懸掛軌道式旋杯涂裝機器人

涂裝工程所 郭磊，曲銀燕

近年來，涂裝車間機器人應用的發展，在噴涂效率、質量、降低運行成本和降低投資上取得顯著的提高。發那科機器人公司推出的懸掛軌道式噴涂機器人 — FANUC P-500型外部噴涂機器人系統，能夠做到較低的成本，更小的安裝尺寸和更少的安裝時間，并能夠處理較大范圍的車型。

圖1 P-500 外部旋杯涂裝系統

1 近年來在涂裝機器人領域的研究

1.1 工藝設備的集成

安裝在機器人手臂中的涂料換色模塊組盡可能的接近噴杯（見圖2）這樣可以最大限度的減少涂料浪費，此類改進措施表現在運行費用和整個運行周期過程，大大提高了設備的噴涂效率，縮短了系統正常運行時間，降低了設備投資。

圖2（a）普通機器人集成的手臂內部

圖2（b）P-500 機器人的工藝設備

1.2 噴涂的優化

從上世紀末到本世紀前五年期間，研究人員主要關注的是兩個噴涂領域的優化：即機器人應用100%靜電霧化器(或稱旋杯)的車體外部噴涂和機器人應用于運動的輸送鏈上的車體內部噴涂（如門內側，引擎室，底蓋等）。機器人100%外部旋杯噴涂應用開發著重于旋杯設計和涂料的混合比例使金屬漆能夠用旋杯達到可以接受的顏色和外觀標準。而之前要獲得良好的表面效果，車體外表面的兩層金屬漆中至少一層是采用空氣霧化噴槍噴涂的。這種杯+杯工藝與以前的空氣槍的噴涂工藝相比，顯著地減少了（20%-40%）涂料的使用量。

“杯+杯”工藝的研究已得到了充分的應用，從九十年代中期到二十一世紀早期，汽車的噴涂中，機器人噴杯混合使用噴槍和旋杯的比例從1995年大約85%噴槍和15%旋杯變成最近幾年中的85%旋杯和15%噴槍。

由于近來行業中大多使用旋杯噴涂應用于車身外表面噴涂，因此，使用旋杯的外表面噴涂是FANUC P-500 噴涂系統終端產品研究的焦點。發那科機器人公司的P-500 噴涂系統為車身外表面噴涂的應用。

FANUC P-500 機器人外表面噴涂系統是非常成功的，使用懸掛于軌道的機器人噴涂車身外表面在汽車工業的車身外表面噴涂上產生了深遠的影響。自2003年首次推出 P-500 系統以來，全球已安裝了超過約2000臺。

FANUC P-500 設計方法引發了在數個區域的創新思維，具有多項專利和專利應用，這些區域涉及到機器人設計、工藝設備設計、生產維護、程序設計方法以及安裝。P-500 系統提供了最高級別的均勻性和噴涂工藝效率。專利的工藝方法和優化的噴涂設備設計最小化了生產過程中超范圍的噴涂。

2 車身外部的噴涂

2.1 車身外部的噴涂要求

噴涂質量：主要是厚度、外觀方面要減少灰塵、贓物；

控制噴涂軌跡；

靈活性：適應產量的多變性；對未來車型具有適應性(復雜的車型；特出的車型)；

投資成本低；

操作成本低；

能縮短調試周期進而縮短新車型的推出時間；

易于維護和操作方便。

2.2 解決方案

使用靈活簡便的機器人；

引入“清潔墻（懸掛機器人）”的概念；

改善投資和運行成本；

簡化機器人軌跡編程，減少需要對機器人編程的時間，并且在整個車間實施模擬和編程的一致性。

3 懸掛軌道式旋杯涂裝機器人系統的特點

懸掛軌道式涂裝機器人系統提供了比傳統機器人具有更強的噴涂性能的車體外表面噴涂系統，減少用戶成本和生產費用，可以比固定安裝機器人更快地完成安裝和調試。懸掛軌道式涂裝機器人的主要優勢：

圖4

3.1 機器人更小并更靈活簡便

圖5 一個兩軸的手腕

研究人員通過機器人機械單元的機器人運動學設計的開發，對大范圍現存用于生產的系統來進行分析，在此基礎上重新設計，這個設計包含懸掛的機器人，去掉了機器人腰部的軸，又使用了一個兩軸的手腕，簡化了整個系統。

