陶洋，姜磊，晏飛

（奇瑞汽車股份有限公司，安徽 蕪湖 241009）

隨著汽車制造業(yè)的發(fā)展，機器人噴涂已經(jīng)成為行業(yè)主流。用機器人替代人工在高污染環(huán)境下進行作業(yè)，既解放了勞動力，改善了用工條件，極大地提高了勞動效率，又能有效避免人為的不穩(wěn)定因素對噴涂效果的影響。機器人的仿形制作和工藝設(shè)定尤其重要，直接影響車身的噴涂質(zhì)量。本文以安川MPX3500系列噴涂機器人為例，探討了其仿形的制作和工藝參數(shù)的設(shè)定。

1 MPX3500 噴涂機器人簡介

MPX3500(見圖1)采用本質(zhì)安全防爆與內(nèi)壓防爆的組合防爆結(jié)構(gòu)，有適合左右對稱布局的2 種型號(YR-MPX3500-*0*和YR-MPX3500-*1*)，可以安裝在地面，也可以壁掛、倒掛。某涂裝車間的往復(fù)機改造機器人項目因噴漆室空間偏小，故采用如圖2 所示的壁掛式以節(jié)省空間。該機器人配備新型的DX200控制柜，也滿足噴涂車間的防爆要求。

圖1 MPX3500 機器人的模型Figure 1 Model of MPX3500 robot

圖2 采用壁掛式安裝的MPX3500 機器人Figure 2 Wall-mounted MPX3500 robot

2 機器人仿形

2.1 仿形前的準備

分析車身的具體數(shù)據(jù)(如長、寬、高等)，以便后期進行噴涂分區(qū)和設(shè)定等待點。收集車身的三維數(shù)模圖形，用于離線仿形的調(diào)試，在重建工作場景的虛擬環(huán)境時使用。利用三維軟件(如CATIA、UG、CAD 等)調(diào)整三維數(shù)模的比例、顏色及文件格式，以便滿足機器人離線仿真軟件的要求，確保仿真環(huán)境與實際現(xiàn)場一致。

2.2 離線仿型的編制

本文用的仿真軟件是安川機器人專用的MotoSim EG，可驗證機器人系統(tǒng)的可行性，并輸出離線仿形程序。利用仿真軟件在離線情況下編制出仿形程序，極大地減少了現(xiàn)場示教的工作量。

2.2.1 導(dǎo)入車型數(shù)模

在MotoSim EG 中導(dǎo)入車身數(shù)模(如圖3 所示)，設(shè)置車身比例大小、位置以及輸送帶的速率、啟動點等，設(shè)定噴涂工藝，如圖4 所示。

圖3 在MotoSim EG 仿真軟件中導(dǎo)入車身數(shù)模Figure 3 Importing the numerical model of car body in white to MotoSim EG simulation software

圖4 MotoSim EG 仿真軟件的工藝操作界面Figure 4 Display panel of MotoSim EG simulation software for process operation

2.2.2 仿形的離線編制

離線編程改善了編制者的編程環(huán)境，可以提高編程的效率，減少機器人停機時間?；谌S車身數(shù)模，可宏觀地看到車身的輪廓線、平面、曲面、關(guān)鍵點等。根據(jù)工藝要求進行一系列操作、調(diào)試，將自動生成機器人的噴涂軌跡(見圖5)，即控制指令。

圖5 用MotoSim EG 仿真軟件通過離線仿形得到的噴涂軌跡Figure 5 Spray trajectory obtained by offline profiling using MotoSim EG simulation software

根據(jù)三維車身數(shù)模來離線編制仿形程序時應(yīng)充分考慮現(xiàn)場噴涂工藝的需求。根據(jù)車身數(shù)模及工藝需求而編制的仿形Job 程序?qū)嵗缦拢?/p>

程序編制結(jié)束后，需要進行多次離線仿真(見圖6)，以修改不正確的機器人姿勢或位置，如限位報警，存在碰撞壁板風險的位置等。

圖6 在MotoSim EG 仿真軟件中進行虛擬測試Figure 6 Virtual testing operated in MotoSim EG simulation software

