安川噴涂機器人仿形制作及其參數設定

陶洋，姜磊，晏飛

（奇瑞汽車股份有限公司，安徽 蕪湖 241009）

隨著汽車制造業的發展，機器人噴涂已經成為行業主流。用機器人替代人工在高污染環境下進行作業，既解放了勞動力，改善了用工條件，極大地提高了勞動效率，又能有效避免人為的不穩定因素對噴涂效果的影響。機器人的仿形制作和工藝設定尤其重要，直接影響車身的噴涂質量。本文以安川MPX3500系列噴涂機器人為例，探討了其仿形的制作和工藝參數的設定。

1 MPX3500 噴涂機器人簡介

MPX3500(見圖1)采用本質安全防爆與內壓防爆的組合防爆結構，有適合左右對稱布局的2 種型號(YR-MPX3500-*0*和YR-MPX3500-*1*)，可以安裝在地面，也可以壁掛、倒掛。某涂裝車間的往復機改造機器人項目因噴漆室空間偏小，故采用如圖2 所示的壁掛式以節省空間。該機器人配備新型的DX200控制柜，也滿足噴涂車間的防爆要求。

圖1 MPX3500 機器人的模型Figure 1 Model of MPX3500 robot

圖2 采用壁掛式安裝的MPX3500 機器人Figure 2 Wall-mounted MPX3500 robot

2 機器人仿形

2.1 仿形前的準備

分析車身的具體數據(如長、寬、高等)，以便后期進行噴涂分區和設定等待點。收集車身的三維數模圖形，用于離線仿形的調試，在重建工作場景的虛擬環境時使用。利用三維軟件(如CATIA、UG、CAD 等)調整三維數模的比例、顏色及文件格式，以便滿足機器人離線仿真軟件的要求，確保仿真環境與實際現場一致。

2.2 離線仿型的編制

本文用的仿真軟件是安川機器人專用的MotoSim EG，可驗證機器人系統的可行性，并輸出離線仿形程序。利用仿真軟件在離線情況下編制出仿形程序，極大地減少了現場示教的工作量。

2.2.1 導入車型數模

在MotoSim EG 中導入車身數模(如圖3 所示)，設置車身比例大小、位置以及輸送帶的速率、啟動點等，設定噴涂工藝，如圖4 所示。

圖3 在MotoSim EG 仿真軟件中導入車身數模Figure 3 Importing the numerical model of car body in white to MotoSim EG simulation software

圖4 MotoSim EG 仿真軟件的工藝操作界面Figure 4 Display panel of MotoSim EG simulation software for process operation

2.2.2 仿形的離線編制

離線編程改善了編制者的編程環境，可以提高編程的效率，減少機器人停機時間。基于三維車身數模，可宏觀地看到車身的輪廓線、平面、曲面、關鍵點等。根據工藝要求進行一系列操作、調試，將自動生成機器人的噴涂軌跡(見圖5)，即控制指令。

圖5 用MotoSim EG 仿真軟件通過離線仿形得到的噴涂軌跡Figure 5 Spray trajectory obtained by offline profiling using MotoSim EG simulation software

根據三維車身數模來離線編制仿形程序時應充分考慮現場噴涂工藝的需求。根據車身數模及工藝需求而編制的仿形Job 程序實例如下：

程序編制結束后，需要進行多次離線仿真(見圖6)，以修改不正確的機器人姿勢或位置，如限位報警，存在碰撞壁板風險的位置等。

圖6 在MotoSim EG 仿真軟件中進行虛擬測試Figure 6 Virtual testing operated in MotoSim EG simulation software

2.3 仿形現場示教及測試

2.3.1 現場示教

為了減小離線仿真與實際車身的差異，需要在線示教，優化仿形，直至滿足實際質量要求為止。應注意TCP(tool central point，工具坐標的原點)與車身表面的相對距離、方向和速度，一般情況下TCP 與車身的距離(又稱槍距，即機器人旋杯與車身表面的距離)為220～ 250 mm。頂蓋與側面、拐角處的上漆率不同，可稍作調整。為方便觀察槍距，示教時可在霧化器前端綁定參考尺，如綁定一定長度的扎帶(見圖7)。兩條噴涂軌跡間的距離稱為噴涂間距(即圖8 中貼在車身上的兩標識膠帶之間的距離)，它與油漆的重疊率有關：一般油漆的重疊率在60%～ 85%之內，因此噴涂間距在平整表面一般設定為100 mm 左右，在邊角、邊緣段可小些，如50～ 70 mm。

