自動噴涂機器人雙機協(xié)同倒掛裝置的可行性方案研究

徐文敏 丁一峰 胡 輝

上海建工（江蘇）鋼結(jié)構(gòu)有限公司 江蘇 南通 226100

1 我國涂裝產(chǎn)業(yè)人工噴涂現(xiàn)狀

目前，我國涂裝產(chǎn)業(yè)中所使用的涂料，多為以有機溶劑作為載體的溶劑型涂料。溶劑中含量大量的苯、甲苯、二甲苯等具有較強危害性的化學(xué)成分，這種溶劑型涂料刺激性大，對人體有一定的傷害。涂裝行業(yè)從業(yè)人員的流動性大，水平高的槍手十分缺乏，企業(yè)往往無法招聘到足夠的、能滿足要求的施工人員。

涂料的價格日益昂貴，使用成本越來越高。一方面，涂料的功能越來越多，導(dǎo)致了更高的造價；另一方面，國家對VOC（揮發(fā)性有機化合物）排放的控制要求日益嚴(yán)格。另外，施工過程中槍手噴涂的涂料，很多并非噴到構(gòu)件上，而是飄散到空氣中；即使噴涂到構(gòu)件上，膜厚控制的不均勻性也導(dǎo)致了大量的打磨或補噴，最終使成本高企。

相對于歐美、日韓等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)，我國涂裝從業(yè)人員的專業(yè)化也不足，上崗前沒有受過系統(tǒng)的理論學(xué)習(xí)和專業(yè)技能訓(xùn)練，再加上人員流動等方面的問題，造成了目前我國鋼結(jié)構(gòu)噴涂效率低、噴涂質(zhì)量較差、返工率高等現(xiàn)狀，嚴(yán)重制約了生產(chǎn)力。

涂裝行業(yè)的問題顯而易見，針對該種困局，用機器噴涂代替人工噴涂，向自動化噴涂方向發(fā)展是必然趨勢。

2 涂裝工作機器人化的可行性

噴涂機器人是一種能夠自動進(jìn)行涂料噴涂的工業(yè)機器人，早在20世紀(jì)60年代就被開發(fā)出來。

噴涂機器人在國外較為成熟，已經(jīng)有多年的研究和發(fā)展歷史，被廣泛用于家居、電子等行業(yè)。在20世紀(jì)90年代，日本是世界上機器人發(fā)展最快的國家，被稱為“機器人王國”[1-2]。在噴涂行業(yè)，機器人也得到了大量的應(yīng)用，20世紀(jì)六七十年代機器人在涂裝上得到應(yīng)用，至今已有五六十年的歷史[3]。美國、德國最早應(yīng)用噴涂機器人，對噴涂機器人行業(yè)有著重大的影響[4]。目前，能生產(chǎn)高質(zhì)量噴涂機器人的廠家品牌主要有ABB、KUKA、MOTOMAN、FANUC等，而ABB的噴涂機器人被全世界廣泛采用[5-6]。機器人的發(fā)展主要依賴于噴涂機械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計、運動學(xué)及運動學(xué)分析技術(shù)、涂層優(yōu)化噴涂算法、控制技術(shù)、程序編寫技術(shù)、視覺識別技術(shù)等，而這些技術(shù)目前正在不斷發(fā)展，機器人的造價也隨之在不斷降低。對于發(fā)達(dá)國家已經(jīng)使用很多年的涂裝技術(shù)，我國要將其應(yīng)用于生產(chǎn)實際中，難度并不大。

另外，不同于焊接、裝配等機器人，涂裝機器人對控制的要求并不是太高，如制造高精度的零件，必須要高精度的機器人，否則零件的精度就會出現(xiàn)偏差，導(dǎo)致零件無法正常使用。而用于鋼結(jié)構(gòu)的涂裝機器人在噴涂的過程中，對精度的要求并不是特別高，噴涂角度、噴涂距離稍微有一定偏差，只會造成涂裝膜厚的略微變化，不會出大問題，所以可以購買精度較低的機器人，以節(jié)約成本。

