姚亞夫 ，龔理，，羅昌杰

（1.中南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410083；2.中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院 精密工程中心，廣東 深圳 518055）

1 引言

我國(guó)是全球最大的玩具生產(chǎn)制造國(guó)，尤其是珠三角地區(qū)玩具廠家數(shù)量眾多［1］。作為傳統(tǒng)的勞動(dòng)密集型行業(yè)，玩具噴漆自動(dòng)化水平較低。近年來隨著國(guó)家對(duì)工人勞動(dòng)環(huán)境和勞動(dòng)強(qiáng)度的監(jiān)督管理日益嚴(yán)格，人力成本的大幅提高，產(chǎn)業(yè)已面臨發(fā)展的瓶頸，亟待產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和技術(shù)升級(jí)換代，發(fā)展自動(dòng)化設(shè)備是唯一出路［2］。

目前在塑料玩具行業(yè)中，主要采用遮蓋式噴涂對(duì)玩具上色。這種噴涂方式要借助模具套模，工藝極為煩瑣和復(fù)雜，嚴(yán)重依賴經(jīng)驗(yàn)豐富的技工，且噴漆效率低下，工作環(huán)境也最為惡劣，以至從事此項(xiàng)工作的人員越來越少，招工困難的現(xiàn)象也日益嚴(yán)重。而由于人工操作的缺陷，造成高檔類玩具手工噴漆效果欠佳、個(gè)性差異較大，合格率不高，因此迫切需要自動(dòng)化噴漆裝備。

玩具噴漆雖然屬于噴涂行業(yè)的一類，目前主導(dǎo)的噴漆加工設(shè)備-噴涂往復(fù)機(jī)（包括三軸、四軸、五軸、六軸、七軸機(jī)械手往復(fù)機(jī)）、自動(dòng)分度往復(fù)噴漆機(jī)、內(nèi)壁自動(dòng)噴漆機(jī)、全方位數(shù)控打版機(jī)，甚至是ABB、FANUC 等國(guó)際知名品牌的六軸噴涂機(jī)器人對(duì)被噴件都是采用整體噴涂，自動(dòng)噴涂行業(yè)還沒有很好地解決玩具噴漆中的這種遮蓋式局部噴涂。而且由于玩具的個(gè)性差異極大，噴涂表面顏色種類繁多，玩具的新產(chǎn)品開發(fā)和市場(chǎng)化更新率極快，對(duì)噴漆裝備的要求極高，傳統(tǒng)的噴涂機(jī)不能滿足也不適合玩具行業(yè)。為促進(jìn)傳統(tǒng)加工企業(yè)的產(chǎn)業(yè)升級(jí)，使工人從玩具噴漆行業(yè)的惡劣工作環(huán)境中解放出來，迫切需要攻克這個(gè)技術(shù)難關(guān)。

為此，首先對(duì)玩具遮蓋噴涂工藝進(jìn)行了研究，對(duì)其實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化進(jìn)行了設(shè)計(jì)，研制出了針對(duì)遮蓋式噴涂的專用機(jī)器人。本文詳細(xì)介紹了機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程。通過生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性。

2 自動(dòng)化噴涂研究

2.1 玩具噴涂工藝

玩具噴漆主要采用的是一種遮蓋式局部噴涂工藝，主要工藝如圖1 所示。在玩噴涂前首先要制作相應(yīng)的銅模，銅模把玩具不需要噴涂部分遮住，需要噴涂的部分裸露在外面，玩具噴涂時(shí)銅模與玩具的配合稱之為合模，其效果如圖2 所示。銅模與玩具配合要求比較高，尤其是糖膠類軟玩具對(duì)合模的配合精度要求非常高。

圖1 玩具噴漆基本工藝

圖2 某款玩具公仔合模圖

玩具噴涂時(shí)要求上色邊界輪廓清晰。由于銅模有一定的厚度，模與玩具配合存在一定的誤差，銅模和玩具有間隙，容易出現(xiàn)飛油（油漆噴涂超過了指定的輪廓線）的現(xiàn)象。

為了使得工件噴涂的漆膜厚度均勻，不產(chǎn)生色差、斑馬紋、流掛和橘皮等缺陷，噴涂過程中盡量保持噴槍的位置始終與噴涂面的距離保持一致，姿態(tài)與噴涂面的法向一致，且噴槍所行走的軌跡視玩具的表面情況而定［3］。由于玩具之間差異性很大，每款玩具的噴涂方式都不相同。目前一般每個(gè)玩具噴涂的時(shí)間大約為10s。

