作者：丁度坤 謝存禧
涂裝是制造業(yè)中一項非常重要的工序，它能有效地防止工件受外界環(huán)境侵蝕，提高工件壽命，而且能美化工件外觀。目前在國內(nèi)，涂裝工序主要還是靠人工完成，涂裝的質(zhì)量受工人的技術(shù)熟練程度、心情等因素的影響很大。同時，涂裝過程中揮發(fā)出來的有毒氣體對工人的身體健康影響很大。實現(xiàn)涂裝過程自動化，具有巨大的社會與經(jīng)濟效益。噴涂機器人就是一種典型的涂裝自動化裝備。使用機器人進行噴涂作業(yè)，工件涂層均勻，重復(fù)精度好，工作效率高，能使工人從惡劣的工作環(huán)境中解放出來。國際上將機器人應(yīng)用到噴涂領(lǐng)域已有二十多年的歷史，最早將機器人技術(shù)應(yīng)用于噴涂的有美國的minihit公司、fudge公司、德國的hatel公司等[1]。
隨著機器人技術(shù)的不斷完善，噴涂精度得到顯著提高，噴涂機器人在主要的發(fā)達國家得到廣泛的應(yīng)用。我國的華南理工大學(xué)、華中科技大學(xué)等科研機構(gòu)先后對噴涂機器人技術(shù)進行深入的研究，取得了不少進展。航天航空部的703所、625所使用熱噴涂機器人進行作業(yè)，用來噴涂一些重要而特殊航空部件[1]。目前在我國，還沒有完全意義上的獨立生產(chǎn)噴涂機器人的廠家，機器人市場大多為歐美、日本、韓國等國的生產(chǎn)廠家所壟斷。近年來，我國的一些企業(yè)積極與高校開展噴涂機器人的項目合作，進一步推動我國噴涂機器人技術(shù)的成熟，普及與應(yīng)用。
1 噴涂機器人的種類
1.1 仿形噴涂機器人
仿形噴涂機器人根據(jù)被噴涂工件的外形特點，簡化機器人本體的結(jié)構(gòu)與控制方式，造價低廉，維修簡便，噴涂質(zhì)量基本上能滿足工業(yè)的需求。據(jù)國外公司統(tǒng)計的數(shù)字顯示，采用仿形噴涂機器人進行作業(yè)，噴房內(nèi)部尺寸可減少2/3，排風(fēng)量減少3/5，漆霧處理的沖水流量減少1/3，涂料節(jié)省大概30％－50％。仿形噴涂機器人廣泛應(yīng)用于汽車、鐵路機車車輛等機械制造業(yè)的噴涂作業(yè)，用于完成被工件頂部與側(cè)面的噴涂[2]。文獻[2]介紹了一種用于汽車車身噴涂的仿形噴涂機器人，該機器人模仿汽車車身的形狀，同時在頂部與側(cè)面各安裝噴槍，噴槍固定在機架上，噴槍與車身的距離、角度可以調(diào)解，以滿足不同型號的車身的噴涂需要。機器人采用PLC控制方式，整個系統(tǒng)可靠性高，組態(tài)可靈活調(diào)整，編程方便，調(diào)試維護簡單，對不同車型的車身通過編程即可達到仿形編程目的。
1.2 移動式噴涂機器人
這類機器人主要用于高空的噴涂作業(yè)，如大樓、橋梁的高空噴涂等，配備纜繩、真空或磁吸附裝置，充當(dāng)機器人的下肢，使機器人能夠在高空噴涂作業(yè)的同時進行移動。文獻[3]介紹一種纜索機器人，用于斜拉橋的高空噴涂，利用PLC作為機器人的控制系統(tǒng)，機器人系統(tǒng)運行穩(wěn)定，可靠性高，可滿足斜拉橋高空噴涂的需要。文獻[4]介紹一種用于高層建筑噴涂作業(yè)的移動機器人，以真空吸附的方式進行高層建筑物的噴涂作業(yè)，機器人由支援系統(tǒng)、機器人本體、控制系統(tǒng)組成。其中支援系統(tǒng)包括移動小車、卷纜部件、懸掛裝置；控制系統(tǒng)采PLC控制。機械手采用往復(fù)運動的方式，同時在噴涂機械手上還安裝了兩套CCD攝像系統(tǒng)，可從支援小車的監(jiān)視器實時監(jiān)視噴涂作業(yè)情況和墻面噴涂的質(zhì)量。該機器人的推廣應(yīng)用提高了高層建筑噴涂作業(yè)的質(zhì)量、工作效率和安全可靠性，降低工人的工作量。
1.3 經(jīng)濟型簡易噴涂機器人
這類機器人本質(zhì)上是一種三自由度直角坐標(biāo)機器人，采用龍門架式的框架結(jié)構(gòu)，配備有專門的夾具，進行噴涂作業(yè)時，須先手工將被噴涂工件夾緊到工作臺上，再操縱機器人進行噴涂。主要用于手機、計算機鍵盤等小型電子產(chǎn)品外殼的噴涂作業(yè)，該機器人結(jié)構(gòu)簡單、操作簡便易行，且成本較低。但系統(tǒng)功能單一，一般只能用于小型件的噴涂作業(yè)。
