機器人自動噴涂系統(tǒng)在鐵路機車噴漆中的應(yīng)用

房晶晶

（北京機械工業(yè)自動化研究所，北京 100120）

機器人自動噴涂系統(tǒng)在鐵路機車噴漆中的應(yīng)用

房晶晶

（北京機械工業(yè)自動化研究所，北京 100120）

0 引言

鐵路機車車體尺寸較大，長度一般在12-14米，高度一般在3-5米，傳統(tǒng)工藝采用人工噴涂，通常有占用勞動力多、勞動強度大、噴涂質(zhì)量不穩(wěn)定、效率低等不可避免的問題，且手工噴涂環(huán)境危害人身健康，逐漸被現(xiàn)代工業(yè)所摒棄。因此我們采用噴漆機器人并配以必要的外圍輔助設(shè)備進行噴涂工作，獲得了良好的效果。本文將介紹鐵路機車機器人自動噴涂系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)構(gòu)成、工作原理及控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)基本配置

此機器人自動噴涂系統(tǒng)主要由以下五部分構(gòu)成：防爆噴涂機器人、機器人水平移動裝置、機器人垂直升降裝置、總控系統(tǒng)和集中供漆系統(tǒng)。

機器人水平移動裝置由交流伺服電機經(jīng)減速機減速后，通過齒輪、齒條傳動，拖動安裝有機器人升降裝置的滑板，帶動滑板沿直線導(dǎo)軌做直線運動。機器人移動裝置的傳動及導(dǎo)向部件均采用迷宮式結(jié)構(gòu)全長防護，可在漆霧環(huán)境下使用，如圖1所示。

圖1 機器人水平移動裝置

機器人升降裝置由帶抱閘的防爆電機、減速機組拖動，帶動托架（機器人固定在托架上）經(jīng)直線導(dǎo)軌導(dǎo)向上下移動，其位置只有上、下兩個位置，由機器人控制柜進行開關(guān)量控制。將根據(jù)不同車型，確定不同的噴涂位置如圖2所示。

集中供漆系統(tǒng)包括油漆循環(huán)系統(tǒng)、液壓油供給系統(tǒng)、油漆熱交換系統(tǒng)等。油漆循環(huán)系統(tǒng)將油漆輸送到各個工位，并保證油漆始終流動、減少沉淀。液壓油供給系統(tǒng)是給液壓輸漆泵的馬達提供動力用液壓油。油漆熱交換系統(tǒng)是通過冷熱水供給來調(diào)節(jié)、控制油漆的溫度。

圖2 機器人升降裝置

總控系統(tǒng)由六部分構(gòu)成：PLC控制系統(tǒng)、機器人控制系統(tǒng)、人機界面、伺服電機控制系統(tǒng)、變頻電機控制系統(tǒng)和控制面板。前5部分均與PLC系統(tǒng)進行直接的信息交換。PLC系統(tǒng)相當(dāng)一個信息中轉(zhuǎn)站、命令控制器及狀態(tài)顯示器，對整個系統(tǒng)進行控制。

防爆噴涂機器人系統(tǒng)主要完成在自動噴涂過程中對自動噴涂運動軌跡進行控制，可以對噴槍開、關(guān)進行自動控制。針對不同的噴涂軌跡可以設(shè)置成相應(yīng)的程序號，機器人可以接受總控系統(tǒng)發(fā)來的程序號命令，調(diào)用相應(yīng)的噴涂程序。機器人噴涂軌跡程序，可結(jié)合系統(tǒng)內(nèi)部指令和點對點的人工示教完成。

2 工作原理

系統(tǒng)的總體設(shè)計采用了兩臺機器人在工件的兩面對稱噴涂，每一臺機器人負(fù)責(zé)噴涂工件表面的一半面積。每一臺機器人安裝在伺服移動導(dǎo)軌上，以滿足被噴工件長度方向噴涂的技術(shù)要求。由于工件高度達4.5米，機器人在同一個水平方向噴涂是滿足不了高度噴涂要求的，所以，在機器人的移動導(dǎo)軌上再增加一個升降自由度，在噴涂的過程中，根據(jù)噴涂的需求及時地抬高機器人的噴涂位置，以滿足工件高度噴涂的需要，垂直高度驅(qū)動采用變頻控制，水平移動方向采用伺服控制系統(tǒng)。機器人噴涂系統(tǒng)，對每一臺機器人所包含的全范圍噴涂方式，采用長度方向分段噴涂，高度方向分為兩層噴涂。

在人機操作界面輸入相應(yīng)的工件號及顏色號之后，啟動系統(tǒng)，水平移動裝置的伺服控制系統(tǒng)開始相對于工件找零點以確定啟噴點，零點到位后總控系統(tǒng)自動給機器人控制系統(tǒng)發(fā)出啟動命令、程序號，機器人收到后發(fā)回反饋信號，通知伺服系統(tǒng)運動至第一個啟噴位置。伺服系統(tǒng)移動到位后通過與PLC系統(tǒng)交互信號給機器人控制系統(tǒng)發(fā)一個伺服到位信號，此時，機器人開始按預(yù)先示教程序進行第一步分段噴涂。機器人完成第一部分噴涂后，反饋給PLC系統(tǒng)讓伺服系統(tǒng)運動至第二個啟噴位置，伺服系統(tǒng)移動到位后通過與PLC系統(tǒng)交互信號給機器人控制系統(tǒng)發(fā)下一個伺服到位信號，機器人再進行第二步分段噴涂。如此重復(fù)直到工件下半部分噴涂完成。完成后，總控系統(tǒng)再通知垂直移動裝置的變頻控制系統(tǒng)運動至工件上半部分啟噴位置。到位后通過與PLC系統(tǒng)交互信號給機器人控制系統(tǒng)發(fā)一個變頻到位信號，這時機器人系統(tǒng)配合水平移動裝置完成工件上半部分噴涂，原理與工件下半部分噴涂類似。當(dāng)完成噴涂回到結(jié)束點時，總控系統(tǒng)通知變頻控制系統(tǒng)運動至起始安全位置，整個工件噴涂結(jié)束，系統(tǒng)處于準(zhǔn)備好狀態(tài)，等待下一個噴涂命令的到來。

