作者：丁度坤 謝存禧
涂裝是制造業(yè)中一項(xiàng)非常重要的工序，它能有效地防止工件受外界環(huán)境侵蝕，提高工件壽命，而且能美化工件外觀。目前在國(guó)內(nèi)，涂裝工序主要還是靠人工完成，涂裝的質(zhì)量受工人的技術(shù)熟練程度、心情等因素的影響很大。同時(shí)，涂裝過(guò)程中揮發(fā)出來(lái)的有毒氣體對(duì)工人的身體健康影響很大。實(shí)現(xiàn)涂裝過(guò)程自動(dòng)化，具有巨大的社會(huì)與經(jīng)濟(jì)效益。噴涂機(jī)器人就是一種典型的涂裝自動(dòng)化裝備。使用機(jī)器人進(jìn)行噴涂作業(yè)，工件涂層均勻，重復(fù)精度好，工作效率高，能使工人從惡劣的工作環(huán)境中解放出來(lái)。國(guó)際上將機(jī)器人應(yīng)用到噴涂領(lǐng)域已有二十多年的歷史，最早將機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用于噴涂的有美國(guó)的minihit公司、fudge公司、德國(guó)的hatel公司等[1]。
隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷完善，噴涂精度得到顯著提高，噴涂機(jī)器人在主要的發(fā)達(dá)國(guó)家得到廣泛的應(yīng)用。我國(guó)的華南理工大學(xué)、華中科技大學(xué)等科研機(jī)構(gòu)先后對(duì)噴涂機(jī)器人技術(shù)進(jìn)行深入的研究，取得了不少進(jìn)展。航天航空部的703所、625所使用熱噴涂機(jī)器人進(jìn)行作業(yè)，用來(lái)噴涂一些重要而特殊航空部件[1]。目前在我國(guó)，還沒(méi)有完全意義上的獨(dú)立生產(chǎn)噴涂機(jī)器人的廠家，機(jī)器人市場(chǎng)大多為歐美、日本、韓國(guó)等國(guó)的生產(chǎn)廠家所壟斷。近年來(lái)，我國(guó)的一些企業(yè)積極與高校開(kāi)展噴涂機(jī)器人的項(xiàng)目合作，進(jìn)一步推動(dòng)我國(guó)噴涂機(jī)器人技術(shù)的成熟，普及與應(yīng)用。
1 噴涂機(jī)器人的種類
1.1 仿形噴涂機(jī)器人
仿形噴涂機(jī)器人根據(jù)被噴涂工件的外形特點(diǎn)，簡(jiǎn)化機(jī)器人本體的結(jié)構(gòu)與控制方式，造價(jià)低廉，維修簡(jiǎn)便，噴涂質(zhì)量基本上能滿足工業(yè)的需求。據(jù)國(guó)外公司統(tǒng)計(jì)的數(shù)字顯示，采用仿形噴涂機(jī)器人進(jìn)行作業(yè)，噴房?jī)?nèi)部尺寸可減少2/3，排風(fēng)量減少3/5，漆霧處理的沖水流量減少1/3，涂料節(jié)省大概30％－50％。仿形噴涂機(jī)器人廣泛應(yīng)用于汽車、鐵路機(jī)車車輛等機(jī)械制造業(yè)的噴涂作業(yè)，用于完成被工件頂部與側(cè)面的噴涂[2]。文獻(xiàn)[2]介紹了一種用于汽車車身噴涂的仿形噴涂機(jī)器人，該機(jī)器人模仿汽車車身的形狀，同時(shí)在頂部與側(cè)面各安裝噴槍，噴槍固定在機(jī)架上，噴槍與車身的距離、角度可以調(diào)解，以滿足不同型號(hào)的車身的噴涂需要。機(jī)器人采用PLC控制方式，整個(gè)系統(tǒng)可靠性高，組態(tài)可靈活調(diào)整，編程方便，調(diào)試維護(hù)簡(jiǎn)單，對(duì)不同車型的車身通過(guò)編程即可達(dá)到仿形編程目的。
1.2 移動(dòng)式噴涂機(jī)器人
這類機(jī)器人主要用于高空的噴涂作業(yè)，如大樓、橋梁的高空噴涂等，配備纜繩、真空或磁吸附裝置，充當(dāng)機(jī)器人的下肢，使機(jī)器人能夠在高空噴涂作業(yè)的同時(shí)進(jìn)行移動(dòng)。文獻(xiàn)[3]介紹一種纜索機(jī)器人，用于斜拉橋的高空噴涂，利用PLC作為機(jī)器人的控制系統(tǒng)，機(jī)器人系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，可靠性高，可滿足斜拉橋高空噴涂的需要。文獻(xiàn)[4]介紹一種用于高層建筑噴涂作業(yè)的移動(dòng)機(jī)器人，以真空吸附的方式進(jìn)行高層建筑物的噴涂作業(yè)，機(jī)器人由支援系統(tǒng)、機(jī)器人本體、控制系統(tǒng)組成。其中支援系統(tǒng)包括移動(dòng)小車、卷纜部件、懸掛裝置；控制系統(tǒng)采PLC控制。機(jī)械手采用往復(fù)運(yùn)動(dòng)的方式，同時(shí)在噴涂機(jī)械手上還安裝了兩套CCD攝像系統(tǒng)，可從支援小車的監(jiān)視器實(shí)時(shí)監(jiān)視噴涂作業(yè)情況和墻面噴涂的質(zhì)量。該機(jī)器人的推廣應(yīng)用提高了高層建筑噴涂作業(yè)的質(zhì)量、工作效率和安全可靠性，降低工人的工作量。
1.3 經(jīng)濟(jì)型簡(jiǎn)易噴涂機(jī)器人
這類機(jī)器人本質(zhì)上是一種三自由度直角坐標(biāo)機(jī)器人，采用龍門架式的框架結(jié)構(gòu)，配備有專門的夾具，進(jìn)行噴涂作業(yè)時(shí)，須先手工將被噴涂工件夾緊到工作臺(tái)上，再操縱機(jī)器人進(jìn)行噴涂。主要用于手機(jī)、計(jì)算機(jī)鍵盤等小型電子產(chǎn)品外殼的噴涂作業(yè)，該機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便易行，且成本較低。但系統(tǒng)功能單一，一般只能用于小型件的噴涂作業(yè)。
1.4 固定式多自由度噴涂機(jī)器