圖7 綁定扎帶便于觀察槍距Figure 7 Facile observation of the distance between spray gun and car body through binding ribbons

圖8 在車身上標記規劃的噴涂軌跡Figure 8 Marking of planned spray trajectory on car body

2.3.2 仿形的復制

如果機器人數量和布置相同，為減少編程，提高編程效率，可將面漆站的仿形數據復制到清漆站的機器人中，根據本站的工藝參數作出相應修改即可，如左右對稱噴涂仿形可以進行平移及局部修改、調整姿勢等，這樣操作既簡單又快捷。

2.3.3 等待點的設置與調整

機器人通過輸送帶編碼器傳遞的脈沖信號時時刻刻計算出車身位置，進行跟蹤噴涂。在程序中可以設置輸送帶運行數值(即車身位置)為機器人不同噴涂區域的追蹤啟動點，如程序段“SYSTART CV#(1)STP=650.000”，即表示當輸送帶運行到等于或高于650.000 時，機器人方可執行下一步程序，否則繼續等待，不做任何動作。需要考慮車身長度、間距、干涉區等因素，設置合理的等待點以避免因設置不當而造成機器人軸極限報警、干涉區碰撞等問題。

2.3.4 無車在線仿形模擬

仿形示教完成后可做無車虛擬測試，即在噴涂平臺系統中輸入一臺車身的虛擬信息。機器人接收了虛擬車身數據后進行模擬噴涂。這可以進一步查出仿形存在的問題，如機器人關節軸極限報警、干涉區碰撞、加速度過大、異常報警、不合理編程等。用示教器修改未能通過的軌跡點并重復測試，直至順利運行為止。

2.3.5 實車運動軌跡測試

通過虛擬測試之后，再執行一遍實車運行。在測試過程中可故意多次停止輸送帶，以查看仿形編制中等待點的設置是否合理。運行測試時需手持示教器，以便在發現有砸車危險的情況下立即按下急停。該階段是仿形制作的最后一次測試，不只是測試等待點設置的合理性，也為了測試以下問題：(1)車型的識別；(2)仿形的偏差；(3)機器人的加速度；(4)動作的連貫性；(5)砸車風險。發現問題點后應即時返回示教階段，修改仿形程序，直至完全通過為止。

3 噴涂工藝參數的設定

噴涂設備廠家都有各自的工作臺軟件方便工作人員調整工藝參數，盡管軟件界面不同，但調整工藝參數的功能是一樣的。本文以安川都林公司開發的“Paint Studio”軟件設定工藝，采用OLP(off-line programming，離線編程)和噴漆工作臺一體化的系統，通過3D 模擬簡便地修改機器人的噴涂仿形及高壓、旋杯轉速、流量、成型空氣等參數，其操作界面如圖9 所示。

圖9 Paint Studio 軟件的操作界面Figure 9 Human-machine interface of the Paint Studio software

3.1 刷子號的調整

在設定工藝參數前先要調整好刷子號(即噴涂分區，是設置流量、高壓、轉速、成型等的最小單元載體)，用來實施車身不同區域的工藝指標。刷子號的設定原則一般是往復噴涂路徑相同且表面平整、膜厚要求一致的編為一個刷子號。邊角及邊緣、棱角突出位置單獨設置刷子號，有利于后期某處出現問題時調整工藝參數，而不至于影響其他刷子號的噴涂分區。圖10 是規劃的刷子號分布，其中64 號刷子定義為等待點刷子，無噴涂流量。

圖10 規劃的噴涂分區示意圖Figure 10 Schematic diagram of planned spraying zoning

3.2 工藝參數的設定

3.2.1 噴涂流量

噴涂流量是單位時間內通過計量單元輸送給霧化裝置的涂料量，它直接影響車身膜厚。不同顏色及不同供應商提供的涂料的遮蓋力不盡相同，車身不同位置(如頂蓋和側裙部位)的上漆率又有所不同。一些常見的涂裝缺陷(如流掛、少漆、露底等)直接與膜厚有關。一般流量控制在50～ 700 mL/min，取決于涂料特性及工藝要求。需注意要定期(一般每月一次)標定計量單元，發現誤差及時校正或更換。若臨時應急，可調整“參數的過載百分比”，一般各類噴涂工作臺的人機界面都有此選項，保證給予的涂料量是準確的。

