噴涂機(jī)器人的大量運(yùn)用極大地解放了在危險(xiǎn)環(huán)境下工作的勞動(dòng)力，也極大提高了汽車制造企業(yè)的生產(chǎn)效率，并帶來(lái)穩(wěn)定的噴涂質(zhì)量，降低成品返修率，同時(shí)提高了油漆利用率，減少?gòu)U油漆、廢溶劑的排放，有助于構(gòu)建環(huán)保的綠色工廠。
目前國(guó)際市場(chǎng)上供應(yīng)的噴涂機(jī)器人大致可分為以下幾類：按是否具有沿著車身輸送鏈運(yùn)行方向水平移動(dòng)的功能，分為帶軌道式和固定安裝式機(jī)器人；按安裝位置的不同，分為落地式和懸臂式機(jī)器人。落地式機(jī)器人具有易于維護(hù)清潔的優(yōu)點(diǎn)。帶軌道式機(jī)器人則具有工作范圍相對(duì)較大的優(yōu)點(diǎn)。而懸臂式機(jī)器人則可減少噴房寬度尺寸，達(dá)到減少能耗的作用。
以我公司涂裝車間技術(shù)改造項(xiàng)目為例，車間原有一條自動(dòng)化整車噴涂線，以功能來(lái)劃分噴房單元。中涂采用4臺(tái)落地式固定安裝機(jī)器人，色漆采用8臺(tái)落地式帶軌道機(jī)器人，清漆同樣采用8臺(tái)落地式帶軌道機(jī)器人。為了提高生產(chǎn)節(jié)拍，本次技術(shù)改造方案為：在中涂區(qū)域新增4臺(tái)相同型號(hào)的落地式固定安裝機(jī)器人。新建一條面漆線，其中色漆區(qū)域采用8臺(tái)懸臂式帶軌道機(jī)器人，清漆區(qū)域同樣采用8臺(tái)懸臂式帶軌道機(jī)器人。成套設(shè)備從美國(guó)進(jìn)口，改造完成后可將生產(chǎn)節(jié)拍提高1倍。噴房系統(tǒng)單元平面示意圖見圖1。無(wú)論是何種類型的機(jī)器人設(shè)備，其系統(tǒng)應(yīng)用原理都是相似的，主要子功能部分為：懸臂式帶軌道機(jī)器人。
1．機(jī)器人主體
機(jī)器人主體即機(jī)座、臂部、腕部和終端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是一個(gè)帶有旋轉(zhuǎn)連接和AC伺服電機(jī)（見圖5）的6軸或7軸聯(lián)動(dòng)的一系列的機(jī)械連接，使用輪系（齒輪傳動(dòng)鏈）和RV（旋轉(zhuǎn)向量）型減速器。大多數(shù)噴涂機(jī)器人有3～6個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度（對(duì)于帶軌道式機(jī)器人，一般將機(jī)器人本體在軌道上的水平移動(dòng)設(shè)置為擴(kuò)展軸，稱為第7軸）。其中腕部通常有1～3個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度。
驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括動(dòng)力裝置和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，用以使執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作，即每個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)由安裝在機(jī)器人手臂內(nèi)的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)控制。執(zhí)行機(jī)構(gòu)為靜電噴涂霧化器，不同品牌、不同型號(hào)的機(jī)器人手臂末端的接口不同，根據(jù)生產(chǎn)工藝可選擇不同的霧化器。
對(duì)于采用溶劑型油漆噴涂的系統(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(dá)到環(huán)保生產(chǎn)的目的。
2．機(jī)器人控制器
