孫鵬濤

（上海電子信息職業(yè)技術學院，上海201411）

1 技術研究現(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)量要求也越來越高。工業(yè)機器人憑借其自身靈活性強、動作精度高和柔性化等特點，越來越多的應用于涂膠系統(tǒng)中，使產(chǎn)品的涂膠質(zhì)量、生產(chǎn)管理以及經(jīng)濟效益等方面都有了明顯提高。

1.1 工業(yè)機器人及其在汽車玻璃涂膠中的應用

當下工業(yè)機器人應用最為廣泛的行業(yè)是汽車制造業(yè)。汽車制造業(yè)由于自身高附加值、高科技和高標準的行業(yè)特點，使得許多高新技術都應用其中。工業(yè)機器人在汽車制造領域中主要有焊接機器人、噴涂機器人、搬運機器人和裝配機器人等。

隨著當代汽車技術的不斷進步，汽車的行駛速度也越來越快。在發(fā)生碰撞和緊急剎車等突發(fā)事故時，極易產(chǎn)生因擋風玻璃裝配質(zhì)量問題而造成車內(nèi)人員傷害。在汽車總裝的工序中有一個重要項目就是風擋玻璃的裝配，其中包含玻璃密封膠的噴涂和玻璃的安裝。工業(yè)機器人應用于汽車玻璃涂膠系統(tǒng)，具有人工無法比擬的優(yōu)勢，它行動靈巧，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，可以對玻璃自動識別、自動拾取和一次性自動對中，極大地提高了汽車的整體質(zhì)量。

1.2 工業(yè)機器人系統(tǒng)集成

工業(yè)機器人系統(tǒng)集成主要是指工業(yè)機器人在實際應用過程中，對于工作現(xiàn)場的集成開發(fā)。其主要內(nèi)容包含工裝設備、外部設備、控制系統(tǒng)等。也可以理解為把廠家采購回來的工業(yè)機器人通過集成開發(fā)變?yōu)榭梢詫嶋H生產(chǎn)應用的設備。

以ABB 工業(yè)機器人為例，如圖1 所示，是工業(yè)機器人出廠設備圖。用戶從ABB 公司購買的工業(yè)機器人出廠設備只包含相應型號的控制柜、工業(yè)機器人本體和示教器。

圖1 工業(yè)機器人出廠設備

工業(yè)機器人出廠時僅能實現(xiàn)對工業(yè)機器人本體的基本控制和編程，由于沒有任何外圍設備，工業(yè)機器人根本無法進行實際生產(chǎn)使用。要使工業(yè)機器人能夠完成實際生產(chǎn)，就必須加裝外圍的配套設備，同時還要裝設外部控制系統(tǒng)，如PLC、傳感器和網(wǎng)絡連接線等，這也就構(gòu)成了工業(yè)機器人系統(tǒng)集成。工業(yè)機器人系統(tǒng)集成設計主要有如下步驟：第一，解讀分析工業(yè)機器人的工作任務。工作任務是整個系統(tǒng)集成設計的核心問題。第二，合理設計選用工裝設備。在設備設計選用的過程中加工對象的特點、需要達到的工藝標準和工作場地的情況都要綜合考量。第三，工業(yè)機器人的選型。它是系統(tǒng)中的核心部件。第四。外部控制系統(tǒng)的選型與設計。當前工控領域，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)機器人單元選型與結(jié)構(gòu)設計

考慮到系統(tǒng)設計成本和實訓設備通用性的問題，本次系統(tǒng)設計預期保留原有設備中的ABB 公司6 軸IRB-120 機器人，但要根據(jù)系統(tǒng)的功能對機器人本體的相關數(shù)據(jù)進行測算，以保證功能實現(xiàn)。

