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        噴涂機器人在解放車橋上的應(yīng)用

        2018-10-22 08:39:32王伯元朱興龍宮金寶魏慶風(fēng)王猛
        汽車實用技術(shù) 2018年19期
        關(guān)鍵詞:噴漆漆膜噴槍

        王伯元,朱興龍,宮金寶,魏慶風(fēng),王猛

        (1.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院,安徽 合肥 230026;2. 一汽解放汽車有限公司傳動事業(yè)部車橋廠,吉林 長春 130011;3. 第一汽車集團有限公司發(fā)展制造部,吉林 長春 130011;4.北京點石科技有限公司,北京 100176)

        前言

        隨著近年來經(jīng)濟的發(fā)展,市場對解放商用車需求迅速增加,對車橋總成的產(chǎn)能提出了新的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的噴涂方式采用人工噴涂,工作效率低、涂層膜厚不均、漆膜質(zhì)量穩(wěn)定性差、涂料利用率低。為了適應(yīng)新的生產(chǎn)形勢對產(chǎn)能及產(chǎn)品質(zhì)量的需求,采用噴涂機器人進行噴涂作業(yè)成為了必然的趨勢。一汽解放車橋廠通過改造原有涂裝線,增加了FANUC機器人噴涂系統(tǒng)。本文對FANUC噴涂機器人選型、機器人噴涂軌跡編程設(shè)計、機器人噴涂參數(shù)調(diào)試及噴涂問題的解決方案等分別進行了闡述。

        1 機器人的選型

        橋總成最大噴涂外形尺寸、現(xiàn)有噴漆室面積以及有效噴涂等是機器人選型的主要參考因素?,F(xiàn)橋總成最大噴涂外形尺寸 2900mm×1200 mm×1400mm,如果要保證工件外表面全部覆蓋噴涂、對支架等局部凸出部位能夠噴涂到、對有加強筋和凹面的減殼等特殊部位能夠在工藝節(jié)拍內(nèi)噴涂完成,則對于FANUC噴涂機器人需要選擇P250iB的產(chǎn)品,其運動尺寸如圖 1[1]所示。其最大運動尺寸能夠確保橋總成的最遠(yuǎn)點及最近點機器人手臂都能正常噴涂到位;其最大的噴涂速度 (1500 mm/s)可以確保每個工位噴涂任務(wù)的完成。圖2是在噴涂中的FANUC P250iB噴涂機器人,從圖中可以看出,機器人在每個工位完成半面橋產(chǎn)品的噴涂作業(yè),機器人正對面裝置是噴漆室里面的水簾及漆霧收集裝置。

        圖1 P250iB 噴涂機器人運動尺寸圖

        圖2 在噴涂中的FANUC 機器人

        2 噴涂機器人在噴漆室內(nèi)平面布局及噴涂參數(shù)

        噴涂機器人在噴漆室內(nèi)平面布局如圖3所示。前四個工位是機器人噴漆室,后兩個工位是人工補噴室。由于橋總成外表面積大、形狀復(fù)雜、單個工位噴涂時間比較短、不能在單個工位一次性完成整橋噴涂等因素,將橋總成分成左右(沿著橋產(chǎn)品在懸鏈上圖示箭頭方向看)兩部分進行噴涂,每個工位完成半面橋的噴涂任務(wù),前兩個機器人工位主要負(fù)責(zé)先完成橋產(chǎn)品上特殊位置的噴涂,中間兩個機器人工位負(fù)責(zé)完成橋產(chǎn)品剩余面積的噴涂,最后兩個工位是人工小局部修補。原有噴漆室在寬度方向(距離機械化懸鏈)為2.2米,在此基礎(chǔ)上,現(xiàn)有機器人位置加寬了0.3米,可以確保P250iB 噴涂機器人的作業(yè)空間,機器人手臂可以正常作業(yè)。

        噴涂主要參數(shù)如下:噴涂面積范圍為約3.5~5.3m2/件(不同橋產(chǎn)品);橋產(chǎn)品之間的最大間距為 750mm;輸漆系統(tǒng)噴漆壓力范圍為20~50 Kg(可調(diào))。

        圖3 噴涂機器人在噴漆室內(nèi)平面布局

        3 機器人系統(tǒng)構(gòu)成

        機器人整套系統(tǒng)主要由四臺 FANUC P250iB噴涂機器人、一套總控系統(tǒng)、兩套輸漆系統(tǒng)、一套掃描裝置等構(gòu)成??偪叵到y(tǒng)包括上位機控制系統(tǒng)、輸漆控制系統(tǒng)以及通信系統(tǒng)。輸漆系統(tǒng)由管路保溫系統(tǒng)、兩套調(diào)漆輸漆罐和漆循環(huán)系統(tǒng)組成。通過人工掃描橋產(chǎn)品條碼方式,對不同橋產(chǎn)品進行識別確認(rèn)。

