高行健

隨著工業(yè)4.0的深入發(fā)展，大型汽車生產廠的噴涂工藝已經全部或部分改用固定式機器人，而4S店由于噴涂位置不固定，還采用人工噴涂。噴涂過程中產生的廢氣含有大量的苯、對二甲苯、重金屬元素等有害物，噴漆工人長期從事此工種對其身體危害非常大，且人工噴涂效果差，為此我們團隊設計了膜厚同步激光檢測及多級遞進式流量流速控制的藍牙節(jié)能噴涂機器人，用來替代4S店中噴涂工人的噴漆作業(yè)，節(jié)省噴涂用量，提高噴涂質量，達到節(jié)能減排的效果。

【關鍵詞】六自由度 結合電控技術的混氣噴槍 無線通信 絲杠升降

1 項目背景

人工噴涂因為工人作業(yè)水平和作業(yè)狀態(tài)的限制，噴涂效果差，國外噴漆機器人的設計與制造是一項十分成熟的技術，已經有三十年以上的發(fā)展歷史。國內的噴涂機器人的研究始于二十世紀八十年代。但國內外廠家研發(fā)和生產的噴涂機器人一般為臺架固定式三自由度噴涂機器人，不能滿足汽車修補噴涂的使用。隨著噴涂機器人的設計與制造技術的不斷創(chuàng)新，噴漆機器人的噴涂精度得到了巨大的提高，使得噴漆機器人在世界發(fā)達國家得到了廣泛的應用。但是現(xiàn)有噴涂機器人多應用于生產車間的涂裝，未有專門應用于汽車修補的噴涂機器人面世，所以我們團隊開發(fā)用于汽車修補噴涂的機器人在國內外尚屬首次。如表1所示。

2 噴涂機器人總體構成

為實現(xiàn)噴涂機器人對4S店中各種復雜噴涂環(huán)境的適應能力，設計該機器人具有藍牙遠程無線操作；控制噴槍的移動速度，通過控制噴幅寬度、膜厚和噴液流量流速指標來保持噴涂精度；同時提醒操作人員及時更換、添加噴液的功能。如圖1所示。

其基本結構：

（1）機械手臂采用六自由度結構，由6個舵機組成；

（2）底座采用絲杠升降裝置，靠螺旋進給實現(xiàn)升降，絲杠由一個大功率電機提供動力；

（3）安裝有藍牙無線通信模塊，通信距離遠，穿透性強，可以由工人遠程操作；

（4）噴槍采用先進電控混氣噴槍，采用混氣噴涂霧化原理，涂料受壓后突然減壓膨脹而霧化，壓縮空氣的流動，促使涂料進一步霧化產生“雙生霧化”效果；

（5）激光測距模塊H-PT5028實時測距，檢測反饋噴頭與車身距離，調控流量精確控制膜厚。

（6）噴液儲存裝置內配有噴液更換提醒系統(tǒng)，可以自動檢測噴液存量，提醒工作人員及時添加、更換噴液。

其中，控制系統(tǒng)以STC12C5A60S2單片機為核心，具體包括升降機步進電機驅動電路，六自由度機械臂舵機控制電路，藍牙無線控制電路，油漆泵、氣泵控制電路從而實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的控制。整體電路結構如圖2。

3 設計制作中解決的關鍵技術問題

3.1 多級遞進式激光測距

（1）選用激光測距技術，測距精度等級高可達10μm，且其抗干擾性強，較超聲測距技術而言，更適合在噴涂惡劣環(huán)境下作用，可有效避免其他因素的干擾。

（2）多級監(jiān)控：（一級）檢測0.3m內有無目標；（二級）每0.5s檢測一次，反饋目標距離，至處開始噴涂；（三級）循環(huán)檢測確定距離不變，保持連續(xù)噴涂。

3.2 多級遞進式流量流速控制系統(tǒng)

（1）考慮到汽修汽車維修店操作人員技術水平，故我們采用泵體流量流速控制技術來調節(jié)設備噴涂量，手機藍牙客戶端實現(xiàn)遠程控制，可操作性強，避免人員實地操作帶來的人身傷害；

（2）為最大可能滿足不同漆層厚度需求，設計可調多級遞進式流量流速，根據實際需求進行設置。初始化參考設置分別為一級膜厚45μm，二級膜厚55μm，三級膜厚65μm，并可配合噴槍實現(xiàn)5μm遞進式噴涂，誤差范圍±1μm。

3.3 垂直升降裝置控制

滿足噴涂高度的需求，由操作人員根據需要通過藍牙遠程控制，創(chuàng)造性采用絲杠螺母裝置提升了升降過程的平穩(wěn)性，在工作過程中適時調節(jié)高度，提高噴涂質量。

3.4 智能延時

充分考慮使用時操作人員失誤的情況，設置智能延時功能，延時5s，5s確定無誤后啟動噴涂作業(yè)。

4 項目創(chuàng)新性、優(yōu)越性

（1）在自由度方面，國內外生產廠家研發(fā)和生產的噴涂機器人一般為固定式三自由度噴涂機器人，不能滿足汽車修補噴涂的使用，本機器人采用六自由度機械臂，最大限度提升噴槍的伸展空間，完成噴槍的各種動作，使噴槍在一次噴涂中可噴涂范圍更大，軌跡靈活，可完成內表面和外表面的噴涂任務，放行噴涂軌跡精確，提高了涂膜的均勻性，將減少噴涂量和清洗溶劑的用量，提高材料的利用率，對環(huán)境保護起到非常大的作用；

（2）在機構上，該機器人引入了新穎的絲杠垂直伸縮裝置，在不影響噴槍靈活度的基礎上提升了噴槍的工作高度，使噴槍更好地適應多種工作環(huán)境的需要，使噴槍的運動更為靈活，掃除了一些噴涂中常見的死角，極大地提升了噴涂效率，減輕了工作人員的工作量；

（3）藍牙無線通信模塊使得遠程操作機器人成為可能，將噴漆工人從直接噴漆的環(huán)境中解脫出來，保護了工人的身體健康。

（通訊作者：曹利華）

參考文獻

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[3]陳愛波，寧淑榮，陳五一.基于MATLAB與SolidWorks的六自由度機器人聯(lián)合建模仿真[J].機電技術，2014（06）：57-60.

作者單位

1.山東省實驗中學 山東省濟南市 250100

2.山東大學 山東省濟南市 250100