點(diǎn)激光在機(jī)器人涂膠系統(tǒng)中的應(yīng)用

楊冬云

（廈門航天思爾特機(jī)器人系統(tǒng)股份公司，福建廈門 361000）

0 引言

近幾年來，我國軌道交通發(fā)展速度比較快，特別是動(dòng)車、高鐵和地鐵的建設(shè)處于高速發(fā)展期，其中動(dòng)車門和地鐵門的需求量同樣是處于高增長(zhǎng)的狀態(tài)。各廠家為了提高產(chǎn)量，動(dòng)車門、地鐵門的玻璃粘接生產(chǎn)也由原來的半自動(dòng)化向自動(dòng)化轉(zhuǎn)變。在這一轉(zhuǎn)變過程中，各自動(dòng)化廠家和集成商也提供了一些涂膠系統(tǒng)的解決方案，但是還存在一些問題，如機(jī)器人在涂結(jié)構(gòu)膠時(shí)出現(xiàn)膠管纏繞，涂膠實(shí)際位置與理論位置偏離、難以實(shí)現(xiàn)參數(shù)化編程等問題。本文詳細(xì)介紹玻璃粘接過程中的機(jī)器人涂膠系統(tǒng)，并對(duì)現(xiàn)有方案存在的問題提出改進(jìn)方法。

1 機(jī)器人涂膠系統(tǒng)的主要構(gòu)成

軌道交通門的玻璃粘接主要采用機(jī)器人對(duì)門板窗框進(jìn)行涂膠，然后機(jī)器人抓取玻璃放到門框內(nèi)壓平。設(shè)備主要包含機(jī)器人、門板定位工裝、玻璃定位裝置、玻璃搬運(yùn)夾具、自動(dòng)旋轉(zhuǎn)膠槍和供膠系統(tǒng)。機(jī)器人由機(jī)器人本體和控制柜（硬件及軟件）組成，而供膠系統(tǒng)包括供膠泵、計(jì)量泵、涂膠閥、電控系統(tǒng)等裝備（圖1）。

圖1 機(jī)器人涂膠系統(tǒng)示意

涂膠流程：門板上至門板定位工裝→門板工裝對(duì)門板初定位→機(jī)器人帶著點(diǎn)激光找尋窗框位置→機(jī)器人抓取旋轉(zhuǎn)膠槍對(duì)窗框進(jìn)行涂膠→機(jī)器人放置旋轉(zhuǎn)膠槍抓取玻璃搬運(yùn)夾具→機(jī)器人搬運(yùn)玻璃至窗框位置并將玻璃壓平。

1.1 門板定位工裝

門板定位工裝由4 組固定的支撐柱，用來支撐門板上半部的底面，支撐柱與門板接觸的材料一般采用尼龍，可以避免門板在定位過程中表面被破壞。由于門板有直門板和彎門板兩種，門板工裝需要適應(yīng)這兩類的門板，所以門板的下半部懸出工裝外面，且在下方設(shè)置了一組高度可調(diào)節(jié)的支撐柱，防止門板上到工裝后發(fā)生的傾翻。其中靠近上擋邊兩組支撐柱，設(shè)有限位塊，用于門板長(zhǎng)度方向的定位。在門板寬度方向的兩側(cè)分別設(shè)置了兩組對(duì)中機(jī)構(gòu)和氣缸壓緊機(jī)構(gòu)，對(duì)中機(jī)構(gòu)和氣缸壓緊機(jī)構(gòu)邊成一體。其上料流程為：將門板放置于4 組支撐柱上，對(duì)中氣缸驅(qū)動(dòng)對(duì)中機(jī)構(gòu)，寬度方向夾緊門板，然后壓緊氣缸動(dòng)作壓住門板，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)門板的粗定位。

1.2 玻璃定位裝置

玻璃定位裝置中間有4 組支撐柱，支撐柱上面安裝有萬向球，其長(zhǎng)度和寬度方向均安裝有滾輪，滾輪包有一層聚氨脂。對(duì)中機(jī)構(gòu)采用氣缸驅(qū)動(dòng)，通過齒輪齒條傳動(dòng)的形式實(shí)現(xiàn)對(duì)中功能。

