孫鵬濤

（上海電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，上海201411）

1 技術(shù)研究現(xiàn)狀

涂膠是指根據(jù)不同的工藝要求把膠漿均勻涂抹在產(chǎn)品表面的一種加工方式。涂膠的目的主要是粘貼固定、提高強(qiáng)力、提升曲撓性能、提升耐腐蝕性能和制造耐高溫的絕緣材料等。隨著制造業(yè)水平的不斷提升，產(chǎn)品的涂裝質(zhì)量要求也越來(lái)越高。工業(yè)機(jī)器人憑借其自身靈活性強(qiáng)、動(dòng)作精度高和柔性化等特點(diǎn)，越來(lái)越多的應(yīng)用于涂膠系統(tǒng)中，使產(chǎn)品的涂膠質(zhì)量、生產(chǎn)管理以及經(jīng)濟(jì)效益等方面都有了明顯提高。

1.1 工業(yè)機(jī)器人及其在汽車玻璃涂膠中的應(yīng)用

當(dāng)下工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用最為廣泛的行業(yè)是汽車制造業(yè)。汽車制造業(yè)由于自身高附加值、高科技和高標(biāo)準(zhǔn)的行業(yè)特點(diǎn)，使得許多高新技術(shù)都應(yīng)用其中。工業(yè)機(jī)器人在汽車制造領(lǐng)域中主要有焊接機(jī)器人、噴涂機(jī)器人、搬運(yùn)機(jī)器人和裝配機(jī)器人等。

隨著當(dāng)代汽車技術(shù)的不斷進(jìn)步，汽車的行駛速度也越來(lái)越快。在發(fā)生碰撞和緊急剎車等突發(fā)事故時(shí)，極易產(chǎn)生因擋風(fēng)玻璃裝配質(zhì)量問(wèn)題而造成車內(nèi)人員傷害。在汽車總裝的工序中有一個(gè)重要項(xiàng)目就是風(fēng)擋玻璃的裝配，其中包含玻璃密封膠的噴涂和玻璃的安裝。工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用于汽車玻璃涂膠系統(tǒng)，具有人工無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，它行動(dòng)靈巧，可以將玻璃的尺寸誤差沿玻璃周邊均勻分布，而且精度極高，可以對(duì)玻璃自動(dòng)識(shí)別、自動(dòng)拾取和一次性自動(dòng)對(duì)中，極大地提高了汽車的整體質(zhì)量。

1.2 工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)集成

工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)集成主要是指工業(yè)機(jī)器人在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，對(duì)于工作現(xiàn)場(chǎng)的集成開(kāi)發(fā)。其主要內(nèi)容包含工裝設(shè)備、外部設(shè)備、控制系統(tǒng)等。也可以理解為把廠家采購(gòu)回來(lái)的工業(yè)機(jī)器人通過(guò)集成開(kāi)發(fā)變?yōu)榭梢詫?shí)際生產(chǎn)應(yīng)用的設(shè)備。

以ABB 工業(yè)機(jī)器人為例，如圖1 所示，是工業(yè)機(jī)器人出廠設(shè)備圖。用戶從ABB 公司購(gòu)買(mǎi)的工業(yè)機(jī)器人出廠設(shè)備只包含相應(yīng)型號(hào)的控制柜、工業(yè)機(jī)器人本體和示教器。