銅模經(jīng)過多次噴涂后，表面會(huì)覆蓋油漆，影響遮蓋效果，使噴漆輪廓不清晰。因此經(jīng)過多次噴涂后需要清洗銅模。銅模的清洗主要包括以下幾個(gè)步驟：用軟膠模具與銅模配合；加入適量清洗液；用毛刷反復(fù)洗刷銅模；吹除上表面雜質(zhì)同時(shí)吹干銅模；移開軟膠模具；由于會(huì)有少許液體滲入銅模下表面，還要對(duì)下表面吹干，否則噴漆表面會(huì)出現(xiàn)水跡現(xiàn)象。其中清洗銅模的時(shí)間約為35s。

2.2 自動(dòng)化工藝設(shè)計(jì)

自動(dòng)化工藝設(shè)計(jì)，主要以提高效率為優(yōu)化目標(biāo)，兼顧成本和環(huán)保。

為了提高生產(chǎn)效率，每次噴涂一個(gè)玩具顯然不行。因此在自動(dòng)化設(shè)計(jì)時(shí)，需要一次合模多個(gè)玩具，這樣對(duì)機(jī)械的精度提出了很高的要求，同時(shí)機(jī)構(gòu)需要一定的自校正能力，來吸收誤差，保證合模的精度。

從現(xiàn)有手工噴涂工藝可以看出，清洗銅模消耗的時(shí)間比較多。特別是一次合模多個(gè)玩具時(shí)，清洗范圍更大，清洗花費(fèi)的時(shí)間更長(zhǎng)。因此在自動(dòng)化噴涂設(shè)計(jì)時(shí)使用兩塊銅模，分別設(shè)置在兩個(gè)工位上，一個(gè)工位進(jìn)行噴涂，另一個(gè)工位進(jìn)行清洗。兩個(gè)工位獨(dú)立運(yùn)行，保證每次需要更換銅模時(shí)，清洗工位上的銅模已經(jīng)清洗干凈。由于一次合模多個(gè)玩具，上下料的時(shí)間也會(huì)比較久，自動(dòng)化工藝設(shè)計(jì)時(shí)也考慮設(shè)兩個(gè)工位，一個(gè)工位上下料，一個(gè)工位進(jìn)行合模噴漆。兩工位并行工作，提高效率。

由于玩具差異性比較大，每款玩具不同部位噴涂的方式也各不相同，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自主軌跡規(guī)劃不太現(xiàn)實(shí)。所以噴涂過程需要采用示教編程的方式［4］。

3 機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖3 噴漆機(jī)器人主要結(jié)構(gòu)

噴漆機(jī)器人機(jī)械機(jī)構(gòu)如圖3 所示，主要由噴漆機(jī)械手、清洗機(jī)械手、前合模裝置、后合模裝置、送料轉(zhuǎn)盤、銅模轉(zhuǎn)盤、機(jī)架等組成。

3.1 送料模塊

為了提高效率，送料轉(zhuǎn)盤通過氣缸驅(qū)動(dòng)齒輪齒條運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)180°往復(fù)旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)雙工位工作，可以同時(shí)進(jìn)行合模噴漆和上料卸料操作。銅模轉(zhuǎn)盤同理實(shí)現(xiàn)雙工位工作，一側(cè)合模噴漆，一側(cè)清洗，兩工位相互獨(dú)立，同時(shí)工作，這樣只需要兩套模具即可實(shí)現(xiàn)高速自動(dòng)化的噴漆，有效地節(jié)省了模具的費(fèi)用；為了確保送料轉(zhuǎn)盤和銅模轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)的精度，都設(shè)有外部機(jī)械輔助定位。當(dāng)氣缸驅(qū)動(dòng)送料盤旋轉(zhuǎn)到位后，送料定位鎖伸出與送料轉(zhuǎn)盤上的導(dǎo)向孔配合，實(shí)現(xiàn)180°的精確旋轉(zhuǎn)。送料轉(zhuǎn)盤，銅模轉(zhuǎn)盤、前合模裝置、后合模裝置、采用同一基準(zhǔn)固定，可以大大減少位置誤差，從而保證精確套模。如圖4 所示。

圖4 送料模塊主要結(jié)構(gòu)

3.2 噴漆機(jī)械手

考慮到成本和控制方便，選用直角坐標(biāo)機(jī)械手作為噴漆機(jī)械手，其結(jié)構(gòu)如圖5 所示，包括4（3S+R）個(gè)自由度，所有軸都由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。通過同步帶傳動(dòng)，可以減少急停和快速啟動(dòng)時(shí)的沖擊，防止過載造成電機(jī)丟步。為了提高噴涂效率，噴漆機(jī)械手上設(shè)有兩個(gè)噴頭，成一定角度設(shè)置（角度可調(diào)），每個(gè)噴頭獨(dú)立控制。