2.3 仿形現(xiàn)場示教及測試

2.3.1 現(xiàn)場示教

為了減小離線仿真與實際車身的差異，需要在線示教，優(yōu)化仿形，直至滿足實際質(zhì)量要求為止。應(yīng)注意TCP(tool central point，工具坐標的原點)與車身表面的相對距離、方向和速度，一般情況下TCP 與車身的距離(又稱槍距，即機器人旋杯與車身表面的距離)為220～ 250 mm。頂蓋與側(cè)面、拐角處的上漆率不同，可稍作調(diào)整。為方便觀察槍距，示教時可在霧化器前端綁定參考尺，如綁定一定長度的扎帶(見圖7)。兩條噴涂軌跡間的距離稱為噴涂間距(即圖8 中貼在車身上的兩標識膠帶之間的距離)，它與油漆的重疊率有關(guān)：一般油漆的重疊率在60%～ 85%之內(nèi)，因此噴涂間距在平整表面一般設(shè)定為100 mm 左右，在邊角、邊緣段可小些，如50～ 70 mm。

圖7 綁定扎帶便于觀察槍距Figure 7 Facile observation of the distance between spray gun and car body through binding ribbons

圖8 在車身上標記規(guī)劃的噴涂軌跡Figure 8 Marking of planned spray trajectory on car body

2.3.2 仿形的復(fù)制

如果機器人數(shù)量和布置相同，為減少編程，提高編程效率，可將面漆站的仿形數(shù)據(jù)復(fù)制到清漆站的機器人中，根據(jù)本站的工藝參數(shù)作出相應(yīng)修改即可，如左右對稱噴涂仿形可以進行平移及局部修改、調(diào)整姿勢等，這樣操作既簡單又快捷。

2.3.3 等待點的設(shè)置與調(diào)整

機器人通過輸送帶編碼器傳遞的脈沖信號時時刻刻計算出車身位置，進行跟蹤噴涂。在程序中可以設(shè)置輸送帶運行數(shù)值(即車身位置)為機器人不同噴涂區(qū)域的追蹤啟動點，如程序段“SYSTART CV#(1)STP=650.000”，即表示當輸送帶運行到等于或高于650.000 時，機器人方可執(zhí)行下一步程序，否則繼續(xù)等待，不做任何動作。需要考慮車身長度、間距、干涉區(qū)等因素，設(shè)置合理的等待點以避免因設(shè)置不當而造成機器人軸極限報警、干涉區(qū)碰撞等問題。

2.3.4 無車在線仿形模擬

仿形示教完成后可做無車虛擬測試，即在噴涂平臺系統(tǒng)中輸入一臺車身的虛擬信息。機器人接收了虛擬車身數(shù)據(jù)后進行模擬噴涂。這可以進一步查出仿形存在的問題，如機器人關(guān)節(jié)軸極限報警、干涉區(qū)碰撞、加速度過大、異常報警、不合理編程等。用示教器修改未能通過的軌跡點并重復(fù)測試，直至順利運行為止。

2.3.5 實車運動軌跡測試

通過虛擬測試之后，再執(zhí)行一遍實車運行。在測試過程中可故意多次停止輸送帶，以查看仿形編制中等待點的設(shè)置是否合理。運行測試時需手持示教器，以便在發(fā)現(xiàn)有砸車危險的情況下立即按下急停。該階段是仿形制作的最后一次測試，不只是測試等待點設(shè)置的合理性，也為了測試以下問題：(1)車型的識別；(2)仿形的偏差；(3)機器人的加速度；(4)動作的連貫性；(5)砸車風險。發(fā)現(xiàn)問題點后應(yīng)即時返回示教階段，修改仿形程序，直至完全通過為止。

