徐文敏 丁一峰 胡 輝
上海建工(江蘇)鋼結(jié)構(gòu)有限公司 江蘇 南通 226100
目前,我國涂裝產(chǎn)業(yè)中所使用的涂料,多為以有機(jī)溶劑作為載體的溶劑型涂料。溶劑中含量大量的苯、甲苯、二甲苯等具有較強(qiáng)危害性的化學(xué)成分,這種溶劑型涂料刺激性大,對(duì)人體有一定的傷害。涂裝行業(yè)從業(yè)人員的流動(dòng)性大,水平高的槍手十分缺乏,企業(yè)往往無法招聘到足夠的、能滿足要求的施工人員。
涂料的價(jià)格日益昂貴,使用成本越來越高。一方面,涂料的功能越來越多,導(dǎo)致了更高的造價(jià);另一方面,國家對(duì)VOC(揮發(fā)性有機(jī)化合物)排放的控制要求日益嚴(yán)格。另外,施工過程中槍手噴涂的涂料,很多并非噴到構(gòu)件上,而是飄散到空氣中;即使噴涂到構(gòu)件上,膜厚控制的不均勻性也導(dǎo)致了大量的打磨或補(bǔ)噴,最終使成本高企。
相對(duì)于歐美、日韓等發(fā)達(dá)國家和地區(qū),我國涂裝從業(yè)人員的專業(yè)化也不足,上崗前沒有受過系統(tǒng)的理論學(xué)習(xí)和專業(yè)技能訓(xùn)練,再加上人員流動(dòng)等方面的問題,造成了目前我國鋼結(jié)構(gòu)噴涂效率低、噴涂質(zhì)量較差、返工率高等現(xiàn)狀,嚴(yán)重制約了生產(chǎn)力。
涂裝行業(yè)的問題顯而易見,針對(duì)該種困局,用機(jī)器噴涂代替人工噴涂,向自動(dòng)化噴涂方向發(fā)展是必然趨勢(shì)。
噴涂機(jī)器人是一種能夠自動(dòng)進(jìn)行涂料噴涂的工業(yè)機(jī)器人,早在20世紀(jì)60年代就被開發(fā)出來。
噴涂機(jī)器人在國外較為成熟,已經(jīng)有多年的研究和發(fā)展歷史,被廣泛用于家居、電子等行業(yè)。在20世紀(jì)90年代,日本是世界上機(jī)器人發(fā)展最快的國家,被稱為“機(jī)器人王國”[1-2]。在噴涂行業(yè),機(jī)器人也得到了大量的應(yīng)用,20世紀(jì)六七十年代機(jī)器人在涂裝上得到應(yīng)用,至今已有五六十年的歷史[3]。美國、德國最早應(yīng)用噴涂機(jī)器人,對(duì)噴涂機(jī)器人行業(yè)有著重大的影響[4]。目前,能生產(chǎn)高質(zhì)量噴涂機(jī)器人的廠家品牌主要有ABB、KUKA、MOTOMAN、FANUC等,而ABB的噴涂機(jī)器人被全世界廣泛采用[5-6]。機(jī)器人的發(fā)展主要依賴于噴涂機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)學(xué)及運(yùn)動(dòng)學(xué)分析技術(shù)、涂層優(yōu)化噴涂算法、控制技術(shù)、程序編寫技術(shù)、視覺識(shí)別技術(shù)等,而這些技術(shù)目前正在不斷發(fā)展,機(jī)器人的造價(jià)也隨之在不斷降低。對(duì)于發(fā)達(dá)國家已經(jīng)使用很多年的涂裝技術(shù),我國要將其應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際中,難度并不大。
另外,不同于焊接、裝配等機(jī)器人,涂裝機(jī)器人對(duì)控制的要求并不是太高,如制造高精度的零件,必須要高精度的機(jī)器人,否則零件的精度就會(huì)出現(xiàn)偏差,導(dǎo)致零件無法正常使用。而用于鋼結(jié)構(gòu)的涂裝機(jī)器人在噴涂的過程中,對(duì)精度的要求并不是特別高,噴涂角度、噴涂距離稍微有一定偏差,只會(huì)造成涂裝膜厚的略微變化,不會(huì)出大問題,所以可以購買精度較低的機(jī)器人,以節(jié)約成本。
