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機器人自動噴涂系統淺談

噴涂機器人簡介　　噴涂機器人又叫噴漆機器人（spray painTIng robot），是可進行自動噴漆或噴涂其他涂料的工業機器人，1969年由挪威Trallfa公司（后并入ABB集團）發明。噴漆機器人主要由機器人本體、計算機和相應的控制系統組成，液壓驅動的噴漆機器人還包括液壓油源，如油泵、油箱和電機等。多采用5或6自由度關節式結構，手臂有較大的運動空間，并可做復雜的軌跡運動，其腕部一般有2～3個自由度，可靈活運動。較先進的噴漆機器人腕部采用柔性手腕，既可向各個方向彎曲，又可轉動，其動作類似人的手腕，能方便地通過較小的孔伸入工件內部，噴涂其內表面。噴漆機器人一般采用液壓驅動，具有動作速度快、防爆性能好等特點，可通過手把手示教或點位示數來實現示教。噴漆機器人廣泛用于汽車、儀表、電器、搪瓷等工藝生產部門。　　噴涂機器人的主要優點　　（1）柔性大。工作范圍大大。　　（2）提高噴涂質量和材料使用率。　　（3）易于操作和維護。可離線編程，大大的縮短現場調試時間。　　（4）設備利用率高。噴涂機器人的利用率可達90%-95%。　　　　機器人自動噴涂系統結構　　1、自動噴涂機器人針對空氣噴槍、靜電旋杯噴涂，可以通過機器人直接修改油漆吐出量、霧化控制氣壓以及噴幅控制氣壓等噴涂參數，極大地提高了控制噴涂工藝的效率。　　2、自動噴涂機器人控制器是從安全、可靠和高效方面出發設計的機器人控制器。內部模塊式的設計結構使得功能升級以及維護更方便。針對噴涂應用，內部擁有獨立的空氣凈化控制模塊，其示教盤也是防爆的。　　3、自動噴涂機器人噴涂控制柜，通過標準的模擬量輸出模塊控制吐出量、噴幅、霧化等噴涂參數。　　4 自動噴涂機器人閉環控制輸供系統可自動調整流量，提供穩定的液流和最佳的最終質量。集成的微動換色閥縮減了換色時間，減少浪費。　　5、自動噴涂機器人針對噴涂應用而設計的軟件，在工作程序中靈活調用。可預設的噴涂參數有油漆吐出量、霧化控制氣壓以及噴幅控制氣壓等。利用這種功能，不需要實際運行傳送鏈就可以來測試在線跟蹤程序，從而提高示教的效率。　　　　噴涂機器人的組成及應用　　1、機器人主體　　機器人主體即機座、臂部、腕部和終端執行機構，是一個帶有旋轉連接和AC伺服電機（見圖5）的6軸或7軸聯動的一系列的機械連接，使用輪系（齒輪傳動鏈）和RV（旋轉向量）型減速器。大多數噴涂機器人有3～6個運動自由度（對于帶軌道式機器人，一般將機器人本體在軌道上的水平移動設置為擴展軸，稱為第7軸）。其中腕部通常有1～3個運動自由度。　　　　驅動系統包括動力裝置和傳動機構，用以使執行機構產生相應的動作，即每個軸的運動由安裝在機器人手臂內的伺服電機驅動傳動機構來控制。執行機構為靜電噴涂霧化器，不同品牌、不同型號的機器人手臂末端的接口不同，根據生產工藝可選擇不同的霧化器。　　對于采用溶劑型油漆噴涂的系統，必須配備廢油漆廢溶劑清洗回收裝置，避免環境污染，達到環保生產的目的　　　　2、機器人控制器　　每一臺機器人設備都可以獨立地動作，而機器人控制器（簡稱RC）就是按照輸入的程序對驅動系統和執行機構發出指令信號，控制單臺機器人設備運動軌跡的裝置。控制器內的主要部件為與機器人手臂內的伺服電機連接的伺服放大器及CPU模塊（見圖6），不同型號的機器人配備不同內存的CPU，CPU內存儲有用戶自定義數據及程序。CPU將程序數據轉換成伺服驅動信號給伺服放大器，伺服放大器啟動伺服電機來控制機器人的運動。通常CPU模塊還具備通過與不同類型的I/O模塊連接實現與其他外部設備或機器人通信的作用。例如，與PLC的連接，這樣就可以通過操作控制臺來控制機器人的動作。一般一臺控制器獨立控制一臺機器人，隨著技術的發展和低成本化的進程，目前已出現一臺控制器同時控制兩臺機器人運動的設備。　　　　機器人示教器通過單根電纜與機器人控制器內的CPU連接，不同品牌機器人的示教器內安裝了不同的應用軟件，功能也有所差異。通過示教器操作面板上的按鍵來操作軟件界面上的菜單。可以實現的主要功能為：直接編程、顯示用戶程序、操作機器人運動、預定義機器人位置、優化用戶自定義程序和編輯系統變量等。　　3、系統操作控制臺　　系統操作控制臺（簡稱SCC）的主要功能是集成整個噴房硬件，實現系統自動化功能，包含系統所有與管理噴涂機器人活動相關的硬件及整合到每個噴房的相關硬件。例如，與噴房系統相關的安全互鎖繼電器、隔離光柵等。柜內安裝有一個可編程邏輯控制器PLC（見圖7），以上硬件通過各種類型的I/O模塊與PLC通信。PLC通過I/O模塊接收噴房單元內每一臺機器人及系統單元外圍設備的實時信號，包括與工廠主信息系統、其他機器人系統單元的數據交換，然后根據預先編制好的邏輯判斷程序對所收集接收到的信號做出相應的處理并發送結果變量給各相關系統。