一種圓形組件端面噴涂自動(dòng)生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)

鄭廣建

（中核（天津）機(jī)械有限公司，天津 300300）

0 引言

隨著汽車制造工藝的發(fā)展，傳統(tǒng)的人工噴涂方式已經(jīng)不能滿足汽車生產(chǎn)線的要求，噴涂生產(chǎn)線作為一種先進(jìn)的涂裝生產(chǎn)設(shè)備，能夠避免危害工作人員健康，提高經(jīng)濟(jì)效益和噴涂質(zhì)量。自動(dòng)涂裝涂層控制精度一般在0.01mm左右。

本文所述的一種圓形組件端面的涂層厚度要求控制在μm級，涂層的均勻性要求較高，且要求表面潔凈，無雜質(zhì)附著，因此，目前生產(chǎn)中常使用手動(dòng)噴涂方法完成。

工件手動(dòng)噴涂存在以下問題：

1）工件端面噴涂操作全部依靠操作人員手動(dòng)操作，自動(dòng)化程度不高，生產(chǎn)效率低；

2）操作人員手持噴槍噴涂，涂層厚度依靠人員的經(jīng)驗(yàn)來保證，控制精度不高，工件發(fā)黑層返工量大；

3）工件端面噴涂操作在半封閉的噴涂室進(jìn)行，操作人員長期接觸涂料，操作人員需佩戴防毒面具。

因此，解決以上生產(chǎn)中存在的問題，提高生產(chǎn)的自動(dòng)化程度，降低操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度及生產(chǎn)成本，成為企業(yè)目前急需解決的問題。

1 技術(shù)方案

基于高效、自動(dòng)化的設(shè)計(jì)要求，根據(jù)工件端面噴涂的位置特點(diǎn)和工藝要求，仿效人工端面發(fā)黑的操作步驟，設(shè)計(jì)和規(guī)劃自動(dòng)噴涂生產(chǎn)線。工件自動(dòng)噴涂生產(chǎn)線包括工件傳送裝置、工件旋轉(zhuǎn)裝置、噴槍控制裝置、噴涂系統(tǒng)、電控系統(tǒng)等部分。

1.1 工件傳送裝置

工件傳送裝置由支架、軌道槽、輸送鏈、鏈條、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、軸承座、上支撐座、下支撐座、鏈輪等部分組成。圖1是工件傳送裝置示意圖。

圖1 工件傳送裝置示意圖

如圖1所示，支架由50×50方鋼焊接而成，并支架下端設(shè)置有可調(diào)支腳，可以調(diào)節(jié)支架的水平及高度；上端輸送鏈的下部設(shè)置有軌道槽，其可以防止鏈條左右竄動(dòng)，有效保證輸送鏈傳動(dòng)平穩(wěn)；驅(qū)動(dòng)電機(jī)減速機(jī)選用斜齒輪蝸輪蝸桿減速機(jī)，其結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)行平穩(wěn)；設(shè)置在支架上的光電傳感器用于檢測工件的具體位置，為控制系統(tǒng)提供位置信息。

輸送鏈的上端安裝有上支撐座、下支撐座，用于支撐工件上、下端；上支撐座、下支撐座由聚四氟乙烯材料加工而成。圖2是工件傳送裝置俯視圖。

圖2 工件傳送裝置俯視圖

1.2 工件旋轉(zhuǎn)裝置

工件旋轉(zhuǎn)裝置設(shè)置在工件傳送裝置的中間位置。工件旋轉(zhuǎn)裝置采用齒輪機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，雙層套筒旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)工件自動(dòng)旋轉(zhuǎn)。圖3為工件旋轉(zhuǎn)裝置示意圖。

圖3 工件旋轉(zhuǎn)裝置示意圖

工件旋轉(zhuǎn)裝置主要包括驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、保護(hù)機(jī)構(gòu)等。

驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括托舉氣缸、托板、電機(jī)固定板、電機(jī)、主動(dòng)齒輪、連接齒輪、從動(dòng)齒輪；

旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)包括軸承、固定座、外套筒、軌道槽、內(nèi)套筒；保護(hù)機(jī)構(gòu)包括端蓋、擋漆板、保護(hù)墊。

工件旋轉(zhuǎn)裝置設(shè)計(jì)思路如下：

1）驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)工件的旋轉(zhuǎn)；

2）旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)采用雙層半圓筒結(jié)構(gòu)，雙層半圓筒之間設(shè)置軸承，保證工件旋轉(zhuǎn)平穩(wěn)；