        4 不同橋產(chǎn)品的機器人噴涂軌跡編程設(shè)計

        4.1 機器人編程方式[2]

        FANUC機器人編程有兩種方式:一種是在線編輯,即現(xiàn)場使用示教盒編程;另外一種是離線編程,即在電腦上安裝FANUC的離線編程軟件,來編寫程序之后再上傳。

        (1)在線編程:在噴涂現(xiàn)場,程序員利用示教盤示教機器人程序,手動控制機器人的關(guān)節(jié)運動,以使機器人運動到預(yù)定的位置,同時將該位置進行記錄,并傳遞到機器人控制器中,之后的機器人可根據(jù)指令自動重復(fù)該任務(wù)。對于一個新的零件,示教編程需要停下生產(chǎn)線來編程。

        (2)離線編程:是通過軟件,在電腦里重建整個工作場景的三維虛擬環(huán)境,程序員以繪圖的方式選擇工件的噴涂區(qū)域,并從中挑選合適的噴涂方案。利用噴涂車間的參數(shù)和專用術(shù)語,機器人的路徑就可以自動生成,然后在軟件中仿真與調(diào)整軌跡,最后生成機器人程序傳輸給機器人。離線編程可以減少機器人的停機時間,當(dāng)對下一個任務(wù)進行編程時,機器人仍可在生產(chǎn)線上進行工作、通過仿真功能,要預(yù)知發(fā)生的問題,從而將問題消滅在萌芽階段、可對復(fù)雜任務(wù)進行編程、便于修改機器人程序等。充分利用了計算機的功能,減少了編寫機器人程序所需要的時間成本。

        FANUC離線編程基本操作步驟如下[2]:

        ①建立基本仿真模型:建立 Workcell,選“File”中的“New Cell”、輸入文件名、選擇建立機器人的方式、選擇機器人的軟件版本、選擇應(yīng)用類型、選擇合適的機型、確認(rèn)機器人選項,點擊“Finish”完成設(shè)置,Workcell 建立完成。

        ②編輯機器人:在“Cell Browser”里找到機器人、選擇機器人對應(yīng)的參數(shù);在“Cell Browser”里找到“Parts”、設(shè)定好重量和尺寸后完成添加 Parts;在“Cell Browser”里找到“Fixture”,設(shè)定好相關(guān)參數(shù)完成添加 Parts;在“Cell Bro-wser”里找到“obstacles”,逐一添加最終參數(shù)完善 workcell。

        ③路徑編輯、模擬及下載:創(chuàng)建目標(biāo)點、將創(chuàng)建的目標(biāo)點加入創(chuàng)建的路徑中、配置噴涂參數(shù);啟動模擬并檢查,通過每個點的速度、與工件碰撞的可能等等;每次微調(diào)后通過模擬再驗證,可以觀察全局或局部噴涂狀態(tài),如果程序出現(xiàn)問題會出現(xiàn)警告,提示問題并再修改;模擬后通過離線編程系統(tǒng)自動下載編譯后的程序。

        如果示教點數(shù)少,用示教器比較方便,但示教編程只針對特定的機器人進行操作。而對于需示教幾十甚至幾百個點的噴涂行業(yè),離線編程比較適用,第三方離線編程軟件在這方面能夠支持的機器人品牌都比較多。

        4.2 整橋產(chǎn)品噴涂軌跡編程設(shè)計

        橋總成分成輪轂總成、橋殼總成、減速器總成3大塊,同系列中橋和后橋總成的差別較大的一般情況在減速器總成上,可以通過比較不同產(chǎn)品的圖紙外形尺寸,對輪轂總成、橋殼總成、減速器總成分別分類編程,在執(zhí)行不同橋產(chǎn)品作業(yè)程序時,調(diào)用之前已編程完成的橋產(chǎn)品對應(yīng)的輪轂總成、橋殼總成、減速器總成程序模塊[3]。如果今后有新產(chǎn)品出現(xiàn),只編程有變化部分,其它程序模塊直接調(diào)用即可以。

        4.3 整橋上特殊部位噴涂軌跡編程設(shè)計

        橋總成上有的零部件外形非常不規(guī)則,如圖4所示:(a)支架局部外形凹凸不規(guī)則;(b)支架與旁邊的工件間距過近;(c)殼體類零部件局部有加強筋,且筋之間局部有小凹面。由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)原因,在機器人噴涂這些位置的時候,噴槍距離工件要超過200~250 mm的最佳范圍,以保證工件不碰撞機器人噴槍。但如果距離過遠(yuǎn),一次噴涂又會產(chǎn)生漆膜厚度偏薄缺陷。

