机器人静电喷涂技术应用

作者:张小圆 文章来源:江铃汽车股份有限公司 发布时间:2013-06-20
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如今采用静电喷涂的机器人喷涂技术在整车涂装领域的运用越来越广泛,本文重点介绍了机器人旋杯静电喷涂的特点以及采用机器人静电喷涂的优势。

随着国内汽车生产向着大规模、高质量和低成本的方向发展,传统的手工喷涂已经无法满足大多数整车厂车身涂装的要求,因此机器人静电喷涂技术在整车涂装领域的运用越来越广泛,其中,杜尔、ABB和ESSENMANN等公司在这方面已经拥有非常成熟的技术。

静电喷涂技术

1.静电喷涂

传统静电喷涂设备由喷枪、喷杯以及静电喷涂高压电源组成。喷涂时,喷枪、喷杯和涂料微粒部件接负极,汽车接正极并接地,喷枪的端部与汽车之间就形成了一个静电场。涂料多为高分子有机导电介质,经喷嘴雾化后喷出,微粒通过枪口的主针接触而带电,这些带负电荷的涂料微粒在静电场作用下,向导极性的汽车表面运动,并被吸附在汽车表面上形成均匀的涂膜。

2.高速旋杯静电技术

通过研究旋杯和空气喷枪喷涂的差异,人们开发出了模拟空气喷枪效果的高速旋杯技术。高速旋杯是通过压缩空气驱动高速轴承电动机,再驱动杯口有齿纹的旋杯进行涂料雾化,同时控制旋杯周围的成形气来控制漆雾扇幅的大小来达到精确控制喷涂的目的。

高速旋杯静电喷涂与传统喷枪喷涂相比差异很大:相比于喷枪,高速旋杯具有更高的转速,加强了雾化效果,更好的静电吸附增加了油漆的着漆率。同时模拟气动喷枪的雾化效果,达到了提高金属漆闪烁效果的目的。高速旋杯静电喷涂的优点如下:降低单台工件金属涂料的直接材料消耗约50%;降低了因涂料过喷所造成的漆雾漆渣处理费用;降低了涂料喷房的清洁频次;降低了喷房挥发性有害有机化合物排放;减少了漆雾,降低了喷房内的风速,节约了风量,节约了电能和冷热水的消耗。

机器人喷涂

现代汽车产业的迅速发展带来汽车型号的迅速变化和车体设计的不断调整,只有采用机器人静电喷涂才能适应这种频繁变化的生产要求。其中喷涂机器人成套设备技术主要由杜尔、ABB、FANUC、SAMES和KUKA等国际知名设备制造商提供。在生产实践中,汽车行业不断进行控制技术的自主更新,目前较多采用西门子SIMATIC的先进控制技术,并加以优化整合,同时采用专门的机器人控制系统、网络系统和人机界面监控系统,使得机器人运动控制、喷涂控制更加准确、精确和安全。

1.喷涂机器人结构

喷涂机器人是通过多轴机器人结合静电喷涂技术实现车身表面喷涂的先进涂装生产装备,在国内外广泛应用于汽车等产品的涂装生产线。其主要由雾化器、运动轴、机器人控制器、轴伺服控制器和高压控制器等元器件组成,其中雾化器(手轴)和运动轴是机器人的核心部件。机器人的雾化器主要包括旋杯、成形空气环、雾化装置壳体盖罩、活接螺母、轴承单元、阀体及漆液管(也称为先导阀)、弯管(60°壳体) 、连接接头(功能块) 、凸缘组件(在机器人上) 和连接凸缘(在机器人上)。

雾化器的主要作用是:向旋杯提供漆液;在换色清洗时清洁供应系统;用溶剂对旋杯进行短清洁;整个雾化装置与高电压连接和(或)接地;旋杯与轴承单元就座;向轴承单元供应压缩空气;控制线集成。

各运动轴采用统一的驱动系统,可以根据使用要求的不同选择不同的手轴:把雾化器改成喷枪,就可以成为金属漆喷涂或内喷的喷涂机器人;把雾化器改成操作夹具,就可以成为操作开门的机器人;把雾化器改成打胶喷嘴,就可以改成喷枪的喷胶机器人。

在喷涂过程中,由于被喷涂工件表面比较复杂,故要求喷涂机器人手腕很足够灵活,能够达到空间的任意位置和姿态。喷涂机器人的安装方式可以采用固定的坐式方式(见图1),也可以放置在可滑行的轨道上(见图2),为了缩小操纵空间,减少运营成本,滑行的轨道也可设计成可升降的轨道。

一般坐式喷涂机器人都是由腰部、大臂、小臂(运动轴)和腕部(手轴)四个部分组成,具有6个自由度。前3个自由度决定机器人喷杯在空间的位置,后3个决定其旋转姿态(见图3)。轨道式机器人增加了轨道滑行轴,为7轴机器人(见图4)。


图5  机器人示教轨迹

通过机械运动主轴(1、2、3和7轴)及旋转手轴(4、5和6轴)控制喷枪,使之在喷涂过程中与被喷涂表面保持正确的角度和恒定的间隔(一般为200mm)。同时采用专门的软件对被喷涂对象的三维模型进行处理,确定喷枪的移动路径和相应的喷涂参数。然后将这些数据传输给机器人控制器,在整个喷涂过程中控制机器人的动作与参数。

