徐文敏 丁一峰 胡 輝

上海建工（江蘇）鋼結構有限公司 江蘇 南通 226100

1 我國涂裝產(chǎn)業(yè)人工噴涂現(xiàn)狀

目前，我國涂裝產(chǎn)業(yè)中所使用的涂料，多為以有機溶劑作為載體的溶劑型涂料。溶劑中含量大量的苯、甲苯、二甲苯等具有較強危害性的化學成分，這種溶劑型涂料刺激性大，對人體有一定的傷害。涂裝行業(yè)從業(yè)人員的流動性大，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，導致了更高的造價；另一方面，國家對VOC（揮發(fā)性有機化合物）排放的控制要求日益嚴格。另外，施工過程中槍手噴涂的涂料，很多并非噴到構件上，而是飄散到空氣中；即使噴涂到構件上，膜厚控制的不均勻性也導致了大量的打磨或補噴，最終使成本高企。

相對于歐美、日韓等發(fā)達國家和地區(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)的理論學習和專業(yè)技能訓練，再加上人員流動等方面的問題，造成了目前我國鋼結構噴涂效率低、噴涂質量較差、返工率高等現(xiàn)狀，嚴重制約了生產(chǎn)力。

涂裝行業(yè)的問題顯而易見，針對該種困局，用機器噴涂代替人工噴涂，向自動化噴涂方向發(fā)展是必然趨勢。

2 涂裝工作機器人化的可行性

噴涂機器人是一種能夠自動進行涂料噴涂的工業(yè)機器人，早在20世紀60年代就被開發(fā)出來。

噴涂機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90年代，日本是世界上機器人發(fā)展最快的國家，被稱為“機器人王國”[1-2]。在噴涂行業(yè)，機器人也得到了大量的應用，20世紀六七十年代機器人在涂裝上得到應用，至今已有五六十年的歷史[3]。美國、德國最早應用噴涂機器人，對噴涂機器人行業(yè)有著重大的影響[4]。目前，能生產(chǎn)高質量噴涂機器人的廠家品牌主要有ABB、KUKA、MOTOMAN、FANUC等，而ABB的噴涂機器人被全世界廣泛采用[5-6]。機器人的發(fā)展主要依賴于噴涂機械臂結構設計、運動學及運動學分析技術、涂層優(yōu)化噴涂算法、控制技術、程序編寫技術、視覺識別技術等，而這些技術目前正在不斷發(fā)展，機器人的造價也隨之在不斷降低。對于發(fā)達國家已經(jīng)使用很多年的涂裝技術，我國要將其應用于生產(chǎn)實際中，難度并不大。

另外，不同于焊接、裝配等機器人，涂裝機器人對控制的要求并不是太高，如制造高精度的零件，必須要高精度的機器人，否則零件的精度就會出現(xiàn)偏差，導致零件無法正常使用。而用于鋼結構的涂裝機器人在噴涂的過程中，對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，只會造成涂裝膜厚的略微變化，不會出大問題，所以可以購買精度較低的機器人，以節(jié)約成本。

3 涂裝機器人在鋼結構涂裝上的應用

目前，涂裝機器人在鋼結構行業(yè)還沒有得到批量應用，主要原因是鋼結構行業(yè)大部分構件的外形各不相同，屬于非標件，完全相同的數(shù)量十分有限。

在汽車制作業(yè)，雖然對精度的控制要求很高，但是一個零件往往要生產(chǎn)成百上千個，屬于標準件。1961年，第一臺機器人就用于汽車行業(yè)，目前這個行業(yè)中涂裝機器人的應用比較廣泛。這是因為同一個車型可以制造上萬輛，哪怕汽車的外形再復雜，編程的成本再高，但編寫一次程序，就可以對同一車型的汽車噴涂上萬遍，分攤到每一輛汽車，編程成本是很低的。而如果應用于鋼結構涂裝，因為鋼結構各不相同的外形，每一件都需要單獨編程，這個成本相對還是比較高的，使得企業(yè)寧愿使用人工進行噴涂，也不愿意使用機器人。由此可見，機器人噴涂的編程問題是鋼結構行業(yè)推進的主要瓶頸。

