基于工業機器人的實木復合門單面噴漆生產線設計*

王 靜

（新疆農業職業技術學院農業工程分院，新疆 昌吉 831100）

隨著時代的發展，科技的進步，我國的生產制造行業正逐漸向智能制造轉變[1-3]。傳統手工工藝的實木復合門造價高、耗時長，不能夠滿足大批量生產的需求，而現代科技發展推動機器人行業的發展，現代機器人技術可以通過操作者自己的程序設計，將要完成的動作通過軟件編程來實現，實木復合門單面噴漆生產線設計正是利用了機器人的智能化可編程性，代替了人工，解放了勞動力，提高了生產效率，能夠滿足市場大批量生產需求，同時降低企業生產成本[4-10]。

1 噴漆生產線工作站布局

1.1 噴漆生產線工作站組成

實木復合門的單面噴漆生產線設計中主要包含IRB4400運輸機器人、IRB1600清灰機器人、IRB580噴漆機器人、輸送帶、實木復合門、傳感器、吸盤、噴槍、工作臺、碼垛臺、導軌、電機、木刷、安全保護裝置以及專門的噴漆場所等。以傳送帶為基準，根據場地大小正確安放傳送帶，再根據機器人的工作范圍選擇適當的位置安放設備，滿足工作要求前提下合理安放各部件。初步建立噴漆生產線工作站以后，對系統I/O板卡進行信號配置，編寫機器人工作規劃路徑程序，進行各系統之間的信號連接，并調試運行。

1.2 噴漆生產線總體布局

實木復合門單面噴漆生產線設計依據機器人和人工輔助設計而成。該工作站以機器人運動路徑規劃為主，以人工輔助操作彌補機器人工作不足及工作站可能出現的錯誤，從而保證噴漆效果。該工作站利用搬運機器人真空吸盤抓取實木復合門，在導軌的水平移動下將實木復合門由固定工作臺搬運至傳送帶上。

1）電機工作帶動傳送帶運行，傳送帶開端設有傳感器，在檢測到實木復合門信號后，將信號傳送給輸送系統，輸送系統開始工作，然后由打磨工具對實木復合門兩邊進行打磨。隨后輸送系統將工件輸送到機器人清灰工位，工件定位完成后，會將到位信號傳送給機器人系統。

2）機器人系統接收信號開始工作，按照事先編寫好的路徑程序對實木復合門表面進行清灰操作，實木復合門工位處設有一個傳感器，當清灰操作完成后，機器人系統發送完成信號給傳感器，傳感器檢測工件并傳送給輸送系統，輸送系統將工件輸送到機器人噴漆工位，工件定位完成后，會將到位信號傳給機器人系統。

3）機器人系統接收信號開始工作，依照編寫好的噴漆程序對實木復合門表面進行兩遍噴漆，整個噴漆運動路徑為“S”型，在整個的噴漆固化過程中傳送帶上裝有防護裝置，避免廢料對傳送帶造成破壞，在傳送帶下面設有廢料收集裝置，將噴漆固化過程產生的廢料、廢渣收集到一塊，最后流入鐵桶內。當噴漆操作完成后，機器人系統發送完成信號給傳感器。

4）傳感器檢測工件并將信號傳給輸送系統，輸送系統將工件轉移出噴漆房，在傳送帶的末端滑到工作臺上，由人工將實木復合門搬運并放入碼垛臺上。

2 噴漆生產線硬件構成

2.1 機器人工具

要保證噴漆效果好，需保證實木復合門不被破壞，同時做好噴漆固化過程工作、選取合適的噴槍。因此，選取合適的機器人工具尤為重要。

1）對于抓取工具的選擇。目的是能夠將實木復合門牢固吸附以及平穩放置在傳送帶上，而且需要選擇能夠承受40 kg工作載荷的真空吸附式吸盤機械手。真空吸盤承受的總重量為40 kg，由于實木復合門表面平整不變形，可以采用平行吸盤，吸盤需要均勻放置，目的是對工件形成均衡的吸附力。

2）對噴漆工具選擇。需要根據實木復合門尺寸來確定，對實木復合門較大面積處的噴漆，可以選擇噴槍的口徑為0.6 mm～1.3 mm，噴槍口徑選擇也需要以需噴油漆的面積作為參考。選擇靜電噴槍中的液體噴槍可以極大提高實木復合門的上漆率，減少油漆浪費。

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2.2 機器人選擇

1）機器人的抓取工作對環境要求不高，根據實木復合門的尺寸可以選擇相適應的機器人。選取的IRB機器人需滿足必要的承重，以及具有合適的高度，在其工作范圍內能夠靈活運動，將實木復合門放置到傳送帶上，使實木復合門與傳送帶平行放置。選取IRB4400機器人可以滿足條件，保證噴漆質量以及合適速度。機器人實景圖如圖1（a）所示。

2）實木復合門噴漆前需要對其表面清灰，否則會影響噴漆效果。對于清灰機器人類型的選擇，要確保清灰機器人的工作范圍能夠涵蓋實木復合門的上表面，機器人對環境的要求不大，選取IRB1600機器人可以滿足條件，保證清灰工作效果。機器人實景圖如圖1（b）所示。

3）實木復合門噴漆是噴漆生產線設計關鍵。噴漆工作環境需要專門定制，對于噴漆機器人類型的選擇，需要考慮實木復合門的尺寸、承重，選擇噴漆空間范圍內適合的噴漆機器人，目的是確保噴漆機器人的工作范圍能夠涵蓋實木復合門的噴漆表面，還需要根據噴漆工具的類型選擇合適的噴漆機器人，噴漆的形式也是重要的參考，選取IRB580機器人可滿足條件，保證噴漆均勻以及速度合適。機器人實景圖如圖1（c）所示。

