某鍛件自動噴涂集成系統體系框架及其布局研究

王友勝 ，侯 力，王少江，常青林，易宗禮

（1.四川大學 制造科學與工程學院，成都 610065；2.二重集團（德陽）啟帆智能科技有限公司，德陽 610065）

0 引言

在中國制造業中，表面噴涂技術得到了廣泛的應用，傳統手工噴涂存在工作效率低、噴涂質量差、資源利用率不高、管理難度大等問題，已經不能滿足當前的發展。隨著機器人技術和計算機技術的迅速發展，機器人自動噴涂被廣泛應用到各行業。我國學者對噴涂機器人技術和在各行業的應用做了大量的研究。李明忠、趙國瑞[1]設計了一種利用導流孔實現水流螺旋混流的新型噴嘴，運用有限元對水流入射角度、噴嘴腔體長徑比和噴嘴出流直徑等參數進行了仿真分析，霧化角度和噴射距離得到了理想結果；曾勇、龔俊等[2]針對噴涂路徑組合優化過程中誤差較大的問題，提出了直接修正和修正噴涂高度的修正方法，基于這兩種修正方法進行了噴槍軌跡和相關參數的優化，有效減小了誤差；董輝、李林鑫采用D-H參數法推導機械手的運動學方程并分析機械手的正、逆運動學問題，建立機械手仿真模型，以此為基礎完成機械手噴涂作業的軌跡規劃與運動仿真[3]；樊帥權、周波等[4]針對人工試教法存在的缺點，基于OpenGL開發了一套離線軌跡規劃與仿真系統，但只能應用在一些簡單曲面，不適用表面復雜的工件噴涂；湯養[5]和王金濤、徐金亭[6]分別提出了針對復雜曲面零件自動噴涂路徑規劃的方法，并在理論和仿真方面驗證了方案的可行性；盧曉東、唐倩等[7]針對表面噴涂技術的涂層均勻性問題，在橢圓雙β模型的基礎上，運用微分投影法，建立一種立體涂層累積速率模型，提出了一種雙層噴涂自動軌跡規劃方法；繆東晶、吳料等[8]開發了一種適用于航空飛機等具有大型自由曲面產品自動噴涂的機器人系統；康國坡陳新度等[9]為解決噴涂機器人電機選擇的困難，運用虛擬樣機技術對噴涂機器人結構和動力學進行分析，求得峰值扭矩基于轉速準則選取電機；房晶晶研究了機器人自動噴涂系統在鐵路機車噴涂中的應用[10]；康惠春、王建軍等開發了一套適合大型拖拉機底盤的機器人自動混氣噴涂集成系統，提升了底盤噴涂工藝能力[11]。

上述噴涂領域的研究成果為鍛造自動噴涂系統的研究設計提供了一定的技術基礎和參考，但是針對鍛造自動噴涂系統的研究，國內還處于起步階段，不能很好的解決工程實際問題。因此，本文基于某公司的真實案例，采用計算機集成控制技術與機器人自動噴涂技術相結合方法，提出了一種鍛件自動噴涂集成系統的體系框架和系統布局的規劃方案，并分析了該鍛件自動噴涂集成系統的工作節拍，實現了近無人化管理的生產模式，為相關集成平臺的開發和實施提供了一定的參考。

1 鍛件自動噴涂工藝流程

鍛件自動噴涂工藝流程是自動噴涂集成系統框架建立的基礎，同時也是自動噴涂集成系統布局的依據。根據噴涂需要的條件、設施、環境等條件，制定合理有序的噴涂工藝流程如圖1所示。

搬運機器人將工件從原料室搬到準備室進行等待；啟動叉車抬起待涂鑄件放到輸送機上，輸送機感應到有物體進入，開始工作，將待涂工件送入預熱爐的指定位置進行加熱，溫度控制在60℃～80℃；預熱完成后，輸送機再次啟動，將工件運送到清理室指定位置，采用高壓噴霧進行自動清理；完成后進入噴涂室，傳感器感應到工件到達指定位置，將信號傳遞給控制器，控制器接到信號識別出工件種類，調出對應程序，給噴涂機器人發送指令，噴涂機器人開始工作，按照給定軌跡進行噴涂，檢查是否有漏噴進行補噴；噴涂完成后，輸送機將工件送入冷卻室進行冷卻；自然風干，晾曬后放入儲存室，整個工藝流程完成。

