以喷涂机器人构建“工业防护林”

在2015年的两会中,空气污染赚足了眼球。从民间到官方,从地方到中央,各界对治理空气污染达成高度一致。然而,治理雾霾等空气污染,除了备受关注的燃煤电厂和机动车尾气外,工业喷涂也不容忽视。

数据表明,北京地区的工业喷涂污染占PM2.5总量的16.3%,仅次于机动车尾气排放和煤炭燃烧排放。在济南的PM2.5构成中,二次污染转化占20.9%,而二次污染主要是工业喷涂。实际上,在京津冀、长三角、珠三角经济发达地区,涂料及喷涂企业发达,涉及电子产品外壳油漆喷涂、家具行业、汽车配件喷漆、自行车喷涂等行业,涂料使用量很大,环保压力非常大,处理成本也很高。因此,工业喷涂生产集约化对治理空气污染有重要意义。

此外,广大制造业的工业喷涂现场中,溶剂、涂料中的有机挥发物(VOC)成为现场工作工人的“隐形杀手”。国内油性涂料占比高达7成,与欧美发达国家存在较大差距。油性涂料不仅在上游的成膜助剂、颜料溶剂,而且在下游涂装行业等的生产与加工过程中,都将会产生大量VOC,这些有机废气对人体的健康危害非常严重,可以通过呼吸道影响到我们的神经系统,甚至导致肺部疾病等。如果这些有机废气和废气处理设备处理不当,对人体健康和空气污染会造成非常可怕的危害,极大威胁作业工人的身体健康。在全国范围内用工荒和劳动法规关于保护生产作业人员健康标准不断提高的双重压力下,有必要在喷涂行业中构建一条“工业防护林”,不仅遏制空气污染,更将成为保护作业工人身心健康的一道坚固屏障。

如此种种客观条件,促使喷涂机器人广泛应用于工业喷涂现场。浙江省内提出的“机器换人”其中明确一条就是工业喷涂自动化。大范围用喷涂机器人替代人工劳动的优势有:

提高工业生产效率。喷涂机器人具有较高运动精度,保证了喷涂过程中喷枪行走平稳,喷涂均匀,并且可实现闭环回路调节和高速漆料控制与空气流量调节,降低残次品率;

节约喷涂材料。喷涂机器人工作可靠性使得提高喷涂质量和材料使用率成为可能,较高的工艺响应速度成功减少了漆料和溶剂浪费。漆料流动与机械臂的同步运动能有效提升传送效率,并且可以自由的开关枪,使喷涂漆料用量最小化;

喷涂机器人流水线可构建为封闭式作业空间。封闭式喷涂作业空间为我们治理废气带来很大的方便。目前喷涂废气治理主要有废气回收和废气破坏这两种方案,封闭空间可以增大有价值废气的浓度从而便于回收,亦可以集中催化燃烧从而破坏废气,彻底净化避免二次污染;

降低人力成本,保护工人健康。用机器人代替人进行危险、复杂的工作符合“以人为本”的社会价值。考虑到工业喷涂的高危、有害工作环境,减少人力投入甚至构建无人化作业线是未来发展趋势。我国由于工业作业培训投入不足,操作工人自身防护意识不强,企业普遍未能全面考虑安全防护等作业要求,因此导致工人总体受防护水平不高,个别职业病案例经新闻媒体放大后甚至会导致社会性恶劣影响。随着人们安全保护意识增强,工业机器人在喷涂行业的应用将会变得更为广阔。

喷涂机器人的制造和行业应用情况

喷涂机器人又名喷漆机器人,是可进行自动喷漆或喷涂其他涂料的工业机器人。1969年由挪威Trallfa公司(后并入ABB集团)发明。喷漆机器人主要由机器人本体、计算机和相应的控制系统组成,液压驱动的喷漆机器人还包括液压油源,如油泵、油箱和电机等。多采用5或6自由度关节式结构,手臂有较大的运动空间,并可做复杂的轨迹运动,其腕部一般有2~3个自由度,可灵活运动。较先进的喷漆机器人腕部采用柔性手腕,既可向各个方向弯曲,又可转动,其动作类似人的手腕,能方便地通过较小的孔伸入工件内部,喷涂其内表面。喷漆机器人一般采用液压驱动,具有动作速度快、防爆性能好等特点,可通过手把手示教或点位示数来实现示教。待喷涂工件则安装在卡盘或喷涂台架上,并且通过传送带到达各个喷涂工位点,每个工位都会有相应喷涂机器人负责固定位置的喷涂。

