徐友法，王衛(wèi)軍，楊亞，孫海峰

（中國電子科技集團公司第二十一研究所，上海 200233）

近年來，隨著噴涂工藝的不斷發(fā)展和完善，以及噴涂行業(yè)人力成本的不斷攀升，行業(yè)內(nèi)每時每刻都在尋找新的生產(chǎn)方式，以滿足安全、環(huán)保、高效、精準(zhǔn)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展新要求。在這樣的背景下，為順應(yīng)生產(chǎn)自動化需求和“機器換人”大趨勢[1-2]，噴涂機器人系統(tǒng)獲得廣泛應(yīng)用，并在推動行業(yè)轉(zhuǎn)型升級的過程中迎來快速發(fā)展。

工業(yè)機器人自動噴涂具有以下明顯的優(yōu)點：

(1) 柔性大，工作范圍廣[3-4]，可與物料輸送系統(tǒng)組成柔性制造系統(tǒng)(FMS)，實現(xiàn)快速制造。

(2) 噴涂軌跡精確，表面噴涂均勻，重復(fù)定位精度高，涂層質(zhì)量好[5-6]。

(3) 能讓工人避開有毒的環(huán)境，保護工人的職業(yè)健康。

(4) 能顯著降低噴涂過程中涂料及輔料的消耗，噴涂作業(yè)中所產(chǎn)生的揮發(fā)性有機化合物也隨之減少，減輕了環(huán)境污染。

(5) 操作簡便，通過使用機器人示教器能對機器人的動作進行快速設(shè)置，噴涂時間短，生產(chǎn)效率高。

現(xiàn)在行業(yè)內(nèi)噴涂主要依靠人工，批量噴涂時效率低、噴涂效果一致性差，而且噴涂出現(xiàn)的油霧對工人的身體健康影響較大。本文設(shè)計的噴涂用機器人工作站可實現(xiàn)小批量產(chǎn)品生產(chǎn)的自動化噴涂，具備連續(xù)化噴涂、自動換油漆、自動清洗的功能，既提高了生產(chǎn)效率，又降低了工人的勞動強度，并減少了對工人健康的影響。

1 噴涂用防爆機器人

在噴涂過程中易產(chǎn)生易燃易爆的漆霧，因此需要噴涂機器人防爆。噴涂的過程需要對機器人示教。 如果每個點都進行示教一遍，工作量龐大且效果不佳。拖拽示教，即拖動機器人，在運行過程中機器人自動記錄下運動軌跡，操作容易，效果較好。因此，既有防爆又有拖拽示教功能的噴涂機器人是本項目的首選。

本文選擇了國內(nèi)某品牌的一款6軸電控機器人(如圖1所示)，它特別適合木制品、金屬件、塑料件的噴涂，具備自我示教與點對點編程的雙重功能。就自我示教功能而言，由操作者指定噴涂軌跡，電腦控制系統(tǒng)存儲并輸出相關(guān)動作，重新生成程序。借助程序系統(tǒng)，在自我示教過程中也可以完成多種噴涂功能的控制。

圖1 6軸噴涂機器人示意圖 Figure 1 Schematic diagram of 6-axis spraying robot

操作工人第一次對機器人示教完成后，以后機器人的噴涂過程就是重復(fù)工人的示教過程，保證了產(chǎn)品噴涂效果的一致性問題。因此，工人第一次示教效果的好壞直接決定了以后所有產(chǎn)品的質(zhì)量。

噴涂工作站中，針對不同的工件，工人需要提前示教好噴涂軌跡，并保存噴涂所需要的工藝參數(shù)，包括噴涂流量、噴幅、扇形大小、油漆種類等，并對程序進行命名，其中程序名字和工件類型一一對應(yīng)。在對工件進行噴涂時，只需找到對應(yīng)的程序并運行即可。

2 供漆系統(tǒng)

根據(jù)噴涂需求，采用如圖2所示的供漆系統(tǒng)。4個供漆桶可以提供3種油漆和1種涂膠的自動更換；2個清洗桶裝有2種溶劑，分別清洗油漆和涂膠，可以實現(xiàn)管道和噴槍的自動清洗；噴槍可以根據(jù)油漆的黏度自動調(diào)節(jié)扇幅和流量，扇幅調(diào)節(jié)范圍為50 ～ 125 mm，可以在噴涂過程中實時改變噴幅的大小。

圖2 油漆供給系統(tǒng)的組成 Figure 2 Constitution of paint supply system

噴涂系統(tǒng)中油漆的轉(zhuǎn)換和清洗主要通過機器人的IO(輸入輸出)端口進行控制。通過對不同端口的高低電平的控制，實現(xiàn)油漆換色、清洗、供漆等操作。噴槍配備有噴控系統(tǒng)，通過比例閥校準(zhǔn)后輸出固定的扇幅、流量、霧化開度，并配合外部機器人勻速移動，可以保證每次噴涂的膜厚和寬度的一致性。

