(zhí)行機(jī)構(gòu)為靜電噴涂霧化器，不同品牌、不同型號的機(jī)器人手臂末端的接口不同，根據(jù)生產(chǎn)工藝可選擇不同的霧化器。

　　對于采用溶劑型油漆噴涂的系統(tǒng)，必須配備廢油漆廢溶劑清洗回收裝置，避免環(huán)境污染，達(dá)到環(huán)保生產(chǎn)的目的

　　2、機(jī)器人控制器

　　每一臺機(jī)器人設(shè)備都可以獨立地動作，而機(jī)器人控制器（簡稱“RC”）就是按照輸入的程序?qū)︱?qū)動系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令信號，控制單臺機(jī)器人設(shè)備運動軌跡的裝置。控制器內(nèi)的主要部件為與機(jī)器人手臂內(nèi)的伺服電機(jī)連接的伺服放大器及CPU模塊（見圖6），不同型號的機(jī)器人配備不同內(nèi)存的CPU，CPU內(nèi)存儲有用戶自定義數(shù)據(jù)及程序。CPU將程序數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成伺服驅(qū)動信號給伺服放大器，伺服放大器啟動伺服電機(jī)來控制機(jī)器人的運動。通常CPU模塊還具備通過與不同類型的I/O模塊連接實現(xiàn)與其他外部設(shè)備或機(jī)器人通信的作用。例如，與PLC的連接，這樣就可以通過操作控制臺來控制機(jī)器人的動作。一般一臺控制器獨立控制一臺機(jī)器人，隨著技術(shù)的發(fā)展和低成本化的進(jìn)程，目前已出現(xiàn)一臺控制器同時控制兩臺機(jī)器人運動的設(shè)備。

　　機(jī)器人示教器通過單根電纜與機(jī)器人控制器內(nèi)的CPU連接，不同品牌機(jī)器人的示教器內(nèi)安裝了不同的應(yīng)用軟件，功能也有所差異。通過示教器操作面板上的按鍵來操作軟件界面上的菜單?？梢詫崿F(xiàn)的主要功能為：直接編程、顯示用戶程序、操作機(jī)器人運動、預(yù)定義機(jī)器人位置、優(yōu)化用戶自定義程序和編輯系統(tǒng)變量等。

　　3、系統(tǒng)操作控制臺

　　系統(tǒng)操作控制臺（簡稱“SCC”）的主要功能是集成整個噴房硬件，實現(xiàn)系統(tǒng)自動化功能，包含系統(tǒng)所有與管理噴涂機(jī)器人活動相關(guān)的硬件及整合到每個噴房的相關(guān)硬件。例如，與噴房系統(tǒng)相關(guān)的安全互鎖繼電器、隔離光柵等。柜內(nèi)安裝有一個可編程邏輯控制器PLC（見圖7），以上硬件通過各種類型的I/O模塊與PLC通信。PLC通過I/O模塊接收噴房單元內(nèi)每一臺機(jī)器人及系統(tǒng)單元外圍設(shè)備的實時信號，包括與工廠主信息系統(tǒng)、其他機(jī)器人系統(tǒng)單元的數(shù)據(jù)交換，然后根據(jù)預(yù)先編制好的邏輯判斷程序?qū)λ占邮盏降男盘栕龀鱿鄳?yīng)的處理并發(fā)送結(jié)果變量給各相關(guān)系統(tǒng)。SCC的另一個主要功能就是能夠提供一個友好的操作界面實現(xiàn)人機(jī)交互，使整個系統(tǒng)在人的監(jiān)控下按人的意愿有序而穩(wěn)定地連續(xù)工作。一般將人機(jī)圖形交互系統(tǒng)，即一部電腦主機(jī)和顯示器整合到系統(tǒng)操作控制臺內(nèi)，電腦主機(jī)通過各種上層控制網(wǎng)絡(luò)與PLC連接。不同廠家的人機(jī)圖形交互系統(tǒng)電腦上裝有不同的用戶軟件，該軟件的人機(jī)界面上顯示了整個區(qū)域內(nèi)機(jī)器人系統(tǒng)的時實狀態(tài)和用戶操作菜單，可查尋相關(guān)的生產(chǎn)信息、報警等。大部分的設(shè)備操作都可通過操作SCC上的按鈕或選擇開關(guān)及人機(jī)交互界面上的菜單完成。