每一臺(tái)機(jī)器人設(shè)備都可以獨(dú)立地動(dòng)作，而機(jī)器人控制器（簡(jiǎn)稱“RC”）就是按照輸入的程序?qū)︱?qū)動(dòng)系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令信號(hào)，控制單臺(tái)機(jī)器人設(shè)備運(yùn)動(dòng)軌跡的裝置?？刂破鲀?nèi)的主要部件為與機(jī)器人手臂內(nèi)的伺服電機(jī)連接的伺服放大器及CPU模塊（見圖6），不同型號(hào)的機(jī)器人配備不同內(nèi)存的CPU，CPU內(nèi)存儲(chǔ)有用戶自定義數(shù)據(jù)及程序。CPU將程序數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成伺服驅(qū)動(dòng)信號(hào)給伺服放大器，伺服放大器啟動(dòng)伺服電機(jī)來(lái)控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。通常CPU模塊還具備通過(guò)與不同類型的I/O模塊連接實(shí)現(xiàn)與其他外部設(shè)備或機(jī)器人通信的作用。例如，與PLC的連接，這樣就可以通過(guò)操作控制臺(tái)來(lái)控制機(jī)器人的動(dòng)作。一般一臺(tái)控制器獨(dú)立控制一臺(tái)機(jī)器人，隨著技術(shù)的發(fā)展和低成本化的進(jìn)程，目前已出現(xiàn)一臺(tái)控制器同時(shí)控制兩臺(tái)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的設(shè)備。
機(jī)器人示教器通過(guò)單根電纜與機(jī)器人控制器內(nèi)的CPU連接，不同品牌機(jī)器人的示教器內(nèi)安裝了不同的應(yīng)用軟件，功能也有所差異。通過(guò)示教器操作面板上的按鍵來(lái)操作軟件界面上的菜單?？梢詫?shí)現(xiàn)的主要功能為：直接編程、顯示用戶程序、操作機(jī)器人運(yùn)動(dòng)、預(yù)定義機(jī)器人位置、優(yōu)化用戶自定義程序和編輯系統(tǒng)變量等。
3．系統(tǒng)操作控制臺(tái)
系統(tǒng)操作控制臺(tái)（簡(jiǎn)稱“SCC”）的主要功能是集成整個(gè)噴房硬件，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)化功能，包含系統(tǒng)所有與管理噴涂機(jī)器人活動(dòng)相關(guān)的硬件及整合到每個(gè)噴房的相關(guān)硬件。例如，與噴房系統(tǒng)相關(guān)的安全互鎖繼電器、隔離光柵等。柜內(nèi)安裝有一個(gè)可編程邏輯控制器PLC（見圖7），以上硬件通過(guò)各種類型的I/O模塊與PLC通信。PLC通過(guò)I/O模塊接收噴房單元內(nèi)每一臺(tái)機(jī)器人及系統(tǒng)單元外圍設(shè)備的實(shí)時(shí)信號(hào)，包括與工廠主信息系統(tǒng)、其他機(jī)器人系統(tǒng)單元的數(shù)據(jù)交換，然后根據(jù)預(yù)先編制好的邏輯判斷程序?qū)λ占邮盏降男盘?hào)做出相應(yīng)的處理并發(fā)送結(jié)果變量給各相關(guān)系統(tǒng)。SCC的另一個(gè)主要功能就是能夠提供一個(gè)友好的操作界面實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，使整個(gè)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(jī)圖形交互系統(tǒng)，即一部電腦主機(jī)和顯示器整合到系統(tǒng)操作控制臺(tái)內(nèi)，電腦主機(jī)通過(guò)各種上層控制網(wǎng)絡(luò)與PLC連接。不同廠家的人機(jī)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(jī)界面上顯示了整個(gè)區(qū)域內(nèi)機(jī)器人系統(tǒng)的時(shí)實(shí)狀態(tài)和用戶操作菜單，可查尋相關(guān)的生產(chǎn)信息、報(bào)警等。大部分的設(shè)備操作都可通過(guò)操作SCC上的按鈕或選擇開關(guān)及人機(jī)交互界面上的菜單完成。
4．工藝控制柜
