王友勝 ，侯 力，王少江，常青林，易宗禮

（1.四川大學(xué) 制造科學(xué)與工程學(xué)院，成都 610065；2.二重集團（德陽）啟帆智能科技有限公司，德陽 610065）

0 引言

在中國制造業(yè)中，表面噴涂技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，傳統(tǒng)手工噴涂存在工作效率低、噴涂質(zhì)量差、資源利用率不高、管理難度大等問題，已經(jīng)不能滿足當(dāng)前的發(fā)展。隨著機器人技術(shù)和計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，機器人自動噴涂被廣泛應(yīng)用到各行業(yè)。我國學(xué)者對噴涂機器人技術(shù)和在各行業(yè)的應(yīng)用做了大量的研究。李明忠、趙國瑞[1]設(shè)計了一種利用導(dǎo)流孔實現(xiàn)水流螺旋混流的新型噴嘴，運用有限元對水流入射角度、噴嘴腔體長徑比和噴嘴出流直徑等參數(shù)進行了仿真分析，霧化角度和噴射距離得到了理想結(jié)果；曾勇、龔俊等[2]針對噴涂路徑組合優(yōu)化過程中誤差較大的問題，提出了直接修正和修正噴涂高度的修正方法，基于這兩種修正方法進行了噴槍軌跡和相關(guān)參數(shù)的優(yōu)化，有效減小了誤差；董輝、李林鑫采用D-H參數(shù)法推導(dǎo)機械手的運動學(xué)方程并分析機械手的正、逆運動學(xué)問題，建立機械手仿真模型，以此為基礎(chǔ)完成機械手噴涂作業(yè)的軌跡規(guī)劃與運動仿真[3]；樊帥權(quán)、周波等[4]針對人工試教法存在的缺點，基于OpenGL開發(fā)了一套離線軌跡規(guī)劃與仿真系統(tǒng)，但只能應(yīng)用在一些簡單曲面，不適用表面復(fù)雜的工件噴涂；湯養(yǎng)[5]和王金濤、徐金亭[6]分別提出了針對復(fù)雜曲面零件自動噴涂路徑規(guī)劃的方法，并在理論和仿真方面驗證了方案的可行性；盧曉東、唐倩等[7]針對表面噴涂技術(shù)的涂層均勻性問題，在橢圓雙β模型的基礎(chǔ)上，運用微分投影法，建立一種立體涂層累積速率模型，提出了一種雙層噴涂自動軌跡規(guī)劃方法；繆東晶、吳料等[8]開發(fā)了一種適用于航空飛機等具有大型自由曲面產(chǎn)品自動噴涂的機器人系統(tǒng)；康國坡陳新度等[9]為解決噴涂機器人電機選擇的困難，運用虛擬樣機技術(shù)對噴涂機器人結(jié)構(gòu)和動力學(xué)進行分析，求得峰值扭矩基于轉(zhuǎn)速準(zhǔn)則選取電機；房晶晶研究了機器人自動噴涂系統(tǒng)在鐵路機車噴涂中的應(yīng)用[10]；康惠春、王建軍等開發(fā)了一套適合大型拖拉機底盤的機器人自動混氣噴涂集成系統(tǒng)，提升了底盤噴涂工藝能力[11]。

上述噴涂領(lǐng)域的研究成果為鍛造自動噴涂系統(tǒng)的研究設(shè)計提供了一定的技術(shù)基礎(chǔ)和參考，但是針對鍛造自動噴涂系統(tǒng)的研究，國內(nèi)還處于起步階段，不能很好的解決工程實際問題。因此，本文基于某公司的真實案例，采用計算機集成控制技術(shù)與機器人自動噴涂技術(shù)相結(jié)合方法，提出了一種鍛件自動噴涂集成系統(tǒng)的體系框架和系統(tǒng)布局的規(guī)劃方案，并分析了該鍛件自動噴涂集成系統(tǒng)的工作節(jié)拍，實現(xiàn)了近無人化管理的生產(chǎn)模式，為相關(guān)集成平臺的開發(fā)和實施提供了一定的參考。