這種機(jī)器人常固定于噴涂生產(chǎn)線的兩側(cè)，作業(yè)時(shí)被工件通過(guò)輸送帶送入生產(chǎn)線，再由機(jī)器人對(duì)工件進(jìn)行噴涂作業(yè)，這種機(jī)器人常為回轉(zhuǎn)式關(guān)節(jié)型機(jī)器人，常見(jiàn)的是5、6自由度關(guān)節(jié)機(jī)器人[5]。機(jī)器人的控制系統(tǒng)常采用在工控機(jī)上插入輸入輸出I/O卡和運(yùn)動(dòng)控制卡的模式，再通過(guò)計(jì)算機(jī)高級(jí)語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)整個(gè)噴涂作業(yè)過(guò)程的自動(dòng)化，可適用于各種不同場(chǎng)合的噴涂作業(yè)需要。
2 噴涂機(jī)器人運(yùn)行方式
2.1 示教型噴涂機(jī)器人
這種方式必須首先確定機(jī)器人在噴涂件表面的運(yùn)動(dòng)軌跡，先操縱機(jī)器人沿運(yùn)動(dòng)軌跡空走一遍，即對(duì)機(jī)器人進(jìn)行示教。在示教過(guò)程中，機(jī)器人記錄下各個(gè)示教點(diǎn)的軌跡坐標(biāo)，在真正噴涂過(guò)程中，機(jī)器人根據(jù)先前記錄下來(lái)的示教點(diǎn)對(duì)工件進(jìn)行自動(dòng)噴涂作業(yè)，示教點(diǎn)之間的曲線部分采用插補(bǔ)算法確定各個(gè)插補(bǔ)點(diǎn)坐標(biāo)，以逼近原曲線軌跡[5]，最后通過(guò)機(jī)器人正逆解運(yùn)算求出每一關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)過(guò)的角度。
2.2 離線編程式噴涂機(jī)器人
這種方式首先獲取被噴涂對(duì)象的立體幾何形狀，然后采用各種算法確定出工件表面的噴涂點(diǎn)坐標(biāo)，機(jī)器人根據(jù)已確定的點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行自動(dòng)噴涂作業(yè)。噴涂點(diǎn)之間的曲線部分通過(guò)插補(bǔ)運(yùn)算確定插補(bǔ)點(diǎn)坐標(biāo)，以逼近原曲面，最后通過(guò)機(jī)器人正逆解運(yùn)算將插補(bǔ)坐標(biāo)從三維空間轉(zhuǎn)換成各個(gè)關(guān)節(jié)角度空間[5]。
3 噴涂機(jī)器人的控制方式
工業(yè)中應(yīng)用的機(jī)器人控制系統(tǒng)一般采用二級(jí)控制方式，其中工控機(jī)充當(dāng)主控制器，用于整個(gè)控制流程的協(xié)調(diào)與調(diào)度，第二級(jí)控制器用于噴涂機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制。文獻(xiàn)[6]介紹了一種工控機(jī)加DSP的控制模式，工控機(jī)充當(dāng)一級(jí)控制器，負(fù)責(zé)系統(tǒng)管理，機(jī)器人語(yǔ)言編譯與人機(jī)接口等功能；DSP充當(dāng)二級(jí)控制器，主要負(fù)責(zé)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制，包括了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)正逆解運(yùn)算、插補(bǔ)運(yùn)算、關(guān)節(jié)的位置控制等功能。工控機(jī)與DSP不直接進(jìn)行通訊，通過(guò)公用內(nèi)存交換數(shù)據(jù)，工控機(jī)與DSP均可從該內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)，以達(dá)到通訊的目的。
當(dāng)前比較通用的是工控機(jī)加上運(yùn)動(dòng)控制卡的模式，即將運(yùn)動(dòng)控制卡插入工控機(jī)的PCI插槽中，工控機(jī)與運(yùn)動(dòng)控制卡之間通過(guò)PCI總線進(jìn)行通訊。工控機(jī)負(fù)責(zé)系統(tǒng)的文件管理、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、機(jī)器人語(yǔ)言的解釋、示教檢查、系統(tǒng)程序的協(xié)調(diào)調(diào)度、故障診斷、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)正逆解與插補(bǔ)運(yùn)算等功能。運(yùn)動(dòng)控制卡只擔(dān)負(fù)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制功能，增強(qiáng)了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)性。人機(jī)接口功能由插在工控機(jī)上專用的I/O卡來(lái)完成，I/O卡將設(shè)備運(yùn)行狀況、行程限位開(kāi)關(guān)等信息以開(kāi)關(guān)量的形式實(shí)時(shí)反饋給工控機(jī)，工控機(jī)根據(jù)讀取到的信息做出相應(yīng)的反應(yīng)。示教盒與主機(jī)通過(guò)RS232總線進(jìn)行通訊?？刂葡到y(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)通常包括了工控機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制卡、I/O卡、示教盒、伺服電機(jī)等部件，硬件控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 噴涂機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