目前,涂裝機(jī)器人在鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)還沒有得到批量應(yīng)用,主要原因是鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)大部分構(gòu)件的外形各不相同,屬于非標(biāo)件,完全相同的數(shù)量十分有限。
在汽車制作業(yè),雖然對(duì)精度的控制要求很高,但是一個(gè)零件往往要生產(chǎn)成百上千個(gè),屬于標(biāo)準(zhǔn)件。1961年,第一臺(tái)機(jī)器人就用于汽車行業(yè),目前這個(gè)行業(yè)中涂裝機(jī)器人的應(yīng)用比較廣泛。這是因?yàn)橥粋€(gè)車型可以制造上萬輛,哪怕汽車的外形再復(fù)雜,編程的成本再高,但編寫一次程序,就可以對(duì)同一車型的汽車噴涂上萬遍,分?jǐn)偟矫恳惠v汽車,編程成本是很低的。而如果應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)涂裝,因?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)各不相同的外形,每一件都需要單獨(dú)編程,這個(gè)成本相對(duì)還是比較高的,使得企業(yè)寧愿使用人工進(jìn)行噴涂,也不愿意使用機(jī)器人。由此可見,機(jī)器人噴涂的編程問題是鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)推進(jìn)的主要瓶頸。
針對(duì)機(jī)器人涂裝編程問題,可對(duì)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行分析。常規(guī)鋼構(gòu)件的本體結(jié)構(gòu)還是比較簡(jiǎn)單的,主要是H形、十字形、箱形或圓管等幾種截面,特別是許多鋼梁就是常規(guī)的H形截面。針對(duì)這些較為典型的截面,只需要簡(jiǎn)單輸入一些截面參數(shù)和長(zhǎng)度,就能獲取這些構(gòu)件的外形信息,完成噴涂路徑的規(guī)劃,編程的工作也較為簡(jiǎn)單。但是裝上其他連接零件后,形狀就變得復(fù)雜了,要獲取構(gòu)件外形信息需要輸入大量信息,噴涂路徑規(guī)劃難度也提高很多,再加上不同的油漆配套要求,編程就變得更加復(fù)雜。
通過上述分析,可以將那些只有本體的構(gòu)件區(qū)分出來,通過簡(jiǎn)單的編程后就能用機(jī)器人進(jìn)行噴涂,或者將部分復(fù)雜的構(gòu)件先進(jìn)行本體噴涂,這樣就可以解決部分問題。對(duì)于純鋼板類構(gòu)件或者截面小于300 mm的型鋼,鋼板預(yù)處理生產(chǎn)線就是成熟產(chǎn)品;對(duì)于圓管類本體,目前已經(jīng)有一些單位推出專用的涂裝設(shè)備,能解決內(nèi)外面的涂裝,在管道行業(yè)也得到了一些應(yīng)用;對(duì)于其他類型截面,也有一些單位在研發(fā)或試用中。
對(duì)于結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜的鋼結(jié)構(gòu),如何獲取構(gòu)件結(jié)構(gòu)信息,行業(yè)內(nèi)也都在嘗試不同的方法,主要的方法有設(shè)計(jì)模型導(dǎo)出法、多角度拍照獲取法和三維掃描獲取法。目前,最可靠的方法就是直接利用設(shè)計(jì)模型導(dǎo)出的方式獲取,因?yàn)楝F(xiàn)階段我國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大多數(shù)都是用專用軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)的,有三維立體模型,這個(gè)精度是非常高的,完全能滿足噴涂的編程需求。已經(jīng)有多家公司通過不同方法能直接利用設(shè)計(jì)模型進(jìn)行編程,但是這種方法有一個(gè)缺點(diǎn),即實(shí)物和模型有一定差異,需要在噴涂過程中進(jìn)行修正。其他2種方法雖然能獲取構(gòu)件的真實(shí)信息,但是還存在一定的缺陷,不能完整地獲取信息。