1 鍛件自動噴涂工藝流程

鍛件自動噴涂工藝流程是自動噴涂集成系統(tǒng)框架建立的基礎(chǔ)，同時也是自動噴涂集成系統(tǒng)布局的依據(jù)。根據(jù)噴涂需要的條件、設(shè)施、環(huán)境等條件，制定合理有序的噴涂工藝流程如圖1所示。

搬運機器人將工件從原料室搬到準(zhǔn)備室進行等待；啟動叉車抬起待涂鑄件放到輸送機上，輸送機感應(yīng)到有物體進入，開始工作，將待涂工件送入預(yù)熱爐的指定位置進行加熱，溫度控制在60℃～80℃；預(yù)熱完成后，輸送機再次啟動，將工件運送到清理室指定位置，采用高壓噴霧進行自動清理；完成后進入噴涂室，傳感器感應(yīng)到工件到達指定位置，將信號傳遞給控制器，控制器接到信號識別出工件種類，調(diào)出對應(yīng)程序，給噴涂機器人發(fā)送指令，噴涂機器人開始工作，按照給定軌跡進行噴涂，檢查是否有漏噴進行補噴；噴涂完成后，輸送機將工件送入冷卻室進行冷卻；自然風(fēng)干，晾曬后放入儲存室，整個工藝流程完成。

2 鍛件自動噴涂集成系統(tǒng)體系框架

鍛件自動噴涂集成系統(tǒng)作為一種高度自動化的生產(chǎn)模式，它區(qū)別于以往的系統(tǒng)，由鍛件產(chǎn)品噴涂工程設(shè)計系統(tǒng)、專家和用戶綜合評審系統(tǒng)、鍛件產(chǎn)品噴涂實施系統(tǒng)、企業(yè)管理信息系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)庫和計算機系統(tǒng)組成，其系統(tǒng)體系框架如圖2所示，鍛件產(chǎn)品噴涂實施系統(tǒng)各子系統(tǒng)如下。

2.1 同步系統(tǒng)

根據(jù)自動噴涂生產(chǎn)線為連續(xù)運行的通過式的特點，選取同步系統(tǒng)。同步系統(tǒng)是自動噴涂集成系統(tǒng)不可或缺的一個單元，它決定著噴涂位置定位的準(zhǔn)確性，是工件到位自動檢測系統(tǒng)實現(xiàn)功能的前提。同步系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)噴涂機器人工作速度與輸送鏈速度之間同步協(xié)調(diào)，防止因速度不同步原因造成定位不準(zhǔn)確或者引發(fā)故障。

2.2 工件到位自動檢測系統(tǒng)

工件到位自動檢測系統(tǒng)又是機器人噴涂系統(tǒng)的前提，主要用到的是傳感器技術(shù)，工件到位自動檢測系統(tǒng)對工件是否到達指定作業(yè)位置進行檢測，并將信息傳輸給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)收到信號將指令下發(fā)到相應(yīng)設(shè)備，如輸送設(shè)備、噴涂機器人等，設(shè)備接受到指令開始工作。

2.3 機器人噴涂系統(tǒng)

機器人噴涂系統(tǒng)是鍛件自動噴涂集成系統(tǒng)核心模塊，機器人噴涂系統(tǒng)主要由噴涂機器人系統(tǒng)、識別系統(tǒng)和供漆系統(tǒng)組成。

2.3.1 噴涂機器人系統(tǒng)

A公司采用某公司的專用噴涂機器人，噴涂機器人參數(shù)如圖3所示，技術(shù)特點為：

1）機器人氣體正壓防爆系統(tǒng)：噴涂機器人采用全封閉的結(jié)構(gòu)，并在殼體中充入阻燃?xì)怏w來隔絕噴涂過程中可燃?xì)怏w，可以有效防止產(chǎn)生電火花而引起爆炸等安全事故。

2）連續(xù)3R斜交非球型中空手腕：噴涂機器人的四五六軸為中空非球型手腕結(jié)構(gòu)，這樣可以將涂料管、高壓線纜、氣管等貫穿手腕，消除管道外置對導(dǎo)致機器人運動受限，提升高壓線纜的安全性。

3）噴涂范圍大，噴涂效率與質(zhì)量高：噴涂機器人的運動半徑可以達到2.9米，遠(yuǎn)超于市面上多數(shù)噴涂機器人，僅有ABB的IRB 5400、IRB 5500和川崎的KJ314-7軸等少數(shù)機型能達到，運動范圍如圖4所示。

