懸掛軌道式旋杯涂裝機(jī)器人

涂裝工程所 郭磊，曲銀燕

近年來，涂裝車間機(jī)器人應(yīng)用的發(fā)展，在噴涂效率、質(zhì)量、降低運(yùn)行成本和降低投資上取得顯著的提高。發(fā)那科機(jī)器人公司推出的懸掛軌道式噴涂機(jī)器人 — FANUC P-500型外部噴涂機(jī)器人系統(tǒng)，能夠做到較低的成本，更小的安裝尺寸和更少的安裝時(shí)間，并能夠處理較大范圍的車型。

圖1 P-500 外部旋杯涂裝系統(tǒng)

1 近年來在涂裝機(jī)器人領(lǐng)域的研究

1.1 工藝設(shè)備的集成

安裝在機(jī)器人手臂中的涂料換色模塊組盡可能的接近噴杯（見圖2）這樣可以最大限度的減少涂料浪費(fèi)，此類改進(jìn)措施表現(xiàn)在運(yùn)行費(fèi)用和整個(gè)運(yùn)行周期過程，大大提高了設(shè)備的噴涂效率，縮短了系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)間，降低了設(shè)備投資。

圖2（a）普通機(jī)器人集成的手臂內(nèi)部

圖2（b）P-500 機(jī)器人的工藝設(shè)備

1.2 噴涂的優(yōu)化

從上世紀(jì)末到本世紀(jì)前五年期間，研究人員主要關(guān)注的是兩個(gè)噴涂領(lǐng)域的優(yōu)化：即機(jī)器人應(yīng)用100%靜電霧化器(或稱旋杯)的車體外部噴涂和機(jī)器人應(yīng)用于運(yùn)動的輸送鏈上的車體內(nèi)部噴涂（如門內(nèi)側(cè)，引擎室，底蓋等）。機(jī)器人100%外部旋杯噴涂應(yīng)用開發(fā)著重于旋杯設(shè)計(jì)和涂料的混合比例使金屬漆能夠用旋杯達(dá)到可以接受的顏色和外觀標(biāo)準(zhǔn)。而之前要獲得良好的表面效果，車體外表面的兩層金屬漆中至少一層是采用空氣霧化噴槍噴涂的。這種杯+杯工藝與以前的空氣槍的噴涂工藝相比，顯著地減少了（20%-40%）涂料的使用量。

“杯+杯”工藝的研究已得到了充分的應(yīng)用，從九十年代中期到二十一世紀(jì)早期，汽車的噴涂中，機(jī)器人噴杯混合使用噴槍和旋杯的比例從1995年大約85%噴槍和15%旋杯變成最近幾年中的85%旋杯和15%噴槍。

由于近來行業(yè)中大多使用旋杯噴涂應(yīng)用于車身外表面噴涂，因此，使用旋杯的外表面噴涂是FANUC P-500 噴涂系統(tǒng)終端產(chǎn)品研究的焦點(diǎn)。發(fā)那科機(jī)器人公司的P-500 噴涂系統(tǒng)為車身外表面噴涂的應(yīng)用。

FANUC P-500 機(jī)器人外表面噴涂系統(tǒng)是非常成功的，使用懸掛于軌道的機(jī)器人噴涂車身外表面在汽車工業(yè)的車身外表面噴涂上產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。自2003年首次推出 P-500 系統(tǒng)以來，全球已安裝了超過約2000臺。

FANUC P-500 設(shè)計(jì)方法引發(fā)了在數(shù)個(gè)區(qū)域的創(chuàng)新思維，具有多項(xiàng)專利和專利應(yīng)用，這些區(qū)域涉及到機(jī)器人設(shè)計(jì)、工藝設(shè)備設(shè)計(jì)、生產(chǎn)維護(hù)、程序設(shè)計(jì)方法以及安裝。P-500 系統(tǒng)提供了最高級別的均勻性和噴涂工藝效率。專利的工藝方法和優(yōu)化的噴涂設(shè)備設(shè)計(jì)最小化了生產(chǎn)過程中超范圍的噴涂。