        圖4 不規(guī)則的零部件外形圖

        上述問題給機器人噴涂編程帶來了很多困難。因此機器人噴涂仿形軌跡編程設(shè)計時全面考慮橋總成外型、邊角棱線、曲面等設(shè)計因素,經(jīng)過反復(fù)調(diào)整檢查至漆膜沒有流掛或者漆膜厚度沒有偏薄缺陷為止,最后選擇并固化最佳的噴涂編程軌跡。

        根據(jù)機器人排布情況,將橋總成外表面分成若干噴涂區(qū)域,并考慮工藝節(jié)拍因素,分別分配給不同的機器人完成,通過機器人之間的相互配合完成整個橋總成的噴涂。在機器人正式噴涂前,調(diào)試出適用的機器人的全部噴涂參數(shù),所有噴涂速度在噴涂軌跡程序編制過程中調(diào)整,一旦確定之后就基本不再變動。

        最后當(dāng)編程試噴結(jié)束,給每個機器人編程設(shè)置1個Home安全點,機器人在這一點時遠(yuǎn)離了工件和周邊的設(shè)備,并且設(shè)置信號給遠(yuǎn)端控制設(shè)備PLC,遠(yuǎn)端控制設(shè)備就可以判斷機器人是否在原點,是否處于安全狀態(tài)。

        5 機器人噴涂與人工噴涂的對比分析

        表1為人工噴涂與機器人噴涂對比表,分別從噴涂速度、重復(fù)定位精度、噴涂時間、涂料利用率、噴涂質(zhì)量以及噴涂軌跡共六個方面[4]進行了人工噴涂與機器人噴涂的對比。噴涂速度方面機器人要比人工噴涂快約2-3倍,因此機器人噴涂時間要短些;在重復(fù)定位精度方面,人工噴涂無法與機器人比擬,機器人噴涂確保了漆膜質(zhì)量的重復(fù)穩(wěn)定性;由于噴涂機器人運行軌跡的鎖定、重復(fù)定位的精準(zhǔn)以及開關(guān)槍位置的準(zhǔn)確,確保了涂料利用率的提升,減少了涂料的浪費;在成本方面,機器人一次性投資稍多,與人工相比,約3年-5年收回投資。

        表1 人工噴涂與機器人噴涂對比表

        6 機器人噴涂工藝參數(shù)調(diào)試

        6.1 施工固體份、施工粘度對漆膜厚度的影響

        根據(jù)原漆固體份 60±2%、原漆粘度 39±3S/25±1℃的數(shù)據(jù),將水性漆的施工固體份配比成5組不同數(shù)值,測量出對應(yīng)的施工粘度,并對噴涂樣板的漆膜厚度數(shù)值進行了記錄。結(jié)果如表2所示。從表格中可以得出,施工固體份為55±2%、施工粘度35±3S/25±1℃的情況下,漆膜厚度為55-60μm,序號4的方案基本符合橋總成涂層要求。

        表2 施工固體份、施工粘度與漆膜厚度對應(yīng)關(guān)系表

        6.2 機器人噴槍噴嘴口徑大小對涂層狀態(tài)的影響

        在相同節(jié)拍、固體份 55±2%和粘度 35±3 S/25±1℃等工藝參數(shù)的前提下,以噴槍噴嘴口徑型號為 9、12、14、18、20、25的噴槍進行多次試驗,比較了不同大小的噴嘴,對應(yīng)的出漆量和涂層狀態(tài)的不同情況,結(jié)果如表3所示。試驗對比表明,型號18(0.48mm)的噴嘴噴涂效果好,與型號20(0.50mm)對比,出漆量少,正常流平,非常少的漆霧飄散,在節(jié)拍內(nèi)能完成橋總成的噴涂。因此選擇型號18(0.48mm)的噴嘴。

        表3 不同大小的噴嘴與出漆量及涂層狀態(tài)對比表

        6.3 機器人噴槍壓力不同對涂層狀態(tài)的影響

        對輸漆總控系統(tǒng)設(shè)定不同的噴漆壓力,參數(shù)從 5±0.5Kg調(diào)至40±0.5Kg,在固定噴嘴18、節(jié)拍 2min/件、固體份55±2%和粘度35±3 S/25±1℃的前提下,分成8組進行試驗,如表4所示。經(jīng)過8組試驗,序號4的噴槍壓力在20±0.5 Kg的條件下,涂層狀態(tài)無流淌、流平正常、漆膜厚度 55±5μm,這些參數(shù)基本符合本輪試驗的橋總成涂層要求。