圖1 工業(yè)機(jī)器人出廠設(shè)備

工業(yè)機(jī)器人出廠時(shí)僅能實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)機(jī)器人本體的基本控制和編程，由于沒(méi)有任何外圍設(shè)備，工業(yè)機(jī)器人根本無(wú)法進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)使用。要使工業(yè)機(jī)器人能夠完成實(shí)際生產(chǎn)，就必須加裝外圍的配套設(shè)備，同時(shí)還要裝設(shè)外部控制系統(tǒng)，如PLC、傳感器和網(wǎng)絡(luò)連接線等，這也就構(gòu)成了工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)集成。工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)主要有如下步驟：第一，解讀分析工業(yè)機(jī)器人的工作任務(wù)。工作任務(wù)是整個(gè)系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)的核心問(wèn)題。第二，合理設(shè)計(jì)選用工裝設(shè)備。在設(shè)備設(shè)計(jì)選用的過(guò)程中加工對(duì)象的特點(diǎn)、需要達(dá)到的工藝標(biāo)準(zhǔn)和工作場(chǎng)地的情況都要綜合考量。第三，工業(yè)機(jī)器人的選型。它是系統(tǒng)中的核心部件。第四。外部控制系統(tǒng)的選型與設(shè)計(jì)。當(dāng)前工控領(lǐng)域，主要選用可編程控制器（PLC）作為外部控制系統(tǒng)的核心器件。第五，系統(tǒng)安裝調(diào)試。

2 工業(yè)機(jī)器人單元選型與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

考慮到系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本和實(shí)訓(xùn)設(shè)備通用性的問(wèn)題，本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)預(yù)期保留原有設(shè)備中的ABB 公司6 軸IRB-120 機(jī)器人，但要根據(jù)系統(tǒng)的功能對(duì)機(jī)器人本體的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)算，以保證功能實(shí)現(xiàn)。

2.1 工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析是實(shí)現(xiàn)控制與設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)內(nèi)容，涉及到運(yùn)動(dòng)學(xué)的相關(guān)時(shí)間參數(shù)和幾何參數(shù)。機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型是研究項(xiàng)目的基礎(chǔ)，決定著機(jī)器人軌跡、整體結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)定等內(nèi)容。通常有D-H 模型、Hayati 和MDH 等模型。鑒于實(shí)訓(xùn)平臺(tái)設(shè)計(jì)的實(shí)用性和可靠性等要求，本文選擇了數(shù)據(jù)研究成果豐富的D-H 經(jīng)典運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。在D-H 模型中，相鄰連桿之間的相對(duì)關(guān)系可以通過(guò)4 個(gè)連桿參數(shù)進(jìn)行定義，如式（1）

六自由度機(jī)器人對(duì)應(yīng)的6 個(gè)關(guān)節(jié)，可以表示為i=1,2……6,建立的連桿坐標(biāo)系及對(duì)應(yīng)連桿參數(shù)代入上式可得式(2)，所示的機(jī)器人連桿坐標(biāo)系變換矩陣。

由于本設(shè)計(jì)中的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)為模擬設(shè)備，精度要求相對(duì)較低，重點(diǎn)的參考標(biāo)準(zhǔn)是關(guān)節(jié)軸的末端位置，在完成了正運(yùn)動(dòng)學(xué)對(duì)于6 自由度的工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)運(yùn)算后，明確機(jī)器人符合本次設(shè)計(jì)需求，就不再做過(guò)多理論驗(yàn)算。另外，要獲得較高的運(yùn)行效率，主要應(yīng)滿足機(jī)器人相鄰的3 個(gè)關(guān)節(jié)軸線平行或者交于一點(diǎn)，此稱之為Pieper 準(zhǔn)則。

