胡國棟 徐金文

（1.上海埃奇機器人技術(shù)有限公司，上海 201615；2.埃華路（蕪湖）機器人工程有限公司，蕪湖 241000）

噴涂作業(yè)是機械裝備生產(chǎn)的一個重要工序。它一般采用空氣噴槍，利用壓縮空氣的氣流使從噴槍口流出的油漆霧化成微小顆粒，并在氣流的帶動下使油漆小顆粒噴涂到零件表面。噴涂距離一般為20～25 cm。在噴涂作業(yè)空間里，油漆顆粒彌漫在空氣中，對長期從事這一行業(yè)的油漆涂料工人危害很大。近年來，由于油漆涂料中含有的有毒物質(zhì)導(dǎo)致油漆涂料工中毒甚至引起死亡的事件屢見不鮮。目前，汽車等產(chǎn)品由于量大面廣，噴涂軌跡固化且無需個性化更改，在涂裝生產(chǎn)線上可以廣泛采用噴涂機器人[1]。但是，對一些品種多、批量小的生產(chǎn)情況，頻繁的編程、調(diào)試將導(dǎo)致生產(chǎn)準(zhǔn)備時間過長，不宜采用噴涂機器人作業(yè)。針對噴涂軌跡不固定的情形，辛付豪基于機器視覺研制出機器人作業(yè)系統(tǒng)，但在噴涂密閉的空間內(nèi)彌漫的油漆顆粒容易造成視覺系統(tǒng)失靈[2]。

受制于當(dāng)前技術(shù)局限和單件小批量生產(chǎn)特點，當(dāng)前中小企業(yè)仍然大量采用人工噴涂。針對這一現(xiàn)況，筆者研制遠(yuǎn)程操縱噴涂臂作業(yè)系統(tǒng)，使工人能夠遠(yuǎn)離作業(yè)區(qū)域遠(yuǎn)程操縱噴涂臂進行噴涂，改善作業(yè)環(huán)境，在用工荒不斷嚴(yán)峻和環(huán)保意識深入人心的當(dāng)前具有重要的社會意義和應(yīng)用價值。

1 總體方案及傳動設(shè)計

噴涂臂采用仿生學(xué)原理，按照手工噴涂的工序，先噴底漆再噴面漆。噴底漆時速度較慢，理想噴涂速度為100～300 mm·s-1。具體噴涂工步為[3]：噴槍位置歸零（噴嘴對準(zhǔn)噴涂工件原點）→打開噴槍勻速移動（噴涂到工件邊緣）→噴槍下移→噴槍勻速移動→重復(fù)路徑動作直至噴涂完畢。對于面漆同樣采用相同的步驟，不同之處在于理想速度為400～800 mm·s-1。

1.1 方案設(shè)計

人工噴涂是手持噴槍對準(zhǔn)工件，通過快速往復(fù)擺動對目標(biāo)進行噴涂。通過對人工動作進行分析可知，其一個周期的路線為“Z”字形，且始終與工件保持在一個具有一定距離的平面內(nèi)。如圖1所示，作業(yè)系統(tǒng)模擬人工動作，采用2自由度的結(jié)構(gòu)形式?？v向采用框架結(jié)構(gòu)，由后方的絲杠實現(xiàn)上下運動。橫向也采用相同的傳動方法，通過上下兩個滑桿的支撐，實現(xiàn)噴槍擺動臺在框架前端移動。

1.2 噴涂軌跡設(shè)計

為提高噴涂質(zhì)量，采用柔性仿形自動噴涂軌跡[4]。如圖2所示，移動噴槍到噴涂起點A，打開噴槍，通過速度控制開關(guān)調(diào)節(jié)到合理的速度，操縱控制手柄，由A點勻速移動到B點（移動中不要停頓，一次性完成為佳）；在B點到C點的過程中，關(guān)閉噴槍快速移動，不會出現(xiàn)重復(fù)噴涂，同時可以節(jié)約噴涂原料；C點后重復(fù)操縱A點到C點過程，直至到達(dá)噴涂終點完成噴涂作業(yè)。

圖1 設(shè)計原理圖

圖2 軌跡設(shè)計圖

1.3 作業(yè)系統(tǒng)傳動原理

基于類活動標(biāo)架，機械本體由移動平臺、滑桿框體、噴槍平面移動機構(gòu)、噴槍擺動機構(gòu)及噴槍等零部件構(gòu)成。噴槍的水平和豎直兩個方向的平面移動由其平面移動機構(gòu)的滾珠絲杠實現(xiàn)，變頻器控制電機驅(qū)動滾珠絲杠正反轉(zhuǎn)和速度調(diào)節(jié)，實現(xiàn)噴槍的變速往復(fù)運動[4]。作業(yè)系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)如圖3所示?；瑮U框體上端架由“L”形鋼焊接而成，其上用螺栓固定4個墊腳套，墊腳套與4個滑桿上端過盈裝配并使之固定。4個滑桿的下端采用同樣的方法固定于移動平臺，底板上安裝有4個萬向輪，在不同場地噴涂時可便捷移動作業(yè)系統(tǒng)進行相關(guān)操作。噴槍平面移動機構(gòu)通過移動套以間隙配合方式安裝于4個滑桿，由縱向伺服電機通過縱向滾珠絲杠驅(qū)動上下移動。噴槍擺動機構(gòu)連同噴槍由橫向伺服電機通過橫向滾珠絲杠驅(qū)動左右移動。對噴槍縱向和橫向聯(lián)動控制，即可實現(xiàn)平面內(nèi)的軌跡運動。

