點激光在機器人涂膠系統中的應用

楊冬云

（廈門航天思爾特機器人系統股份公司，福建廈門 361000）

0 引言

近幾年來，我國軌道交通發展速度比較快，特別是動車、高鐵和地鐵的建設處于高速發展期，其中動車門和地鐵門的需求量同樣是處于高增長的狀態。各廠家為了提高產量，動車門、地鐵門的玻璃粘接生產也由原來的半自動化向自動化轉變。在這一轉變過程中，各自動化廠家和集成商也提供了一些涂膠系統的解決方案，但是還存在一些問題，如機器人在涂結構膠時出現膠管纏繞，涂膠實際位置與理論位置偏離、難以實現參數化編程等問題。本文詳細介紹玻璃粘接過程中的機器人涂膠系統，并對現有方案存在的問題提出改進方法。

1 機器人涂膠系統的主要構成

軌道交通門的玻璃粘接主要采用機器人對門板窗框進行涂膠，然后機器人抓取玻璃放到門框內壓平。設備主要包含機器人、門板定位工裝、玻璃定位裝置、玻璃搬運夾具、自動旋轉膠槍和供膠系統。機器人由機器人本體和控制柜（硬件及軟件）組成，而供膠系統包括供膠泵、計量泵、涂膠閥、電控系統等裝備（圖1）。

圖1 機器人涂膠系統示意

涂膠流程：門板上至門板定位工裝→門板工裝對門板初定位→機器人帶著點激光找尋窗框位置→機器人抓取旋轉膠槍對窗框進行涂膠→機器人放置旋轉膠槍抓取玻璃搬運夾具→機器人搬運玻璃至窗框位置并將玻璃壓平。

1.1 門板定位工裝

門板定位工裝由4 組固定的支撐柱，用來支撐門板上半部的底面，支撐柱與門板接觸的材料一般采用尼龍，可以避免門板在定位過程中表面被破壞。由于門板有直門板和彎門板兩種，門板工裝需要適應這兩類的門板，所以門板的下半部懸出工裝外面，且在下方設置了一組高度可調節的支撐柱，防止門板上到工裝后發生的傾翻。其中靠近上擋邊兩組支撐柱，設有限位塊，用于門板長度方向的定位。在門板寬度方向的兩側分別設置了兩組對中機構和氣缸壓緊機構，對中機構和氣缸壓緊機構邊成一體。其上料流程為：將門板放置于4 組支撐柱上，對中氣缸驅動對中機構，寬度方向夾緊門板，然后壓緊氣缸動作壓住門板，從而實現對門板的粗定位。

1.2 玻璃定位裝置

玻璃定位裝置中間有4 組支撐柱，支撐柱上面安裝有萬向球，其長度和寬度方向均安裝有滾輪，滾輪包有一層聚氨脂。對中機構采用氣缸驅動，通過齒輪齒條傳動的形式實現對中功能。

1.3 玻璃搬運夾具

當機器人涂完膠、需要安裝玻璃時，機器人通過玻璃搬運夾具將玻璃搬運至窗框位置并將玻璃壓平。玻璃搬運夾具主要有6 組真空吸盤等相關零件組件，其核心零件真空吸盤采用Piab提供的材料為HNBR 的平面吸盤，內部夾持結構不僅可防止物體被吸入吸盤而導致變形，而且在提升力平行作用于工件表面時還能增加磨擦力。該吸盤具有出色的穩定性以及微乎其微的固有運動，在工作期間幾乎不會發生偏移。

1.4 自動旋轉膠槍

（1）自動涂膠槍必須加熱，槍體加熱保證出膠穩定。入膠端為可以360°旋轉的活動體，膠槍轉動時膠管不得與膠槍一起轉動，膠嘴由機器人外部軸直接驅動旋轉，避免涂膠時軟管纏繞的問題。每次涂完膠以后，需要將膠槍移至自動刮膠裝置處進行自動刮膠，槍口不會留有殘膠。

（2）自動涂膠槍附屬設備包括膠槍把持器、管線支撐架、相關電纜及管線油杯等。膠管吊架采用兩根縱軌和一根橫軌結構，帶平衡器，以方便膠管移動。

1.5 供膠系統

供膠系統采用齒輪泵的方案，對固定膠槍站膠槍出膠量精確控制，實現出膠全程控溫。出膠量精確控制系統（齒輪泵或者定量缸）具備故障報警及自動關斷功能。涂膠系統計量閥采用精密電動伺服控制，單位時間體積計量，偏差應控制在膠量的±1%。膠泵配備上桶輥道及膠桶定位塊，減少換桶時間。