        表4 在不同噴槍壓力條件下,涂層狀態(tài)對比表

        6.4 機器人噴槍扇幅壓力與橋總成外形尺寸匹配關(guān)系

        在固定噴嘴 18、節(jié)拍 2min/件、固體份 55±2%、粘度35±3 S/25±1℃和噴槍壓力在20±0.5 Kg的前提下,對輸漆總控系統(tǒng)設(shè)定不同的噴槍扇幅壓力,測量對應(yīng)的扇幅寬度,找到與橋總成外形尺寸相匹配的扇幅壓力[5]。壓力變化從5±0.5Kg調(diào)至40±0.5Kg,分成8組進行試驗,如表5所示。經(jīng)過8組試驗,序號5的噴槍壓力在25±0.5 Kg的條件下,扇幅適當(dāng):占橋總成面積最大的橋殼寬度約 2/3-4/7左右,匹配最佳。

        表5 在不同扇幅壓力條件下,不同的扇幅寬度與橋總成外形尺寸匹配情況

        在程序編制時,需將噴幅寬度確定,通過設(shè)定噴槍扇幅壓力來鎖定,由于橋總成外形非常不規(guī)則,調(diào)整主要是針對一些特殊平面,如對于窄平面使用小的幅寬能有效節(jié)約涂料。調(diào)整中需要關(guān)注因為噴幅變化帶來的其他影響噴涂質(zhì)量的情況,如當(dāng)通過噴涂距離調(diào)整幅寬時,涂料到達(dá)被噴涂面可能發(fā)生相應(yīng)的流掛,根據(jù)具體部位的不同進行調(diào)整。

        7 機器人噴涂中主要問題的解決措施

        7.1 機器人碰撞工件問題解決措施

        橋產(chǎn)品種類非常多,外形差別非常大,吊掛橋總成到涂裝線上是通過人工方式完成,容易產(chǎn)生個別橋總成吊掛姿態(tài)不正確,導(dǎo)致機器人噴槍碰撞工件的現(xiàn)象出現(xiàn)。

        解決措施是:第一、將吊掛橋產(chǎn)品的正確姿態(tài)圖片掛在操作工位醒目位置,并且定期在現(xiàn)場培訓(xùn);第二、如果有碰撞,應(yīng)急先自動停止機械化懸鏈的運行,同時在人工掃描識別橋產(chǎn)品工位采用聲光報警,避免更大的損失出現(xiàn);第三、總結(jié)經(jīng)常碰撞的橋部位,對此重新進行軌跡編程,進一步優(yōu)化噴涂角度、噴涂距離以及重復(fù)噴涂次數(shù)。

        7.2 機器人有運動軌跡但不噴漆問題解決措施

        機器人有運動軌跡,但是噴槍不出漆或者噴出的漆不霧化。

        解決措施是:第一、先檢查噴嘴是否堵塞、第一道的入口壓縮空氣壓力是否正常,通過每班定點清理噴嘴及每班前點檢壓力表來減少問題出現(xiàn)。第二、檢查換色閥上對應(yīng)漆出口上的氣針閥是否有正常開關(guān)的動作;第三、機器人手臂里的涂料管路和空氣管路是否由于機器人第4、5、6軸在一個方向上反復(fù)轉(zhuǎn)動導(dǎo)致涂料管路和空氣管路纏繞不出漆或者無壓縮空氣,如果是這個原因,重新檢查噴涂軌跡,查看機器人第4、5、6軸關(guān)節(jié)是否有大幅度同一方向轉(zhuǎn)動的或者動作突變的,在開始點和最后一點之間示教機器人,觀察手爪的姿勢是否逐漸變化,不斷調(diào)整,盡可能使機器人的姿勢不要突變或者同一方向轉(zhuǎn)動。通過局部點重新調(diào)整關(guān)節(jié)動作,確保機器人關(guān)節(jié)動作順暢,解決由此產(chǎn)生的噴槍不出漆或者漆不霧化現(xiàn)象。

        8 結(jié)語

        橋產(chǎn)品外形復(fù)雜、凹凸不平、非常不規(guī)則,人工噴涂很難控制及穩(wěn)定漆膜質(zhì)量。解放車橋產(chǎn)品采用了機器人噴涂,提高了漆膜質(zhì)量的穩(wěn)定性、減少了人工噴涂的成本、減少了涂料消耗量、改善了人工作業(yè)環(huán)境,實現(xiàn)了橋產(chǎn)品自動化噴涂。

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