3 涂裝機器人在鋼結(jié)構(gòu)涂裝上的應(yīng)用

目前，涂裝機器人在鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)還沒有得到批量應(yīng)用，主要原因是鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)大部分構(gòu)件的外形各不相同，屬于非標(biāo)件，完全相同的數(shù)量十分有限。

在汽車制作業(yè)，雖然對精度的控制要求很高，但是一個零件往往要生產(chǎn)成百上千個，屬于標(biāo)準(zhǔn)件。1961年，第一臺機器人就用于汽車行業(yè)，目前這個行業(yè)中涂裝機器人的應(yīng)用比較廣泛。這是因為同一個車型可以制造上萬輛，哪怕汽車的外形再復(fù)雜，編程的成本再高，但編寫一次程序，就可以對同一車型的汽車噴涂上萬遍，分?jǐn)偟矫恳惠v汽車，編程成本是很低的。而如果應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)涂裝，因為鋼結(jié)構(gòu)各不相同的外形，每一件都需要單獨編程，這個成本相對還是比較高的，使得企業(yè)寧愿使用人工進(jìn)行噴涂，也不愿意使用機器人。由此可見，機器人噴涂的編程問題是鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)推進(jìn)的主要瓶頸。

針對機器人涂裝編程問題，可對鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行分析。常規(guī)鋼構(gòu)件的本體結(jié)構(gòu)還是比較簡單的，主要是H形、十字形、箱形或圓管等幾種截面，特別是許多鋼梁就是常規(guī)的H形截面。針對這些較為典型的截面，只需要簡單輸入一些截面參數(shù)和長度，就能獲取這些構(gòu)件的外形信息，完成噴涂路徑的規(guī)劃，編程的工作也較為簡單。但是裝上其他連接零件后，形狀就變得復(fù)雜了，要獲取構(gòu)件外形信息需要輸入大量信息，噴涂路徑規(guī)劃難度也提高很多，再加上不同的油漆配套要求，編程就變得更加復(fù)雜。

通過上述分析，可以將那些只有本體的構(gòu)件區(qū)分出來，通過簡單的編程后就能用機器人進(jìn)行噴涂，或者將部分復(fù)雜的構(gòu)件先進(jìn)行本體噴涂，這樣就可以解決部分問題。對于純鋼板類構(gòu)件或者截面小于300 mm的型鋼，鋼板預(yù)處理生產(chǎn)線就是成熟產(chǎn)品；對于圓管類本體，目前已經(jīng)有一些單位推出專用的涂裝設(shè)備，能解決內(nèi)外面的涂裝，在管道行業(yè)也得到了一些應(yīng)用；對于其他類型截面，也有一些單位在研發(fā)或試用中。

對于結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜的鋼結(jié)構(gòu)，如何獲取構(gòu)件結(jié)構(gòu)信息，行業(yè)內(nèi)也都在嘗試不同的方法，主要的方法有設(shè)計模型導(dǎo)出法、多角度拍照獲取法和三維掃描獲取法。目前，最可靠的方法就是直接利用設(shè)計模型導(dǎo)出的方式獲取，因為現(xiàn)階段我國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計大多數(shù)都是用專用軟件進(jìn)行設(shè)計的，有三維立體模型，這個精度是非常高的，完全能滿足噴涂的編程需求。已經(jīng)有多家公司通過不同方法能直接利用設(shè)計模型進(jìn)行編程，但是這種方法有一個缺點，即實物和模型有一定差異，需要在噴涂過程中進(jìn)行修正。其他2種方法雖然能獲取構(gòu)件的真實信息，但是還存在一定的缺陷，不能完整地獲取信息。