3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)采用進口可編程控制器作為中央控制單元，對機器人、機器人直線移動裝置、機器人垂直升降裝置、集中供漆系統(tǒng)等設(shè)備進行總體協(xié)調(diào)與控制。上位采用觸摸屏，具有故障顯示功能，便于設(shè)備排除故障。總控系統(tǒng)與機器人系統(tǒng)間實時交互狀態(tài)信息，確保機器人協(xié)調(diào)有序工作。

控制系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)分為6大塊，相互間通信方式為：

1）人機界面。

2）PLC系統(tǒng)：人機界面與PLC系統(tǒng)采用PROFIBUS-DP通信。

3）機器人系統(tǒng)：機器人系統(tǒng)與PLC系統(tǒng)采用I/O開關(guān)量通信。

4）伺服系統(tǒng)：PLC系統(tǒng)與伺服系統(tǒng)采用I/O開關(guān)量通信。

5）變頻控制系統(tǒng)：變頻控制與PLC系統(tǒng)采用I/O開關(guān)量通信。

6）控制面板I/O按鈕輸入直接接入PLC系統(tǒng)的輸入口。

總控系統(tǒng)可實現(xiàn)功能：發(fā)送給機器人控制命令，以及接收機器人工作過程中返回的狀態(tài)信息；與上位機進行信息交換，接受上位機發(fā)來的各種命令并對其進行相應(yīng)的處理，向上位機發(fā)送各種狀態(tài)信息；對人機界面的輸入按鈕及輸出指示進行控制，對報警指示燈進行控制；對外部的各種輸入輸出信息（如移動裝置的限位信號、零點信號、工件到位信號、故障信號等）進行處理；上位機觸摸屏可實現(xiàn)系統(tǒng)工作狀態(tài)監(jiān)控、參數(shù)設(shè)定及修改、參數(shù)顯示、報警信息顯示、故障復(fù)位等工作。機器人伺服直線移動裝置共含有2臺伺服電機，采用進口伺服控制系統(tǒng)，可以精確控制水平方向的位移，及時反饋運動過程中的狀態(tài)，并且重復(fù)精度高。

系統(tǒng)前期準(zhǔn)備工作由總控系統(tǒng)發(fā)命令來完成。如系統(tǒng)找伺服零點，找工作原點，發(fā)出啟動命令等。當(dāng)總控系統(tǒng)發(fā)完啟動命令后，后面的一切工作由機器人噴涂系統(tǒng)自動完成，PLC系統(tǒng)這時只是起到一個承上啟下的作用、實時傳寄信息的功能。一個自動工作周期完成后，機器人給上位機發(fā)工作結(jié)束命令，這時，各個功能單元均處于自動工作方式的待命狀態(tài)，等待上位機新的工作命令的發(fā)送。

總控界面功能主要是：

1）可以顯示系統(tǒng)在工作過程中的工作狀態(tài)（如機器人，變頻器，伺服系統(tǒng)的各種狀態(tài)信息）；

2）程序號和顏色號的編制修改和發(fā)送；

3）手動功能下的功能操作（如換色操作，清洗操作）。

重要的功能操作可以由操作面板上的功能按鈕直接操作。

4 結(jié)束語

圖3 總控界面

通過給運動軌跡固定的工業(yè)機器人增加外部軸，可以加大機器人的工作范圍，從而在大型工件噴涂領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用。本文介紹的鐵路機車機器人噴涂系統(tǒng)，安全防護等級高，操作簡潔方便，噴涂效果穩(wěn)定，極大程度上降低了工人的勞動強度及改善了工作環(huán)境，提高了工作效率，已在用戶現(xiàn)場成功應(yīng)用并獲得好評。

Robotic paint spraying system in the application of railway locomotives

FANG Jing-jing

隨著工業(yè)自動化領(lǐng)域科技水平的不斷提高，噴漆機器人的應(yīng)用越來越廣泛，尤其對形狀復(fù)雜、漆膜質(zhì)量要求高的產(chǎn)品，具有6個伺服控制軸和流量控制系統(tǒng)的噴漆機器人可以高效高質(zhì)量的完成任務(wù)。本文詳細(xì)的介紹了針對鐵路機車研發(fā)的機器人自動噴涂系統(tǒng)設(shè)備結(jié)構(gòu)、功能及工作原理。

工業(yè)噴漆機器人；直線行走機構(gòu)；伺服控制系統(tǒng)

房晶晶（1980－），女，工程師，本科，主要從事機器人噴涂方面的工作。

TP273

A

1009-0134(2012)08(下)-0154-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2012.8(下).47

2012-05-04