馬朝鵬 王旭東 楊家輝 李瑞鵬

摘 要： 是一種是可進(jìn)行自動(dòng)噴漆或噴涂其他涂料的工業(yè)機(jī)器人，在機(jī)械智能化日益盛行的如今，全自動(dòng)智能噴漆機(jī)器人憑借其安全可靠節(jié)能的特點(diǎn)將成為噴涂工業(yè)的潛力股。本文將對(duì)全自動(dòng)智能噴漆機(jī)器人的研究現(xiàn)狀進(jìn)行簡(jiǎn)單敘述，并將對(duì)其市場(chǎng)應(yīng)用進(jìn)行簡(jiǎn)單分析與預(yù)測(cè)。

關(guān)鍵詞： 智能噴漆；全方位移動(dòng)平臺(tái)；研究現(xiàn)狀；市場(chǎng)應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TP273.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：

1 全自動(dòng)智能噴漆機(jī)器人背景

機(jī)器人是近代自動(dòng)控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項(xiàng)新技術(shù)，并成為現(xiàn)代機(jī)械制造中的一個(gè)重要組成部分。機(jī)器人顯著地提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，改善產(chǎn)品質(zhì)量，對(duì)改善勞動(dòng)條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)化的步伐。尤其在高溫、高壓、粉塵、噪音以及帶有放射性和污染的場(chǎng)合，應(yīng)用的更為廣泛。因而受到各先進(jìn)國(guó)家的重視，投入大量人力物力加以研究和應(yīng)用。

噴漆機(jī)器人設(shè)備，就是用來噴涂油漆，噴漆槍就是噴油漆的工具，用于產(chǎn)品的表面處理，是涂裝設(shè)備的一種，它是通過壓縮空氣使涂料霧化成細(xì)小漆滴，在氣流帶動(dòng)下噴涂到被涂表面，主要由噴冒、噴嘴、針閥、槍體三部分組成，同時(shí)外部需要連接氣壓裝置，如壓力罐、壓力桶、泵浦等，涂膜細(xì)致、光滑、均勻，根據(jù)功能不同可以分為靜電噴漆槍和高壓噴漆槍，這里主要介紹下靜電噴漆槍和高壓噴漆槍，靜電噴漆槍是根據(jù)傳統(tǒng)高壓空氣噴漆槍來進(jìn)行改良，利用先進(jìn)的技術(shù)理論靜電噴漆槍在噴涂時(shí)的條件是要涂料具有一定的導(dǎo)電性，才能發(fā)揮靜電效果及優(yōu)勢(shì)；靜電噴漆槍是采用異性相吸的物理原理來設(shè)計(jì)的，故它比傳統(tǒng)的高壓空氣槍要省油及提高了涂裝效率，但傳統(tǒng)的噴漆機(jī)器人不具備智能操作系統(tǒng)，操作也比較費(fèi)時(shí)，同時(shí)傳統(tǒng)噴漆機(jī)器人的智能性也存在不足，所以人們迫切希望用全自動(dòng)智能噴漆機(jī)器人設(shè)備，來代替?zhèn)鹘y(tǒng)噴漆機(jī)器人。

2 研究現(xiàn)狀

噴涂機(jī)器人作為特殊的工業(yè)機(jī)器人，除了能極大降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度和改善工作環(huán)境外，還具有如下的特點(diǎn)：（1）方形噴涂軌跡明確，提高涂膜的均勻性，降低噴涂量和洗滌劑用量；（2）柔性大，活動(dòng)半徑大，可實(shí)現(xiàn)內(nèi)外表面噴涂；（3）易于操作和維護(hù)，可離線編程，可插件結(jié)構(gòu)和模塊化設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)快速安裝和更換元器件；（4）設(shè)備的利用效率高。

在國(guó)外，機(jī)器人噴涂已經(jīng)成為一項(xiàng)比較成熟的技術(shù)，有著三十多年的研究和發(fā)展歷史。目前，國(guó)外尤以噴槍的建模分析和軌跡優(yōu)化的研究居多。1986年，Klein首次探討了噴涂機(jī)器人的離線編程技術(shù)，建立了噴涂離線編程系統(tǒng)，并能進(jìn)行交互式設(shè)計(jì)和噴槍仿真與機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡分析。1999年，Balkan等人用實(shí)驗(yàn)方法建立了涂料的分布方程，在此基礎(chǔ)上探討了噴槍模型在平面上的軌跡優(yōu)化方法，并完成了實(shí)驗(yàn)研究。Hansbo等人針對(duì)旋轉(zhuǎn)物體熱噴涂機(jī)器人噴涂時(shí)的涂料累積模型進(jìn)行了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡優(yōu)化分析，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。Vejko等人以降低涂料浪費(fèi)和電機(jī)負(fù)載為目標(biāo)，在保證噴涂質(zhì)量的前提下對(duì)相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。2005年，Sheng等人提出了復(fù)雜自由曲面上噴涂機(jī)器人噴槍路徑規(guī)劃方法，通過建立優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)來優(yōu)化噴涂機(jī)器人噴槍路徑模式及行走方向。Chen等人首次提出復(fù)雜曲面噴槍軌跡組合優(yōu)化時(shí)的涂層干涉問題，并通過仿真數(shù)據(jù)討論了解決方案。Duncan等人在空間頻域的方法上給出了噴涂時(shí)路徑間距的優(yōu)化方法。2009年，Chen等人將基于曲面CAD模型的噴涂機(jī)器人軌跡規(guī)劃方法與Atkar的方法進(jìn)行比較，討論了兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)。2010年，Gyorfi等人考慮到噴槍路徑規(guī)劃時(shí)的約束問題，用遺傳算法和圖搜索方法實(shí)現(xiàn)了方案優(yōu)化。