SCC的另一個主要功能就是能夠提供一個友好的操作界面實現人機交互，使整個系統在人的監控下按人的意愿有序而穩定地連續工作。一般將人機圖形交互系統，即一部電腦主機和顯示器整合到系統操作控制臺內，電腦主機通過各種上層控制網絡與PLC連接。不同廠家的人機圖形交互系統電腦上裝有不同的用戶軟件，該軟件的人機界面上顯示了整個區域內機器人系統的時實狀態和用戶操作菜單，可查尋相關的生產信息、報警等。大部分的設備操作都可通過操作SCC上的按鈕或選擇開關及人機交互界面上的菜單完成。　　　　4、工藝控制柜　　應用自動噴涂機器人最主要的目的是將不同種類、不同顏色的油漆通過機器人的運動均勻地涂抹在車身表面上，而工藝控制柜（簡稱PCE）就是在電信號與潛在的揮發性油漆和溶劑間的相對安全接口，將電信號轉換為氣動信號。PCE柜內部元器件見圖8，來自PLC的電信號觸發PCE柜內的電磁閥，打開空氣（或真空）回路，通過一定的氣壓來驅動各個油漆或溶劑管路接口上的氣動閥，將各種不同顏色的油漆或溶劑供給機器人噴涂作業或清洗管路等動作使用。PCE的主要功能為控制噴涂工藝的各種動作，如換色、清洗等。控制各種工藝參數，如油漆流量、霧化器旋杯轉速等。隨著機器人技術不斷發展至今，大部分品牌的噴涂機器人系統均采用閉環流控量制系統，通過在靠近終端執行器的機器人手臂上安裝流量計或計量泵來達到精確控制油漆或溶劑實際輸出流量值和設定值之間的誤差。不同型號的機器人系統結構可能會設計將此PCE的功能部件分別集成到其他系統空間內而不是單獨形成一個工藝控制柜，這樣可以節約生產現場的場地資源，美化生產環境。　　　　5、車型檢測系統　　自動噴涂機器人具有很強的柔性生產能力，可同時噴涂各種不同形狀的車身。出于保護系統的原因，在車身進入機器人噴房前對車身類型進行檢測是非常必要的。一般采取在擦凈功能區前安裝若干對光電開關，并在離最近一對光電開關1m左右的輸送鏈基架上安裝一個接近開關。根據不同的生產現場及所生產的車型間的差異程度，通過PLC程序來設置不同的位置為檢測位置，并調整好光電開關的安裝位置。當即將進入噴房的車身到達檢測位置時，不同車型會觸發不同組合的電子眼，以此來檢測來自工廠信息系統的車型信息與車型檢測系統所檢測到的車型是否一致，如果不一致，系統將會產生報警并停止運行，需由操作員進行人工確認車型并在SCC的相應界面上輸入正確的車型信息，PLC再將正確的車型信息分別發送到各個機器人控制器內的CPU模塊，CPU將車型信息轉化為各種指令，機器人根據此指令來執行不同的程序，達到根據不同的車型機器人執行相應不同的噴涂軌跡的目的。　　注意，要將相鄰兩對電子眼的發射端和接收端錯開安裝，避免產生錯誤信息。　　6、設置一個安全的、隔離的生產區域　　由于機器人設備在正常的生產過程中是連續運行的，因此必須與人工區域嚴格隔離，以防止任何人身傷害事故的發生，實現安全生產。通常可分別在機器人自動噴涂區域的入口和出口處分別安裝一對安全光柵，在生產過程中，若有人誤闖入機器人自動噴涂區域，在安裝光柵的位置就會觸發光柵，系統產生相應的報警并立即停止運行，防止發生人身傷亡及損壞設備的事故。但是，由于車身也必須通過安裝安全光柵的區域進入自動噴涂區域，在這個過程中也會觸發光柵。為解決這個相互矛盾的問題，可在安裝安全光柵的位置前的輸送鏈基架邊上安裝一個屏蔽安全光柵的開關，當運送車身的撬體運行到開關處就會觸發開關，給系統PLC一個信號，這個信號用來屏蔽安全光柵。為了確保更嚴格的區分是人還是車身進入自動噴涂區域，更好的做法是在輸送鏈基架的兩側各安裝一個屏蔽開關，只有兩個開關都被觸發才能起到屏蔽安全光柵的作用。若有人誤闖也不會同時觸發兩端的屏蔽開關，安全光柵依然處于工作狀態，當人處于安全光柵的位置時仍會觸發安全光柵。　　7、車身直線跟蹤系統　　運用于整車自動噴涂線的機器人，為了提高生產節拍，在噴涂作業過程中車身一直跟隨輸送鏈按照設定速度前進，而不會脫離輸送鏈固定在某處供機器人噴涂作業。因此，每一臺機器人都必須知道在工作范圍內每一臺車身的實時位置信息。直線跟蹤系統的硬件主要包括：脈沖編碼器、檢測開關和編碼器轉發器。根據用戶的喜好可以選擇不同的檢測開關，可以是觸點開關或光學開關，也可以是接近開關，當車身隨著地面輸送鏈運動到檢測開關的位置時觸發檢測開關，脈沖編碼器開始計數，計算車身的實時位置。脈沖編碼器的輸入軸與地面輸送鏈的中心軸機械地相連，以獲取輸送鏈運動的同步信息。輸出軸連接到編碼器轉發器上。編碼器轉發器整合到SCC柜內，通過編碼器轉發器，可將車身的實時位置信息發送到PLC及各個機器人控制器上。　　8、電源分配柜　　電源分配柜，顧名思義，就是分電配源。引入工廠總電源，根據機器人系統單元及外圍設備所需的電源值不同，分配給相應電壓、電流值的電源。可以選擇標準通用的EDS配電柜，也可根據用戶需求自行設計非標配電柜。系統配置見圖9。

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