机器人喷涂系统的应用

机器人在汽车涂装车间的作用不可否认，人们通过使用机器人节省了大量人力和财力，同时提高了工作效率。机器人系统比较复杂，只有正确应用，有效配合，同时采取必要的安全保护措施，才能使其优势充分发挥，带来更大的效益。

在现代化的汽车涂装生产中，机器人是不可缺少的设备之一。汽车涂装工艺中采用机器人喷涂，具有如下优势：机器人能做到人体难以适应的高强度、快节拍连续作业；能够适应对人体有害的喷漆操作；能够使喷涂过程更精确，实现更经济的油漆消耗。机器人代替人从事喷涂工作，可以节省人力及材料消耗，提高工作效率和产品质量。机器人喷涂系统是由多个部分组成的比较复杂的系统，只有各部分有效配合才能把喷涂工作完成好。笔者对汽车涂装机器人喷涂系统做了简要介绍，希望能与读者共同学习与交流。

机器人喷涂系统概述

焊装完成的白车身经过涂装车间前处理、电泳等工艺后，还要经过中涂和面漆及罩光等工艺阶段，才能使汽车车身拥有漂亮的油漆外观。中涂和面漆及罩光的喷涂任务可以由机器人喷涂系统来完成。

机器人喷涂系统由以下几个部分组成：车型识别及信息传递部分、位置跟踪部分、油漆供给及喷涂控制部分、机器人运动控制部分、联锁控制部分、机器人喷涂系统中央控制部分和安全保护部分等。

车型识别及信息传递部分

1．主要作用

该系统能够自动识别或人工输入待喷涂车身的车型及颜色等信息，并将该信息与数据库定义参数进行比较，确认符合后将喷涂参数传递给机器人。

2．主要配置

车型识别装置：该装置主要由两组相同高度的光电开关组成，一组为发射端（见图1），另一组为接收端（见图2）。每组光电开关中各光电开关的高度对应车身的不同部位。当滑橇碰到车型识别行程开关后开始进行检测，由于车身形状不同，光电开关被挡住的时间长短随不同车型有所不同。检测完毕后系统自动将各光电开关被挡住的距离与喷涂数据表中的设定值进行比较，由此确定车型。自动识别也可以采用载码体、读码器的方式进行，但其制造成本相对较高。

图1  发射端光电开关组   

手动输入装置：在喷漆房入口设置人工车型/颜色输入台，根据需要也可以切换到手动车型输入。

图2  接收端光电开关组

车型参数传递：当车身前进至机器人喷涂工位并碰到机器人启动行程开关后，车身携带的车型、颜色及附加信息均立即传至该区域内的车身信息栏内，颜色信息立即传递给机器人系统。车型信息在车身移动到机器人起始位置前传递给相应机器人。由于不同的行程开关控制不同的机器人，碰到行程开关后不同的机器人启动距离又不同，因此机器人并不同时启动。碰到行程开关后机器人启动的距离根据喷涂工艺要求来确定。图3所示为两台机器人先启动喷涂，图4所示为三台机器人同时喷涂。

图3  两台机器人启动喷涂

位置跟踪部分

1．主要作用

实时跟踪待喷涂车身的运行速度，并将位置信息传递给机器人喷涂系统，机器人按此位置信号进行喷涂作业。

图4  三台机器人同时喷涂

2．主要配置

机器人采用固定底座安装，车身以一定的速度纵向移动，才能使机器人完成整车喷涂。在输送链的驱动轴上装有编码器，编码器旋转时产生脉冲信号，该脉冲信号传递给机器人控制柜和PLC的高速计数器。由于每个脉冲对应的移动距离为固定值，根据检测到的脉冲数即可计算出车身移动的具体距离。这样就检测到车身的具体位置信息，实现机器人对车身的位置跟踪。

油漆供给及喷涂控制部分

1．主要作用

按车型颜色供给机器人相应颜色的油漆并实现颜色实时更换，按喷涂参数进行油漆喷涂。

2．主要配置

油漆供给及喷涂控制部分由气动控制柜、换色阀、齿轮泵及电机、静电喷杯（喷枪）、油漆、溶剂及空气供给管路、流量、雾化压力、成形空气压力和高电压调节系统组成。

气动控制柜由分气罐、高压蓄能器、增压器、调压器及气动管路等组成（见图5）。主空气入口设置数显压力开关，用来显示入口空气压力并在压力低时产生报警。主空气进入气控柜后一路直接连接到喷杯气动轴承处，另一路又由球阀分成两路，一路接到机器人控制柜，供给机器人防爆空气；另一路进入分气罐。