2.1 工業(yè)機器人的運動學分析

工業(yè)機器人的運動學分析是實現(xiàn)控制與設計的基礎內(nèi)容，涉及到運動學的相關時間參數(shù)和幾何參數(shù)。機器人的運動學模型是研究項目的基礎，決定著機器人軌跡、整體結(jié)構(gòu)和參數(shù)設定等內(nèi)容。通常有D-H 模型、Hayati 和MDH 等模型。鑒于實訓平臺設計的實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)典運動學模型。在D-H 模型中，相鄰連桿之間的相對關系可以通過4 個連桿參數(shù)進行定義，如式（1）

六自由度機器人對應的6 個關節(jié)，可以表示為i=1,2……6,建立的連桿坐標系及對應連桿參數(shù)代入上式可得式(2)，所示的機器人連桿坐標系變換矩陣。

由于本設計中的工業(yè)機器人系統(tǒng)為模擬設備，精度要求相對較低，重點的參考標準是關節(jié)軸的末端位置，在完成了正運動學對于6 自由度的工業(yè)機器人基礎運算后，明確機器人符合本次設計需求，就不再做過多理論驗算。另外，要獲得較高的運行效率，主要應滿足機器人相鄰的3 個關節(jié)軸線平行或者交于一點，此稱之為Pieper 準則。

2.2 工業(yè)機器人的參數(shù)分析

ABB 公司IRB-120 型6 軸機器人，有效負載3kg，臂展0.58米。IRB-120 專為使用基于機器人的柔性自動化的制造行業(yè)而設計。該機器人為開放式結(jié)構(gòu),并且可以與外部系統(tǒng)進行廣泛通信。另外，ABB 機器人公司是全球銷量最多的機器人設備生產(chǎn)商，該公司的機器人廣泛應用于歐美汽車生產(chǎn)企業(yè)，具有運行穩(wěn)定可靠、精度高、操作簡單明了等特點。ABB 機器人自帶的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 機器人自帶的USB 接口及網(wǎng)線實現(xiàn)自由存儲和加載。仿真軟件自帶中文版本，可以方便現(xiàn)場施工人員使用。作為涂膠機器人，ABB 機器人公司為系統(tǒng)提供了專用的控制軟件包Robotware-Dispense，這款軟件包是ABB 公司專門為玻璃涂膠和密封膠而設計的世界領先的過程控制軟件包。它具有運行精確、快速定位和涂膠流量修正等特點，可以和外圍涂膠設備協(xié)同動作，完成準確的膠量控制，提升玻璃涂膠的質(zhì)量。根據(jù)實際應用場地，每間房間最多可布局6 套涂膠裝配典型應用系統(tǒng)，經(jīng)過計算和實際布置，每個工作系統(tǒng)的集成尺寸應該在120cm×120cm 左右，實際安裝時機器人應該位于系統(tǒng)的中間位置，因此，手臂的尺寸理論上可以到達工作平面任意一點?？紤]到機器人本體的自重25kg，自動高速運行時引起的晃動會嚴重影響工作精度。參考學生操作工作臺高度和4 名學生同時工作的空間，設計了一個高80cm×長70cm×寬60cm 的鈑金支撐平臺工業(yè)機器人本體固定在鈑金制成的支撐平臺上，桌體自帶配重，結(jié)實穩(wěn)定，保證機器人高速運動時不出現(xiàn)搖晃。根據(jù)產(chǎn)品參數(shù)手冊介紹，該機器人的重定位精度為0.01mm，完全能夠符合實際涂膠生產(chǎn)的定位精度要求。通過對機器人基本參數(shù)和運動學指標分析，可以明確本次系統(tǒng)的設計中，繼續(xù)使用IRB-120 型機器人作為基本單元完全符合標準。

3 上料涂膠單元的硬件選型設計

通過對工作流程的分析規(guī)劃，設計的上料涂膠系統(tǒng)應實現(xiàn)兩項功能。第一，送料機構(gòu)進行傳送物料。將汽車的玻璃傳送至指定位置，等待機器人抓取。第二，涂膠系統(tǒng)進行玻璃涂膠。機器人抓取玻璃后在涂膠機上涂膠，并安裝在汽車上。