2 鍛件自動噴涂集成系統體系框架

鍛件自動噴涂集成系統作為一種高度自動化的生產模式，它區別于以往的系統，由鍛件產品噴涂工程設計系統、專家和用戶綜合評審系統、鍛件產品噴涂實施系統、企業管理信息系統以及數據庫和計算機系統組成，其系統體系框架如圖2所示，鍛件產品噴涂實施系統各子系統如下。

2.1 同步系統

根據自動噴涂生產線為連續運行的通過式的特點，選取同步系統。同步系統是自動噴涂集成系統不可或缺的一個單元，它決定著噴涂位置定位的準確性，是工件到位自動檢測系統實現功能的前提。同步系統能夠實現噴涂機器人工作速度與輸送鏈速度之間同步協調，防止因速度不同步原因造成定位不準確或者引發故障。

2.2 工件到位自動檢測系統

工件到位自動檢測系統又是機器人噴涂系統的前提，主要用到的是傳感器技術，工件到位自動檢測系統對工件是否到達指定作業位置進行檢測，并將信息傳輸給控制系統，控制系統收到信號將指令下發到相應設備，如輸送設備、噴涂機器人等，設備接受到指令開始工作。

2.3 機器人噴涂系統

機器人噴涂系統是鍛件自動噴涂集成系統核心模塊，機器人噴涂系統主要由噴涂機器人系統、識別系統和供漆系統組成。

2.3.1 噴涂機器人系統

A公司采用某公司的專用噴涂機器人，噴涂機器人參數如圖3所示，技術特點為：

1）機器人氣體正壓防爆系統：噴涂機器人采用全封閉的結構，并在殼體中充入阻燃氣體來隔絕噴涂過程中可燃氣體，可以有效防止產生電火花而引起爆炸等安全事故。

2）連續3R斜交非球型中空手腕：噴涂機器人的四五六軸為中空非球型手腕結構，這樣可以將涂料管、高壓線纜、氣管等貫穿手腕，消除管道外置對導致機器人運動受限，提升高壓線纜的安全性。

3）噴涂范圍大，噴涂效率與質量高：噴涂機器人的運動半徑可以達到2.9米，遠超于市面上多數噴涂機器人，僅有ABB的IRB 5400、IRB 5500和川崎的KJ314-7軸等少數機型能達到，運動范圍如圖4所示。

圖1 噴涂工藝流程圖

圖3 SRPT15-2900機器人參數

2.3.2 識別系統

識別系統可以實現機器人自動噴涂多品種混流生產。它充當了機器人的眼睛，可以識別出系統中已經儲存的零件種類，并且通過通訊系統發送給總控系統，調用噴涂程序完成工件的噴涂工作。一般采用給每個零件編制二維碼，通過視覺傳感器掃描二維碼，來識別零件的種類。

圖4 SRPT15-2900機器人運動范圍圖

2.3.3 供漆系統

供漆系統主要由供漆泵、涂料調壓器、色漆換色閥和噴槍組成。為提高涂料的上漆率以及滿足噴涂環境防爆要求，采用高壓柱塞氣動泵給噴槍提供涂料；調節噴槍扇幅，采用自動涂料調壓器來控制涂料的供給壓力，實現自動調節；為提高機器人自動噴涂系統柔性和可擴展性，實現自動換色的功能，采用色漆換色閥，給更換涂料帶來極大的便利；基于鍛件多為大型工件，選用空氣輔助式無氣噴槍，即能實現大扇幅噴涂，同時還可以提高涂料的上漆率，節約涂料成本。

圖5 系統整體布局

2.4 生產過程監控系統

自動噴涂生產車間安裝自動監控系統，全天候實時監控生產過程。安裝監控系統，只需一個人在監控室進行監督查看生產過程，監控系統裝有報警裝置，當遇到突發狀況時，會以最快和最佳的方式發出警報并觸發急停動作，工作人員收到信號后，可以快速進入現場處理事故，分析事故產生的原因，不僅提高了作業安全性，降低了勞動成本，還提高工作效率。

3 鍛件自動噴涂集成系統布局

鍛件自動噴涂集成系統基礎結構由輸送室、預熱室、清理室、噴涂室、冷卻室組成，系統整體布局如圖5所示。采用Sketchup軟件繪制噴涂集成系統布局模型，可以更加直觀的反映出噴涂集成系統的工藝流程、系統框架，為接下來的實際應用提供依據。