2.机器人的喷涂方式

涂装喷涂机器人的喷涂工作主要有两种模式:一种是静止喷涂模式,在这种模式下,被喷涂物先被传送到喷漆室中,在喷涂过程中保持静止,喷涂完后再输送出喷漆室,这种喷涂模式需要以车身上某点作为喷涂坐标点;另外一种是随行喷涂模式,在这种模式下,被喷涂物匀速通过喷涂室并被喷涂,这种喷涂模式需要采取喷漆室中某点作为喷涂坐标点。在静止喷涂模式时,机器人可以移动,在随行喷涂模式时机器人是固定不动的。根据现场喷涂区域的不同,机器人可选用不同的喷涂模式。

3.机器人的集成模块化设计

机器人换色清洗是一个必要的过程,且换色清洗需要大量的换色溶剂和换色时间。换色溶剂的增加将导致更多的环境污染,同时换色时间的增加将影响喷涂节拍。为了降低环境污染,提高喷涂效率,换色装置与雾化器的距离必须缩短。目前机器人的先进设计就是:把换色装置整合在机器人手臂里面,形成机器人的集成换色技术。

集成换色技术即将换色阀组集合至一个模组,放置涂料计量泵前,通过将机器人控制器的Profibus信号转换成换色装置控制信号,控制各模组阀块的开关,达到各个颜色的单独控制。一个模组可以放置16bit,一个bit有2个集成阀块,共32个阀块,通过一个计量泵供应至雾化器旋杯。进行换色清洗时,我们只需清洗计量泵至雾化器管路以及雾化器旋杯,无需清洗换色装置。如果需要喷涂的颜色超过32种,还可以通过外接附加换色模组实现。

采用集成式换色系统虽然稍微增加了设备的复杂程度,但通过将换色模组整合在机器人手臂里面,缩短了计量泵与雾化器的距离,降低了换色清洗的时间,同时大幅度降低了换色时涂料和清洗溶剂的消耗,大大降低了涂料成本和环境污染。采用普通雾化器换色时一般要消耗50ml涂料,采用新型雾化器更换涂料时其消耗量可以降到20ml。这不仅使涂料的消耗量降低了60%,而且清洗溶剂的消耗量也有了同样程度的降低。

4.机器人的运动控制系统

在机器人控制系统中,采用Windows平台再结合机器人开发商自行设计的机器人控制模块,将PC的信息处理能力和控制模块的运动控制性能有机地结合到一起,具有开放性高,实时性和通用性好,运动控制轨道准确等优点,实现了机器人各运动轴的灵活和快速反应。

(1)运动控制系统 由机器人、伺服控制器、示教盘及连接电缆和轨迹跟踪系统组成;机器人、伺服控制器和示教盘是运动系统的硬件部分,伺服控制系统和轨迹跟踪系统是机器人的运动控制核心。

(2)伺服控制系统 机器人的所有轴均由交流无刷伺服电动机提供动力,通过伺服控制系统进行控制。这些伺服电动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动机免遭过电压、过电流或不正确操作的损害和能源浪费。同时伺服系统具有机械制动和电磁制动,实现轴运动的双重制动保护,避免制动失效导致控制故障。

(2)轨迹跟踪系统 喷涂机器人的轨迹控制系统是在具有开放性的Windows平台上结合机器人厂家开发的轨迹控制软件,实现车身仿形轨迹及喷涂参数的控制。机器人进行车身仿形曲线示教时有以下两种方式:

①在线轨迹示教 首先确定机器人在喷涂工件表面的运动轨迹,通过示教盘先操纵机器人沿运动轨迹空走一遍,即对机器人进行示教。在示教过程中,机器人记录下各个示教点的轨迹坐标,在真正喷涂过程中,机器人根据先前记录下来的示教点对工件进行自动喷涂作业,示教点之间的曲线部分采用插补算法确定各个插补点坐标,以逼近原曲线轨迹,最后通过机器人正逆解运算求出每一关节转过的角度。机器人示教轨迹如图5所示。

②离线轨迹示教 这种方式首先获取被喷涂工件的立体几何形状,然后采用各种算法确定出工件表面的喷涂点坐标,机器人根据已确定的点坐标进行自动喷涂作业。喷涂点之间的曲线部分通过插补运算确定插补点坐标,以逼近原曲面,最后通过机器人正逆解运算将插补坐标从三维空间转换成各个轴角度空间。

在示教完成的轨迹上添加喷涂刷子,即喷涂数据,如开关枪点、流量、转速和成形空气压力等,通过控制运动轨迹、运动速度以及喷涂数据,实现喷涂机器人的完美喷涂。

结语

目前,我公司也采用了机器人静电喷涂技术,机器人的种类较多,包括随行喷涂的6轴机器人、静止喷涂的7轴机器人、工装夹具开启的开门机器人以及国内首次使用的内喷9轴机器人等,整个车间机器人超过100台,实现了喷涂的无人化、全自动化。高效、环保、快速和全自动化的喷涂技术是当今汽车外观喷涂的需求,我公司也正朝着实现涂装“绿色工厂”的方向不懈努力着。

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