1.4 固定式多自由度噴涂機器
這種機器人常固定于噴涂生產(chǎn)線的兩側(cè)，作業(yè)時被工件通過輸送帶送入生產(chǎn)線，再由機器人對工件進行噴涂作業(yè)，這種機器人常為回轉(zhuǎn)式關(guān)節(jié)型機器人，常見的是5、6自由度關(guān)節(jié)機器人[5]。機器人的控制系統(tǒng)常采用在工控機上插入輸入輸出I/O卡和運動控制卡的模式，再通過計算機高級語言編程實現(xiàn)整個噴涂作業(yè)過程的自動化，可適用于各種不同場合的噴涂作業(yè)需要。
2 噴涂機器人運行方式
2.1 示教型噴涂機器人
這種方式必須首先確定機器人在噴涂件表面的運動軌跡，先操縱機器人沿運動軌跡空走一遍，即對機器人進行示教。在示教過程中，機器人記錄下各個示教點的軌跡坐標(biāo)，在真正噴涂過程中，機器人根據(jù)先前記錄下來的示教點對工件進行自動噴涂作業(yè)，示教點之間的曲線部分采用插補算法確定各個插補點坐標(biāo)，以逼近原曲線軌跡[5]，最后通過機器人正逆解運算求出每一關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)過的角度。
2.2 離線編程式噴涂機器人
這種方式首先獲取被噴涂對象的立體幾何形狀，然后采用各種算法確定出工件表面的噴涂點坐標(biāo)，機器人根據(jù)已確定的點坐標(biāo)進行自動噴涂作業(yè)。噴涂點之間的曲線部分通過插補運算確定插補點坐標(biāo)，以逼近原曲面，最后通過機器人正逆解運算將插補坐標(biāo)從三維空間轉(zhuǎn)換成各個關(guān)節(jié)角度空間[5]。
3 噴涂機器人的控制方式
工業(yè)中應(yīng)用的機器人控制系統(tǒng)一般采用二級控制方式，其中工控機充當(dāng)主控制器，用于整個控制流程的協(xié)調(diào)與調(diào)度，第二級控制器用于噴涂機器人的運動控制。文獻[6]介紹了一種工控機加DSP的控制模式，工控機充當(dāng)一級控制器，負責(zé)系統(tǒng)管理，機器人語言編譯與人機接口等功能；DSP充當(dāng)二級控制器，主要負責(zé)機器人的運動控制，包括了機器人運動正逆解運算、插補運算、關(guān)節(jié)的位置控制等功能。工控機與DSP不直接進行通訊，通過公用內(nèi)存交換數(shù)據(jù)，工控機與DSP均可從該內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)，以達到通訊的目的。
當(dāng)前比較通用的是工控機加上運動控制卡的模式，即將運動控制卡插入工控機的PCI插槽中，工控機與運動控制卡之間通過PCI總線進行通訊。工控機負責(zé)系統(tǒng)的文件管理、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、機器人語言的解釋、示教檢查、系統(tǒng)程序的協(xié)調(diào)調(diào)度、故障診斷、機器人運動學(xué)正逆解與插補運算等功能。運動控制卡只擔(dān)負機器人的運動控制功能，增強了機器人運動的實時性。人機接口功能由插在工控機上專用的I/O卡來完成，I/O卡將設(shè)備運行狀況、行程限位開關(guān)等信息以開關(guān)量的形式實時反饋給工控機，工控機根據(jù)讀取到的信息做出相應(yīng)的反應(yīng)。示教盒與主機通過RS232總線進行通訊�？刂葡到y(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)通常包括了工控機、運動控制卡、I/O卡、示教盒、伺服電機等部件，硬件控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 噴涂機器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