針對機器人涂裝編程問題，可對鋼結構構件進行分析。常規(guī)鋼構件的本體結構還是比較簡單的，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。針對這些較為典型的截面，只需要簡單輸入一些截面參數(shù)和長度，就能獲取這些構件的外形信息，完成噴涂路徑的規(guī)劃，編程的工作也較為簡單。但是裝上其他連接零件后，形狀就變得復雜了，要獲取構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，編程就變得更加復雜。

通過上述分析，可以將那些只有本體的構件區(qū)分出來，通過簡單的編程后就能用機器人進行噴涂，或者將部分復雜的構件先進行本體噴涂，這樣就可以解決部分問題。對于純鋼板類構件或者截面小于300 mm的型鋼，鋼板預處理生產(chǎn)線就是成熟產(chǎn)品；對于圓管類本體，目前已經(jīng)有一些單位推出專用的涂裝設備，能解決內外面的涂裝，在管道行業(yè)也得到了一些應用；對于其他類型截面，也有一些單位在研發(fā)或試用中。

對于結構形式復雜的鋼結構，如何獲取構件結構信息，行業(yè)內也都在嘗試不同的方法，主要的方法有設計模型導出法、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計模型導出的方式獲取，因為現(xiàn)階段我國鋼結構設計大多數(shù)都是用專用軟件進行設計的，有三維立體模型，這個精度是非常高的，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計模型進行編程，但是這種方法有一個缺點，即實物和模型有一定差異，需要在噴涂過程中進行修正。其他2種方法雖然能獲取構件的真實信息，但是還存在一定的缺陷，不能完整地獲取信息。

及時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，導致許多地方仍無法采用無氣噴涂，需要手工刷涂或滾涂進行修補。圖1是建筑鋼結構中常見的鋼柱，鋼柱的本體是箱形結構，比較規(guī)則，而鋼柱頂部和中間安裝有多個方向的牛腿。由于鋼柱類構件這些牛腿的存在，極大地增加了鋼柱的涂裝難度。對于鋼柱本身的噴涂，無論哪種截面噴涂都是比較簡單的。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等，這是噴涂工藝最難的地方，所以研發(fā)單位針對這些地方往往還是采用手工修補處理。

圖1 帶有柱牛腿的鋼柱

4 機器人的安裝方式及漆霧防護

鋼結構外形尺寸較大，寬度、高度至少要2 m，長度至少要10 m，而且現(xiàn)在對VOC的要求較高，使得滿足要求的涂裝施工場地也十分有限，如何選擇合理的機器人布局顯得特別重要。

由于構件的外形尺寸較大，故目前6軸涂裝機器人的手臂不能到達噴涂位置。要對鋼結構的各個不同區(qū)域進行噴涂，機器人必須能夠沿著構件長度方向移動，所以涂裝機器人必須增加第7軸，也就是讓機器人在第7軌上移動。機器人在噴涂時，漆霧會飛散得到處都是，這樣在讓機器人穿上防護衣的同時，也要對機器人軌道進行保護，否則軌道上一旦沾上漆霧，涂裝機器人移動的精度將會下降，繼而影響噴涂的精度，長期使用后隨著油漆不斷積累，將導致無法移動。因此，必須做好軌道漆霧防護工作，如在軌道上加裝風琴防護罩等。

工業(yè)機器人常用的安裝方式有正裝式、側裝式及倒掛式。正裝式布局的軌道布置在地面上，這就導致了一個弊端：由于構件較大，而且還存在牛腿類構造，所以要在構件兩側布置機器人，也就要在構件兩側布置軌道，這樣軌道布置會占用較多的施工場地，極大地減少有效放置構件的場地。側裝式布局也無法滿足構件兩側面噴涂的要求，要解決這一難題，一個很好的辦法就是將機器人倒掛起來，這樣軌道就不會占用有效施工場地。