圖1 噴涂工藝流程圖

圖3 SRPT15-2900機器人參數(shù)

2.3.2 識別系統(tǒng)

識別系統(tǒng)可以實現(xiàn)機器人自動噴涂多品種混流生產(chǎn)。它充當(dāng)了機器人的眼睛，可以識別出系統(tǒng)中已經(jīng)儲存的零件種類，并且通過通訊系統(tǒng)發(fā)送給總控系統(tǒng)，調(diào)用噴涂程序完成工件的噴涂工作。一般采用給每個零件編制二維碼，通過視覺傳感器掃描二維碼，來識別零件的種類。

圖4 SRPT15-2900機器人運動范圍圖

2.3.3 供漆系統(tǒng)

供漆系統(tǒng)主要由供漆泵、涂料調(diào)壓器、色漆換色閥和噴槍組成。為提高涂料的上漆率以及滿足噴涂環(huán)境防爆要求，采用高壓柱塞氣動泵給噴槍提供涂料；調(diào)節(jié)噴槍扇幅，采用自動涂料調(diào)壓器來控制涂料的供給壓力，實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)；為提高機器人自動噴涂系統(tǒng)柔性和可擴展性，實現(xiàn)自動換色的功能，采用色漆換色閥，給更換涂料帶來極大的便利；基于鍛件多為大型工件，選用空氣輔助式無氣噴槍，即能實現(xiàn)大扇幅噴涂，同時還可以提高涂料的上漆率，節(jié)約涂料成本。

圖5 系統(tǒng)整體布局

2.4 生產(chǎn)過程監(jiān)控系統(tǒng)

自動噴涂生產(chǎn)車間安裝自動監(jiān)控系統(tǒng)，全天候?qū)崟r監(jiān)控生產(chǎn)過程。安裝監(jiān)控系統(tǒng)，只需一個人在監(jiān)控室進行監(jiān)督查看生產(chǎn)過程，監(jiān)控系統(tǒng)裝有報警裝置，當(dāng)遇到突發(fā)狀況時，會以最快和最佳的方式發(fā)出警報并觸發(fā)急停動作，工作人員收到信號后，可以快速進入現(xiàn)場處理事故，分析事故產(chǎn)生的原因，不僅提高了作業(yè)安全性，降低了勞動成本，還提高工作效率。

3 鍛件自動噴涂集成系統(tǒng)布局

鍛件自動噴涂集成系統(tǒng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)由輸送室、預(yù)熱室、清理室、噴涂室、冷卻室組成，系統(tǒng)整體布局如圖5所示。采用Sketchup軟件繪制噴涂集成系統(tǒng)布局模型，可以更加直觀的反映出噴涂集成系統(tǒng)的工藝流程、系統(tǒng)框架，為接下來的實際應(yīng)用提供依據(jù)。

3.1 輸送工藝室

輸送工藝主要進行上料輸送操作，針對噴涂鍛件多為大型工件，輸送裝置采用GWJ3500C重型積放式輸送機輸送，輸送機每個小車載重可達2000kg，本生產(chǎn)線采用4車組結(jié)構(gòu)，可以滿足工件重量要求。工藝鏈速可以在9～15m/min范圍內(nèi)變速調(diào)節(jié)。輸送工藝室如圖6所示。

圖6 輸送工藝室

3.2 預(yù)熱工藝室

預(yù)熱工藝主要是對鍛件進行補償熱量，防止鍛件從預(yù)熱爐運行至噴涂工位以及噴涂過程中，溫度下降，影響噴涂質(zhì)量。溫度的調(diào)節(jié)方法采用PID調(diào)節(jié)，預(yù)熱工藝室如圖7所示。

圖7 預(yù)熱工藝室

3.3 清理工藝室

清理工藝主要是清理工件表面的灰塵、污漬等，采用高壓噴霧清理方式可以起到很好的清理效果，鍛件的清潔度也是噴涂質(zhì)量的一個關(guān)鍵要素，清理工藝室如圖8所示。