應(yīng)用自動(dòng)噴涂機(jī)器人最主要的目的是將不同種類、不同顏色的油漆通過(guò)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)均勻地涂抹在車身表面上，而工藝控制柜（簡(jiǎn)稱“PCE”）就是在電信號(hào)與潛在的揮發(fā)性油漆和溶劑間的相對(duì)安全接口，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為氣動(dòng)信號(hào)。PCE柜內(nèi)部元器件見圖8，來(lái)自PLC的電信號(hào)觸發(fā)PCE柜內(nèi)的電磁閥，打開空氣（或真空）回路，通過(guò)一定的氣壓來(lái)驅(qū)動(dòng)各個(gè)油漆或溶劑管路接口上的氣動(dòng)閥，將各種不同顏色的油漆或溶劑供給機(jī)器人噴涂作業(yè)或清洗管路等動(dòng)作使用。PCE的主要功能為控制噴涂工藝的各種動(dòng)作，如換色、清洗等。控制各種工藝參數(shù)，如油漆流量、霧化器旋杯轉(zhuǎn)速等。隨著機(jī)器人技術(shù)不斷發(fā)展至今，大部分品牌的噴涂機(jī)器人系統(tǒng)均采用閉環(huán)流控量制系統(tǒng)，通過(guò)在靠近終端執(zhí)行器的機(jī)器人手臂上安裝流量計(jì)或計(jì)量泵來(lái)達(dá)到精確控制油漆或溶劑實(shí)際輸出流量值和設(shè)定值之間的誤差。不同型號(hào)的機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可能會(huì)設(shè)計(jì)將此PCE的功能部件分別集成到其他系統(tǒng)空間內(nèi)而不是單獨(dú)形成一個(gè)工藝控制柜，這樣可以節(jié)約生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的場(chǎng)地資源，美化生產(chǎn)環(huán)境。
5．車型檢測(cè)系統(tǒng)
自動(dòng)噴涂機(jī)器人具有很強(qiáng)的柔性生產(chǎn)能力，可同時(shí)噴涂各種不同形狀的車身。出于保護(hù)系統(tǒng)的原因，在車身進(jìn)入機(jī)器人噴房前對(duì)車身類型進(jìn)行檢測(cè)是非常必要的。一般采取在擦凈功能區(qū)前安裝若干對(duì)光電開關(guān)，并在離最近一對(duì)光電開關(guān)1m左右的輸送鏈基架上安裝一個(gè)接近開關(guān)。根據(jù)不同的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)及所生產(chǎn)的車型間的差異程度，通過(guò)PLC程序來(lái)設(shè)置不同的位置為檢測(cè)位置，并調(diào)整好光電開關(guān)的安裝位置。當(dāng)即將進(jìn)入噴房的車身到達(dá)檢測(cè)位置時(shí)，不同車型會(huì)觸發(fā)不同組合的電子眼，以此來(lái)檢測(cè)來(lái)自工廠信息系統(tǒng)的車型信息與車型檢測(cè)系統(tǒng)所檢測(cè)到的車型是否一致，如果不一致，系統(tǒng)將會(huì)產(chǎn)生報(bào)警并停止運(yùn)行，需由操作員進(jìn)行人工確認(rèn)車型并在SCC的相應(yīng)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(gè)機(jī)器人控制器內(nèi)的CPU模塊，CPU將車型信息轉(zhuǎn)化為各種指令，機(jī)器人根據(jù)此指令來(lái)執(zhí)行不同的程序，達(dá)到根據(jù)不同的車型機(jī)器人執(zhí)行相應(yīng)不同的噴涂軌跡的目的。
注意，要將相鄰兩對(duì)電子眼的發(fā)射端和接收端錯(cuò)開安裝，避免產(chǎn)生錯(cuò)誤信息。
6．設(shè)置一個(gè)安全的、隔離的生產(chǎn)區(qū)域