就具体性能而言,加速度高、荷重能力强、工作范围大,节拍可缩短等均为高效喷涂机器人所应具备的条件。另外从设计角度看,工艺设备的安装位置可以更靠近喷枪,减少涂料浪费;喷涂设备集成于机器人手臂,缩短换色阀和涂料泵与喷涂手腕之间的距离,减少涂料消耗。这都是优秀喷涂机器人耀眼的亮点。

当前喷涂机器人本体控制比较通用的是工控机或者PC(个人电脑)加上运动控制卡的模式,对于喷涂系统则有独立的一套控制结构。工控机负责系统的文件管理、系统参数设置、机器人语言的解释、示教检查、系统程序的协调调度、故障诊断、机器人运动学正逆解与插补运算等功能。运动控制卡负责机器人的运动控制和二次插补,而由视觉传感或流量监测作为传感器反馈,由此形成喷涂的闭环控制。

图 喷涂机器人系统基本架构

目前国内外生产喷涂机器人厂家众多,基本为通用性工业机器人设计基础上加以调整,使之适用于喷涂应用场合。国外厂商主要有瑞典的ABB Robotics,日本的FANUC、Yaskawa(安川)、NACHI(不二越)、OTC 、MITSUBISHI(三菱),德国的KUKA Roboter,瑞士的Stäubli,美国的Adept Technology、American Robot、Emerson Industrial Automation、S-T Robotics,意大利COMAU,英国的AutoTech Robotics,以色列的RobogroupTek公司等,这些公司已经成为其所在地区的支柱性企业。国内厂商主要有首钢莫托曼(MOTOMAN)、沈阳新松、安徽埃夫特等。

目前国内生产企业喷涂机器人装机总量稳步提升,其中中外合资经营企业如大众、广州丰田、长安福特等装机总量稳居前列。据了解,以一汽集团为例,一汽大众成都、佛山工厂已基本完成喷涂机器人对人工的全面替代;浙江省内生产企业如西子集团等也对喷涂机器人抛出“绣球”,计划在电梯桁架喷涂中有步骤地增加自动化作业比重。

喷涂机器人新技术探索

为了更好实现喷涂任务,喷涂机器人可以集成当今前沿技术,一方面提高自身固有参数,夯实“硬功夫”,另一方面扩展应用领域和范围,增强“软实力”。而如何在保证加工质量的前提下增加应用方向,已成为当今喷涂机器人研究的热点。

1 图像视觉处理

通过使用机器视觉图像处理,将提取的图像轮廓经过CAD软件处理后,导入此CAD轮廓数据至离线仿真软件。后经过模拟仿真验证后导出机器人控制程序,最终完成机器人平面图形喷涂功能。该应用可推广至机器人绘图、定制化图案喷涂等领域。

另外,图像视觉处理还可检测喷涂效果,并实现自动化的优化喷涂和色彩调节功能。比如近期欧洲医疗工业中开始出现喷涂机器人的身影,典型案例有注射器柱塞中硅涂层的喷涂。硅涂层可以大大减小医疗注射器柱塞和针筒内壁间的摩擦和磨损,而带有视觉系统的喷涂机器人不仅能够保持均匀一致的喷涂过程,并且能实时检测涂层厚度,从而给出质量检测结果,而这些恰是人工力有不逮之处。

2 喷涂流体流量控制

先进流量控制策略引入到喷涂机器人中会产生意想不到的喷涂品质提升,该控制策略将控制成膜厚度,自动弥补环境或者设备的物理变化,使指定流量始终保持在严格容差范围内,确保表面漆膜厚度均匀并形成指定厚度,从而获得优异的涂装品质并优化漆料的耗用。

喷涂流体流量控制的实现分为两个环节,其中正向排量使用机械齿轮泵控制液流,而用软件实现闭环控制,这里由齿轮流量计检测流速做反馈控制。

图 喷涂流量控制策略原理图

3 机器人操作臂的优化设计

当今喷涂机器人的一个设计特点是具有中空的三轴转动手腕,在手腕中集成了静电喷漆枪和/或旋转雾化器。此外,中空手腕容纳了软管和电缆,从而增加机器人的工作范围,同时减少连接件和走线的磨损,并使其免于遭受存在于生产环境中的灰尘或污物的侵害。