3 噴涂工藝參數(shù)的設(shè)定

噴涂設(shè)備廠家都有各自的工作臺軟件方便工作人員調(diào)整工藝參數(shù)，盡管軟件界面不同，但調(diào)整工藝參數(shù)的功能是一樣的。本文以安川都林公司開發(fā)的“Paint Studio”軟件設(shè)定工藝，采用OLP(off-line programming，離線編程)和噴漆工作臺一體化的系統(tǒng)，通過3D 模擬簡便地修改機器人的噴涂仿形及高壓、旋杯轉(zhuǎn)速、流量、成型空氣等參數(shù)，其操作界面如圖9 所示。

圖9 Paint Studio 軟件的操作界面Figure 9 Human-machine interface of the Paint Studio software

3.1 刷子號的調(diào)整

在設(shè)定工藝參數(shù)前先要調(diào)整好刷子號(即噴涂分區(qū)，是設(shè)置流量、高壓、轉(zhuǎn)速、成型等的最小單元載體)，用來實施車身不同區(qū)域的工藝指標。刷子號的設(shè)定原則一般是往復(fù)噴涂路徑相同且表面平整、膜厚要求一致的編為一個刷子號。邊角及邊緣、棱角突出位置單獨設(shè)置刷子號，有利于后期某處出現(xiàn)問題時調(diào)整工藝參數(shù)，而不至于影響其他刷子號的噴涂分區(qū)。圖10 是規(guī)劃的刷子號分布，其中64 號刷子定義為等待點刷子，無噴涂流量。

圖10 規(guī)劃的噴涂分區(qū)示意圖Figure 10 Schematic diagram of planned spraying zoning

3.2 工藝參數(shù)的設(shè)定

3.2.1 噴涂流量

噴涂流量是單位時間內(nèi)通過計量單元輸送給霧化裝置的涂料量，它直接影響車身膜厚。不同顏色及不同供應(yīng)商提供的涂料的遮蓋力不盡相同，車身不同位置(如頂蓋和側(cè)裙部位)的上漆率又有所不同。一些常見的涂裝缺陷(如流掛、少漆、露底等)直接與膜厚有關(guān)。一般流量控制在50～ 700 mL/min，取決于涂料特性及工藝要求。需注意要定期(一般每月一次)標定計量單元，發(fā)現(xiàn)誤差及時校正或更換。若臨時應(yīng)急，可調(diào)整“參數(shù)的過載百分比”，一般各類噴涂工作臺的人機界面都有此選項，保證給予的涂料量是準確的。

3.2.2 旋杯轉(zhuǎn)速

旋杯的轉(zhuǎn)速也是影響涂料霧化效果的重要因素。當其他工藝參數(shù)不變時，旋杯的轉(zhuǎn)速越大，霧化的涂料滴直徑越小，霧化細度越好；反之，轉(zhuǎn)速越小，霧化細度越差。轉(zhuǎn)速過低會導(dǎo)致涂層粗糙，而轉(zhuǎn)速過大會導(dǎo)致涂料損失過大，以及對噴涂室細微的氣流變化敏感，令膜厚出現(xiàn)波動。不合理的過大轉(zhuǎn)速也會造成霧化裝置的空氣軸承異常磨損。一般適宜的轉(zhuǎn)速為40 000～ 70 000 r/min，根據(jù)不同部位的工藝需求以及不同涂料的流率特性而設(shè)定。

3.2.3 成型空氣

成型空氣是從均勻分布于霧化器成形空氣罩內(nèi)的小孔中噴出的，其作用是控制漆霧扇面大小，又稱整形空氣或扇面空氣?？諝饬髁繒绊懫崮さ闹丿B率，常設(shè)置在100～ 350 NL/min 的范圍內(nèi)。

3.2.4 高壓

在高壓靜電噴涂中，一般旋杯為負極，車身為正極，在兩極之間施加高電壓后，霧化后的漆霧顆粒吸附到被噴涂的車身表面。高壓的大小直接影響上漆率和膜厚的均勻性。若電壓過低，涂料的上漆率差，易產(chǎn)生橘皮、少漆等質(zhì)量問題；若電壓過高，易產(chǎn)生放電，特別是在車身的邊緣、折角部分出現(xiàn)起泡、流掛、發(fā)花、凸起物密集[1]等缺陷。在汽車噴涂中的高壓一般在40～ 80 kV 之內(nèi)。為避免靜電效應(yīng)，通常折角區(qū)域的電壓設(shè)置為40～ 50 kV。