2 車身外部的噴涂

2.1 車身外部的噴涂要求

噴涂質(zhì)量：主要是厚度、外觀方面要減少灰塵、贓物；

控制噴涂軌跡；

靈活性：適應(yīng)產(chǎn)量的多變性；對未來車型具有適應(yīng)性(復(fù)雜的車型；特出的車型)；

投資成本低；

操作成本低；

能縮短調(diào)試周期進(jìn)而縮短新車型的推出時(shí)間；

易于維護(hù)和操作方便。

2.2 解決方案

使用靈活簡便的機(jī)器人；

引入“清潔墻（懸掛機(jī)器人）”的概念；

改善投資和運(yùn)行成本；

簡化機(jī)器人軌跡編程，減少需要對機(jī)器人編程的時(shí)間，并且在整個(gè)車間實(shí)施模擬和編程的一致性。

3 懸掛軌道式旋杯涂裝機(jī)器人系統(tǒng)的特點(diǎn)

懸掛軌道式涂裝機(jī)器人系統(tǒng)提供了比傳統(tǒng)機(jī)器人具有更強(qiáng)的噴涂性能的車體外表面噴涂系統(tǒng)，減少用戶成本和生產(chǎn)費(fèi)用，可以比固定安裝機(jī)器人更快地完成安裝和調(diào)試。懸掛軌道式涂裝機(jī)器人的主要優(yōu)勢：

圖4

3.1 機(jī)器人更小并更靈活簡便

圖5 一個(gè)兩軸的手腕

研究人員通過機(jī)器人機(jī)械單元的機(jī)器人運(yùn)動學(xué)設(shè)計(jì)的開發(fā)，對大范圍現(xiàn)存用于生產(chǎn)的系統(tǒng)來進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上重新設(shè)計(jì)，這個(gè)設(shè)計(jì)包含懸掛的機(jī)器人，去掉了機(jī)器人腰部的軸，又使用了一個(gè)兩軸的手腕，簡化了整個(gè)系統(tǒng)。

軌道方式提高了噴涂路徑的靈活性和可操作性，減少了噴涂設(shè)備對輸送設(shè)備的依賴性。

通過除去外部噴涂應(yīng)用中不需要的多余的軸，這種五軸機(jī)器人集成了七軸機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)，且以較少的軸達(dá)到100%工作范圍的利用效果。

軌道方式，比固定式更易于在線跟蹤編程，五軸的編程設(shè)計(jì)相對于六軸或七軸機(jī)器人來說要簡單得多。

PaintPRO 軟件是一個(gè)圖形化的離線編程解決方案，可以簡化機(jī)器人軌跡編程，也減少了對機(jī)器人編程的時(shí)間。所有的路徑編程均可在安裝與建模期間完成，節(jié)約了后續(xù)安裝與調(diào)試的時(shí)間。

由于大多數(shù)應(yīng)用設(shè)備嵌入到了FANUC P-500 中，室外安裝的設(shè)備的數(shù)量一般低于臺座式系統(tǒng)。

即插即用的設(shè)計(jì)－就位、連接油漆管路、氣管和電源。系統(tǒng)的許多部分在到達(dá)現(xiàn)場前已經(jīng)預(yù)先安裝和校正，成為標(biāo)準(zhǔn)的生產(chǎn)設(shè)計(jì)。氣動控制柜的位置考慮到旋杯排除校準(zhǔn)氣動的延遲的需要和排除現(xiàn)場更新。得益于氣動控制面板安裝在機(jī)器人本體上，使得開關(guān)槍和噴幅轉(zhuǎn)換更加靈敏。

3.2 噴涂質(zhì)量易于控制

配置軌道的 FANUC P-500 可以提供最長的噴涂時(shí)間和最少的非噴涂動作。而對于臺座式機(jī)器人，當(dāng)對路徑進(jìn)行編程或改變顏色后，需要頻繁地重新定位。

軌道方式比固定式易于在線跟蹤編程，這種方式提供了最長的開槍時(shí)間，最小流量，最大的涂料利用率，這在考慮降級和噴涂窗口的有效性時(shí)是非常重要。相對來說，固定式的機(jī)器人運(yùn)動速度要加快，使得流量要相應(yīng)增大，導(dǎo)致涂料利用率降低，品質(zhì)降低。

FANUC P-500系統(tǒng)的軌道軸可以保證機(jī)器人在任何輸送速度下都可以重放相同的機(jī)器人動作，不會出現(xiàn)意外動作錯(cuò)誤和異常機(jī)器人動作。

