噴涂機器人在解放車橋上的應用

王伯元，朱興龍，宮金寶，魏慶風，王猛

（1.中國科學技術大學信息科學技術學院，安徽 合肥 230026；2. 一汽解放汽車有限公司傳動事業部車橋廠，吉林 長春 130011；3. 第一汽車集團有限公司發展制造部，吉林 長春 130011；4.北京點石科技有限公司，北京 100176）

前言

隨著近年來經濟的發展，市場對解放商用車需求迅速增加，對車橋總成的產能提出了新的挑戰。傳統的噴涂方式采用人工噴涂，工作效率低、涂層膜厚不均、漆膜質量穩定性差、涂料利用率低。為了適應新的生產形勢對產能及產品質量的需求，采用噴涂機器人進行噴涂作業成為了必然的趨勢。一汽解放車橋廠通過改造原有涂裝線，增加了FANUC機器人噴涂系統。本文對FANUC噴涂機器人選型、機器人噴涂軌跡編程設計、機器人噴涂參數調試及噴涂問題的解決方案等分別進行了闡述。

1 機器人的選型

橋總成最大噴涂外形尺寸、現有噴漆室面積以及有效噴涂等是機器人選型的主要參考因素。現橋總成最大噴涂外形尺寸 2900mm×1200 mm×1400mm，如果要保證工件外表面全部覆蓋噴涂、對支架等局部凸出部位能夠噴涂到、對有加強筋和凹面的減殼等特殊部位能夠在工藝節拍內噴涂完成，則對于FANUC噴涂機器人需要選擇P250iB的產品，其運動尺寸如圖 1[1]所示。其最大運動尺寸能夠確保橋總成的最遠點及最近點機器人手臂都能正常噴涂到位；其最大的噴涂速度 （1500 mm/s）可以確保每個工位噴涂任務的完成。圖2是在噴涂中的FANUC P250iB噴涂機器人，從圖中可以看出，機器人在每個工位完成半面橋產品的噴涂作業，機器人正對面裝置是噴漆室里面的水簾及漆霧收集裝置。

圖1 P250iB 噴涂機器人運動尺寸圖

圖2 在噴涂中的FANUC 機器人

2 噴涂機器人在噴漆室內平面布局及噴涂參數

噴涂機器人在噴漆室內平面布局如圖3所示。前四個工位是機器人噴漆室，后兩個工位是人工補噴室。由于橋總成外表面積大、形狀復雜、單個工位噴涂時間比較短、不能在單個工位一次性完成整橋噴涂等因素，將橋總成分成左右（沿著橋產品在懸鏈上圖示箭頭方向看）兩部分進行噴涂，每個工位完成半面橋的噴涂任務，前兩個機器人工位主要負責先完成橋產品上特殊位置的噴涂，中間兩個機器人工位負責完成橋產品剩余面積的噴涂，最后兩個工位是人工小局部修補。原有噴漆室在寬度方向（距離機械化懸鏈）為2.2米，在此基礎上，現有機器人位置加寬了0.3米，可以確保P250iB 噴涂機器人的作業空間，機器人手臂可以正常作業。

噴涂主要參數如下：噴涂面積范圍為約3.5～5.3m2/件（不同橋產品）；橋產品之間的最大間距為 750mm；輸漆系統噴漆壓力范圍為20～50 Kg（可調）。

圖3 噴涂機器人在噴漆室內平面布局

3 機器人系統構成

機器人整套系統主要由四臺 FANUC P250iB噴涂機器人、一套總控系統、兩套輸漆系統、一套掃描裝置等構成。總控系統包括上位機控制系統、輸漆控制系統以及通信系統。輸漆系統由管路保溫系統、兩套調漆輸漆罐和漆循環系統組成。通過人工掃描橋產品條碼方式，對不同橋產品進行識別確認。

4 不同橋產品的機器人噴涂軌跡編程設計

4.1 機器人編程方式[2]

FANUC機器人編程有兩種方式：一種是在線編輯，即現場使用示教盒編程；另外一種是離線編程，即在電腦上安裝FANUC的離線編程軟件，來編寫程序之后再上傳。

（1）在線編程：在噴涂現場，程序員利用示教盤示教機器人程序，手動控制機器人的關節運動，以使機器人運動到預定的位置，同時將該位置進行記錄，并傳遞到機器人控制器中，之后的機器人可根據指令自動重復該任務。對于一個新的零件，示教編程需要停下生產線來編程。

（2）離線編程：是通過軟件，在電腦里重建整個工作場景的三維虛擬環境，程序員以繪圖的方式選擇工件的噴涂區域，并從中挑選合適的噴涂方案。利用噴涂車間的參數和專用術語，機器人的路徑就可以自動生成，然后在軟件中仿真與調整軌跡，最后生成機器人程序傳輸給機器人。離線編程可以減少機器人的停機時間，當對下一個任務進行編程時，機器人仍可在生產線上進行工作、通過仿真功能，要預知發生的問題，從而將問題消滅在萌芽階段、可對復雜任務進行編程、便于修改機器人程序等。充分利用了計算機的功能，減少了編寫機器人程序所需要的時間成本。