圖5 噴漆機(jī)械手

3.3 清洗機(jī)械手

同樣，為了降低成本，清洗機(jī)械手采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的直角坐標(biāo)機(jī)械手。其結(jié)構(gòu)如圖6 所示，包括3個(gè)自由度。銅模的清洗是一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，清洗的效果將直接影響噴漆的質(zhì)量，為了減少成本，通過交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)偏心軸旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)毛刷的振動(dòng)。清洗機(jī)械手上固定有上吹干裝置和噴清洗液裝置（圖示未標(biāo)出）。

圖6 噴漆機(jī)械手

3.4 廢氣、廢漆凈化回收系統(tǒng)

圖7 清洗液多重過濾系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為了改善工作環(huán)境和減少污染，噴漆與清洗都在密閉的工作區(qū)間內(nèi)進(jìn)行，廢氣通過抽風(fēng)設(shè)備抽走后凈化處理。清洗銅模的清洗液中含有大量廢漆雜質(zhì)和有機(jī)溶劑，通過清洗液循環(huán)利用裝置對(duì)清洗液回收再利用，其結(jié)構(gòu)如圖7 所示。清洗液經(jīng)過不銹鋼濾網(wǎng)過濾，大塊未溶解的油漆從清洗液中脫離出來，防止油漆二次溶解，降低清洗液溶解能力。過濾后的清洗液再經(jīng)沉淀、滲透后，可以循環(huán)使用。

4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 硬件控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

Euro209 是Trio 公司一款基于DSP 和FPGA（Fieldprogrammable Gate Array，現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列）的具有開放式結(jié)構(gòu)的高性能、高可靠性、高集成的數(shù)字運(yùn)動(dòng)控制器。它采用32 位120MHz DSP 處理技術(shù)，可提供多達(dá)九軸的精密步進(jìn)或伺服控制，能實(shí)現(xiàn)多軸直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)，并且集成了數(shù)字及模擬I/O、通訊接口和擴(kuò)展軸接口［5］?；赥rio 運(yùn)動(dòng)控制器的開放式數(shù)控系統(tǒng)硬件構(gòu)成如圖8 所示。

圖8 噴漆機(jī)器人的硬件結(jié)構(gòu)

PC的主要作用是程序編寫、下載和調(diào)試。與運(yùn)動(dòng)控制卡通過以太網(wǎng)接口（Ethernet）連接，實(shí)現(xiàn)雙向高速數(shù)據(jù)訪問。觸摸屏作為人機(jī)界面，通過RS232 串口與運(yùn)動(dòng)控制器通信，主要作用是實(shí)現(xiàn)數(shù)控編程與保存、向Euro209 發(fā)出運(yùn)動(dòng)控制指令、監(jiān)控運(yùn)動(dòng)控制器及機(jī)器人狀態(tài)和相關(guān)參數(shù)等功能。

運(yùn)動(dòng)控制器上的軸控制模塊提供了伺服電機(jī)/步進(jìn)電機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)接口，很方便地控制機(jī)器人七個(gè)步進(jìn)軸的運(yùn)動(dòng)，通過開關(guān)量I/O 接口，運(yùn)動(dòng)控制器不僅可以接收限位開關(guān)和零點(diǎn)開關(guān)信號(hào)，還可以控制氣缸、清洗液泵、油漆泵的的運(yùn)行。Trio 運(yùn)動(dòng)控制器具有12 位分辨率的0～10V模擬量輸入，用來檢測(cè)油漆壓力。

4.2 軟件控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

4.2.1 運(yùn)動(dòng)控制卡程序設(shè)計(jì)

Trio 運(yùn)動(dòng)控制器本身就是一個(gè)可以執(zhí)行多任務(wù)程序的嵌入式系統(tǒng)。Euro209 內(nèi)置有比較完整的運(yùn)動(dòng)控制程序，可以以指令的形式調(diào)用，用戶可以根據(jù)需要將一串指令編成一個(gè)“宏指令”（即用戶程序），用于控制更為復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)。用戶程序用Trio BASIC 編寫，可在運(yùn)動(dòng)控制器軟件開發(fā)環(huán)境MotionPerfect2中開發(fā)。可創(chuàng)建不同的程序配合上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)多種功能［6］。玩具噴漆機(jī)器人的控制流程如圖9 所示。

圖9 噴漆機(jī)器人的軟件結(jié)構(gòu)

程序主要包括手動(dòng)模塊、自動(dòng)模塊、示教模塊。由于自動(dòng)運(yùn)行時(shí)噴漆和清洗是獨(dú)立運(yùn)行，因此使用兩個(gè)線程分別控制。在示教模塊，運(yùn)用了運(yùn)動(dòng)控制卡自帶的直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)功能MOVEABS 和MOVECIRC。

噴漆過程中油漆壓力對(duì)噴漆厚度影響顯著，因此需要對(duì)油漆壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，下面給出的程序在一個(gè)線程中持續(xù)運(yùn)行，周期性地讀取模擬量輸入信號(hào)，數(shù)字濾波后，存放在一個(gè)通用存器VR（10）中：