2 關(guān)鍵機械部件設(shè)計

2.1 噴槍擺動機構(gòu)

噴涂過程中，工件上某些死角或邊緣有可能漏噴，需要噴槍小角度旋轉(zhuǎn)進行補噴。噴槍擺動機構(gòu)即可實現(xiàn)這一功能。如圖4所示，噴槍擺動機構(gòu)由伺服電機、轉(zhuǎn)盤、連桿機構(gòu)、噴槍擺動臺及夾緊螺栓等組成。噴槍裝配于噴槍擺動臺，以夾緊螺栓固定。伺服電機的正反轉(zhuǎn)驅(qū)動連桿機構(gòu)順時針或逆時針擺動，帶動噴槍擺動臺左右擺動，從而實現(xiàn)噴槍小角度左右擺動。

圖3 作業(yè)系統(tǒng)總裝圖

圖4 噴槍擺動機構(gòu)

2.2 噴槍平面移動機構(gòu)

為實現(xiàn)噴槍在滑桿框體上的平面移動，橫向滾珠螺母和噴槍擺動臺用螺栓固連，橫向伺服電機與橫向滾珠絲杠通過聯(lián)軸器連接。橫向伺服電機旋轉(zhuǎn)驅(qū)動橫向滾珠螺母和噴槍擺動機構(gòu)直線移動。控制橫向伺服電機的正反轉(zhuǎn)及其速度，可實現(xiàn)噴槍擺動機構(gòu)的正負(fù)方移動及其速度。噴槍擺動機構(gòu)的上下運動由縱向伺服電機控制，驅(qū)動原理與橫向運動類似。滾珠絲杠傳動平穩(wěn)、響應(yīng)快[5]，可保證噴涂油漆均勻一致。

2.3 操縱控制機構(gòu)

為達(dá)到遠(yuǎn)程操縱目標(biāo)，以集成開關(guān)按鈕的操縱面板對伺服電機進行控制。如圖5所示，操縱手柄常態(tài)下位于4觸點的中心位置，底部的萬向節(jié)可實現(xiàn)其向各個方向旋轉(zhuǎn)。A、B、C、D分別對應(yīng)SB1、SB2、SB3、SB4（參見圖7）開關(guān)的觸點。實際操縱時，旋轉(zhuǎn)操縱手柄到相應(yīng)的位置，其上觸點連通對應(yīng)位置的開關(guān)，分別控制橫向伺服電機（M1）和縱向伺服電機（M2）的正反轉(zhuǎn)，驅(qū)動相應(yīng)滾珠絲桿螺母副實現(xiàn)噴槍在相應(yīng)方向上的移動。電機的運動速度由位于操縱手柄上端的滾輪調(diào)節(jié)，手動滾動滾輪，通過皮帶帶動內(nèi)部的電位器轉(zhuǎn)動，調(diào)節(jié)變頻器的輸入信號，從而控制伺服電機的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)平面移動機構(gòu)的變速。

根據(jù)作業(yè)系統(tǒng)傳動原理及關(guān)鍵機械部件機構(gòu)，設(shè)計的噴涂臂作業(yè)系統(tǒng)本體三維模型如圖6所示。運動仿真分析顯示，機構(gòu)各部件運動不干涉，能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期噴涂動作。

圖5 操縱面板圖

圖6 三維模型圖

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 位置速度控制

如圖7所示，控制回路由主電路、正反轉(zhuǎn)控制回路和調(diào)速回路組成。主電路為“電源→開關(guān)→熔斷器→熱繼電器→電機”，作用為給電機提供動力、得失電及保護電路；正反轉(zhuǎn)控制回路以繼電器為控制元件，通過互鎖方式實現(xiàn)電機M1、M2的正反轉(zhuǎn)及電機的啟停等控制；調(diào)速回路由變頻器和電位器組成，作用為調(diào)節(jié)電機進給速度。

圖7 控制線路圖

3.2 變頻信號輸入與輸出

采用交-交變頻器，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時間小于2 ms，速度控制精度在±2%范圍內(nèi)[6]。選用WS19-3電位器，作為信號輸入源。通過調(diào)節(jié)電位器產(chǎn)生不同大小的電流信號，變頻器接收該電流信號，把恒壓恒頻（Constant Voltage and Constant Frequency，CVCF）的 交 流 電直接變換成變壓變頻（Variable Voltage and Variable Frequency，VVVF）的交流電輸出，通過輸出交流電的頻率不同實現(xiàn)伺服電機的無級調(diào)速。

4 結(jié)論

基于當(dāng)前人口紅利的逐漸消失和勞工成本的不斷提高，模擬傳統(tǒng)手工噴涂方式，采用類活動標(biāo)架機構(gòu)與變頻調(diào)速控制原理，開發(fā)了用于小批量大平面工件表面的遠(yuǎn)程操縱噴涂作業(yè)系統(tǒng)，具有以下優(yōu)點：

（1）不間斷對工件進行噴涂作業(yè)，工作效率高；

（2）勻速連續(xù)噴涂，噴涂質(zhì)量較高；

（3）遠(yuǎn)程操縱控制方式實現(xiàn)了人員與噴頭的隔離，改善了工作環(huán)境；

（4）操縱手柄符合人機工程學(xué)原理，便于操縱人員使用；

（5）本體底座裝有萬向輪，便于工作場地的靈活移動。

該機造價低，適用性好，可替代現(xiàn)有的手工噴涂作業(yè)，改善工作環(huán)境，緩解當(dāng)前不斷嚴(yán)重的用工荒現(xiàn)狀，預(yù)期將在中小型企業(yè)中得到普及。