3）保護(hù)機(jī)構(gòu)采用硅膠材料，有效調(diào)節(jié)圓形工件的徑向尺寸誤差。

其結(jié)構(gòu)示意圖，如圖4所示。

圖4 工件旋轉(zhuǎn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

其中，1為托舉氣缸；2為托板；3為電機(jī)固定板；4為電機(jī)；5為主動(dòng)齒輪；6為連接齒輪；7為軸承；8為固定座；9為外套筒；10為端蓋；11為擋漆板；12為保護(hù)墊；13為軌道槽；14為內(nèi)套筒；15為微型氣缸；16為銷子；17為銷孔。

圖5是軸承固定機(jī)構(gòu)局部放大圖。

圖5 軸承固定機(jī)構(gòu)局部放大圖

托舉氣缸安裝在設(shè)備基座上，托舉氣缸的活塞桿一端與托板連接；電機(jī)固定板固定在托板上，電機(jī)固定在電機(jī)固定板上；電機(jī)的輸出軸上設(shè)置有主動(dòng)齒輪，連接齒輪與主動(dòng)齒輪嚙合；

從動(dòng)齒輪設(shè)置在內(nèi)套筒的中部，內(nèi)套筒的外部周向還設(shè)置有兩個(gè)軌道槽，內(nèi)套筒的端部設(shè)置有卡槽，保護(hù)墊設(shè)置在內(nèi)套筒的內(nèi)部端面上；

外套筒上設(shè)置有固定座，軸承固定在固定座上，軸承的厚度尺寸與軌道槽的寬度相互配合；

端蓋固定在外套筒上，端蓋的內(nèi)端面卡在內(nèi)套筒端部設(shè)置的卡槽中，確保旋轉(zhuǎn)裝置平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)，擋漆板固定在端蓋上。

微型氣缸固定在設(shè)備基座上，微型氣缸的端部設(shè)置有銷子，從動(dòng)齒輪上設(shè)置有銷孔，銷子的外徑與從動(dòng)齒輪上設(shè)置的銷孔內(nèi)徑相互配合。

圖6是微型氣缸運(yùn)動(dòng)示意圖。

圖6 微型氣缸運(yùn)動(dòng)示意圖

如圖6所示，銷子離開銷孔，工件的外徑與保護(hù)墊接觸，在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，主動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)內(nèi)套筒旋轉(zhuǎn)，從而工件自動(dòng)旋轉(zhuǎn)，工件開始噴涂；當(dāng)工件完成噴涂后，電機(jī)減速，銷子在微型氣缸的驅(qū)動(dòng)下向下運(yùn)動(dòng)，銷子位于從動(dòng)齒輪上設(shè)置的銷孔時(shí)，內(nèi)套筒被卡住，工件停止旋轉(zhuǎn)。

1.3 噴槍控制裝置

噴槍控制裝置包括步進(jìn)電機(jī)、絲杠導(dǎo)軌。噴槍設(shè)置在Z軸步進(jìn)電機(jī)上，Z軸步進(jìn)電機(jī)控制噴槍的旋轉(zhuǎn)；Z軸步進(jìn)電機(jī)安裝在固定板上，X軸、Y軸步進(jìn)電機(jī)控制固定板沿X軸、Y軸方向直線平移。如圖7所示。

圖7 噴槍控制裝置示意圖

Z軸步進(jìn)電機(jī)下端安裝一把自動(dòng)噴漆槍，通過三軸編程，可使噴漆槍在水平面內(nèi)實(shí)現(xiàn)三自由度運(yùn)動(dòng)，精確控制噴槍的角度、速度和軌跡，達(dá)到最佳的噴漆效果，滿足工件發(fā)黑的工藝要求。

1.4 噴漆系統(tǒng)

噴漆系統(tǒng)主要由定量供漆系統(tǒng)、噴涂室、風(fēng)管、離心風(fēng)機(jī)、漆霧過濾柜等組成。

定量供漆系統(tǒng)由儲(chǔ)漆罐、蠕動(dòng)泵、噴槍以及壓縮空氣管路系統(tǒng)組成。儲(chǔ)漆罐帶有振動(dòng)器，可防止油漆沉淀。在配套的壓縮空氣管路中設(shè)有油水分離器、干燥過濾器、電磁閥、節(jié)流閥、減壓閥等。分二路控制，一路用于噴漆前吹掃工件，另一路用于噴漆，通過PLC自動(dòng)控制。

噴漆室外殼采用不銹鋼板制作，噴漆室內(nèi)裝有防爆照明燈，可以透過觀察窗隨時(shí)觀察工件噴涂情況。噴漆室內(nèi)兩側(cè)吸風(fēng)口須上下設(shè)置，隨夾套可分可合，減少漆霧逃逸。噴涂室內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖，如圖8所示。

兩個(gè)機(jī)械手噴漆裝置固定在噴涂室的上部，對分式夾套上半部分固定在噴涂室內(nèi)，工件端部防護(hù)裝置分布在對分式夾套的兩端。

噴涂室通過滑道固定在傳送鏈支架上，噴涂室整體可在傳送鏈支架上滑動(dòng)，噴漆室兩側(cè)罩殼可快速拆卸，方便工件旋轉(zhuǎn)裝置的日常維護(hù)。