軌道方式提高了噴涂路徑的靈活性和可操作性，減少了噴涂設備對輸送設備的依賴性。

通過除去外部噴涂應用中不需要的多余的軸，這種五軸機器人集成了七軸機器人的優點，且以較少的軸達到100%工作范圍的利用效果。

軌道方式，比固定式更易于在線跟蹤編程，五軸的編程設計相對于六軸或七軸機器人來說要簡單得多。

PaintPRO 軟件是一個圖形化的離線編程解決方案，可以簡化機器人軌跡編程，也減少了對機器人編程的時間。所有的路徑編程均可在安裝與建模期間完成，節約了后續安裝與調試的時間。

由于大多數應用設備嵌入到了FANUC P-500 中，室外安裝的設備的數量一般低于臺座式系統。

即插即用的設計－就位、連接油漆管路、氣管和電源。系統的許多部分在到達現場前已經預先安裝和校正，成為標準的生產設計。氣動控制柜的位置考慮到旋杯排除校準氣動的延遲的需要和排除現場更新。得益于氣動控制面板安裝在機器人本體上，使得開關槍和噴幅轉換更加靈敏。

3.2 噴涂質量易于控制

配置軌道的 FANUC P-500 可以提供最長的噴涂時間和最少的非噴涂動作。而對于臺座式機器人，當對路徑進行編程或改變顏色后，需要頻繁地重新定位。

軌道方式比固定式易于在線跟蹤編程，這種方式提供了最長的開槍時間，最小流量，最大的涂料利用率，這在考慮降級和噴涂窗口的有效性時是非常重要。相對來說，固定式的機器人運動速度要加快，使得流量要相應增大，導致涂料利用率降低，品質降低。

FANUC P-500系統的軌道軸可以保證機器人在任何輸送速度下都可以重放相同的機器人動作，不會出現意外動作錯誤和異常機器人動作。

FANUC P-500機器人設計方案裝配了完全一體化的工藝控制。在噴涂過程中，可以對流體和氣動工藝的變化做出非常迅速的、重復性的響應。

噴房氣流對懸掛機器人的影響比起固定式或地面軌道式機器人來要小。

氣動控制面板安裝在機器人本體上，使得開關槍和噴幅轉換更加靈敏。

3.3 客戶的直接成本顯著降低

客戶的直接成本在兩方面顯著降低：

（1）機器人系統自身的價格減少；（2）機器人系統的設計滿足更小的安裝面積，所需的空間減少了約40%。這顯著的減少了噴房的工程費用。

3.3.1 機器人系統自身的價格減少

控制系統數量減少

☆每一臺機器人控制器控制兩臺機器人。

☆系統的鋼結構用作電纜線槽和軟管路徑，使得單臺機器人的連接數量減少。

☆一個公用的空氣控制柜用于供應多臺機器人。

☆由于大多數應用設備嵌入到了P-500系統中，室外安裝的設備的數量一般低于臺座式系統。

☆控制體系中互聯的數量顯著減少。

3.3.2 機器人系統的設計滿足更小的安裝面積，所需的空間減少了約40%。這顯著的減少了噴房的工程費用。

噴房的長度和寬度減少

☆由于 FANUC P-500 機器人沒有大旋轉軸，機械臂的運動不能超出噴房尾部，所以縮短了噴房尾部的安全區，并因此縮短了噴房的整體長度。不需要在室內預留1-2 米的長度以達到操作員安全需求。

