喷涂机器人的应用

作者:耿春雷 朱晓春 文章来源:上汽通用五菱汽车股份有限公司 发布时间:2014-06-13
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随着工业机器人的诞生和技术日趋成熟,将工业机器人和喷漆工具通过一定的控制框架集成为机器人喷涂系统。在汽车制造业得到了广泛应用。本文分析喷涂机器的性能要求组成,控制框架,总结了应用优势。

喷漆机器人的性能要求

喷漆机器人除了满足普通工业机器人应具有的自由度、工作空间、额定速度、额定负载、分辨率、位姿准确度和位姿重复性等性能要求外,还需要满足以下几点要求:

1.防爆要求

(1)由于喷漆机器人的作业环境漆雾含量较高,而油漆属于易燃、易爆化学品,所以所有暴露在外边的电器元件、电缆均需要满足防爆要求。有两种方式可以实现此目的,一是所有电器部件和电缆连接接头均采用防爆等级产品,此种方式易导致机器人负载较大,结构庞大;二是采用创造隔离危险空气的腔体,以放置所有电器部件和电缆接头。目前多采用第二种方式。

(2)喷漆机器人需要有良好的接地装置,以导出机器人表面聚集的静电。

(3)机器人动力交流电源电路导线与保护接地电路之间施加直流500V电压时,测得的绝缘电阻应不小于1MΩ;与保护接地电路之间应能承受交流50Hz、具有两倍的电气设备额定电压值或1000V这两者中较大者,持续1s的耐压试验,无闪络、击穿及飞弧现象。


图1  换色阀组示意

2.耐腐蚀要求

由于油漆及其溶剂具有腐蚀性,所以喷漆机器人暴露在漆雾中或与油漆接触的所有部件均需要采用耐腐蚀材料。腐蚀源主要来自于两方面:一是喷漆机器人喷出、输送的油漆或溶剂均具有腐蚀性;二是喷漆机器人必须可以承受每天由于过喷而产生的油漆堆积物和溶剂擦拭。为减轻受漆雾污染的程度,一般喷漆机器人外表面均穿戴一层耐腐蚀外衣,以降低溶剂擦拭机器人的频次。

3.无硅脂要求

必须保证喷漆机器人所有的部件材料、包装材料和润滑材料都是绝对不含硅树脂的。即使是极少含量的硅树脂的存在都会导致漆膜出现鱼眼(也称为弹坑、缩膜、珠孔或缩孔)缺陷,影响汽车油漆涂层的质量和外观。

喷漆机器人的工具部件

喷漆机器人是由执行程序轨迹的普通工业机器人携带专用喷漆工具,并在其系统中增加对专用喷漆工具的控制程序来实现喷漆功能的生产设备。专用喷漆工具直接决定着喷漆的漆膜质量,其主要组成部件如下:

1.换色阀组

由于汽车颜色的多样性,喷漆机器人需要满足可以喷涂多种颜色油漆的功能,同时还要满足换色时及停止喷涂时清洗管路的功能。它是将洁净的压缩空气(无油、无水)、油漆和溶剂管路通过多个换向阀(多为气控)连通到一个或多个集成的阀岛上,以实现在用油漆导通、停用油漆回流循环及清洗时打开溶剂和压缩空气管路的功能。典型的换色阀组示意如图1所示。

2.油漆雾化部件

由于汽车表面油漆膜厚需要均匀,故油漆雾化得越好,膜厚质量就越高。目前较通用的油漆雾化方式有以下两种:

(1)靠高速压缩空气直接吹散油漆进行雾化,原理同气喷枪,由于此种雾化方式对油漆(尤其是黏度较高的清漆)雾化效果不佳,很少采用。

(2)通过高达60000r/min旋转速度的杯状带齿纹部件对油漆进行雾化。此种雾化方法效果较好,但需要控制漆雾形状的压缩空气环,用以将向四周分散的漆雾约束在一个圆内,圆的直径大小通过压缩空气的流量进行控制。