图5  气动控制部分

换色阀由一组模块组合而成，每个模块可以对两种颜色进行换色。

静电喷杯（喷枪）：目前轿车面漆自动喷涂系统一般采用高压静电旋杯+往复式喷枪+高压静电旋杯的方式进行喷涂。

流量控制：车身的不同部位要求喷杯的油漆吐出量不同，机器人工作时在车身的不同部位调用不同的喷涂参数，包括吐出量等。该参数通过控制系统数模转换模块输出一个模拟量。该模拟量输出给主控柜内控制齿轮泵电机转动的变频器，通过调节变频器即可控制齿轮泵的转速，不同的转速对应不同的流量，从而实现流量控制。

喷杯转速控制：喷杯转速参数通过控制系统相应换算后输出一个数字量。该数字量通过气动控制柜内的数模转换模块输出一个模拟量。该模拟量用来控制调节阀，通过调节喷杯驱动空气压力即可实现喷杯转速调节。喷杯转速信号同时作为控制系统的反馈量，以实现闭环控制。

成形空气压力控制：喷杯成形空气压力参数通过控制系统进行相应换算输出一个数字量。该数字量通过气动控制柜内的数模转换模块输出一个模拟量。该模拟量直接输出给调节阀，通过控制调节阀的模拟量输入值即可实现成形空气压力控制。成形空气压力作为反馈值以实现闭环控制。

高电压控制：与上述调节类似，高电压参数经PLC换算输出一个数字量。该数字量经远程数模转换模块输出一个模拟量。该模拟量输出给气动控制柜内的高压发生装置，此装置根据该模拟量输出一个高电压给喷杯。高电压及电流反馈值经高压发生装置换算，将换算值输出给模数转换模块，作为高电压及电流的反馈值以实现闭环控制。

机器人运动控制部分

1．主要作用

按照车型信息及喷涂参数表的规定动作，与其他部分协同作业，实现自动喷涂运动。

2．主要配置

喷涂机器人：采用六轴伺服防爆喷涂机器人。机器人的所有轴均由交流无刷伺服电机提供动力。这些电机的设计遵循完全封闭及完全自冷的原则。机器人通过该设计避免了干扰信号传入通信系统。交流伺服系统设计具有保护及警告电路功能，可以保护机器人及伺服电机免遭过电压、过电流或不正确操作的损害和能源浪费。

运动控制系统由机器人、机器人控制柜、示教盘及连接电缆和轨迹跟踪系统组成（见图6）；机器人、控制柜、示教盘是运动系统的硬件部分，轨迹跟踪系统是机器人的运动控制核心。

图6  机器人运动控制系统

轨迹跟踪系统：在进行机器人教导时，把将要进行喷涂的车身分割成若干块，通过计录当前脉冲和位置值，机器人就能够计录该点的运动轨迹。在进行喷涂作业时，当车身进入机器人喷涂工位，碰到机器人启动行程开关后，位置坐标值及脉冲记数值自动清零并开始记数。只要动作范围在机器人工作范围以内，机器人就能根据脉冲及位置值自动寻找示教点位置并进行相应喷涂。当机器人完成第一部分教导动作后，在原地等待脉冲值达到下一设定值，再进行下一部分的喷涂。当输送链由于某种原因停止，机器人将暂停喷涂并等待输送链正常运行后继续完成这一部分的喷涂作业。

联锁控制部分

1．主要作用

通过对喷涂系统内部及外部的必要条件的联锁控制，使喷涂系统能够安全有效地进行喷涂作业。

2．主要配置

联锁系统：喷涂系统与喷房送排风、消防系统和输送链控制柜具有联锁信号，只有在喷房送排风正常的情况下，才能进行喷涂；当空调送排风不正常时，无法开启喷枪，也无法启动齿轮泵及高电压。