　　4、工藝控制柜

　　應(yīng)用自動噴涂機(jī)器人最主要的目的是將不同種類、不同顏色的油漆通過機(jī)器人的運動均勻地涂抹在車身表面上，而工藝控制柜（簡稱“PCE”）就是在電信號與潛在的揮發(fā)性油漆和溶劑間的相對安全接口，將電信號轉(zhuǎn)換為氣動信號。PCE柜內(nèi)部元器件見圖8，來自PLC的電信號觸發(fā)PCE柜內(nèi)的電磁閥，打開空氣（或真空）回路，通過一定的氣壓來驅(qū)動各個油漆或溶劑管路接口上的氣動閥，將各種不同顏色的油漆或溶劑供給機(jī)器人噴涂作業(yè)或清洗管路等動作使用。PCE的主要功能為控制噴涂工藝的各種動作，如換色、清洗等?？刂聘鞣N工藝參數(shù)，如油漆流量、霧化器旋杯轉(zhuǎn)速等。隨著機(jī)器人技術(shù)不斷發(fā)展至今，大部分品牌的噴涂機(jī)器人系統(tǒng)均采用閉環(huán)流控量制系統(tǒng)，通過在靠近終端執(zhí)行器的機(jī)器人手臂上安裝流量計或計量泵來達(dá)到精確控制油漆或溶劑實際輸出流量值和設(shè)定值之間的誤差。不同型號的機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可能會設(shè)計將此PCE的功能部件分別集成到其他系統(tǒng)空間內(nèi)而不是單獨形成一個工藝控制柜，這樣可以節(jié)約生產(chǎn)現(xiàn)場的場地資源，美化生產(chǎn)環(huán)境。

　　5、車型檢測系統(tǒng)

　　自動噴涂機(jī)器人具有很強(qiáng)的柔性生產(chǎn)能力，可同時噴涂各種不同形狀的車身。出于保護(hù)系統(tǒng)的原因，在車身進(jìn)入機(jī)器人噴房前對車身類型進(jìn)行檢測是非常必要的。一般采取在擦凈功能區(qū)前安裝若干對光電開關(guān)，并在離最近一對光電開關(guān)1m左右的輸送鏈基架上安裝一個接近開關(guān)。根據(jù)不同的生產(chǎn)現(xiàn)場及所生產(chǎn)的車型間的差異程度，通過PLC程序來設(shè)置不同的位置為檢測位置，并調(diào)整好光電開關(guān)的安裝位置。當(dāng)即將進(jìn)入噴房的車身到達(dá)檢測位置時，不同車型會觸發(fā)不同組合的電子眼，以此來檢測來自工廠信息系統(tǒng)的車型信息與車型檢測系統(tǒng)所檢測到的車型是否一致，如果不一致，系統(tǒng)將會產(chǎn)生報警并停止運行，需由操作員進(jìn)行人工確認(rèn)車型并在SCC的相應(yīng)界面上輸入正確的車型信息，PLC再將正確的車型信息分別發(fā)送到各個機(jī)器人控制器內(nèi)的CPU模塊，CPU將車型信息轉(zhuǎn)化為各種指令，機(jī)器人根據(jù)此指令來執(zhí)行不同的程序，達(dá)到根據(jù)不同的車型機(jī)器人執(zhí)行相應(yīng)不同的噴涂軌跡的目的。