在實(shí)時(shí)運(yùn)行速度里引入一個(gè)變化因子K 來修正油漆壓力的影響，其公式如下：

實(shí)際運(yùn)行速度=K×VR（10）×設(shè)置速度（其中K 是常數(shù)系數(shù)）

這樣當(dāng)油漆壓力減少時(shí)，噴涂速度相應(yīng)變慢，保證油漆厚度一致。

4.2.2 觸摸屏軟件設(shè)計(jì)

觸摸屏采用昆侖通泰工業(yè)觸摸屏，其開發(fā)軟件為MCGS（Monitor and Control Generated System，監(jiān)視與控制通用系統(tǒng)）是一套基于Windows 平臺(tái)的、用于快速構(gòu)造和生成上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng)。這款觸摸屏主要特點(diǎn)是：實(shí)時(shí)性強(qiáng)、有良好的并行處理性能；方便控制復(fù)雜的運(yùn)行流程。MCGS 嵌入版開辟了“運(yùn)行策略”窗口，用戶可以選用系統(tǒng)提供的各種條件和功能的策略構(gòu)件，用圖形化的方法和簡(jiǎn)單的類Basic 語言構(gòu)造多分支的應(yīng)用程序，按照設(shè)定的條件和順序，操作外部設(shè)備，控制窗口的打開或關(guān)閉，與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)自由、精確地控制運(yùn)行流程，同時(shí)也可以由用戶創(chuàng)建新的策略構(gòu)件，擴(kuò)展系統(tǒng)的功能。根據(jù)示教需求，編寫了觸摸界面和相應(yīng)程序，其主要界面如圖10 所示。

圖10 主要人機(jī)交互界面

由于示教編程需要存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量比較大，使用系統(tǒng)自帶函數(shù)!SetDevice（設(shè)備0，6，“WritePV（4，0202，WB，528，下載Data000，nReturn）”）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。每11個(gè)數(shù)據(jù)為一組代表一條示教指令。其含義如表1 所示。下位機(jī)通過識(shí)別每組數(shù)據(jù)的第一個(gè)數(shù)據(jù)來判斷運(yùn)動(dòng)方式。

5 實(shí) 驗(yàn)

根據(jù)上述設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方案，成功研制出了樣機(jī)，并在某上市玩具公司進(jìn)行了生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)是對(duì)一款出口產(chǎn)品進(jìn)行噴涂實(shí)驗(yàn)，并將自動(dòng)化噴涂實(shí)驗(yàn)與手工噴涂進(jìn)行了對(duì)比，其結(jié)果如表2 所示?？梢钥闯霰就婢邍娖釞C(jī)器人的噴涂效果良好，產(chǎn)品合格率高，大大提高了生產(chǎn)效率，改善了工作環(huán)境。圖11為樣機(jī)的實(shí)物圖。圖12（a）是樣機(jī)在對(duì)一款出口玩具進(jìn)行噴涂實(shí)驗(yàn)。圖12（b）是這款出口玩具的機(jī)器人噴漆效果圖。

表1 示教指令數(shù)據(jù)存儲(chǔ)含義

表2 一款出口玩具手工噴涂與機(jī)器人噴涂實(shí)驗(yàn)情況對(duì)比

圖11 遮蓋式噴涂機(jī)器人實(shí)物圖

圖12 噴涂實(shí)驗(yàn)與噴涂效果

6 結(jié)論

本文給出了玩具遮蓋式噴涂工藝的自動(dòng)化設(shè)計(jì)方法，及以工藝為先導(dǎo)的遮蓋式噴涂機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法。噴漆機(jī)器人采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的直角坐標(biāo)機(jī)械手，在滿足噴漆需求的前提下大大降低了成本；送料與合模、噴漆和清洗分別都采用雙工位，同時(shí)一次合模多個(gè)玩具，顯著提高了生產(chǎn)效率；對(duì)廢氣凈化，廢水多級(jí)凈化回收利用，改善了工作環(huán)境，同時(shí)減少了污染。

本噴漆機(jī)器人的成功研制，為玩具噴涂的全自動(dòng)化奠定了基礎(chǔ)，同時(shí)對(duì)其余非玩具類零件（比如手機(jī)機(jī)殼）的遮蓋式噴涂自動(dòng)化設(shè)計(jì)有指導(dǎo)作用。

［1］陳澤鋒.從2012中國(guó)玩具展看行業(yè)的轉(zhuǎn)型謀變［J］.玩具世界，2012（11）：2.

［2］王文璧.2012 年玩具行業(yè)新動(dòng)向［J］.玩具世界，2012（2）：2.

［3］梁治齊，熊楚才.涂料噴涂工藝與技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006：293-297.

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［5］Trio English Manual Book.PCI209 運(yùn)動(dòng)控制［EB/OL］.http//www.triomotion.net.

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