3.1 涂膠機的選型

涂膠機是整個系統(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)的設計適當降低了涂膠的工藝要求，以實現(xiàn)涂膠機的小型化與經(jīng)濟化，但涂膠過程不應有斷膠、冒泡和流膠等現(xiàn)象，保證基本的涂膠效果。在對比分析同類產(chǎn)品后，本任務選用宇科公司生產(chǎn)的TH-200KG 型涂膠機，220V/2000W，自重3.5kg，儲膠量在310-600ml，涂膠機全鋁合金制造，為防漏滴款式。涂膠機由膠槍和控制盒組成，兩者之間有氣管連接。儲存筒可對所有粘度液體進行作業(yè)，數(shù)位時間控制線路，可保證涂點膠的精度。通過調(diào)節(jié)輸出氣壓和涂膠時間來獲得最佳涂膠效果，配備真空回吸可調(diào)裝置，以消除膠液滴漏現(xiàn)象。

3.2 上料機構(gòu)的設計

本文中設計的上料機構(gòu)，要求可實現(xiàn)物料自動裝配、物料規(guī)格統(tǒng)一、體現(xiàn)柔性化等特點。因此其工位布局是否合理將直接影響到生產(chǎn)效率。該設計采用無桿氣缸作為汽車玻璃料盤上料裝置的傳送驅(qū)動部件。無桿氣缸是利用活塞直接或間接方式連接外界執(zhí)行機構(gòu)，并使其跟隨活塞實現(xiàn)往復運動的氣缸。這種氣缸的最大優(yōu)點是節(jié)省安裝空間。無桿氣缸在金屬框架內(nèi)部帶動托盤水平移動，為確保前后限位分別在氣缸縮回和伸出時能夠感應到。無桿氣缸的前后限位都設計安裝了磁性開關，以便采集位置信號。

4 多工位涂裝單元的結(jié)構(gòu)設計

多工位涂裝單元的結(jié)構(gòu)設計為PLC 驅(qū)動旋轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)多工位上料工作的執(zhí)行系統(tǒng)。電控旋轉(zhuǎn)臺直接應用了原有的電控分度盤作為驅(qū)動模塊，利用步進電機驅(qū)動電控旋轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)角度自動調(diào)整，屬于精加工蝸輪蝸桿傳動。采用精密豎軸系設計，精度高、承載大。設計過程中，考慮到多工位反復工作的精準度問題。確定通過光纖傳感器來進行檢測定位，解決重復定位偏差的問題。為體現(xiàn)出批量自動化生產(chǎn)的效果，對于原有旋轉(zhuǎn)盤進行了升級優(yōu)化，設計了全新的六工位涂膠轉(zhuǎn)盤。經(jīng)過反復實驗驗證與方案優(yōu)化，完成了新的旋轉(zhuǎn)盤設計制作。全新設計的旋轉(zhuǎn)盤通過螺絲固定在分度旋轉(zhuǎn)盤上，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠，安裝方便，可以滿足6 臺模型車的涂裝規(guī)模，實現(xiàn)了批量自動化生產(chǎn)。

5 結(jié)論

本文根據(jù)系統(tǒng)的功能特點，對每個單元進行選型與結(jié)構(gòu)設計。工業(yè)機器人單元是系統(tǒng)的核心部分，因此要對工業(yè)機器人進行建模和正向運動學分析，以此來驗證機器人參數(shù)是否符合涂膠應用的精度需求。對上料涂膠單元的功能實現(xiàn)，主要是體現(xiàn)在涂膠槍的選型和上料機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設計。多工位涂裝單元涉及到原有設備的技術改造，設計了全新的旋轉(zhuǎn)平臺，提升了系統(tǒng)的自動化性能。其各部件組成見表1。

表1 實訓系統(tǒng)組成部件

整個系統(tǒng)的硬件設計過程，充分考慮到系統(tǒng)的真實性、可靠性、功能性和安全性等因素，為后續(xù)軟件系統(tǒng)的開發(fā)優(yōu)化提供了支撐。與原有設備相比較實現(xiàn)了全面的提升。