如果喷涂系统接到消防信号，即有火灾发生时，系统立即停止喷涂且机器人停止动作。

当喷涂系统产生一些报警足以对喷涂质量或系统安全产生影响时，系统会给输送链控制柜发出联锁信号，停止输送链的运行；相反当输送链运行不正常时，机器人喷涂系统也无法进行正常喷涂。

中央控制部分

1．主要作用

在机器人喷涂系统中，中央控制部分通过各种总线及网络通信，收集各部分的相关信息并进行综合处理。它严格按照规定的程序对各部分发出控制指令，及时反馈并修正，使各部分安全有效地协同作业。

2．主要配置

中央控制部分包括主控柜、操作柜、人机界面、工控机及控制软件、现场总线网络和以太网等。

现场总线网络：中涂、面涂和罩光清漆各有一套远程控制系统，每套远程控制系统由现场总线网络组成。现场总线网络传输机器人控制柜内部的相关信息，包括车型信息、喷涂表调用、开关枪及机器人状态信息。该网络不仅传输各喷涂控制的开关量（I/O）信号，同时传输喷涂参数中的喷杯驱动空气压力，喷杯成形空气压力和高电压等模拟量值，还传输反馈信号。现场总线网络中面漆工位的模块为主站，罩光及中涂工位为本地站，用来传递车型信息和主控柜的信息等。

以太网：以太网用来传递机器人的作业信息和喷涂表里的参数信息等。控制系统采用以太网高速传送喷涂参数及机器人作业信息。系统还可以通过网络模块与现场控制总线相连，通过网络传输将现场信息传递给中控室计算机。这样就能够在中控室对系统运行状况进行监控（见图7）。

图7  机器人监控系统画面

中央控制部分采用PC机作为上位机，采用组态软件制作人机界面，能够实时监控生产线各部分的信息，并对不同车型、不同颜色分别累计产量，便于生产管理。系统能够创建和保存喷涂参数表，以便自动识别车型，并根据输入的喷涂颜色及流量自动完成换色和喷涂作业。

安全保护部分

1．主要作用

通过必要的安全保护措施，在涂装车间喷漆室这样比较危险的环境下，使机器人和相关作业人员得到必要的保护，避免造成人员伤害和设备损失。

2．主要配置

安全保护系统：机器人动作速度较快且体积较大，一旦碰到人将会发生严重的人身伤害。另外喷涂区域内存在高压静电，如不慎触电，也会发生人身事故。系统要求在自动运行状态下严禁人员出入机器人喷涂工位，同时也配备较为严密的安保措施：例如，在喷房入口处设置防爆高压显示指示灯，当系统高压启动时，该指示灯点亮，表示高压启动，严禁人员进入；在进入喷房的入口处设置安全销及急停按扭，人员由该门进入喷房时必须将安全销拔下方可进入，拔下安全销时系统产生急停报警，机器人停止动作；当人员由车身进入口进入时，喷房入口及出口处设置出入禁止光电管，在自动待机状态下有人员进入时，光电管被挡住后发出信号给安全控制系统，系统产生急停报警并停机；在车门没有关好的状态下，车身进入喷房时，喷房入口处设置的开门检测行程开关动作，车门未关报警发生，输送链停止行进；由于误动作或不慎碰到喷杯或喷枪时，当碰撞冲击超过一定值时，机器人与喷杯联结处的塑料螺栓首先断裂，该处密封的压缩空气无法保持设定压力，产生喷枪断裂报警，系统停机，该保护系统可以使喷杯在一定的外力作用下，连接处最薄弱的环节首先断裂，从而避免直接损害喷杯。另外，机器人工作的喷漆室为易燃易爆场所，机器人通过密封正压的防爆空气来实现电气系统与危险场所的隔离。

结语

机器人喷涂系统运用了当代比较先进的科学技术，其中包括：电机的变频、伺服驱动技术，气动控制技术，光电控制技术，现场总线技术，PLC控制技术和计算机控制技术等。机器人依靠这些技术手段，通过示教操作后严格执行预定的程序，就能够较好地完成人们需要反复做的各种动作，从而为人们服务。但是，这类机器人并非智能型机器人，要让这些机器人更好地工作还需要较高水平的工程技术人员来维护和管理。

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