1.3 玻璃搬運(yùn)夾具

當(dāng)機(jī)器人涂完膠、需要安裝玻璃時(shí)，機(jī)器人通過玻璃搬運(yùn)夾具將玻璃搬運(yùn)至窗框位置并將玻璃壓平。玻璃搬運(yùn)夾具主要有6 組真空吸盤等相關(guān)零件組件，其核心零件真空吸盤采用Piab提供的材料為HNBR 的平面吸盤，內(nèi)部夾持結(jié)構(gòu)不僅可防止物體被吸入吸盤而導(dǎo)致變形，而且在提升力平行作用于工件表面時(shí)還能增加磨擦力。該吸盤具有出色的穩(wěn)定性以及微乎其微的固有運(yùn)動(dòng)，在工作期間幾乎不會(huì)發(fā)生偏移。

1.4 自動(dòng)旋轉(zhuǎn)膠槍

（1）自動(dòng)涂膠槍必須加熱，槍體加熱保證出膠穩(wěn)定。入膠端為可以360°旋轉(zhuǎn)的活動(dòng)體，膠槍轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)膠管不得與膠槍一起轉(zhuǎn)動(dòng)，膠嘴由機(jī)器人外部軸直接驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，避免涂膠時(shí)軟管纏繞的問題。每次涂完膠以后，需要將膠槍移至自動(dòng)刮膠裝置處進(jìn)行自動(dòng)刮膠，槍口不會(huì)留有殘膠。

（2）自動(dòng)涂膠槍附屬設(shè)備包括膠槍把持器、管線支撐架、相關(guān)電纜及管線油杯等。膠管吊架采用兩根縱軌和一根橫軌結(jié)構(gòu)，帶平衡器，以方便膠管移動(dòng)。

1.5 供膠系統(tǒng)

供膠系統(tǒng)采用齒輪泵的方案，對(duì)固定膠槍站膠槍出膠量精確控制，實(shí)現(xiàn)出膠全程控溫。出膠量精確控制系統(tǒng)（齒輪泵或者定量缸）具備故障報(bào)警及自動(dòng)關(guān)斷功能。涂膠系統(tǒng)計(jì)量閥采用精密電動(dòng)伺服控制，單位時(shí)間體積計(jì)量，偏差應(yīng)控制在膠量的±1%。膠泵配備上桶輥道及膠桶定位塊，減少換桶時(shí)間。

（1）計(jì)量齒輪泵采用交流伺服驅(qū)動(dòng)，確保供膠量穩(wěn)定，與機(jī)器人速度配合，保證膠型質(zhì)量。伺服系統(tǒng)具有過壓、過流、電機(jī)缺相、速度超調(diào)等保護(hù)功能，通過伺服驅(qū)動(dòng)器精確控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速，電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪泵來實(shí)現(xiàn)供膠流量的精度，并且流量可以根據(jù)機(jī)器人涂膠槍的涂膠速度自動(dòng)調(diào)整。計(jì)量齒輪泵出入口裝有防固化壓力表及壓力傳感器，對(duì)供膠及涂膠狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

（2）加熱及溫控系統(tǒng)具有8 段溫控功能，可以分別對(duì)壓膠盤、膠缸、3 根輸膠高壓軟管、自動(dòng)涂膠槍進(jìn)行分別加熱及溫控，共有8 段溫控（留有1 段溫控備用）。加熱及溫控系統(tǒng)帶預(yù)加熱功能，可根據(jù)需要設(shè)定提前預(yù)熱時(shí)間。加熱及溫控系統(tǒng)應(yīng)能滿足冬天（-10 ℃）正常使用的要求，應(yīng)能將膠快速加熱至工藝規(guī)定范圍（30～40 ℃），最高溫度不超過60 ℃。

（3）該涂膠系統(tǒng)的控制器應(yīng)采用德國西門子S7-200 或相當(dāng)以上產(chǎn)品，并作為機(jī)器人工作站的Profibus-DP（或相當(dāng)）從站，提供涂膠系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)及交互控制指令，便于現(xiàn)場(chǎng)操作人員進(jìn)行操作。

