自動噴涂機器人

      噴涂機器人是一種主要用于表面涂覆工作的特殊機器人,是機器人技術(shù)和表面噴涂工藝相結(jié)合的產(chǎn)物。噴涂機器人能滿足環(huán)保、效率和柔性生產(chǎn)的需要,因而在現(xiàn)代化的噴涂線上有望全部替代人工操作。涂層的厚度、均勻度、光澤度和豐滿度等是評價涂裝表面質(zhì)量的重要指標(biāo)。而在工業(yè)領(lǐng)域,特別是機械表面的涂裝,則對厚度和均勻度提出了更為嚴(yán)格的要求。噴涂機器人容易滿足安全環(huán)保、高效和高質(zhì)量的噴涂要求,是未來自動化涂裝發(fā)展的必然趨勢。

      國外機器人技術(shù)演變及發(fā)展在國外,機器人噴涂已經(jīng)成為一項比較成熟的技術(shù)，有著三十多年的研究和發(fā)展歷史。目前,國外尤以噴槍的建模分析和軌跡優(yōu)化的研究居多。1986年,Klein首次探討了噴涂機器人的離線編程技術(shù),建立了噴涂離線編程系統(tǒng),并能進(jìn)行交互式設(shè)計和噴槍仿真與機器人的運動軌跡分析。1999年,Balkan等人用實驗方法建立了涂料的分布方程,在此基礎(chǔ)上探討了噴槍模型在平面上的軌跡優(yōu)化方法,并完成了實驗研究。2001年,Arikan等人開發(fā)了一種噴涂機器人離線編程系統(tǒng),實現(xiàn)了在線控制涂層厚度。2005年,Sheng等人提出了復(fù)雜自由曲面上噴涂機器人噴槍路徑規(guī)劃方法,通過建立優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)來優(yōu)化噴涂機器人噴槍路徑模式及行走方向。2009年,Chen等人將基于曲面CAD模型的噴涂機器人軌跡規(guī)劃方法與Atkar的方法進(jìn)行比較,討論了兩種方法的優(yōu)缺點。2010年,Gyorfi等人考慮到噴槍路徑規(guī)劃時的約束問題,用遺傳算法和圖搜索方法實現(xiàn)了方案優(yōu)化。

國內(nèi)機器人發(fā)展及現(xiàn)狀

      國內(nèi)的噴涂機器人近年來也有了長足的發(fā)展。1991年,北京機械工業(yè)自動化研究所完成了我國第一條自動噴涂生產(chǎn)線,還開發(fā)了PJ系列電液伺服噴涂和EP系列的電動噴涂機器人。國內(nèi)的噴涂機器人研究成果主要集中在兩個方面:

(1)噴涂機器人的構(gòu)型、運動學(xué)和動力學(xué)分析。

(2)噴涂機器人的軌跡規(guī)劃和運動仿真等問題。彭商賢等人對噴涂機器人的手臂靜動特性進(jìn)行了研究。王戰(zhàn)中等人對非球形手腕6R串聯(lián)噴涂機器人采用矩陣方程和方向余弦進(jìn)行了逆運動學(xué)分析。杜亮等人對噴涂機器人的各關(guān)節(jié)和噴槍之間的關(guān)系進(jìn)行了計算,并對機器人的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。國內(nèi)的其他學(xué)者還對涂層的厚度、均勻性等進(jìn)行了研究。

      現(xiàn)階段,我國大部分工業(yè)制造業(yè)的噴涂還依靠傳統(tǒng)的手工方式進(jìn)行。為滿足精度和美觀控制,往往需要進(jìn)行額外的打磨和補噴。導(dǎo)致人工噴涂的勞動強度大、作業(yè)效率低,并且對工人的身體造成較大的傷害。制造業(yè)中的工業(yè)設(shè)備,普遍具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工作環(huán)境惡劣、可靠性要求高、成本低及重量輕等特點。而大小不一復(fù)雜的設(shè)備制造中通常研制周期長,加之更新?lián)Q代快,市場競爭激烈，要在激烈的市場中占有一定份額，就必須跨入智能噴涂這道坎。因此,在工業(yè)、制造業(yè)領(lǐng)域?qū)χ悄車娡繖C器人的需求比較迫切。

目前機器人在企業(yè)中的應(yīng)用及問題

目前噴涂行業(yè)留有三種噴涂技術(shù)：

       第一種是純工人；對普遍簡單結(jié)構(gòu)的機械完成速度快，但對工人技術(shù)水平要求較高，易發(fā)職業(yè)病、惰性較強、質(zhì)量根據(jù)工人的技術(shù)高低來決定。

      第二種是往復(fù)機： 對簡單維度與結(jié)構(gòu)的物品噴涂速度快，對一些細(xì)小復(fù)雜部位需要人工補裝、且只適合平板工件。第三種是智能機器人，它解決了復(fù)雜工件，雖在一定程度上實現(xiàn)了離線編程，但編程速度較慢，運動軌跡柔性且慢、需要技術(shù)人才編程、示教，以及后期保養(yǎng)苛刻。

      現(xiàn)有的噴涂機器人涂層厚度均勻性與噴涂時間相互制約的問題，適用的工件不宜過大，形狀也不宜太復(fù)雜?；趪鴥?nèi)外勞動者生產(chǎn)水平的差異,直接照搬國外的生產(chǎn)線普遍存“水土不服”的問題。一部分代價不菲的進(jìn)口噴涂機器人往往處于閑置狀態(tài),甚至出現(xiàn)不能正常運行的情況。還有少數(shù)企業(yè)采用機器加人工的半自動噴涂模式。這往往會造成噴涂質(zhì)量不高的現(xiàn)象,也會不可避免地對工人身體造成傷害。因而開發(fā)適合國內(nèi)生產(chǎn)需求的高精度噴涂機器人且符合現(xiàn)階段企業(yè)環(huán)境的智能噴涂機器人尤為重要。

      智能應(yīng)用的升級2016底浙江機器人智能研究院（杭州國辰機器人科技有限公司）第一代智能涂裝機器人研制成功，通過提取人手噴涂的示教軌跡參數(shù)，完美復(fù)現(xiàn)人手的噴涂動作。適用于尺寸形狀復(fù)雜、更換頻繁的噴涂工件，實現(xiàn)了行業(yè)創(chuàng)新的技術(shù)。解決了行業(yè)現(xiàn)存的以下問題：

   1.效率高、易維護(hù)直接通過人工持槍示教，同時編程、效果顯示。作業(yè)速度快，可適應(yīng)快速流水線?？刹寮Y(jié)構(gòu)和模塊化的設(shè)計，快速更換元器。部件維護(hù)可接近性好，便于維護(hù)保養(yǎng)。

   2. 提高噴涂質(zhì)量和材料使用率1:1高精度涂裝軌跡復(fù)現(xiàn)，提高膜厚均勻性，消除人手噴涂色差。針對性噴涂作業(yè)，避免多槍、大面積噴涂的粉料浪費。

   3. 設(shè)備利用率高。往復(fù)式自動噴涂機利用率一般僅為40%～60%，

智能涂裝機器人的利用率可達(dá)90%-95%；智能涂裝機器人、往復(fù)式自動噴涂機和傳統(tǒng)六軸關(guān)節(jié)機器人的特性比較請見下表。