由于機(jī)器人設(shè)備在正常的生產(chǎn)過(guò)程中是連續(xù)運(yùn)行的，因此必須與人工區(qū)域嚴(yán)格隔離，以防止任何人身傷害事故的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)。通?？煞謩e在機(jī)器人自動(dòng)噴涂區(qū)域的入口和出口處分別安裝一對(duì)安全光柵，在生產(chǎn)過(guò)程中，若有人誤闖入機(jī)器人自動(dòng)噴涂區(qū)域，在安裝光柵的位置就會(huì)觸發(fā)光柵，系統(tǒng)產(chǎn)生相應(yīng)的報(bào)警并立即停止運(yùn)行，防止發(fā)生人身傷亡及損壞設(shè)備的事故。但是，由于車身也必須通過(guò)安裝安全光柵的區(qū)域進(jìn)入自動(dòng)噴涂區(qū)域，在這個(gè)過(guò)程中也會(huì)觸發(fā)光柵。為解決這個(gè)相互矛盾的問(wèn)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(gè)屏蔽安全光柵的開關(guān)，當(dāng)運(yùn)送車身的撬體運(yùn)行到開關(guān)處就會(huì)觸發(fā)開關(guān)，給系統(tǒng)PLC一個(gè)信號(hào)，這個(gè)信號(hào)用來(lái)屏蔽安全光柵。為了確保更嚴(yán)格的區(qū)分是人還是車身進(jìn)入自動(dòng)噴涂區(qū)域，更好的做法是在輸送鏈基架的兩側(cè)各安裝一個(gè)屏蔽開關(guān)，只有兩個(gè)開關(guān)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(huì)同時(shí)觸發(fā)兩端的屏蔽開關(guān)，安全光柵依然處于工作狀態(tài)，當(dāng)人處于安全光柵的位置時(shí)仍會(huì)觸發(fā)安全光柵。
7．車身直線跟蹤系統(tǒng)
運(yùn)用于整車自動(dòng)噴涂線的機(jī)器人，為了提高生產(chǎn)節(jié)拍，在噴涂作業(yè)過(guò)程中車身一直跟隨輸送鏈按照設(shè)定速度前進(jìn)，而不會(huì)脫離輸送鏈固定在某處供機(jī)器人噴涂作業(yè)。因此，每一臺(tái)機(jī)器人都必須知道在工作范圍內(nèi)每一臺(tái)車身的實(shí)時(shí)位置信息。直線跟蹤系統(tǒng)的硬件主要包括：脈沖編碼器、檢測(cè)開關(guān)和編碼器轉(zhuǎn)發(fā)器。根據(jù)用戶的喜好可以選擇不同的檢測(cè)開關(guān)，可以是觸點(diǎn)開關(guān)或光學(xué)開關(guān)，也可以是接近開關(guān)，當(dāng)車身隨著地面輸送鏈運(yùn)動(dòng)到檢測(cè)開關(guān)的位置時(shí)觸發(fā)檢測(cè)開關(guān)，脈沖編碼器開始計(jì)數(shù)，計(jì)算車身的實(shí)時(shí)位置。脈沖編碼器的輸入軸與地面輸送鏈的中心軸機(jī)械地相連，以獲取輸送鏈運(yùn)動(dòng)的同步信息。輸出軸連接到編碼器轉(zhuǎn)發(fā)器上。編碼器轉(zhuǎn)發(fā)器整合到SCC柜內(nèi)，通過(guò)編碼器轉(zhuǎn)發(fā)器，可將車身的實(shí)時(shí)位置信息發(fā)送到PLC及各個(gè)機(jī)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(jī)器人系統(tǒng)單元及外圍設(shè)備所需的電源值不同，分配給相應(yīng)電壓、電流值的電源?？梢赃x擇標(biāo)準(zhǔn)通用的EDS配電柜，也可根據(jù)用戶需求自行設(shè)計(jì)非標(biāo)配電柜。系統(tǒng)配置見圖9。
對(duì)于汽車制造商而言，高精的機(jī)器人技術(shù)并非他們所需要，反而給制造工廠日后的生產(chǎn)運(yùn)行帶來(lái)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(kù)存等。因此，簡(jiǎn)潔而不簡(jiǎn)單，易于學(xué)習(xí)掌握，穩(wěn)定有效，運(yùn)行維護(hù)成本相對(duì)較低的設(shè)備，才是用戶所需。另外，車身噴涂的質(zhì)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(shè)計(jì)噴涂軌跡，達(dá)到更好的噴涂質(zhì)量，也是一門很值得深究的課題。