3.提供高压静电部件

为增强汽车表面油漆膜厚的均匀度和提高油漆的利用率,通过在专用喷漆工具末端提供高压静电,使专用喷漆工具末端与车体间形成电场,以驱使雾化后的油漆颗粒在电场的约束下更均匀地附着到车体上。高压静电由一专门控制器控制输出电压或电流至高压静电发生器来调节高压静电发生器产生的电压大小,进而满足不同喷涂部位的高压静电需求。

喷漆机器人的控制框架

由于单台喷漆机器人无法单独喷涂完一整台车体,尤其部分厂家汽车内表面也需要用喷漆机器人喷涂,所以机器人喷涂是一个系统工程,它需要控制数台喷漆机器人和数台开门机器人,这样就必须有一个或几个上位控制器控制各台工业机器人的动作时序、安全部件,负责与外围系统通信,以保证各台工业机器人之间不会发生运动碰撞,同时保证人员和工业机器人的安全。典型的控制框架如图2所示。


图2  典型的控制框架

1.机器人上位控制器

该设备是整个喷涂系统的控制枢纽,用于与外部系统(如消防系统、喷房送排风系统等)通信,同时采集所有的安全部件信号,将急停、车型、颜色及其他手动功能信号传输给各台工业机器人,并实现各台工业机器人状态与外部系统的连锁。

2.HMI

HMI用于提供各工业机器人、外围系统、安全部件和车体信息等状态,以便于操作者对喷涂系统进行宏观监控,同时提供对喷涂系统参数设置、工业机器人参数设置、部分手动操作功能及其他辅助功能的人机交互界面。

3.喷漆机器人

该机器人用于对车体进行喷漆工作,以满足车体漆膜质量、膜厚等工艺要求。

4.开门机器人(可选)

该设备用于打开或关闭车体各种门,以便于喷漆机器人对车体内部进行喷漆作业。

5.消防系统

由于喷漆室为重点防爆区域,选用任何消防报警都必须能将机器人系统所有能源切断,以防止发生严重火灾。

6.送排风系统

这里指的是喷房的送排风系统,只有此系统正常工作,机器人喷涂作业才可以进行,否则会导致漆雾乱飘,喷房内油漆浓度超高,增加了安全风险,同时无法保证车体漆膜质量,并污染机器人和其他相关设备。

7.机运电控系统

其可以用于控制车体输送链的运行,同时将进入喷房的车型信息、颜色信息及其他机器人需求信息(如修补信息)发送给机器人上位控制器。

8.机器人外围安全部件

由于工业机器人运动过程中对人具有严重伤害性,故在其作业过程中需要保证无人进入其工作区域,如有人误入,安全部件将发送报警信号,导致所有工业机器人急停,以保证人员的安全。较为常用的安全部件有安全光栅、急停按钮和喷房门开关等。

9.其他系统

其他需要给喷涂系统提供所需信息或需要喷涂系统提供信息的系统,如输漆系统。

喷漆机器人的应用优势

由于汽车对表面漆膜质量要求高,且油漆对人体危害性大,工业机器人在汽车喷漆行业的应用有着非常明显的优势:柔性大,工作范围大,有很高的自由度,适合于几乎任何轨迹或角度的工作,包括车体内表面;可以自由编程,喷涂多种车型;由于工业机器人喷涂速度、轨迹均按程序设定运行,并且使用油漆高速雾化及高压静电工具,使油漆喷涂质量高,同时油漆材料利用率高;工业机器人喷涂速度快,可以提高生产效率;可以使工人脱离恶劣环境,消除油漆对人体的伤害。

随着机械结构行业和新材料行业的发展,喷漆机器人将向占用喷房空间更小、机械部件更轻便的方向发展,以减小喷房的整体送排风量及循环水量需求和降低驱动电机的功率,最终实现降低生产成本的目的。

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