FANUC離線編程基本操作步驟如下[2]：

①建立基本仿真模型：建立 Workcell，選“File”中的“New Cell”、輸入文件名、選擇建立機器人的方式、選擇機器人的軟件版本、選擇應用類型、選擇合適的機型、確認機器人選項，點擊“Finish”完成設置，Workcell 建立完成。

②編輯機器人：在“Cell Browser”里找到機器人、選擇機器人對應的參數；在“Cell Browser”里找到“Parts”、設定好重量和尺寸后完成添加 Parts；在“Cell Browser”里找到“Fixture”，設定好相關參數完成添加 Parts；在“Cell Bro-wser”里找到“obstacles”，逐一添加最終參數完善 workcell。

③路徑編輯、模擬及下載：創建目標點、將創建的目標點加入創建的路徑中、配置噴涂參數；啟動模擬并檢查，通過每個點的速度、與工件碰撞的可能等等；每次微調后通過模擬再驗證，可以觀察全局或局部噴涂狀態，如果程序出現問題會出現警告，提示問題并再修改；模擬后通過離線編程系統自動下載編譯后的程序。

如果示教點數少，用示教器比較方便，但示教編程只針對特定的機器人進行操作。而對于需示教幾十甚至幾百個點的噴涂行業，離線編程比較適用，第三方離線編程軟件在這方面能夠支持的機器人品牌都比較多。

4.2 整橋產品噴涂軌跡編程設計

橋總成分成輪轂總成、橋殼總成、減速器總成3大塊，同系列中橋和后橋總成的差別較大的一般情況在減速器總成上，可以通過比較不同產品的圖紙外形尺寸，對輪轂總成、橋殼總成、減速器總成分別分類編程，在執行不同橋產品作業程序時，調用之前已編程完成的橋產品對應的輪轂總成、橋殼總成、減速器總成程序模塊[3]。如果今后有新產品出現，只編程有變化部分，其它程序模塊直接調用即可以。

4.3 整橋上特殊部位噴涂軌跡編程設計

橋總成上有的零部件外形非常不規則，如圖4所示：(a)支架局部外形凹凸不規則；(b)支架與旁邊的工件間距過近；(c)殼體類零部件局部有加強筋，且筋之間局部有小凹面。由于產品結構原因，在機器人噴涂這些位置的時候，噴槍距離工件要超過200～250 mm的最佳范圍，以保證工件不碰撞機器人噴槍。但如果距離過遠，一次噴涂又會產生漆膜厚度偏薄缺陷。

圖4 不規則的零部件外形圖

上述問題給機器人噴涂編程帶來了很多困難。因此機器人噴涂仿形軌跡編程設計時全面考慮橋總成外型、邊角棱線、曲面等設計因素，經過反復調整檢查至漆膜沒有流掛或者漆膜厚度沒有偏薄缺陷為止，最后選擇并固化最佳的噴涂編程軌跡。

根據機器人排布情況，將橋總成外表面分成若干噴涂區域，并考慮工藝節拍因素，分別分配給不同的機器人完成，通過機器人之間的相互配合完成整個橋總成的噴涂。在機器人正式噴涂前，調試出適用的機器人的全部噴涂參數，所有噴涂速度在噴涂軌跡程序編制過程中調整，一旦確定之后就基本不再變動。

最后當編程試噴結束，給每個機器人編程設置1個Home安全點，機器人在這一點時遠離了工件和周邊的設備，并且設置信號給遠端控制設備PLC，遠端控制設備就可以判斷機器人是否在原點，是否處于安全狀態。

5 機器人噴涂與人工噴涂的對比分析

表1為人工噴涂與機器人噴涂對比表，分別從噴涂速度、重復定位精度、噴涂時間、涂料利用率、噴涂質量以及噴涂軌跡共六個方面[4]進行了人工噴涂與機器人噴涂的對比。噴涂速度方面機器人要比人工噴涂快約2-3倍，因此機器人噴涂時間要短些；在重復定位精度方面，人工噴涂無法與機器人比擬，機器人噴涂確保了漆膜質量的重復穩定性；由于噴涂機器人運行軌跡的鎖定、重復定位的精準以及開關槍位置的準確，確保了涂料利用率的提升，減少了涂料的浪費；在成本方面，機器人一次性投資稍多，與人工相比，約3年-5年收回投資。

表1 人工噴涂與機器人噴涂對比表

6 機器人噴涂工藝參數調試

6.1 施工固體份、施工粘度對漆膜厚度的影響

根據原漆固體份 60±2%、原漆粘度 39±3S/25±1℃的數據，將水性漆的施工固體份配比成5組不同數值，測量出對應的施工粘度，并對噴涂樣板的漆膜厚度數值進行了記錄。結果如表2所示。從表格中可以得出，施工固體份為55±2%、施工粘度35±3S/25±1℃的情況下，漆膜厚度為55-60μm，序號4的方案基本符合橋總成涂層要求。