5 涂裝機器人雙機協(xié)同的必要性

鑒于鋼結構構件的外形特征，涂裝機器人雙機協(xié)同的優(yōu)勢在于以下幾個方面：

1）2臺涂裝機器人之間相互配合協(xié)作，能夠極大地減少單臺機器人的噴涂死角，也就減少了手工修補工作量。

2）一個復雜的涂裝工作，如果由單臺涂裝機器人完成，則對該單臺涂裝機器人的配置要求較高，從而大幅提升成本；而如果由2臺涂裝機器人相互配合協(xié)作，則對2臺涂裝機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臺涂裝機器人協(xié)助施工移動的范圍要小于單臺涂裝機器人，可以提高涂裝效率。

涂裝機器人雙機協(xié)同也存在劣勢，這個劣勢需要在使用中予以規(guī)避。雙機器人系統(tǒng)甚至多臺機器人協(xié)同制造系統(tǒng)一直是學術界研究的熱點，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)境中為機器人規(guī)劃一條從起點到終點的最優(yōu)路徑。在雙機協(xié)同系統(tǒng)中，另一個機器人也會成為當前機器人的障礙物[7-8]。目前，雙機協(xié)同的機器人主要是應用在焊接、裝配等領域，用在涂裝上的很少看到。而涂裝的路徑規(guī)劃，相對于裝配、焊接的路徑規(guī)劃更加困難，因為用于裝配、焊接的多機器人協(xié)同系統(tǒng)，其路徑規(guī)劃的過程中只要機器人的機械臂在運動過程中不要觸碰即可，而涂裝的多機器人協(xié)同系統(tǒng)，還要考慮噴涂時相鄰機器人的機械臂不能遮擋當前機器人噴槍的涂料噴射，以及漆霧的污染問題等，這對涂裝機器人的路徑規(guī)劃提出了更高的要求。為了保證涂裝質量，我公司研究了一種雙機協(xié)同倒掛涂裝機器人，并已申報了專利。

6 雙機協(xié)同倒掛涂裝機器人研究

雙機協(xié)同倒掛涂裝機器人裝置的核心部件是倒掛著的雙機協(xié)作機6軸機器人。機器人倒掛方式可以使地面布滿構件，有效利用空間，節(jié)約施工場地。該裝置頂部有一個鋼制矩形軌道框架（長13 m、寬8 m），軌道框架通過吊桿節(jié)點與涂裝房的房頂連接。軌道框架下面長度方向設12 m線軌，旁邊布置齒條，作為縱向移動軌道（圖2）。

縱向軌道下方布置一個鋼制窄框架（長8 m、寬0.8 m），這個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，窄框架下方長度方向有7 m長的線軌，旁邊布置齒條，此軌道和縱向軌道垂直，作為橫向移動軌道。窄框架通過軌道連接裝置與縱向軌道連接，內部設有齒輪、減速機、伺服電機等裝置。軌道的外側均設置有風琴罩，用來防止漆霧污染。橫向軌道下方設一個軌道移動裝置，該裝置控制機器人做橫向移動，內部有齒輪、減速機、伺服電機等裝置，機器人就可以實現(xiàn)前后左右的移動了（圖3）。

圖2 雙機協(xié)同倒掛涂裝機器人 系統(tǒng)及移動裝置

圖3 雙機協(xié)同倒掛 涂裝機器人

軌道移動裝置中間的矩形管內部設置可供機器人升降的裝置，升降裝置的外側也設置風琴罩，防止漆霧污染。底部的作業(yè)區(qū)域是一根可以旋轉的橫梁，橫梁的兩側各設置一個雙機倒掛涂裝機器人，這樣噴涂機器人就在6軸的基礎上新增加了4個軸，提供了更大的工作范圍，可滿足鋼結構噴涂的特殊需求。

7 結語

作為傳統(tǒng)的有毒有害工種，涂裝行業(yè)的機器人化是一種趨勢。相對于人工噴涂，機器人噴涂有著很大的優(yōu)勢。本文介紹了涂裝行業(yè)人工噴涂的現(xiàn)狀以及噴涂機器人的可行性問題。未來，根據(jù)企業(yè)引進的涂裝機器人所取得的涂裝效果，在此基礎上制造雙機倒掛涂裝機器人用于實際生產(chǎn)，將是一種不錯的選擇。