一種轉臺式多工位表面自動噴涂系統設計

童季剛 羅良傳 廖菲

（廣東省智能制造研究所）

一種轉臺式多工位表面自動噴涂系統設計

童季剛 羅良傳 廖菲

（廣東省智能制造研究所）

為更好地解決工件表面噴涂不均勻、自動化程度較低及噴涂質量不穩定等問題，設計一種轉臺式多工位表面全自動噴涂系統。該系統由裝有噴槍的六軸工業機器人、大轉臺和小轉臺組成的圓形12工位轉臺以及基于PLC的控制系統組成。系統可根據工件尺寸大小，調節大轉臺和小轉臺對于每一個工位的公轉速度和轉臺合適的轉動角度，設定合適的工位轉臺自轉速度或角度和工業機器人噴槍移動速度，確保在設定時間內完成12個工件的表面噴涂。該系統采用模塊化結構設計，可靠性高，應用前景廣闊。

表面噴涂；多工位；工業機器人；轉臺

0 引言

隨著社會發展和人民生活水平的提高，對工業用品和生活制品表面處理的要求也越來越高。噴涂作為制品表面處理的一種方法和手段，其發展方興未艾[1]。近來噴涂除了在大氣等離子噴涂、超音速火焰噴涂、冷噴涂等方面發展較快外，在低壓等離子噴涂薄涂層、液體熱噴涂技術的研究及應用方面也得到現代表面工程科學家的關注，具有較大的發展空間及應用前景[2]。隨著噴涂技術的發展，全自動噴涂技術日趨成熟，也應用到各個行業。自動噴涂是汽車涂裝的關鍵工藝技術，其特點是涂膜裝飾性好、噴涂質量穩定、油漆利用率高、可用于噴涂水性涂料、利于環境保護等，已經被汽車制造業普遍采用[3-4]。目前，國內噴涂設備主要有水平往復自動噴涂機、垂直往復自動噴涂機、旋轉噴涂機、多軸頂噴機、噴涂機器人等，可用于外表面較大物件的自動噴涂[5-7]。這些自動化噴涂設備都局限于單個工件、單種顏色的平面噴涂，產品生產周期長，自動化程度較低。伴隨著工件種類的增多和工藝復雜性的提高，現有的噴涂設備已經無法滿足行業需求[8]。

本文提出一種轉臺式多工位表面全自動噴涂系統，該系統由裝有噴槍的六軸工業機器人、大轉臺和小轉臺組成的圓形12工位轉臺以及基于PLC的控制系統組成，可以根據工件尺寸大小，調節合適的大、小轉臺的公轉速度和每個工位轉臺的自轉速度，完成工件的全面噴涂，實現對工件的全自動360°轉動連續噴涂。

1 系統整體結構

自動化噴涂系統總體框架如圖1所示，由控制系統、IRB120工業機器人和工作轉臺構成。工作時，首先選擇和輸入控制轉臺的有關參數，然后系統根據要求自動按順序控制工作轉臺運動，并控制IRB120工業機器人按要求自動對轉臺上的工件進行噴涂加工，直到轉臺上的工件加工完成。

圖1 自動化噴涂系統總體框架

自動噴涂系統通過工控機與PLC組成一個控制網絡，實現全自動控制與管理，即通過接入柔性生產線設備的數控自動調整技術，以生產過程控制系統為基礎，通過對生產管理、過程控制等信息的處理、分析、優化、整合、存儲，實現信息管理與控制一體化。系統通過集成多種過程控制單元與管理單元，實現數控自動調整功能，使生產線能夠快速適應加工尺寸、加工形狀等工藝的頻繁變化，極大提高設備的生產使用效率，大幅減少出錯率和殘次品，縮短加工周期，實現噴涂系統的全自動控制與管理。轉臺整體結構如圖2所示。

圖2 轉臺

表面噴涂轉臺由大轉臺和均布于大轉臺上的12個小轉臺組成。大轉臺底部安裝電機，用于驅動大轉臺的旋轉運動；在大轉臺周向相隔90°均布4個小電機，分別用A1、A2、A3、A4標識。當需要某個編號的小轉臺旋轉時，只需旋轉大轉臺將待工作小轉臺轉至鄰近的小電機即可，并可根據要求控制4個小電機中的某一個或多個電機工作。大轉臺和小轉臺都具有恒速自轉及定角度旋轉2種工作模式。

在噴涂的過程中，可根據工件尺寸大小，選擇合適的大轉臺、小轉臺的自轉速度和相對于工件的公轉速度；確定大轉臺、小轉臺的轉動角度；調節工業機器人的噴槍移動速度，實現同時對12個工件的自動化噴涂。表1～表2所示為大轉臺、小轉臺的工作模式，可隨時調節自轉速度和角度，確保工件表面被均勻噴涂。表1與表2中所示為大、小轉臺轉動速度與角度，可根據IRB120工業機器人噴涂運動速度與工件冷卻速度調節轉臺轉動速度與角度，同時可根據小轉臺不同工位選擇合適的速度。