2.2 工業(yè)機(jī)器人的參數(shù)分析

ABB 公司IRB-120 型6 軸機(jī)器人，有效負(fù)載3kg，臂展0.58米。IRB-120 專為使用基于機(jī)器人的柔性自動(dòng)化的制造行業(yè)而設(shè)計(jì)。該機(jī)器人為開(kāi)放式結(jié)構(gòu),并且可以與外部系統(tǒng)進(jìn)行廣泛通信。另外，ABB 機(jī)器人公司是全球銷量最多的機(jī)器人設(shè)備生產(chǎn)商，該公司的機(jī)器人廣泛應(yīng)用于歐美汽車生產(chǎn)企業(yè)，具有運(yùn)行穩(wěn)定可靠、精度高、操作簡(jiǎn)單明了等特點(diǎn)。ABB 機(jī)器人自帶的RobotStudio 軟件，可以方便的提供在線和離線編程仿真功能，程序文件可以很方便的由ABB 機(jī)器人自帶的USB 接口及網(wǎng)線實(shí)現(xiàn)自由存儲(chǔ)和加載。仿真軟件自帶中文版本，可以方便現(xiàn)場(chǎng)施工人員使用。作為涂膠機(jī)器人，ABB 機(jī)器人公司為系統(tǒng)提供了專用的控制軟件包Robotware-Dispense，這款軟件包是ABB 公司專門(mén)為玻璃涂膠和密封膠而設(shè)計(jì)的世界領(lǐng)先的過(guò)程控制軟件包。它具有運(yùn)行精確、快速定位和涂膠流量修正等特點(diǎn)，可以和外圍涂膠設(shè)備協(xié)同動(dòng)作，完成準(zhǔn)確的膠量控制，提升玻璃涂膠的質(zhì)量。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)地，每間房間最多可布局6 套涂膠裝配典型應(yīng)用系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)計(jì)算和實(shí)際布置，每個(gè)工作系統(tǒng)的集成尺寸應(yīng)該在120cm×120cm 左右，實(shí)際安裝時(shí)機(jī)器人應(yīng)該位于系統(tǒng)的中間位置，因此，手臂的尺寸理論上可以到達(dá)工作平面任意一點(diǎn)?？紤]到機(jī)器人本體的自重25kg，自動(dòng)高速運(yùn)行時(shí)引起的晃動(dòng)會(huì)嚴(yán)重影響工作精度。參考學(xué)生操作工作臺(tái)高度和4 名學(xué)生同時(shí)工作的空間，設(shè)計(jì)了一個(gè)高80cm×長(zhǎng)70cm×寬60cm 的鈑金支撐平臺(tái)工業(yè)機(jī)器人本體固定在鈑金制成的支撐平臺(tái)上，桌體自帶配重，結(jié)實(shí)穩(wěn)定，保證機(jī)器人高速運(yùn)動(dòng)時(shí)不出現(xiàn)搖晃。根據(jù)產(chǎn)品參數(shù)手冊(cè)介紹，該機(jī)器人的重定位精度為0.01mm，完全能夠符合實(shí)際涂膠生產(chǎn)的定位精度要求。通過(guò)對(duì)機(jī)器人基本參數(shù)和運(yùn)動(dòng)學(xué)指標(biāo)分析，可以明確本次系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，繼續(xù)使用IRB-120 型機(jī)器人作為基本單元完全符合標(biāo)準(zhǔn)。

3 上料涂膠單元的硬件選型設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)工作流程的分析規(guī)劃，設(shè)計(jì)的上料涂膠系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)兩項(xiàng)功能。第一，送料機(jī)構(gòu)進(jìn)行傳送物料。將汽車的玻璃傳送至指定位置，等待機(jī)器人抓取。第二，涂膠系統(tǒng)進(jìn)行玻璃涂膠。機(jī)器人抓取玻璃后在涂膠機(jī)上涂膠，并安裝在汽車上。

3.1 涂膠機(jī)的選型

涂膠機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的核心部件之一，其性能直接影響到涂膠的質(zhì)量。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)適當(dāng)降低了涂膠的工藝要求，以實(shí)現(xiàn)涂膠機(jī)的小型化與經(jīng)濟(jì)化，但涂膠過(guò)程不應(yīng)有斷膠、冒泡和流膠等現(xiàn)象，保證基本的涂膠效果。在對(duì)比分析同類產(chǎn)品后，本任務(wù)選用宇科公司生產(chǎn)的TH-200KG 型涂膠機(jī)，220V/2000W，自重3.5kg，儲(chǔ)膠量在310-600ml，涂膠機(jī)全鋁合金制造，為防漏滴款式。涂膠機(jī)由膠槍和控制盒組成，兩者之間有氣管連接。儲(chǔ)存筒可對(duì)所有粘度液體進(jìn)行作業(yè)，數(shù)位時(shí)間控制線路，可保證涂點(diǎn)膠的精度。通過(guò)調(diào)節(jié)輸出氣壓和涂膠時(shí)間來(lái)獲得最佳涂膠效果，配備真空回吸可調(diào)裝置，以消除膠液滴漏現(xiàn)象。