3.2.2 旋杯轉速

旋杯的轉速也是影響涂料霧化效果的重要因素。當其他工藝參數不變時，旋杯的轉速越大，霧化的涂料滴直徑越小，霧化細度越好；反之，轉速越小，霧化細度越差。轉速過低會導致涂層粗糙，而轉速過大會導致涂料損失過大，以及對噴涂室細微的氣流變化敏感，令膜厚出現波動。不合理的過大轉速也會造成霧化裝置的空氣軸承異常磨損。一般適宜的轉速為40 000～ 70 000 r/min，根據不同部位的工藝需求以及不同涂料的流率特性而設定。

3.2.3 成型空氣

成型空氣是從均勻分布于霧化器成形空氣罩內的小孔中噴出的，其作用是控制漆霧扇面大小，又稱整形空氣或扇面空氣。空氣流量會影響漆膜的重疊率，常設置在100～ 350 NL/min 的范圍內。

3.2.4 高壓

在高壓靜電噴涂中，一般旋杯為負極，車身為正極，在兩極之間施加高電壓后，霧化后的漆霧顆粒吸附到被噴涂的車身表面。高壓的大小直接影響上漆率和膜厚的均勻性。若電壓過低，涂料的上漆率差，易產生橘皮、少漆等質量問題；若電壓過高，易產生放電，特別是在車身的邊緣、折角部分出現起泡、流掛、發花、凸起物密集[1]等缺陷。在汽車噴涂中的高壓一般在40～ 80 kV 之內。為避免靜電效應，通常折角區域的電壓設置為40～ 50 kV。

4 試噴涂、優化調整以及數據備份

4.1 車身試噴涂

在車身不同部位粘貼試板卡用于檢驗膜厚(用膜厚儀測量)或進行色差對比。實車試噴涂不但可以檢查噴涂效果，也再次驗證仿形的槍距、速度等設置是否存在問題。發現質量問題后應及時分析原因，并調整噴涂工藝參數或優化仿形。

4.2 仿形的同步微調及優化

仿形本應在編制與調試階段進行，但是有時因現場需要或遇到工藝參數方面無法處理的問題，需要微調仿形給予解決，如調整機器人的姿勢、噴涂移動速率等。此時若還是離線編制程序，則時間往往不允許；若是現場示教，又需要生產停線。這就需要同步優化仿形程序，不經歷機器人現場示教階段，令修改的仿形立即在機器人上執行。安川都林的Paint Studio(見圖11)就是一款能在線修改的工作平臺，可同步優化在線的機器人仿形，調整過的仿形軌跡經保存、下載，會立即執行于當前在線的機器人作業中。

圖11 仿形優化界面Figure 11 Interface for profiling optimization

在做仿形同步優化時一定要謹慎操作，結合現有工藝需要和以往經驗進行優化，調整仿形時注意機器人的姿勢、運動速率、槍距的修改，考慮是否會造成機器人進入干涉區、出現軸極限位報警、發生砸車等風險。根據推理及經驗判斷確認無誤后再下載到正在作業的機器人中執行。因此，建議比較大幅度的仿形局部修改還是在停線時通過示教對點階段、模擬測試階段后確認無誤，再到現場機器人的作業中執行。

4.3 數據的備份

仿形和工藝參數是噴涂機器人的兩大核心數據，保證數據的安全性是十分重要的。各大設備廠商在噴涂工作臺配置的軟件中都具備定期備份或自動備份每次修改前的數據等功能。但是，仍然建議1～ 3 個月至少手動備份一次并存放在外置儲存介質中(如移動硬盤、光盤、U 盤等)，以備不時之需。在PLC(可編程邏輯控制器)異常停機或重啟時，應確保PLC 程序中DB 塊中儲存的工藝參數和噴涂工作臺參數一致，若有異常及時處理，保證各項工藝數據正確無誤地執行在噴涂系統中，才能確保車身按正確的工藝參數完成噴涂。

5 結語

車身噴涂仿形的編制和優化直接奠定了機器人噴涂的基礎，各項噴涂參數在此之上又各自發揮不同的作用，致使噴涂呈現出不同的效果。仿形和工藝參數相輔相成，工藝參數之間相互影響、相互制約或補償，同時設備運行狀態對各工藝參數的影響也應充分考慮在內。這些因素相互影響的同時，又受到整個噴涂系統環境(如噴房溫度、濕度、風向等)的影響。所以，調試出良好的噴涂質量效果，不光需要數據分析理論的支撐，更多的是需要現場經驗的積累。