FANUC P-500機(jī)器人設(shè)計(jì)方案裝配了完全一體化的工藝控制。在噴涂過程中，可以對流體和氣動工藝的變化做出非常迅速的、重復(fù)性的響應(yīng)。

噴房氣流對懸掛機(jī)器人的影響比起固定式或地面軌道式機(jī)器人來要小。

氣動控制面板安裝在機(jī)器人本體上，使得開關(guān)槍和噴幅轉(zhuǎn)換更加靈敏。

3.3 客戶的直接成本顯著降低

客戶的直接成本在兩方面顯著降低：

（1）機(jī)器人系統(tǒng)自身的價(jià)格減少；（2）機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)滿足更小的安裝面積，所需的空間減少了約40%。這顯著的減少了噴房的工程費(fèi)用。

3.3.1 機(jī)器人系統(tǒng)自身的價(jià)格減少

控制系統(tǒng)數(shù)量減少

☆每一臺機(jī)器人控制器控制兩臺機(jī)器人。

☆系統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)用作電纜線槽和軟管路徑，使得單臺機(jī)器人的連接數(shù)量減少。

☆一個(gè)公用的空氣控制柜用于供應(yīng)多臺機(jī)器人。

☆由于大多數(shù)應(yīng)用設(shè)備嵌入到了P-500系統(tǒng)中，室外安裝的設(shè)備的數(shù)量一般低于臺座式系統(tǒng)。

☆控制體系中互聯(lián)的數(shù)量顯著減少。

3.3.2 機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)滿足更小的安裝面積，所需的空間減少了約40%。這顯著的減少了噴房的工程費(fèi)用。

噴房的長度和寬度減少

☆由于 FANUC P-500 機(jī)器人沒有大旋轉(zhuǎn)軸，機(jī)械臂的運(yùn)動不能超出噴房尾部，所以縮短了噴房尾部的安全區(qū)，并因此縮短了噴房的整體長度。不需要在室內(nèi)預(yù)留1-2 米的長度以達(dá)到操作員安全需求。

☆同許多臺座式機(jī)器人對比，按照最新運(yùn)動學(xué)設(shè)計(jì)的FANUC P-500 機(jī)器人設(shè)計(jì)特點(diǎn)可以減少同時(shí)減少噴房的寬度。

☆機(jī)器人的設(shè)計(jì)結(jié)果是可以處理大范圍的車輛，同時(shí)減少噴房的寬度10-20%、噴房的長度40%。

（1）懸掛軌道式涂裝機(jī)器人：噴房長13m，寬4.3m，面積55.9m2。

圖 6 懸掛軌道式涂裝機(jī)器人噴房

（2）固定式涂裝機(jī)器人：噴房長14.5.m，寬5.5m，面積77.5m2。

圖 7 FANUC P-500噴房和固定噴房比較

懸掛方式不需要安裝在噴房內(nèi)鋼架上無需考慮機(jī)器人的基礎(chǔ)，減少了支撐機(jī)器人的型鋼和底架；

格柵不需配作。

在噴涂設(shè)備和自動清洗旋杯設(shè)備新方法的設(shè)計(jì)改進(jìn)過程中，除去了系統(tǒng)對空氣加熱器的需要。這改進(jìn)了維修并減少了系統(tǒng)的復(fù)雜性。節(jié)省了電力也降低運(yùn)行成本。

3.4 客戶的運(yùn)行成本降低

小的安裝面積使其所需的能耗減少，與以前的機(jī)器人系統(tǒng)相比，大多數(shù)情況下可節(jié)約超出20%的運(yùn)行。

FANUC P-500機(jī)器人具有非導(dǎo)電外臂和腕，在室內(nèi)懸掛，使傳遞效率達(dá)到最大，涂料在機(jī)器人中的堆積最少，降低了清潔頻次和車體污染。機(jī)器人護(hù)套也無須象常規(guī)機(jī)器人那樣頻繁更換，降低使用成本。

