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1、 解析噴涂機器人的系統(tǒng)應用 導讀：噴涂機器人的大量運用極大地解放了在危險環(huán)境下工作的勞動力，也極大提高了 汽車制造企業(yè)的生產效率， 并帶來穩(wěn)定的噴涂質量， 降低成品返修率，同時提高了油漆利用 率，減少廢油漆、廢溶劑的排放，有助于構建環(huán)保的綠色工廠。 o 關鍵字 0 機器人電機PLC 自動化 * 噴涂機器人的大量運用極大地解放了在危險環(huán)境下工作的勞動力，也極大提高了汽車 制造企業(yè)的生產效率，并帶來穩(wěn)定的噴涂質量，降低成品返修率，同時提高了油漆利 用率，減少廢油漆、廢溶劑的排放，有助于構建環(huán)保的綠色工廠。 目前國際市場上供應的噴涂機器人大致可分為以下幾類：按是否具有沿著車身輸 送

2、鏈運行方向水平移動的功能，分為帶軌道式和固定安裝式機器人；按安裝位置的不 同，分為落地式和懸臂式機器人。落地式機器人具有易于維護清潔的優(yōu)點。帶軌道式 機器人則具有工作范圍相對較大的優(yōu)點。而懸臂式機器人則可減少噴房寬度尺寸，達 到減少能耗的作用。 * 也 連、 嵌 寒二 I gon馳xieobgLcwn 工控網… 圖1噴房系統(tǒng)單元平面 圖2懸臂式帶軌道機器人 噴涂線設備 以我公司涂裝車間技術改造項目為例，車間原有一條 自動化整車噴涂線，以功能 來劃分噴房單元。中涂采用 4臺落地式固定安裝機器人，色漆采用 8臺落地式帶軌道 機器人，清漆同樣采用 8臺落地式帶軌道機器人

3、。為了提高生產節(jié)拍，本次技術改造 方案為：在中涂區(qū)域新增 4臺相同型號的落地式固定安裝機器人。新建一條面漆線， 其中色漆區(qū)域采用 8臺懸臂式帶軌道機器人，清漆區(qū)域同樣采用 8臺懸臂式帶軌道機 器人。成套設備從美國進口，改造完成后可將生產節(jié)拍提高 1倍。噴房系統(tǒng)單元平面 示意圖見圖1。無論是何種類型的機器人設備， 其系統(tǒng)應用原理都是相似的， 主要子功 能部分為：懸臂式帶軌道機器人（見圖 2）、落地帶軌道式機器人（見圖 3）和落地無 軌道式機器人（見圖 4）。 圖3落地帶軌道式機器人 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(zhí)行機構，

4、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(lián)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(shù)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。 圖4落地無軌道式機器人 驅動系統(tǒng)包括動力裝置和傳動機構，用以使執(zhí)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(zhí)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(jù)生產工藝可選擇不 同的霧化器。 對于采用溶劑型油

5、漆噴涂的系統(tǒng)，必須配備廢油漆廢溶劑清洗回收裝置，避免環(huán) 境污染，達到環(huán)保生產的目的。 圖5安裝在機器人手臂內的伺服電機 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(tǒng)和執(zhí)行機構發(fā)出指令信號，控制單臺機器人設備運動軌跡的裝 置?？刂破鲀鹊闹饕考榕c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(shù)據(jù)及 程序。CPU將程序數(shù)據(jù)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莫塊還具備通

6、過與不同類型的 I/O模塊連接實現(xiàn)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(fā)展和低成本 化的進程，目前已出現(xiàn)一臺控制器同時控制兩臺機器人運動的設備。 圖6機器人控制器內部元件 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?？梢詫崿F(xiàn)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(yōu)化用戶自定義程序和編輯系統(tǒng)變量等。 3

7、 .系統(tǒng)操作控制臺 系統(tǒng)操作控制臺（簡稱“ SCC ）的主要功能是集成整個噴房硬件，實現(xiàn)系統(tǒng) 自動 化功能，包含系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)單元外圍設備的實時信號， 包括與工廠主 信息系統(tǒng)、其他機器人系統(tǒng)單元的數(shù)據(jù)交換，然后根據(jù)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(fā)送結果變量給各相關系統(tǒng)。 SCC的另一個主要 功能就是能

8、夠提供一個友好的操作界面實現(xiàn)人機交互，使整個系統(tǒng)在人的監(jiān)控下按人 的意愿有序而穩(wěn)定地連續(xù)工作。一般將人機圖形交互系統(tǒng)，即一部電腦主機和顯示器 整合到系統(tǒng)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(tǒng)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(qū)域 內機器人系統(tǒng)的時實狀態(tài)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。 圖7系統(tǒng)操作控制臺內的 PLC 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