（1）計量齒輪泵采用交流伺服驅動，確保供膠量穩定，與機器人速度配合，保證膠型質量。伺服系統具有過壓、過流、電機缺相、速度超調等保護功能，通過伺服驅動器精確控制伺服電機轉速，電機驅動齒輪泵來實現供膠流量的精度，并且流量可以根據機器人涂膠槍的涂膠速度自動調整。計量齒輪泵出入口裝有防固化壓力表及壓力傳感器，對供膠及涂膠狀況進行實時監控。

（2）加熱及溫控系統具有8 段溫控功能，可以分別對壓膠盤、膠缸、3 根輸膠高壓軟管、自動涂膠槍進行分別加熱及溫控，共有8 段溫控（留有1 段溫控備用）。加熱及溫控系統帶預加熱功能，可根據需要設定提前預熱時間。加熱及溫控系統應能滿足冬天（-10 ℃）正常使用的要求，應能將膠快速加熱至工藝規定范圍（30～40 ℃），最高溫度不超過60 ℃。

（3）該涂膠系統的控制器應采用德國西門子S7-200 或相當以上產品，并作為機器人工作站的Profibus-DP（或相當）從站，提供涂膠系統的相關參數數據及交互控制指令，便于現場操作人員進行操作。

2 點激光在機器人涂膠中的應用及驗證

2.1 點激光的介紹

點激光采用IL 系列的CMOS 激光位移傳感器，是一款高度穩定的傳感器。此款傳感器自動進行控制，通過識別因目標工件表面狀態的變化而產生的CMOS 入光波形的不同，而自動進行最佳的波形處理。類似金屬細線以及樹脂、橡膠等以往難以檢測的工件，也可無調諧地實現穩定檢測。其計算功能包含加法模式和減法模式，加法模式用來測量厚度和寬度等，而減法模式用來測量凸距和平行度等。

2.2 點激光應用精度的驗證方法

門框的實際尺寸與理論尺寸存在偏差，導致涂膠實際位置與理論位置產生偏離。針對這種情況，提出采用點激光檢測窗框的邊緣，利用減法的計算功能，計算出位置突變的點，然后根據坐標計算出窗框的實際軌跡位置。下面詳細介紹進行點激光尋位精度的驗證測試的過程。

（1）驗證需要的主要設備與工具：一套ABB 機器人系統，1 套基恩士點激光傳感器IL1000+IL300（點激光安裝在機器人上）。

（2）驗證的目的。采用ABB 機器人+基恩士點激光傳感器測試窗框位置、尺寸，通過運算實現參數化編程以及確定窗框的實際軌跡位置。

（3）驗證的方法。窗框有4 條邊，在每條邊兩端各設定測試點，機器人持點激光傳感器檢測這8 個點（P1～P8）的突變位置，機器人檢測到窗框時生成坐標，通過坐標值計算出窗框實際位置生成機器人路徑程序，達到參數化編程效果。

以圖2 為例進行說明。假設門板初定位的偏差在10 mm 以內，起始點P1a離P1 的距離需大于10 mm，點激光從點P1a 開始朝點P1 進行檢測，當檢測到窗框時會產生一個突變值，此時機器人記錄P1 的坐標，就是窗框P1 點實際的位置。用同樣的方法找出P8的坐標，P1 點和P8 點組成一條直線P1P8，通過計算P1 點和P8點坐標的差值算出P1P8 的距離。按照算直線P1P8 距離的方法，同樣算出直線P2P3、P4P5、P6P7 的直線段距離，再根據窗框的R 角就可以在機器人系統得出窗框的實際軌跡（表1）。

圖2 激光尋位點分布

表1 同一窗框在偏差范圍內點激光檢測的距離mm

從表1 數據可以看出，在同一尋位速度下、同一工件上重復尋位后，計算出來工件的長度值和寬度值誤差范圍在0.2 mm以內。

3 結束語

本文簡述了機器人涂膠系統的主要構成，點激光在窗框精定位驗證的方法以及供膠系統的特性。在實際的施工和使用過程可能還存在一些不足，有待將來繼續改進和優化。