圖1 機器人實景圖

3 機器人系統方案設計及主要參數

3.1 工作站布局

噴漆生產線需要RobotStudio軟件進行編程、仿真，以能在現場環境模擬機器人運作。根據需求對輥子輸送帶、實木復合門、真空吸附式吸盤機械手、噴槍、木刷、工作臺、碼垛臺以及專門的噴漆場所等建立3D模型。創建必要的機器人系統，待建模完成后，通過RobotStudio軟件將數據導入已建立好的機器人系統中，根據工作內容編寫路徑程序，并通過仿真調試模擬實物操作，發現其中存在的問題，從而避免在實際硬件中一些操作失誤對設備造成破壞，提高工作效率。噴漆生產線工作站總布局圖如圖2所示。

圖2 噴漆生產線工作站總布局圖

3.2 工業機器人的參數

1）IRB4400機器人：承重60 kg，最大工作半徑1.96 m，軸數6個，重復定位精度0.19 mm，底座尺寸920 mm×640 mm，本體質量1 040 kg，外部接入電源范圍為200 V～600 V、頻率范圍為50 Hz～60 Hz，控制柜防護等級為IP54，單元可接受的溫度范圍為5 ℃～45 ℃，噪聲水平最高70 dB（A），相對濕度最高95%。IRB4400機器人整體結構參數如圖3所示。

圖3 IRB4400機器人整體結構參數

2）IRB580噴漆機器人：承重能力10 kg，軸數6個，手臂長度為1 220 mm，底座尺寸660 mm ×750 mm，本體質量627 kg，外部接入電源范圍為200 V～600 V、頻率范圍為50 Hz～60 Hz，控制柜防護等級IP67，單元可接受的溫度范圍為5 ℃～45 ℃，位姿精度0.3 mm，路徑精度范圍為±3 mm，安全性達到緊急停、啟動裝置、普通方式停、自動方式停、測試方式停、控制柜互鎖要求。IRB580機器人整體結構參數如圖4所示。

圖4 IRB580機器人整體結構參數

3）IRB1600清灰機器人：承重能力6 kg，軸數6個，手臂長度為1 200 mm，底座尺寸484 mm×684 mm，本體質量250 kg，外部接入電源范圍為200 V～600 V、頻率范圍為50 Hz～60 Hz，功耗0.58 kW，控制柜防護等級為IP67，單元可接受的溫度范圍為5 ℃～45 ℃，重復定位精度0.02 mm，路徑定位精度0.13 mm，安全性達到雙回路監控、緊急停機要求。IRB1600機器人整體結構參數如圖5所示。

圖5 IRB1600機器人整體結構參數

3.3 離線程序編程

1）搬運機器人的I/O信號創建。新建Signal，重啟示教器后在事件管理器添加I/O 信號觸發器。IRB4400的I/O system的具體參數設置如表1所示。

表1 IRB4400的I/O系統的具體參數設置

2）SmartComponet-1輸送帶的設計。利用SmartComponet-1創建傳感器及輸送系統，系統界面參數設置如圖6、圖7所示。

圖6 LineSensor屬性

圖7 LineMover2屬性

3）清灰機器人的I/O信號。在控制器配置中添加信號：添加信號類型為數字輸入信號，信號名稱為M；添加信號類型為數字輸出信號，信號名稱為W1。

4）SmartComponet-2輸送帶的設計。SmartComponet-2控制傳送帶將實木復合門從清灰機器人處運動到噴漆場所內部。系統界面參數設置如圖8、圖9所示。

圖8 LinearMover2屬性

圖9 LineSensor屬性

5）噴漆機器人的I/O信號。在控制器配置中添加信號：添加信號類型為數字輸入信號，信號名稱為PT；添加信號類型為數字輸出信號，信號名稱為QC。

6）SmartComponet-3輸送帶的設計。SmartComponet-3控制傳送帶將實木復合門從噴漆場所內部運動到傳送帶末尾。系統界面參數設置如圖10、圖11所示。

圖10 LinearMover2屬性

圖11 LineSensor-2屬性

3.4 工作站運行和調試

1）示教器調試。利用示教器將機器人系統所要編程的路徑軌跡程序單獨調試，調試成功后將噴漆需要的部件導入工作站中，合理放置位置。在機器人系統的路徑與步驟中找到機器人系統的軌跡路徑程序，通過對工業機器人示教器進行程序調試，并檢測機器人工作范圍是否有干涉、信號連接是否正確、路徑指令程序是否正確等。若仿真播放運行工作站成功，將工作站保存。

2）仿真工作站運行。將上述工作準備完畢后，檢查并測試程序沒有錯誤，以及機器人運動不存在問題后，在RobotStudio界面進行仿真演示，在功能選項中點擊錄制視圖，保存并命名，最后生成exe文件。

4 結論

1）基于工業機器人的實木復合門單面噴漆生產線主要由IRB4400運輸機器人、IRB1600清灰機器人、IRB580噴漆機器人、輸送帶、實木復合門、傳感器、吸盤、噴槍以及專門的噴漆場所等部分組成，具有生產效率高、噴漆效果均勻等特點。

2）選取IRB4400機器人可以保證噴漆質量以及速度合適，選取IRB1600機器人可以保證對實木復合門的清灰工作質量，選取IRB580機器人可以保證實木復合門的噴漆均勻以及速度合適。

3）設計了工作站布局圖，并進行了工作站的搭建，然后進行離線編程及調試，接著編寫相關的運行程序，最后進行離線仿真實驗完成整個生產線的設計。