9、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(fā)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(fā)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(yè)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?？刂聘鞣N工藝參數(shù)，如油漆流量、霧化器旋杯轉速等。隨著機器人 技術不斷發(fā)展至今，大部分品牌的噴涂機器人系統(tǒng)均采用閉環(huán)流控量制系統(tǒng)，通過在 靠近終端執(zhí)行器的機器人手臂上安裝流量計或計

10、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(tǒng)結構可能會設計將此 PCE的 功能部件分別集成到其他系統(tǒng)空間內而不是單獨形成一個工藝控制柜，這樣可以節(jié)約 生產現(xiàn)場的場地資源，美化生產環(huán)境。 圖8PCE柜內部元器件 5 .車型檢測系統(tǒng) 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(tǒng)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(qū)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(jù)不同的生產現(xiàn)場及所生產的車型間的差異程度，通 過PLC

11、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(fā)不同組合的電子眼，以此來檢測來自 工廠信息系統(tǒng)的車型信息與車型檢測系統(tǒng)所檢測到的車型是否一致，如果不一致，系 統(tǒng)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(fā)送到各個機器人控制器內的 CPU莫 塊，CPU將車型信息轉化為各種指令，機器人根據(jù)此指令來執(zhí)行不同的程序， 達到根據(jù) 不同的車型機器人執(zhí)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(fā)射端和接收端錯開安裝，避免產生錯誤信息。 6.

12、設置一個安全的、隔離的生產區(qū)域 由于機器人設備在正常的生產過程中是連續(xù)運行的，因此必須與人工區(qū)域嚴格隔 離，以防止任何人身傷害事故的發(fā)生，實現(xiàn)安全生產。通?？煞謩e在機器人自動噴涂 區(qū)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(qū)域，在安裝光柵的位置就會觸發(fā)光柵， 系統(tǒng)產生相應的報警并立即停止運行, 防止發(fā)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(qū) 域進入自動噴涂區(qū)域，在這個過程中也會觸發(fā)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(fā)開

13、關，給系統(tǒng) PLC—個信號，這個信號用來屏蔽安全 光柵。為了確保更嚴格的區(qū)分是人還是車身進入自動噴涂區(qū)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(fā)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(fā)兩端的屏蔽開關，安全光柵依然處于工作狀態(tài)，當 人處于安全光柵的位置時仍會觸發(fā)安全光柵。 7．車身直線跟蹤系統(tǒng) 運用于整車自動噴涂線的機器人，為了提高生產節(jié)拍，在噴涂作業(yè)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(yè)。 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(tǒng)的硬件主要包括：脈沖編碼

14、器、檢測開關和編碼器轉發(fā)器。根據(jù)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(fā)檢測開關，脈沖編碼器開始計數(shù)，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(fā)器上。編碼器轉發(fā)器整合到 SCC1內，通 過編碼器轉發(fā)器，可將車身的實時位置信息發(fā)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(jù)機器人系統(tǒng)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

15、 的EDS配電柜，也可根據(jù)用戶需求自行設計非標配電柜。系統(tǒng)配置見圖 9。 111■人嶋 lfM9 時工齊 T- -護 r.WA".1 腳沁■ 3j3：：hif-*iLrF，ir>_ p心； Krsin tr ita cpxa：軸 *c J4F ?H2 A1* AC HB kfjf MAX MAW : 0 %申 ■ I, 12 山*舉 fIBAFII F*ii# :卿 AjC Ar X| L ；駆筆- 1 護鍥人啊-1 1 ］曲伽 rim」 靜跆I MjgK 1 I睡逗霸 盧〒1 Rwir E 0 ^M

16、T^onH d^eKcm RX1； 叩:1 工 u 圖9系統(tǒng)配制 結語 對于汽車制造商而言，高精的機器人技術并非他們所需要，反而給制造工廠日后 的生產運行帶來極大困擾。比如維修人員的培養(yǎng)、工藝更新的支持以及備品備件的庫 存等。因此，簡潔而不簡單，易于學習掌握，穩(wěn)定有效，運行維護成本相對較低的設 備，才是用戶所需。另外，車身噴涂的質量很大程度上取決于油漆特性，因此，如何 根據(jù)不同的油漆特性和車身形狀合理地設計噴涂軌跡，達到更好的噴涂質量，也是一 門很值得深究的課題。