表1 大轉臺自轉速度、角度

表2 小轉臺自轉速度

2 六軸工業機器人

根據轉臺在噴涂過程中轉動的角度，選擇六軸IRB120工業機器人作為系統的噴涂工業機器人，如圖3所示。IRB120六軸工業機器人由主體、驅動系統和控制系統3個基本部分組成。主體即機座和執行機構，包括臂部、腕部和手部，噴槍安裝在手部；驅動系統包括動力裝置和傳動機構，用以使執行機構產生相應的動作；控制系統按照輸入程序對驅動系統和執行機構發出指令信號并進行控制。六自由度的機器人保證了轉臺轉動時噴槍能噴涂到工件的每一個噴涂面。

圖3 六軸工業機器人

3 控制系統設計

自動噴涂系統采用基于開放的控制標準設計，采用PLC控制系統并預留通訊接口，將集成PLC、IRB120工業機器人和工作轉臺連接，并通過集成控制系統實現對IRB120工業機器人和工作轉臺控制，初步實現噴涂工件的自動化。控制系統整體框架如圖4所示。

圖4 控制系統框架

控制結構從系統組成的角度看，任何具有獨立功能和智能監控系統的單元或設備，都可以集成到該系統中，在系統協調運行機制的約束下成為該監控系統中的成員。同時由這些監控子系統與管理器所構成的檢測監控系統，在基于某種實現標準的前提下也可方便地集成到整個先進制造系統當中，使得系統具有極大的可擴展性，便于改造、升級，具有極大的靈活性和可伸縮性。為滿足對工作臺的控制要求，采用PLC伺服系統的結構來實現工作平臺的自動控制。由FX3U-485控制模塊控制整個工作臺的轉動狀態，FX3U-4DA模擬輸出模塊將系統數字信號轉換成模擬信號傳輸給MR-J4-70A伺服模塊，MR-J4-70A伺服模塊控制伺服電機工作確保每個工位轉動精度，確保了整個控制系統的穩定性和準確性。控制系統的總體結構框圖如圖5所示。

圖5 控制系統總體結構框圖

表面噴涂平臺控制系統有4種常用功能：大轉臺恒速自轉、大轉臺等角度轉動、小轉臺恒速自轉和小轉臺等角度旋轉。系統控制界面圖如圖6所示。

圖6 系統控制界面圖

4 試驗分析

具有空間6自由度的六軸IRB120工業機器人可很好地隨轉臺的轉動而移動，完成每一個工件的全面噴涂。系統樣機如圖7所示。現對大小轉臺在不同轉速下噴涂12個工件進行試驗，試驗數據如表3所示。

圖7 系統樣機

表3 試驗數據

從試驗結果可以看出，大轉臺速度為3 r/min、小轉臺速度為300 r/min時，噴涂有效工件數量最多，即效率最高。

5 結語

設計的一種轉臺式多工位表面全自動噴涂系統在大轉臺速度為3 r/min、小轉臺速度為300 r/min時可高效自動完成對12個工件的噴涂。同時采用的六軸IRB120工業機器人保證噴槍能隨著轉臺自轉的速度和角度而進行連續噴涂，達到了噴涂自動化生產線的要求，可靠性高，市場推廣價值巨大，具有很好的市場應用前景。

[1] 李菊,沈惠平,蔣益新,等.平面全自動噴涂機的運動算法設計與研制[J].機械設計,2009,26(4):59-61.

[2] 周克崧,劉敏,鄧春明,等.新型熱噴涂及其復合技術的進展[J].中國材料進展,2009,28(9-10):1-8.

[3] 韓鴻志,張大衛,彭凌云,等.全仿形自動噴涂機噴涂軌跡規劃與結構設計[J].機械設計,2014,3(7):75-80.

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[5] 梁治齊,熊楚才.涂料噴涂工藝與技術[M].北京:化學工業出版社,2009.

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[7] 陸海波,鄧海濤,朱延松.往復式電腦控制噴涂機設計的幾個要點[J].蘇鹽科技,2000(1):31-33.

[8] 林敏,徐小明,彭忠凱.一種多工位全自動玩具噴涂機的設計[J].機電工程技術,2015,44(11):26-28.

Design of Automatic Surface Spraying System for Rotary Multi Station

Tong Jigang Luo Liangchuan Liao Fei
(Guangdong Institute of Intelligent Manufacturing)

A kind of automatic spraying system for rotary table and multi work station is designed. The system is composed of six axis industrial robot with a spray gun, a circular 12 position rotary table which is composed of a big and small turntables, and PLC control system. According to the work piece size, the system adjusts the turntables for the right set of the appropriate position turntable rotation speed and industrial robot gun speed to complete 12 work piece surface spraying in the set time. The system can complete the spraying of 12 workpiece surface at the same time.

Surface Spraying; Multi Station; Industrial Robot; Turntable

童季剛，男，1964年生，本科，工程師，主要研究方向：自動化控制。E-mail:jg.tong@gia.ac.cn

羅良傳，男，1978年生，碩士研究生，工程師，主要研究方向：自動化控制。E-mail:lc.luo@gia.ac.cn

廖菲，女，1984年生，碩士研究生，工程師，主要研究方向：機械制造及其自動化。E-mail:straywendy@qq.com