圖8 清理工藝室

3.4 噴涂工藝室

噴涂工藝主要是鍛件的噴涂工作，是整個工藝流程的核心部分。噴涂工藝室內(nèi)采用無人化自動噴涂，只有當(dāng)作業(yè)出現(xiàn)問題或噴涂機器人需要維修保養(yǎng)時，工作人員才可進入。噴涂工藝室如圖9所示。

圖9 噴涂工藝室及冷卻工藝室

3.5 冷卻工藝室

冷卻工藝主要是針對已噴涂鍛件的溫度高，若采用自然冷卻，增減整個工藝時間，且影響噴涂質(zhì)量，因此增加冷卻工藝環(huán)節(jié)進行人工冷卻降溫。待冷卻完成，自然晾曬風(fēng)干后，送入儲藏室。冷卻工藝室如圖9所示。

4 應(yīng)用效果分析

輸送工藝貫穿整個工藝過程，對后續(xù)的其他工藝的有序進行起到關(guān)鍵作用，因此，選擇輸送工藝模塊進行現(xiàn)場展示。鍛件產(chǎn)品體積重，慣性力大的特點決定了輸送裝置要運行平穩(wěn)、速度緩慢、可調(diào)控。選用積放式輸送機可以滿足上述的需求，其特點是積放式輸送機的工作狀態(tài)穩(wěn)定、承載能力強、調(diào)控范圍廣，因此，非常適用于自動噴涂生產(chǎn)線的各個工位間的生產(chǎn)過程協(xié)調(diào)配合，現(xiàn)場情況如圖10所示。

圖10 輸送工藝現(xiàn)場圖

自動噴涂生產(chǎn)線原計劃的日產(chǎn)量為50件，考慮生產(chǎn)車間的設(shè)備需要進行階段性維護保養(yǎng)等，因此，實際產(chǎn)量與設(shè)計產(chǎn)量間存在一個誤差系數(shù)，該系數(shù)一般取為0.95左右?，F(xiàn)場生產(chǎn)采用全天候不間斷工作制度，除去假期以及維護保養(yǎng)時間實際工作天數(shù)大約280天左右車間的設(shè)備利用率取為90%。生產(chǎn)線為串聯(lián)模式，各個設(shè)備之間相互獨立工作，不存在共用設(shè)備現(xiàn)象。計算自動噴涂生產(chǎn)每年有效工作時間，如下式所示：

上式各參數(shù)的物理意義為：

T為自動噴涂有效年工作時間；

T0為噴涂實際日工作時間；

C為實際年工作天數(shù)；

η為代表車間設(shè)備的實際利用率。

將相關(guān)數(shù)據(jù)帶入上式計算可得：

在滿足年產(chǎn)量規(guī)定指標(biāo)情況下，平均分配到每個鍛件上的有效噴涂時間為：

上式各參數(shù)的物理意義為：

λ為分配到每個工件的有效噴涂時間；

S為代表該條自動噴涂生產(chǎn)線的鍛件產(chǎn)量。

經(jīng)過上述計算可以得出該條噴涂生產(chǎn)線的工作節(jié)拍為28分鐘，與之前的工作節(jié)拍70分鐘（A公司的工作節(jié)拍）相比提高了2.5倍，年產(chǎn)量由1400件增加到3500多件，且噴涂的質(zhì)量也得到了很大改善。

5 結(jié)語

鍛件自動噴涂集成系統(tǒng)技術(shù)是一個技術(shù)性和實用性很強的研究課題，本文的研究取得了如下成果：

1）針對鍛件產(chǎn)品的噴涂過程的特點和傳統(tǒng)的噴涂系統(tǒng)存在的問題，建立了一種鍛件自動噴涂集成系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。

2）以鍛件噴涂集成系統(tǒng)體系的組成及其結(jié)構(gòu)特點為根據(jù)，合理規(guī)劃了鍛件自動噴涂集成系統(tǒng)的布局。

3）以A公司為應(yīng)用企業(yè)，成功實施了我國首項鍛件噴涂行業(yè)計算機集成制造系統(tǒng)應(yīng)用示范工程。

鍛件自動噴涂集成系統(tǒng)的成功應(yīng)用，不僅對噴涂行業(yè)的改造起到積極推動作用，同時也為其他行業(yè)在計算機集成制造系統(tǒng)的應(yīng)用平臺開發(fā)上提供參考。