除此之外,采用铸铝结构作为操作臂材料有着众多的优势,如提高喷涂机器人运动灵活度,并且可提供足够空间来安装比例传感器和电磁阀,使之和运动控制元器件集成为一体,而避免再设一条通道。将整个电气控制系统都封装在机器人操作臂的防爆腔中,使得机器人更能接近待加工原件,节约安装空间。此设计给新型喷涂机器人提供了一个干净流畅的解决方案,减轻了程序计划人员的负担,让他们可以完全把注意力集中于机器人的移动,而不必时刻考虑位置局限问题。

4 喷涂机器人安装设计

节约喷涂机器人的安装空间不仅意味着企业厂房资金投入的节约,更对喷涂废气的集中处理提供了方便,而后者对于构建“工业防护林”有着极其重要的现实意义,因为这提高了除尘、废气回收和废气破坏设备的工作效率,进而降低能耗。

对于有较小基座的喷涂机器人,可以考虑在墙壁上或天花板上进行安装。另外经过优化设计的操作臂满足一定制造柔性时,时还可寻求移动式喷涂解决方案,即基座可移动情况下,喷涂机器人单独完成多道工序。

5 喷涂机器人一站式设计思路

在一些具体的喷涂作业场合,需要同时有两台机器人协同才能完成喷涂作业。如车身喷涂中,在车门与门框接合部分往往需要一台机器人先拉开车门,另一台机器人分别喷涂车门和门框的接合面。此外如果需要喷涂质量检测,还需加机器视觉模块。如果能针对这种复合加工需求,设计一种双臂式通用加工站,将能极大满足市场对此的需求。

美国RETHINK ROBOTICS公司于2012年推出一款名为BAXTER的面向工业制造的仿人机器人,该机器人具有较高的成本效益和极强的自适应能力,另外还具备与人协同作业和人身保护功能,一面世便广受好评。该机器人双臂能独立完成不同任务,并且末端执行器加有机器视觉模块。加工过程中一旦出现故障或者加工质量问题,均可实时以面部表情形式反映到显示屏中。值的指出的是,该机器人示教过程极为简便,可人为带动各个关节运动实现示教而无需编程,但是综合精度尚有欠缺。该机器人定价适中,其科研版仅26,000美金左右。

倘若引用BAXTER到喷涂作业现场,或借鉴BAXTER设计思路自主设计喷涂作业工作站,必将填补相关市场和科研的空白。

图 BAXTER面向工业制造的仿人机器人

国内在对喷涂机器人的相关研究直到近期才逐渐开始,高性能的喷涂机器人目前还不普及,大多数现场应用的喷涂机器人只能实现简单的、基本的预设动作,复杂喷涂轨迹的协调运动还未在大规模工业加工场合中实现。除此之外,推广喷涂机器人道路上亦有许多现实问题亟需解决,比如如何合理简化示教过程,帮助操作人员迅速掌握编程技术,目前各生产厂商已经开始研发基于PC的人机交互软件,其设计目的就是要对机器人的路径示教以及涂装程序的开发工作进行简化。另外如何在保证加工精度的情况下,降低喷涂机器人制造成本也颇为重要,这直接决定了终端企业购买喷涂机器人进行自动化改造的意愿。

总结和展望

在我国,喷涂机器人扮演着相当关键的角色,它对喷涂工业来说是不可或缺的。它的存在不仅提高了我国喷涂加工生产率,还优化了作业环境,保障了作业工人的健康。在不远的将来,随着我国制造水平的提升,对于高级工业制品如汽车、船舶飞机零部件,日常生活用品如锅具不粘涂料和浴缸水槽搪瓷喷涂,以及消费电子的喷涂需求将逐年上升。例如在长三角核心城市之一的苏州,仅其下属的一个县级市昆山,就有油漆喷涂企业100多家,大小喷涂线400多条,每年油漆溶剂使用量就高达10000多吨。而中国涂料工业协会的统计数字显示,我国涂料产量从2004年的298万吨,到2013年的1303万吨,10年间增长了4倍多,并且 2012年以前始终保持二位数的增速。从工业角度看,喷涂行业的需求增长将对“工业生态环境”产生深远影响,而大规模采用的喷涂机器人将形成宝贵的“工业防护林”。它极大程度保护了自然环境免受工业制造的污染,同时通过整合诸多先进技术,促进了社会生产力质的提升。

在未来的喷涂机器人系统发展中,喷涂机器人的深度研发和普及需要广大科研单位和制造企业共同推动,“工业防护林”必将成为中国制造的金字招牌。

 


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