及時解決了外形信息的獲取問題后，由于噴涂工具或噴涂方法的限制，導(dǎo)致許多地方仍無法采用無氣噴涂，需要手工刷涂或滾涂進(jìn)行修補。圖1是建筑鋼結(jié)構(gòu)中常見的鋼柱，鋼柱的本體是箱形結(jié)構(gòu)，比較規(guī)則，而鋼柱頂部和中間安裝有多個方向的牛腿。由于鋼柱類構(gòu)件這些牛腿的存在，極大地增加了鋼柱的涂裝難度。對于鋼柱本身的噴涂，無論哪種截面噴涂都是比較簡單的。但牛腿排布方向、牛腿形狀各不相同，再加上牛腿上也有許多加勁板，導(dǎo)致噴涂難度較高。要規(guī)劃牛腿部位噴涂路徑，必須考慮噴涂的先后次序、每一道噴涂交疊位置的選擇和起始點等，這是噴涂工藝最難的地方，所以研發(fā)單位針對這些地方往往還是采用手工修補處理。

圖1 帶有柱牛腿的鋼柱

4 機器人的安裝方式及漆霧防護(hù)

鋼結(jié)構(gòu)外形尺寸較大，寬度、高度至少要2 m，長度至少要10 m，而且現(xiàn)在對VOC的要求較高，使得滿足要求的涂裝施工場地也十分有限，如何選擇合理的機器人布局顯得特別重要。

由于構(gòu)件的外形尺寸較大，故目前6軸涂裝機器人的手臂不能到達(dá)噴涂位置。要對鋼結(jié)構(gòu)的各個不同區(qū)域進(jìn)行噴涂，機器人必須能夠沿著構(gòu)件長度方向移動，所以涂裝機器人必須增加第7軸，也就是讓機器人在第7軌上移動。機器人在噴涂時，漆霧會飛散得到處都是，這樣在讓機器人穿上防護(hù)衣的同時，也要對機器人軌道進(jìn)行保護(hù)，否則軌道上一旦沾上漆霧，涂裝機器人移動的精度將會下降，繼而影響噴涂的精度，長期使用后隨著油漆不斷積累，將導(dǎo)致無法移動。因此，必須做好軌道漆霧防護(hù)工作，如在軌道上加裝風(fēng)琴防護(hù)罩等。

工業(yè)機器人常用的安裝方式有正裝式、側(cè)裝式及倒掛式。正裝式布局的軌道布置在地面上，這就導(dǎo)致了一個弊端：由于構(gòu)件較大，而且還存在牛腿類構(gòu)造，所以要在構(gòu)件兩側(cè)布置機器人，也就要在構(gòu)件兩側(cè)布置軌道，這樣軌道布置會占用較多的施工場地，極大地減少有效放置構(gòu)件的場地。側(cè)裝式布局也無法滿足構(gòu)件兩側(cè)面噴涂的要求，要解決這一難題，一個很好的辦法就是將機器人倒掛起來，這樣軌道就不會占用有效施工場地。

5 涂裝機器人雙機協(xié)同的必要性

鑒于鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的外形特征，涂裝機器人雙機協(xié)同的優(yōu)勢在于以下幾個方面：

1）2臺涂裝機器人之間相互配合協(xié)作，能夠極大地減少單臺機器人的噴涂死角，也就減少了手工修補工作量。

2）一個復(fù)雜的涂裝工作，如果由單臺涂裝機器人完成，則對該單臺涂裝機器人的配置要求較高，從而大幅提升成本；而如果由2臺涂裝機器人相互配合協(xié)作，則對2臺涂裝機器人的配置要求可以降低，也就降低了投資成本。