及時(shí)解決了外形信息的獲取問題后,由于噴涂工具或噴涂方法的限制,導(dǎo)致許多地方仍無法采用無氣噴涂,需要手工刷涂或滾涂進(jìn)行修補(bǔ)。圖1是建筑鋼結(jié)構(gòu)中常見的鋼柱,鋼柱的本體是箱形結(jié)構(gòu),比較規(guī)則,而鋼柱頂部和中間安裝有多個(gè)方向的牛腿。由于鋼柱類構(gòu)件這些牛腿的存在,極大地增加了鋼柱的涂裝難度。對(duì)于鋼柱本身的噴涂,無論哪種截面噴涂都是比較簡(jiǎn)單的。但牛腿排布方向、牛腿形狀各不相同,再加上牛腿上也有許多加勁板,導(dǎo)致噴涂難度較高。要規(guī)劃牛腿部位噴涂路徑,必須考慮噴涂的先后次序、每一道噴涂交疊位置的選擇和起始點(diǎn)等,這是噴涂工藝最難的地方,所以研發(fā)單位針對(duì)這些地方往往還是采用手工修補(bǔ)處理。
圖1 帶有柱牛腿的鋼柱
鋼結(jié)構(gòu)外形尺寸較大,寬度、高度至少要2 m,長(zhǎng)度至少要10 m,而且現(xiàn)在對(duì)VOC的要求較高,使得滿足要求的涂裝施工場(chǎng)地也十分有限,如何選擇合理的機(jī)器人布局顯得特別重要。
由于構(gòu)件的外形尺寸較大,故目前6軸涂裝機(jī)器人的手臂不能到達(dá)噴涂位置。要對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的各個(gè)不同區(qū)域進(jìn)行噴涂,機(jī)器人必須能夠沿著構(gòu)件長(zhǎng)度方向移動(dòng),所以涂裝機(jī)器人必須增加第7軸,也就是讓機(jī)器人在第7軌上移動(dòng)。機(jī)器人在噴涂時(shí),漆霧會(huì)飛散得到處都是,這樣在讓機(jī)器人穿上防護(hù)衣的同時(shí),也要對(duì)機(jī)器人軌道進(jìn)行保護(hù),否則軌道上一旦沾上漆霧,涂裝機(jī)器人移動(dòng)的精度將會(huì)下降,繼而影響噴涂的精度,長(zhǎng)期使用后隨著油漆不斷積累,將導(dǎo)致無法移動(dòng)。因此,必須做好軌道漆霧防護(hù)工作,如在軌道上加裝風(fēng)琴防護(hù)罩等。
工業(yè)機(jī)器人常用的安裝方式有正裝式、側(cè)裝式及倒掛式。正裝式布局的軌道布置在地面上,這就導(dǎo)致了一個(gè)弊端:由于構(gòu)件較大,而且還存在牛腿類構(gòu)造,所以要在構(gòu)件兩側(cè)布置機(jī)器人,也就要在構(gòu)件兩側(cè)布置軌道,這樣軌道布置會(huì)占用較多的施工場(chǎng)地,極大地減少有效放置構(gòu)件的場(chǎng)地。側(cè)裝式布局也無法滿足構(gòu)件兩側(cè)面噴涂的要求,要解決這一難題,一個(gè)很好的辦法就是將機(jī)器人倒掛起來,這樣軌道就不會(huì)占用有效施工場(chǎng)地。
鑒于鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的外形特征,涂裝機(jī)器人雙機(jī)協(xié)同的優(yōu)勢(shì)在于以下幾個(gè)方面:
1)2臺(tái)涂裝機(jī)器人之間相互配合協(xié)作,能夠極大地減少單臺(tái)機(jī)器人的噴涂死角,也就減少了手工修補(bǔ)工作量。
2)一個(gè)復(fù)雜的涂裝工作,如果由單臺(tái)涂裝機(jī)器人完成,則對(duì)該單臺(tái)涂裝機(jī)器人的配置要求較高,從而大幅提升成本;而如果由2臺(tái)涂裝機(jī)器人相互配合協(xié)作,則對(duì)2臺(tái)涂裝機(jī)器人的配置要求可以降低,也就降低了投資成本。
3)一般情況下,2臺(tái)涂裝機(jī)器人協(xié)助施工移動(dòng)的范圍要小于單臺(tái)涂裝機(jī)器人,可以提高涂裝效率。