表2 施工固體份、施工粘度與漆膜厚度對應關系表

6.2 機器人噴槍噴嘴口徑大小對涂層狀態的影響

在相同節拍、固體份 55±2%和粘度 35±3 S/25±1℃等工藝參數的前提下，以噴槍噴嘴口徑型號為 9、12、14、18、20、25的噴槍進行多次試驗，比較了不同大小的噴嘴，對應的出漆量和涂層狀態的不同情況，結果如表3所示。試驗對比表明，型號18（0.48mm）的噴嘴噴涂效果好，與型號20（0.50mm）對比，出漆量少，正常流平，非常少的漆霧飄散，在節拍內能完成橋總成的噴涂。因此選擇型號18（0.48mm）的噴嘴。

表3 不同大小的噴嘴與出漆量及涂層狀態對比表

6.3 機器人噴槍壓力不同對涂層狀態的影響

對輸漆總控系統設定不同的噴漆壓力，參數從 5±0.5Kg調至40±0.5Kg，在固定噴嘴18、節拍 2min/件、固體份55±2%和粘度35±3 S/25±1℃的前提下，分成8組進行試驗，如表4所示。經過8組試驗，序號4的噴槍壓力在20±0.5 Kg的條件下，涂層狀態無流淌、流平正常、漆膜厚度 55±5μm，這些參數基本符合本輪試驗的橋總成涂層要求。

表4 在不同噴槍壓力條件下，涂層狀態對比表

6.4 機器人噴槍扇幅壓力與橋總成外形尺寸匹配關系

在固定噴嘴 18、節拍 2min/件、固體份 55±2%、粘度35±3 S/25±1℃和噴槍壓力在20±0.5 Kg的前提下，對輸漆總控系統設定不同的噴槍扇幅壓力，測量對應的扇幅寬度，找到與橋總成外形尺寸相匹配的扇幅壓力[5]。壓力變化從5±0.5Kg調至40±0.5Kg，分成8組進行試驗，如表5所示。經過8組試驗，序號5的噴槍壓力在25±0.5 Kg的條件下，扇幅適當：占橋總成面積最大的橋殼寬度約 2/3-4/7左右，匹配最佳。

表5 在不同扇幅壓力條件下，不同的扇幅寬度與橋總成外形尺寸匹配情況

在程序編制時，需將噴幅寬度確定，通過設定噴槍扇幅壓力來鎖定，由于橋總成外形非常不規則，調整主要是針對一些特殊平面，如對于窄平面使用小的幅寬能有效節約涂料。調整中需要關注因為噴幅變化帶來的其他影響噴涂質量的情況，如當通過噴涂距離調整幅寬時，涂料到達被噴涂面可能發生相應的流掛，根據具體部位的不同進行調整。

7 機器人噴涂中主要問題的解決措施

7.1 機器人碰撞工件問題解決措施

橋產品種類非常多，外形差別非常大，吊掛橋總成到涂裝線上是通過人工方式完成，容易產生個別橋總成吊掛姿態不正確，導致機器人噴槍碰撞工件的現象出現。

解決措施是：第一、將吊掛橋產品的正確姿態圖片掛在操作工位醒目位置，并且定期在現場培訓；第二、如果有碰撞，應急先自動停止機械化懸鏈的運行，同時在人工掃描識別橋產品工位采用聲光報警，避免更大的損失出現；第三、總結經常碰撞的橋部位，對此重新進行軌跡編程，進一步優化噴涂角度、噴涂距離以及重復噴涂次數。

7.2 機器人有運動軌跡但不噴漆問題解決措施

機器人有運動軌跡，但是噴槍不出漆或者噴出的漆不霧化。

解決措施是：第一、先檢查噴嘴是否堵塞、第一道的入口壓縮空氣壓力是否正常，通過每班定點清理噴嘴及每班前點檢壓力表來減少問題出現。第二、檢查換色閥上對應漆出口上的氣針閥是否有正常開關的動作；第三、機器人手臂里的涂料管路和空氣管路是否由于機器人第4、5、6軸在一個方向上反復轉動導致涂料管路和空氣管路纏繞不出漆或者無壓縮空氣，如果是這個原因，重新檢查噴涂軌跡，查看機器人第4、5、6軸關節是否有大幅度同一方向轉動的或者動作突變的，在開始點和最后一點之間示教機器人，觀察手爪的姿勢是否逐漸變化，不斷調整，盡可能使機器人的姿勢不要突變或者同一方向轉動。通過局部點重新調整關節動作，確保機器人關節動作順暢，解決由此產生的噴槍不出漆或者漆不霧化現象。

8 結語

橋產品外形復雜、凹凸不平、非常不規則，人工噴涂很難控制及穩定漆膜質量。解放車橋產品采用了機器人噴涂，提高了漆膜質量的穩定性、減少了人工噴涂的成本、減少了涂料消耗量、改善了人工作業環境，實現了橋產品自動化噴涂。