　　注意，要將相鄰兩對電子眼的發(fā)射端和接收端錯開安裝，避免產(chǎn)生錯誤信息。

　　6、設(shè)置一個安全的、隔離的生產(chǎn)區(qū)域

　　由于機(jī)器人設(shè)備在正常的生產(chǎn)過程中是連續(xù)運行的，因此必須與人工區(qū)域嚴(yán)格隔離，以防止任何人身傷害事故的發(fā)生，實現(xiàn)安全生產(chǎn)。通常可分別在機(jī)器人自動噴涂區(qū)域的入口和出口處分別安裝一對安全光柵，在生產(chǎn)過程中，若有人誤闖入機(jī)器人自動噴涂區(qū)域，在安裝光柵的位置就會觸發(fā)光柵，系統(tǒng)產(chǎn)生相應(yīng)的報警并立即停止運行，防止發(fā)生人身傷亡及損壞設(shè)備的事故。但是，由于車身也必須通過安裝安全光柵的區(qū)域進(jìn)入自動噴涂區(qū)域，在這個過程中也會觸發(fā)光柵。為解決這個相互矛盾的問題，可在安裝安全光柵的位置前的輸送鏈基架邊上安裝一個屏蔽安全光柵的開關(guān)，當(dāng)運送車身的撬體運行到開關(guān)處就會觸發(fā)開關(guān)，給系統(tǒng)PLC一個信號，這個信號用來屏蔽安全光柵。為了確保更嚴(yán)格的區(qū)分是人還是車身進(jìn)入自動噴涂區(qū)域，更好的做法是在輸送鏈基架的兩側(cè)各安裝一個屏蔽開關(guān)，只有兩個開關(guān)都被觸發(fā)才能起到屏蔽安全光柵的作用。若有人誤闖也不會同時觸發(fā)兩端的屏蔽開關(guān)，安全光柵依然處于工作狀態(tài)，當(dāng)人處于安全光柵的位置時仍會觸發(fā)安全光柵。

　　7、車身直線跟蹤系統(tǒng)

　　運用于整車自動噴涂線的機(jī)器人，為了提高生產(chǎn)節(jié)拍，在噴涂作業(yè)過程中車身一直跟隨輸送鏈按照設(shè)定速度前進(jìn)，而不會脫離輸送鏈固定在某處供機(jī)器人噴涂作業(yè)。因此，每一臺機(jī)器人都必須知道在工作范圍內(nèi)每一臺車身的實時位置信息。直線跟蹤系統(tǒng)的硬件主要包括：脈沖編碼器、檢測開關(guān)和編碼器轉(zhuǎn)發(fā)器。根據(jù)用戶的喜好可以選擇不同的檢測開關(guān)，可以是觸點開關(guān)或光學(xué)開關(guān)，也可以是接近開關(guān)，當(dāng)車身隨著地面輸送鏈運動到檢測開關(guān)的位置時觸發(fā)檢測開關(guān)，脈沖編碼器開始計數(shù)，計算車身的實時位置。脈沖編碼器的輸入軸與地面輸送鏈的中心軸機(jī)械地相連，以獲取輸送鏈運動的同步信息。輸出軸連接到編碼器轉(zhuǎn)發(fā)器上。編碼器轉(zhuǎn)發(fā)器整合到SCC柜內(nèi)，通過編碼器轉(zhuǎn)發(fā)器，可將車身的實時位置信息發(fā)送到PLC及各個機(jī)器人控制器上。

　　8、電源分配柜

　　電源分配柜，顧名思義，就是分電配源。引入工廠總電源，根據(jù)機(jī)器人系統(tǒng)單元及外圍設(shè)備所需的電源值不同，分配給相應(yīng)電壓、電流值的電源?？梢赃x擇標(biāo)準(zhǔn)通用的EDS配電柜，也可根據(jù)用戶需求自行設(shè)計非標(biāo)配電柜。系統(tǒng)配置見圖9。