4 試噴涂、優(yōu)化調(diào)整以及數(shù)據(jù)備份

4.1 車身試噴涂

在車身不同部位粘貼試板卡用于檢驗?zāi)ず?用膜厚儀測量)或進行色差對比。實車試噴涂不但可以檢查噴涂效果，也再次驗證仿形的槍距、速度等設(shè)置是否存在問題。發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問題后應(yīng)及時分析原因，并調(diào)整噴涂工藝參數(shù)或優(yōu)化仿形。

4.2 仿形的同步微調(diào)及優(yōu)化

仿形本應(yīng)在編制與調(diào)試階段進行，但是有時因現(xiàn)場需要或遇到工藝參數(shù)方面無法處理的問題，需要微調(diào)仿形給予解決，如調(diào)整機器人的姿勢、噴涂移動速率等。此時若還是離線編制程序，則時間往往不允許；若是現(xiàn)場示教，又需要生產(chǎn)停線。這就需要同步優(yōu)化仿形程序，不經(jīng)歷機器人現(xiàn)場示教階段，令修改的仿形立即在機器人上執(zhí)行。安川都林的Paint Studio(見圖11)就是一款能在線修改的工作平臺，可同步優(yōu)化在線的機器人仿形，調(diào)整過的仿形軌跡經(jīng)保存、下載，會立即執(zhí)行于當前在線的機器人作業(yè)中。

圖11 仿形優(yōu)化界面Figure 11 Interface for profiling optimization

在做仿形同步優(yōu)化時一定要謹慎操作，結(jié)合現(xiàn)有工藝需要和以往經(jīng)驗進行優(yōu)化，調(diào)整仿形時注意機器人的姿勢、運動速率、槍距的修改，考慮是否會造成機器人進入干涉區(qū)、出現(xiàn)軸極限位報警、發(fā)生砸車等風險。根據(jù)推理及經(jīng)驗判斷確認無誤后再下載到正在作業(yè)的機器人中執(zhí)行。因此，建議比較大幅度的仿形局部修改還是在停線時通過示教對點階段、模擬測試階段后確認無誤，再到現(xiàn)場機器人的作業(yè)中執(zhí)行。

4.3 數(shù)據(jù)的備份

仿形和工藝參數(shù)是噴涂機器人的兩大核心數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)的安全性是十分重要的。各大設(shè)備廠商在噴涂工作臺配置的軟件中都具備定期備份或自動備份每次修改前的數(shù)據(jù)等功能。但是，仍然建議1～ 3 個月至少手動備份一次并存放在外置儲存介質(zhì)中(如移動硬盤、光盤、U 盤等)，以備不時之需。在PLC(可編程邏輯控制器)異常停機或重啟時，應(yīng)確保PLC 程序中DB 塊中儲存的工藝參數(shù)和噴涂工作臺參數(shù)一致，若有異常及時處理，保證各項工藝數(shù)據(jù)正確無誤地執(zhí)行在噴涂系統(tǒng)中，才能確保車身按正確的工藝參數(shù)完成噴涂。

5 結(jié)語

車身噴涂仿形的編制和優(yōu)化直接奠定了機器人噴涂的基礎(chǔ)，各項噴涂參數(shù)在此之上又各自發(fā)揮不同的作用，致使噴涂呈現(xiàn)出不同的效果。仿形和工藝參數(shù)相輔相成，工藝參數(shù)之間相互影響、相互制約或補償，同時設(shè)備運行狀態(tài)對各工藝參數(shù)的影響也應(yīng)充分考慮在內(nèi)。這些因素相互影響的同時，又受到整個噴涂系統(tǒng)環(huán)境(如噴房溫度、濕度、風向等)的影響。所以，調(diào)試出良好的噴涂質(zhì)量效果，不光需要數(shù)據(jù)分析理論的支撐，更多的是需要現(xiàn)場經(jīng)驗的積累。