3）一般情況下，2臺涂裝機器人協(xié)助施工移動的范圍要小于單臺涂裝機器人，可以提高涂裝效率。

涂裝機器人雙機協(xié)同也存在劣勢，這個劣勢需要在使用中予以規(guī)避。雙機器人系統(tǒng)甚至多臺機器人協(xié)同制造系統(tǒng)一直是學(xué)術(shù)界研究的熱點，而路徑規(guī)劃問題是研究的核心部分，其目的是在有障礙物的環(huán)境中為機器人規(guī)劃一條從起點到終點的最優(yōu)路徑。在雙機協(xié)同系統(tǒng)中，另一個機器人也會成為當(dāng)前機器人的障礙物[7-8]。目前，雙機協(xié)同的機器人主要是應(yīng)用在焊接、裝配等領(lǐng)域，用在涂裝上的很少看到。而涂裝的路徑規(guī)劃，相對于裝配、焊接的路徑規(guī)劃更加困難，因為用于裝配、焊接的多機器人協(xié)同系統(tǒng)，其路徑規(guī)劃的過程中只要機器人的機械臂在運動過程中不要觸碰即可，而涂裝的多機器人協(xié)同系統(tǒng)，還要考慮噴涂時相鄰機器人的機械臂不能遮擋當(dāng)前機器人噴槍的涂料噴射，以及漆霧的污染問題等，這對涂裝機器人的路徑規(guī)劃提出了更高的要求。為了保證涂裝質(zhì)量，我公司研究了一種雙機協(xié)同倒掛涂裝機器人，并已申報了專利。

6 雙機協(xié)同倒掛涂裝機器人研究

雙機協(xié)同倒掛涂裝機器人裝置的核心部件是倒掛著的雙機協(xié)作機6軸機器人。機器人倒掛方式可以使地面布滿構(gòu)件，有效利用空間，節(jié)約施工場地。該裝置頂部有一個鋼制矩形軌道框架（長13 m、寬8 m），軌道框架通過吊桿節(jié)點與涂裝房的房頂連接。軌道框架下面長度方向設(shè)12 m線軌，旁邊布置齒條，作為縱向移動軌道（圖2）。

縱向軌道下方布置一個鋼制窄框架（長8 m、寬0.8 m），這個窄框架是由雙橫梁和短梁組合而成的，跨接在縱向軌道下方，窄框架下方長度方向有7 m長的線軌，旁邊布置齒條，此軌道和縱向軌道垂直，作為橫向移動軌道。窄框架通過軌道連接裝置與縱向軌道連接，內(nèi)部設(shè)有齒輪、減速機、伺服電機等裝置。軌道的外側(cè)均設(shè)置有風(fēng)琴罩，用來防止漆霧污染。橫向軌道下方設(shè)一個軌道移動裝置，該裝置控制機器人做橫向移動，內(nèi)部有齒輪、減速機、伺服電機等裝置，機器人就可以實現(xiàn)前后左右的移動了（圖3）。

圖2 雙機協(xié)同倒掛涂裝機器人 系統(tǒng)及移動裝置

圖3 雙機協(xié)同倒掛 涂裝機器人

軌道移動裝置中間的矩形管內(nèi)部設(shè)置可供機器人升降的裝置，升降裝置的外側(cè)也設(shè)置風(fēng)琴罩，防止漆霧污染。底部的作業(yè)區(qū)域是一根可以旋轉(zhuǎn)的橫梁，橫梁的兩側(cè)各設(shè)置一個雙機倒掛涂裝機器人，這樣噴涂機器人就在6軸的基礎(chǔ)上新增加了4個軸，提供了更大的工作范圍，可滿足鋼結(jié)構(gòu)噴涂的特殊需求。

7 結(jié)語

作為傳統(tǒng)的有毒有害工種，涂裝行業(yè)的機器人化是一種趨勢。相對于人工噴涂，機器人噴涂有著很大的優(yōu)勢。本文介紹了涂裝行業(yè)人工噴涂的現(xiàn)狀以及噴涂機器人的可行性問題。未來，根據(jù)企業(yè)引進(jìn)的涂裝機器人所取得的涂裝效果，在此基礎(chǔ)上制造雙機倒掛涂裝機器人用于實際生產(chǎn)，將是一種不錯的選擇。