3 噴涂流水線

由于工件類型較多，并且不能全部采用掛鉤，論證后選用輸送帶作為噴涂系統(tǒng)的輸送機構(gòu)。流水線的托盤上面裝有通用的夾具接口，針對噴涂工件設(shè)計的夾具固定到流水線托盤上，即可實現(xiàn)噴涂工件的固定。當(dāng)需要噴涂不同工件時，更換工件的夾具即可。

流水線的控制原理如圖3所示，雙工位設(shè)計的上料組件可以實現(xiàn)噴涂的不間斷工作：當(dāng)工位1進行噴涂作業(yè)時，工位2將同步地進行下料工作和重新上料工作；當(dāng)工位1完成噴涂作業(yè)時，工位2已經(jīng)上料完成，噴涂機器人繼續(xù)對工位2進行噴涂。

圖3 流水線控制原理 Figure 3 Control principle of production line

控制按鈕包括進位按鈕、退位按鈕、啟動按鈕、暫停按鈕和急停按鈕，其中進位按鈕和退位按鈕控制進料組件的上料和退料，啟動按鈕和暫停按鈕控制機器人的噴涂動作，急停按鈕則可令整個系統(tǒng)急停。

流水線的進位和退位采用雙控制方法，既可以通過進位按鈕、退位按鈕控制，也可以由機器人單獨控制，并且機器人控制會繼承按鈕控制的結(jié)果，按鈕控制也會繼承機器人控制的結(jié)果。

流水線和機器人的交互機制如下：選擇工件對應(yīng)的噴涂程序并運行；當(dāng)流水線工件上料后，工人按下啟動按鈕，工件被流水線送到噴涂點；流水線上的傳感器檢測到產(chǎn)品后發(fā)送信號給機器人，機器人開始噴涂；噴涂完一側(cè)后，機器人發(fā)送信號給流水線，流水線噴盤旋轉(zhuǎn)180°，機器人開始噴涂另一側(cè)；工件全部噴涂完成后，機器人發(fā)送噴涂完成信號給流水線，流水線將產(chǎn)品退出到下料點，由工人下料。機器人的運行和流水線的運行是相互控制的，整個流程如圖4所示。

圖4 噴涂機器人和流水線的信息交互 Figure 4 Flowchart of information exchange between spraying robot and production line

4 工作站的搭建

整個系統(tǒng)主要由流水線、機器人、噴涂系統(tǒng)和干式噴房四部分組成，如圖5所示。流水線分布在機器人兩側(cè)，采用不銹鋼滑軌，可以實現(xiàn)無抖動快速滑動。2條流水線送工件到不同工位時，機器人只需要調(diào)節(jié)一下噴涂角度即可進行噴涂。噴涂過程如圖6所示。

圖5 機器人噴涂工作站的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) Figure 5 Structure of robotic spraying station

圖6 噴涂工作站使用流程圖 Figure 6 Flowchart of running of the spraying station

5 實驗

根據(jù)噴涂工作站的設(shè)計，完成了各零部件的設(shè)計和選購，搭建了相應(yīng)的平臺，如圖7所示。

圖7 機器人噴涂工作站現(xiàn)場搭建 Figure 7 Building of the robotic spraying station

電機使用量大，并且目前主要靠人工噴涂，耗費了大量的人力物力。本文以電機定子和外殼的噴涂作為實驗對象。某伺服電機定子和外殼的結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 噴涂工件 Figure 8 Workpieces to be sprayed

實驗結(jié)果顯示，本文搭建的電機噴涂工作站中，工人針對不同的工件選擇提前設(shè)置好的程序后，只需要完成流水線的上料，并按下流水線啟動按鈕，流水線就會將需要噴涂的電機輸送到噴涂點，機器人對工件噴涂后流水線再將工件送到下料點，工人下料。在不更換工件的情況下，工人只需要交替地對左右兩條流水線進行上料并按下啟動鍵和下料操作即可，且工人不需要進入噴涂車間。

6 結(jié)語

本文根據(jù)實際工況和約束條件完成了某電機噴涂工作站的搭建。在實際搭建中，完成了機器人和 流水線的通信交互，實現(xiàn)了油漆供給系統(tǒng)的顏色自動轉(zhuǎn)換和清洗。實驗結(jié)果表明，本文搭建的噴涂工作站可以在電機噴涂上得到很好的應(yīng)用，可靠性和生產(chǎn)效率都較高，可以完全替代人工。這為相關(guān)的伺服電機企業(yè)在生產(chǎn)線的改裝換代上提供很好的范例。