由于歷史原因，國(guó)內(nèi)機(jī)器人技術(shù)研究相對(duì)滯后。但國(guó)內(nèi)的噴涂機(jī)器人近年來也有了長(zhǎng)足的發(fā)展。1991年，北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所完成了我國(guó)第一條自動(dòng)噴涂生產(chǎn)線，還開發(fā)了PJ系列電液伺服噴涂和EP系列的電動(dòng)噴涂機(jī)器人。國(guó)內(nèi)的哈爾濱工業(yè)大學(xué)、上海交通大學(xué)、天津大學(xué)，南京理工大學(xué)等高校都開發(fā)出了噴涂機(jī)器人，但尚未形成批量生產(chǎn)的能力。

于1990年前后，北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所機(jī)器人中心開始了對(duì)噴涂機(jī)器人的研究，我國(guó)研究機(jī)器人是在國(guó)外研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，在此過程中還研發(fā)了不少周邊技術(shù)。2000年來由于國(guó)內(nèi)汽車發(fā)展迅速許多制造公司也在設(shè)計(jì)制造我國(guó)自己的噴涂機(jī)器人，在此同時(shí)國(guó)外的MOTOMAN公司與我國(guó)北京首鋼集團(tuán)合作；瑞士ABB公司在京滬建立分公司，以銷售噴涂機(jī)器人和工業(yè)機(jī)器人為主。

目前噴涂機(jī)器人已經(jīng)是我國(guó)需求最多的機(jī)器人之一，而我國(guó)在這方面相對(duì)落后，目前來看，我國(guó)大部分都是采用的國(guó)外的噴涂機(jī)器人，有的照搬國(guó)外的生產(chǎn)線，還存在維修，保養(yǎng)等問題，從而影響噴涂的發(fā)展。所以，設(shè)計(jì)制造出我國(guó)自己的噴涂機(jī)器人是非常迫切和必要。

3 市場(chǎng)應(yīng)用

3.1 汽車行業(yè)

不同的涂裝機(jī)器人由于各關(guān)節(jié)自由度及臂長(zhǎng)等參數(shù)的限制，對(duì)能觸及噴涂的有效尺寸有所差異。在汽車涂裝工藝中，噴涂機(jī)器人的應(yīng)用越來越廣泛，其顯著的優(yōu)點(diǎn)是可實(shí)現(xiàn)多種車型的混線生產(chǎn)，如轎車、旅行車、皮卡車等車身混線生產(chǎn)，提升了涂裝的自動(dòng)化程度及生產(chǎn)效率。市面上的涂裝機(jī)器人質(zhì)量好壞不一，選擇高質(zhì)量的涂裝機(jī)器人能夠更好的開展涂裝工作。

3.2 航空航天

未來噴涂機(jī)器人的一個(gè)應(yīng)用熱點(diǎn)是航空航天領(lǐng)域，目前公開發(fā)表的文獻(xiàn)中，僅美國(guó)將噴涂機(jī)器人在飛機(jī)上進(jìn)行了應(yīng)用。數(shù)據(jù)表明，機(jī)器人不但噴涂效率高，而且噴涂質(zhì)量穩(wěn)定可靠，尤其能滿足隱形飛機(jī)對(duì)噴涂的高指標(biāo)要求。美國(guó)Berry等研制的SAFARI系統(tǒng)采用示教方式對(duì)F-15進(jìn)行沖洗和噴涂，僅用10個(gè)小時(shí)就可以完成所有的工作。制造業(yè)中的航空航天設(shè)備，普遍具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工作環(huán)境惡劣、可靠性要求高、成本低及重量輕等特點(diǎn)。而航空航天設(shè)備的制造，通常研制周期長(zhǎng)，加之更新?lián)Q代快，更適合小批量多品種生產(chǎn)。我國(guó)要完成由航空航天大國(guó)到強(qiáng)國(guó)的轉(zhuǎn)變，就必須邁過飛行器自動(dòng)噴涂這道坎。因此，未來在航空航天領(lǐng)域?qū)χ悄車娡繖C(jī)器人的需求比較迫切。

參考文獻(xiàn)

[1] 王錫春.涂裝車間設(shè)計(jì)手冊(cè)：化學(xué)工業(yè)出版社，2013.1

[2] 邢東升.六自由度噴涂機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及控制[J].

[3] 彭南華.經(jīng)濟(jì)型噴漆機(jī)器人軌跡規(guī)劃及關(guān)節(jié)控制研究[J].

[4] 趙宏劍，王剛，張波，等.飛機(jī)尾翼自動(dòng)噴涂系統(tǒng)[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2013，35（1）：153-156.

[5] 劉亞威.未來飛機(jī)制造的幾個(gè)熱點(diǎn)主題[N].中國(guó)航空?qǐng)?bào)，2013-10-17（4）.