工件完成噴涂后，逃逸的噴漆由離心風(fēng)機(jī)通過管道吸入干式漆霧過濾柜。干式漆霧過濾柜中使用專用玻璃纖維過濾材料，高效、安全而且經(jīng)濟(jì)。噴漆室內(nèi)只進(jìn)入一個(gè)工件，噴漆室的設(shè)計(jì)應(yīng)確保漆霧不易出噴漆室，并且盡量避免漆霧粘附到輸送鏈表面。噴漆室兩端氣動(dòng)門改善密封，下方增加進(jìn)氣過濾裝置。為了避免漆霧外逸噴漆室除必要的開口外盡可能封閉，同時(shí)采用必要的裝置防治灰塵等雜物進(jìn)入噴漆室。工件進(jìn)出處采用氣動(dòng)活動(dòng)門，工件進(jìn)出后隨時(shí)關(guān)閉。

1.5 電控系統(tǒng)

工件自動(dòng)噴涂生產(chǎn)線設(shè)置獨(dú)立的控制柜。鏈條傳送臺、工件旋轉(zhuǎn)裝置及定量供漆系統(tǒng)均通過PLC自動(dòng)控制，其定位由行程開關(guān)來控制。

機(jī)械手噴漆裝置采用三套獨(dú)立的步進(jìn)電機(jī)控制其運(yùn)動(dòng)，操作者可通過在控制器上操作編程，控制步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)作，完成每個(gè)獨(dú)立的動(dòng)作，然后通過PLC進(jìn)行連接，從而精確控制噴槍的角度、速度和軌跡，達(dá)到最佳的噴漆效果[1]。

工件自動(dòng)噴涂生產(chǎn)線現(xiàn)場效果圖，如圖9所示。

圖9 工件自動(dòng)噴涂生產(chǎn)線現(xiàn)場效果圖

2 噴涂參數(shù)設(shè)置

噴涂過程是噴槍以一定的速度和距離沿被噴涂物體表面移動(dòng)，涂料由噴杯霧化噴出，在噴槍出口處形成一定形狀的涂層沉積速率（μm/s）。建立涂層厚度的數(shù)學(xué)模型是噴涂軌跡設(shè)計(jì)的重要問題，確定涂層沉積速率函數(shù)是建立涂層厚度數(shù)學(xué)模型的前提條件[2,3]。

在實(shí)際涂層厚度建模中，先按照預(yù)先設(shè)定的噴涂參數(shù)噴涂平板，再使用測厚儀測量若干點(diǎn)的涂層厚度，由測點(diǎn)數(shù)據(jù)擬合涂層累計(jì)速率函數(shù)。

根據(jù)工件上端與下端自身的特點(diǎn)，確定了噴槍的動(dòng)作參數(shù)，如表1、表2所示。

圓形組件端面噴涂按照表1、表2進(jìn)行，并取得了一定的效益。

工件噴涂自動(dòng)生產(chǎn)線的研制，提高了工件噴涂的自動(dòng)化程度，噴涂操作由噴槍在密閉的噴涂室自動(dòng)完成，避免了操作人員接觸發(fā)黑漆料等化學(xué)品，改善了操作人員的工作環(huán)境，有益于操作人員的職業(yè)健康。

工件噴涂自動(dòng)生產(chǎn)線的研制，將工件噴涂生產(chǎn)節(jié)拍由90s/件提高至50s/件左右，噴涂生產(chǎn)效率提高了40%以上。

表1 工件上端噴槍動(dòng)作參數(shù)

表2 工件下端噴槍動(dòng)作參數(shù)

4 結(jié)論

1）工件自動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝置創(chuàng)新性的采用對分式夾套結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊湊，實(shí)現(xiàn)了易磕碰件的自動(dòng)上料、下料；

2）工件旋轉(zhuǎn)裝置內(nèi)外夾套之間由可拆卸的滾珠軸承支撐，采用滾動(dòng)摩擦副，保證旋轉(zhuǎn)平穩(wěn)；

3）工件噴涂自動(dòng)生產(chǎn)線的成功研制，有效提升了專用設(shè)備關(guān)鍵零部件的加工效率，穩(wěn)定了加工質(zhì)量，降低了生產(chǎn)成本。

[1] 施慶平.PLC在機(jī)器人噴涂生產(chǎn)線控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].微計(jì)算機(jī)信息(測控自動(dòng)化).2006,(22):6

[2] 陳偉.噴漆機(jī)器人噴槍軌跡研究[D],鎮(zhèn)江:江蘇大學(xué)2007.

[3] 周峰.噴涂機(jī)器人空間軌跡研究[D].鎮(zhèn)江:江蘇大學(xué)2009.