涂裝機(jī)器人雙機(jī)協(xié)同也存在劣勢(shì),這個(gè)劣勢(shì)需要在使用中予以規(guī)避。雙機(jī)器人系統(tǒng)甚至多臺(tái)機(jī)器人協(xié)同制造系統(tǒng)一直是學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn),而路徑規(guī)劃問題是研究的核心部分,其目的是在有障礙物的環(huán)境中為機(jī)器人規(guī)劃一條從起點(diǎn)到終點(diǎn)的最優(yōu)路徑。在雙機(jī)協(xié)同系統(tǒng)中,另一個(gè)機(jī)器人也會(huì)成為當(dāng)前機(jī)器人的障礙物[7-8]。目前,雙機(jī)協(xié)同的機(jī)器人主要是應(yīng)用在焊接、裝配等領(lǐng)域,用在涂裝上的很少看到。而涂裝的路徑規(guī)劃,相對(duì)于裝配、焊接的路徑規(guī)劃更加困難,因?yàn)橛糜谘b配、焊接的多機(jī)器人協(xié)同系統(tǒng),其路徑規(guī)劃的過程中只要機(jī)器人的機(jī)械臂在運(yùn)動(dòng)過程中不要觸碰即可,而涂裝的多機(jī)器人協(xié)同系統(tǒng),還要考慮噴涂時(shí)相鄰機(jī)器人的機(jī)械臂不能遮擋當(dāng)前機(jī)器人噴槍的涂料噴射,以及漆霧的污染問題等,這對(duì)涂裝機(jī)器人的路徑規(guī)劃提出了更高的要求。為了保證涂裝質(zhì)量,我公司研究了一種雙機(jī)協(xié)同倒掛涂裝機(jī)器人,并已申報(bào)了專利。
雙機(jī)協(xié)同倒掛涂裝機(jī)器人裝置的核心部件是倒掛著的雙機(jī)協(xié)作機(jī)6軸機(jī)器人。機(jī)器人倒掛方式可以使地面布滿構(gòu)件,有效利用空間,節(jié)約施工場(chǎng)地。該裝置頂部有一個(gè)鋼制矩形軌道框架(長(zhǎng)13 m、寬8 m),軌道框架通過吊桿節(jié)點(diǎn)與涂裝房的房頂連接。軌道框架下面長(zhǎng)度方向設(shè)12 m線軌,旁邊布置齒條,作為縱向移動(dòng)軌道(圖2)。
縱向軌道下方布置一個(gè)鋼制窄框架(長(zhǎng)8 m、寬0.8 m),這個(gè)窄框架是由雙橫梁和短梁組合而成的,跨接在縱向軌道下方,窄框架下方長(zhǎng)度方向有7 m長(zhǎng)的線軌,旁邊布置齒條,此軌道和縱向軌道垂直,作為橫向移動(dòng)軌道。窄框架通過軌道連接裝置與縱向軌道連接,內(nèi)部設(shè)有齒輪、減速機(jī)、伺服電機(jī)等裝置。軌道的外側(cè)均設(shè)置有風(fēng)琴罩,用來防止漆霧污染。橫向軌道下方設(shè)一個(gè)軌道移動(dòng)裝置,該裝置控制機(jī)器人做橫向移動(dòng),內(nèi)部有齒輪、減速機(jī)、伺服電機(jī)等裝置,機(jī)器人就可以實(shí)現(xiàn)前后左右的移動(dòng)了(圖3)。
圖2 雙機(jī)協(xié)同倒掛涂裝機(jī)器人 系統(tǒng)及移動(dòng)裝置
圖3 雙機(jī)協(xié)同倒掛 涂裝機(jī)器人
軌道移動(dòng)裝置中間的矩形管內(nèi)部設(shè)置可供機(jī)器人升降的裝置,升降裝置的外側(cè)也設(shè)置風(fēng)琴罩,防止漆霧污染。底部的作業(yè)區(qū)域是一根可以旋轉(zhuǎn)的橫梁,橫梁的兩側(cè)各設(shè)置一個(gè)雙機(jī)倒掛涂裝機(jī)器人,這樣噴涂機(jī)器人就在6軸的基礎(chǔ)上新增加了4個(gè)軸,提供了更大的工作范圍,可滿足鋼結(jié)構(gòu)噴涂的特殊需求。
作為傳統(tǒng)的有毒有害工種,涂裝行業(yè)的機(jī)器人化是一種趨勢(shì)。相對(duì)于人工噴涂,機(jī)器人噴涂有著很大的優(yōu)勢(shì)。本文介紹了涂裝行業(yè)人工噴涂的現(xiàn)狀以及噴涂機(jī)器人的可行性問題。未來,根據(jù)企業(yè)引進(jìn)的涂裝機(jī)器人所取得的涂裝效果,在此基礎(chǔ)上制造雙機(jī)倒掛涂裝機(jī)器人用于實(shí)際生產(chǎn),將是一種不錯(cuò)的選擇。