2 點(diǎn)激光在機(jī)器人涂膠中的應(yīng)用及驗(yàn)證

2.1 點(diǎn)激光的介紹

點(diǎn)激光采用IL 系列的CMOS 激光位移傳感器，是一款高度穩(wěn)定的傳感器。此款傳感器自動(dòng)進(jìn)行控制，通過識(shí)別因目標(biāo)工件表面狀態(tài)的變化而產(chǎn)生的CMOS 入光波形的不同，而自動(dòng)進(jìn)行最佳的波形處理。類似金屬細(xì)線以及樹脂、橡膠等以往難以檢測(cè)的工件，也可無調(diào)諧地實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定檢測(cè)。其計(jì)算功能包含加法模式和減法模式，加法模式用來測(cè)量厚度和寬度等，而減法模式用來測(cè)量凸距和平行度等。

2.2 點(diǎn)激光應(yīng)用精度的驗(yàn)證方法

門框的實(shí)際尺寸與理論尺寸存在偏差，導(dǎo)致涂膠實(shí)際位置與理論位置產(chǎn)生偏離。針對(duì)這種情況，提出采用點(diǎn)激光檢測(cè)窗框的邊緣，利用減法的計(jì)算功能，計(jì)算出位置突變的點(diǎn)，然后根據(jù)坐標(biāo)計(jì)算出窗框的實(shí)際軌跡位置。下面詳細(xì)介紹進(jìn)行點(diǎn)激光尋位精度的驗(yàn)證測(cè)試的過程。

（1）驗(yàn)證需要的主要設(shè)備與工具：一套ABB 機(jī)器人系統(tǒng)，1 套基恩士點(diǎn)激光傳感器IL1000+IL300（點(diǎn)激光安裝在機(jī)器人上）。

（2）驗(yàn)證的目的。采用ABB 機(jī)器人+基恩士點(diǎn)激光傳感器測(cè)試窗框位置、尺寸，通過運(yùn)算實(shí)現(xiàn)參數(shù)化編程以及確定窗框的實(shí)際軌跡位置。

（3）驗(yàn)證的方法。窗框有4 條邊，在每條邊兩端各設(shè)定測(cè)試點(diǎn)，機(jī)器人持點(diǎn)激光傳感器檢測(cè)這8 個(gè)點(diǎn)（P1～P8）的突變位置，機(jī)器人檢測(cè)到窗框時(shí)生成坐標(biāo)，通過坐標(biāo)值計(jì)算出窗框?qū)嶋H位置生成機(jī)器人路徑程序，達(dá)到參數(shù)化編程效果。

以圖2 為例進(jìn)行說明。假設(shè)門板初定位的偏差在10 mm 以內(nèi)，起始點(diǎn)P1a離P1 的距離需大于10 mm，點(diǎn)激光從點(diǎn)P1a 開始朝點(diǎn)P1 進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到窗框時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)突變值，此時(shí)機(jī)器人記錄P1 的坐標(biāo)，就是窗框P1 點(diǎn)實(shí)際的位置。用同樣的方法找出P8的坐標(biāo)，P1 點(diǎn)和P8 點(diǎn)組成一條直線P1P8，通過計(jì)算P1 點(diǎn)和P8點(diǎn)坐標(biāo)的差值算出P1P8 的距離。按照算直線P1P8 距離的方法，同樣算出直線P2P3、P4P5、P6P7 的直線段距離，再根據(jù)窗框的R 角就可以在機(jī)器人系統(tǒng)得出窗框的實(shí)際軌跡（表1）。

圖2 激光尋位點(diǎn)分布

表1 同一窗框在偏差范圍內(nèi)點(diǎn)激光檢測(cè)的距離mm

從表1 數(shù)據(jù)可以看出，在同一尋位速度下、同一工件上重復(fù)尋位后，計(jì)算出來工件的長(zhǎng)度值和寬度值誤差范圍在0.2 mm以內(nèi)。

3 結(jié)束語

本文簡(jiǎn)述了機(jī)器人涂膠系統(tǒng)的主要構(gòu)成，點(diǎn)激光在窗框精定位驗(yàn)證的方法以及供膠系統(tǒng)的特性。在實(shí)際的施工和使用過程可能還存在一些不足，有待將來繼續(xù)改進(jìn)和優(yōu)化。