☆同許多臺座式機器人對比，按照最新運動學設計的FANUC P-500 機器人設計特點可以減少同時減少噴房的寬度。

☆機器人的設計結果是可以處理大范圍的車輛，同時減少噴房的寬度10-20%、噴房的長度40%。

（1）懸掛軌道式涂裝機器人：噴房長13m，寬4.3m，面積55.9m2。

圖 6 懸掛軌道式涂裝機器人噴房

（2）固定式涂裝機器人：噴房長14.5.m，寬5.5m，面積77.5m2。

圖 7 FANUC P-500噴房和固定噴房比較

懸掛方式不需要安裝在噴房內鋼架上無需考慮機器人的基礎，減少了支撐機器人的型鋼和底架；

格柵不需配作。

在噴涂設備和自動清洗旋杯設備新方法的設計改進過程中，除去了系統對空氣加熱器的需要。這改進了維修并減少了系統的復雜性。節省了電力也降低運行成本。

3.4 客戶的運行成本降低

小的安裝面積使其所需的能耗減少，與以前的機器人系統相比，大多數情況下可節約超出20%的運行。

FANUC P-500機器人具有非導電外臂和腕，在室內懸掛，使傳遞效率達到最大，涂料在機器人中的堆積最少，降低了清潔頻次和車體污染。機器人護套也無須象常規機器人那樣頻繁更換，降低使用成本。

保證了地面的清潔，體現在四方面：

（1）系統需要的控制柜的數量減少，占地面積小。

（2）提供一個簡約的過道空間，它減少了面板，連接盒及其他部件的使用。

（3）系統的設計把不需要和常規控制柜放在中間層，遠離地板。

（4）高空懸掛式不需要安裝在噴房地面支撐鋼架上，降低了噴房振動時造成的噴涂污染地面，清潔費用低。

3.5 設備編輯方便

PaintPRO 離線式可便程軟件采用了與實際機器人相同的運動計劃器，簡化了編程路徑，可以快速生成機器人程序。

圖8 PaintPro 離線編程軟件

通過電腦，所有的路徑編排均可在安裝與建模期間完成，節約了將來安裝與調試的時間。

通過電腦，所有的路徑編排均可在安裝與建模期間完成，節約了將來安裝與調試的時間。

五軸機器的編程相對于六軸或七軸機器人來說要簡單得多，FANUC P-500的這項設計集成了七軸機器人的所有優點。

3.6 設備安裝方便

由于標準的工藝和系統組成，集成式氣動控制面板，以及標準的電纜組線，也因此減少安裝時間。

比起其他機器人減少了大量零部件，安裝方便。

氣動裝置，成型空氣控制以及杯速控制組件的應用均以某著名涂裝校對標準進行預先校準過。

FANUC P-500 噴涂系統出廠時已經完全組裝好并且經過充分的測試，同傳統臺座式系統比較，在現場安裝設備所需要的時間和成本大大降低了。降低了安裝期間產生問題的機會。

一星期內成功地安裝和調試。

3.7 設備操作維護方便

操作介面和PLC 安裝在一塊面板上，可簡單、快速的處理故障。

減少維護且簡化與改進了涂料管及空氣管路的排布。

易于安裝換色閥及管路，由于簡化了P-500系統結構設計與維護，從而減少了大量易損件。

獨特的某著名涂裝溶劑-空氣閥在清洗過程中比其他系統節省50-70%溶劑。

雖需要一些工具保證一些噴涂設備的正確安裝，機器人的設計提供了顯著的改進，在減少平均維修時間上超過了以前的系統。

3.8 FANUC P-500機器人 懸掛方式充分體現了＂清潔墻＂設計

FANUC P-500 機器人為高架式設備，置在機器人下。同地面安裝式機器人比較，室內噴涂過程的可視度提高了；

并允許在機器人軌道下面放置檢修門；

圖9 實際 FANUC P-500 安裝顯示了工藝的能見度

3.9 FANUC P-500 系統可用于水性靜電旋杯噴涂

噴涂設備的最大的突破之一就是可用于水性靜電旋杯噴涂。發那科噴涂系統，開發了一個高效直充噴涂而無需外部碼頭或容器交換系統。這個新方法不僅顯著增加了水性系統噴涂效率，而且顯著的減少了與之相關的復雜性和維修成本。

4 總結

FANUC P-500 懸掛軌道式噴涂機器人是理想的車體外表面噴涂機器人，設計提供了高性能、高耐久性、柔性化、操作簡便和少維護的完美組合，這個系統在提高運行效率和工件外部的噴涂質量上取得了成功，與前一代產品相比，也顯著減少了外部涂裝系統的投資成本和生產運行費用。目前，在國內新建的大型汽車涂裝線上已開始得到推廣應用。

[1] 陸通林. 多功能噴漆機器人[J]. 汽車制造業, 2005.