3.1 輸送工藝室

輸送工藝主要進行上料輸送操作，針對噴涂鍛件多為大型工件，輸送裝置采用GWJ3500C重型積放式輸送機輸送，輸送機每個小車載重可達2000kg，本生產線采用4車組結構，可以滿足工件重量要求。工藝鏈速可以在9～15m/min范圍內變速調節。輸送工藝室如圖6所示。

圖6 輸送工藝室

3.2 預熱工藝室

預熱工藝主要是對鍛件進行補償熱量，防止鍛件從預熱爐運行至噴涂工位以及噴涂過程中，溫度下降，影響噴涂質量。溫度的調節方法采用PID調節，預熱工藝室如圖7所示。

圖7 預熱工藝室

3.3 清理工藝室

清理工藝主要是清理工件表面的灰塵、污漬等，采用高壓噴霧清理方式可以起到很好的清理效果，鍛件的清潔度也是噴涂質量的一個關鍵要素，清理工藝室如圖8所示。

圖8 清理工藝室

3.4 噴涂工藝室

噴涂工藝主要是鍛件的噴涂工作，是整個工藝流程的核心部分。噴涂工藝室內采用無人化自動噴涂，只有當作業出現問題或噴涂機器人需要維修保養時，工作人員才可進入。噴涂工藝室如圖9所示。

圖9 噴涂工藝室及冷卻工藝室

3.5 冷卻工藝室

冷卻工藝主要是針對已噴涂鍛件的溫度高，若采用自然冷卻，增減整個工藝時間，且影響噴涂質量，因此增加冷卻工藝環節進行人工冷卻降溫。待冷卻完成，自然晾曬風干后，送入儲藏室。冷卻工藝室如圖9所示。

4 應用效果分析

輸送工藝貫穿整個工藝過程，對后續的其他工藝的有序進行起到關鍵作用，因此，選擇輸送工藝模塊進行現場展示。鍛件產品體積重，慣性力大的特點決定了輸送裝置要運行平穩、速度緩慢、可調控。選用積放式輸送機可以滿足上述的需求，其特點是積放式輸送機的工作狀態穩定、承載能力強、調控范圍廣，因此，非常適用于自動噴涂生產線的各個工位間的生產過程協調配合，現場情況如圖10所示。

圖10 輸送工藝現場圖

自動噴涂生產線原計劃的日產量為50件，考慮生產車間的設備需要進行階段性維護保養等，因此，實際產量與設計產量間存在一個誤差系數，該系數一般取為0.95左右。現場生產采用全天候不間斷工作制度，除去假期以及維護保養時間實際工作天數大約280天左右車間的設備利用率取為90%。生產線為串聯模式，各個設備之間相互獨立工作，不存在共用設備現象。計算自動噴涂生產每年有效工作時間，如下式所示：

上式各參數的物理意義為：

T為自動噴涂有效年工作時間；

T0為噴涂實際日工作時間；

C為實際年工作天數；

η為代表車間設備的實際利用率。

將相關數據帶入上式計算可得：

在滿足年產量規定指標情況下，平均分配到每個鍛件上的有效噴涂時間為：

上式各參數的物理意義為：

λ為分配到每個工件的有效噴涂時間；

S為代表該條自動噴涂生產線的鍛件產量。

經過上述計算可以得出該條噴涂生產線的工作節拍為28分鐘，與之前的工作節拍70分鐘（A公司的工作節拍）相比提高了2.5倍，年產量由1400件增加到3500多件，且噴涂的質量也得到了很大改善。

5 結語

鍛件自動噴涂集成系統技術是一個技術性和實用性很強的研究課題，本文的研究取得了如下成果：

1）針對鍛件產品的噴涂過程的特點和傳統的噴涂系統存在的問題，建立了一種鍛件自動噴涂集成系統體系結構。

2）以鍛件噴涂集成系統體系的組成及其結構特點為根據，合理規劃了鍛件自動噴涂集成系統的布局。

3）以A公司為應用企業，成功實施了我國首項鍛件噴涂行業計算機集成制造系統應用示范工程。

鍛件自動噴涂集成系統的成功應用，不僅對噴涂行業的改造起到積極推動作用，同時也為其他行業在計算機集成制造系統的應用平臺開發上提供參考。