3.2 上料機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

本文中設(shè)計(jì)的上料機(jī)構(gòu)，要求可實(shí)現(xiàn)物料自動(dòng)裝配、物料規(guī)格統(tǒng)一、體現(xiàn)柔性化等特點(diǎn)。因此其工位布局是否合理將直接影響到生產(chǎn)效率。該設(shè)計(jì)采用無(wú)桿氣缸作為汽車玻璃料盤(pán)上料裝置的傳送驅(qū)動(dòng)部件。無(wú)桿氣缸是利用活塞直接或間接方式連接外界執(zhí)行機(jī)構(gòu)，并使其跟隨活塞實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的氣缸。這種氣缸的最大優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省安裝空間。無(wú)桿氣缸在金屬框架內(nèi)部帶動(dòng)托盤(pán)水平移動(dòng)，為確保前后限位分別在氣缸縮回和伸出時(shí)能夠感應(yīng)到。無(wú)桿氣缸的前后限位都設(shè)計(jì)安裝了磁性開(kāi)關(guān)，以便采集位置信號(hào)。

4 多工位涂裝單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

多工位涂裝單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為PLC 驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)多工位上料工作的執(zhí)行系統(tǒng)。電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)直接應(yīng)用了原有的電控分度盤(pán)作為驅(qū)動(dòng)模塊，利用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)角度自動(dòng)調(diào)整，屬于精加工蝸輪蝸桿傳動(dòng)。采用精密豎軸系設(shè)計(jì)，精度高、承載大。設(shè)計(jì)過(guò)程中，考慮到多工位反復(fù)工作的精準(zhǔn)度問(wèn)題。確定通過(guò)光纖傳感器來(lái)進(jìn)行檢測(cè)定位，解決重復(fù)定位偏差的問(wèn)題。為體現(xiàn)出批量自動(dòng)化生產(chǎn)的效果，對(duì)于原有旋轉(zhuǎn)盤(pán)進(jìn)行了升級(jí)優(yōu)化，設(shè)計(jì)了全新的六工位涂膠轉(zhuǎn)盤(pán)。經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與方案優(yōu)化，完成了新的旋轉(zhuǎn)盤(pán)設(shè)計(jì)制作。全新設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)盤(pán)通過(guò)螺絲固定在分度旋轉(zhuǎn)盤(pán)上，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠，安裝方便，可以滿足6 臺(tái)模型車的涂裝規(guī)模，實(shí)現(xiàn)了批量自動(dòng)化生產(chǎn)。

5 結(jié)論

本文根據(jù)系統(tǒng)的功能特點(diǎn)，對(duì)每個(gè)單元進(jìn)行選型與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。工業(yè)機(jī)器人單元是系統(tǒng)的核心部分，因此要對(duì)工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行建模和正向運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，以此來(lái)驗(yàn)證機(jī)器人參數(shù)是否符合涂膠應(yīng)用的精度需求。對(duì)上料涂膠單元的功能實(shí)現(xiàn)，主要是體現(xiàn)在涂膠槍的選型和上料機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。多工位涂裝單元涉及到原有設(shè)備的技術(shù)改造，設(shè)計(jì)了全新的旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，提升了系統(tǒng)的自動(dòng)化性能。其各部件組成見(jiàn)表1。

表1 實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)組成部件

整個(gè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)過(guò)程，充分考慮到系統(tǒng)的真實(shí)性、可靠性、功能性和安全性等因素，為后續(xù)軟件系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)優(yōu)化提供了支撐。與原有設(shè)備相比較實(shí)現(xiàn)了全面的提升。