保證了地面的清潔，體現(xiàn)在四方面：

（1）系統(tǒng)需要的控制柜的數(shù)量減少，占地面積小。

（2）提供一個(gè)簡約的過道空間，它減少了面板，連接盒及其他部件的使用。

（3）系統(tǒng)的設(shè)計(jì)把不需要和常規(guī)控制柜放在中間層，遠(yuǎn)離地板。

（4）高空懸掛式不需要安裝在噴房地面支撐鋼架上，降低了噴房振動時(shí)造成的噴涂污染地面，清潔費(fèi)用低。

3.5 設(shè)備編輯方便

PaintPRO 離線式可便程軟件采用了與實(shí)際機(jī)器人相同的運(yùn)動計(jì)劃器，簡化了編程路徑，可以快速生成機(jī)器人程序。

圖8 PaintPro 離線編程軟件

通過電腦，所有的路徑編排均可在安裝與建模期間完成，節(jié)約了將來安裝與調(diào)試的時(shí)間。

通過電腦，所有的路徑編排均可在安裝與建模期間完成，節(jié)約了將來安裝與調(diào)試的時(shí)間。

五軸機(jī)器的編程相對于六軸或七軸機(jī)器人來說要簡單得多，F(xiàn)ANUC P-500的這項(xiàng)設(shè)計(jì)集成了七軸機(jī)器人的所有優(yōu)點(diǎn)。

3.6 設(shè)備安裝方便

由于標(biāo)準(zhǔn)的工藝和系統(tǒng)組成，集成式氣動控制面板，以及標(biāo)準(zhǔn)的電纜組線，也因此減少安裝時(shí)間。

比起其他機(jī)器人減少了大量零部件，安裝方便。

氣動裝置，成型空氣控制以及杯速控制組件的應(yīng)用均以某著名涂裝校對標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行預(yù)先校準(zhǔn)過。

FANUC P-500 噴涂系統(tǒng)出廠時(shí)已經(jīng)完全組裝好并且經(jīng)過充分的測試，同傳統(tǒng)臺座式系統(tǒng)比較，在現(xiàn)場安裝設(shè)備所需要的時(shí)間和成本大大降低了。降低了安裝期間產(chǎn)生問題的機(jī)會。

一星期內(nèi)成功地安裝和調(diào)試。

3.7 設(shè)備操作維護(hù)方便

操作介面和PLC 安裝在一塊面板上，可簡單、快速的處理故障。

減少維護(hù)且簡化與改進(jìn)了涂料管及空氣管路的排布。

易于安裝換色閥及管路，由于簡化了P-500系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與維護(hù)，從而減少了大量易損件。

獨(dú)特的某著名涂裝溶劑-空氣閥在清洗過程中比其他系統(tǒng)節(jié)省50-70%溶劑。

雖需要一些工具保證一些噴涂設(shè)備的正確安裝，機(jī)器人的設(shè)計(jì)提供了顯著的改進(jìn)，在減少平均維修時(shí)間上超過了以前的系統(tǒng)。

3.8 FANUC P-500機(jī)器人 懸掛方式充分體現(xiàn)了＂清潔墻＂設(shè)計(jì)

FANUC P-500 機(jī)器人為高架式設(shè)備，置在機(jī)器人下。同地面安裝式機(jī)器人比較，室內(nèi)噴涂過程的可視度提高了；

并允許在機(jī)器人軌道下面放置檢修門；

圖9 實(shí)際 FANUC P-500 安裝顯示了工藝的能見度

3.9 FANUC P-500 系統(tǒng)可用于水性靜電旋杯噴涂

噴涂設(shè)備的最大的突破之一就是可用于水性靜電旋杯噴涂。發(fā)那科噴涂系統(tǒng)，開發(fā)了一個(gè)高效直充噴涂而無需外部碼頭或容器交換系統(tǒng)。這個(gè)新方法不僅顯著增加了水性系統(tǒng)噴涂效率，而且顯著的減少了與之相關(guān)的復(fù)雜性和維修成本。

4 總結(jié)

FANUC P-500 懸掛軌道式噴涂機(jī)器人是理想的車體外表面噴涂機(jī)器人，設(shè)計(jì)提供了高性能、高耐久性、柔性化、操作簡便和少維護(hù)的完美組合，這個(gè)系統(tǒng)在提高運(yùn)行效率和工件外部的噴涂質(zhì)量上取得了成功，與前一代產(chǎn)品相比，也顯著減少了外部涂裝系統(tǒng)的投資成本和生產(chǎn)運(yùn)行費(fèi)用。目前，在國內(nèi)新建的大型汽車涂裝線上已開始得到推廣應(yīng)用。

[1] 陸通林. 多功能噴漆機(jī)器人[J]. 汽車制造業(yè), 2005.