軌道預制板模具工業機器人噴涂系統設計

王海員

（中鐵三局集團橋隧工程有限公司，四川 成都 610036）

1 研究背景

隨著高速鐵路和城市軌道交通的不斷發展，為保證列車在運行時的穩定性和安全性，中國高速鐵路及軌道交通建設均使用鋼筋和混凝土預制構件作為高速鐵路基底及其支撐件，鋼筋混凝土預制構件具有穩定性好、壽命長、維修率低等優點[1]。其中，用于承載軌道的軌道預制板主要在工廠中采用專用的模具進行鋼筋和自密實混凝土預制[2]。

為方便軌道預制板澆筑成型后進行脫模，需要在澆筑前給模具型腔表面噴涂脫模劑[3]。目前，由于軌道預制板模具其體積大、內部型腔表面復雜，若使用人工進行脫模劑噴涂，工作量大、效率低，且脫模劑不利于人體健康。當前生產線多采用專用設備進行脫模劑噴涂，但專用設備靈活性差，不能適應型號豐富的軌道預制板系列產品的模具，因此迫切需要開發適應性強的脫模劑噴涂設備。本文提出使用工業機器人進行脫模劑噴涂作業，并設計控制系統，與軌道預制板生產線相結合，控制工業機器人自動噴漆。

工業機器人是智能制造系統中制造裝備的重要組成部分，也是人工智能技術用于制造業的主要方式之一[4-5]。工業機器人及智能裝備制造技術不僅能提高企業工廠的生產效率，更能大大降低用工風險。對于軌道預制板模具脫模劑噴涂，若采用工業機器人進行模具噴涂，將能夠大大提升噴涂效率，噴涂均勻。另外工業機器人運動軌跡可根據不同型號軌道預制板模具進行調整，適應性強。

本文根據軌道預制板加工生產線的工序要求，采用工業機器人對軌道板的模具噴涂系統進行設計，并進行了現場測試，達到了預定的生產線節拍要求。

2 噴涂系統的搭建和布置

由于軌道預制板加工廠家已有完備的生產線，為了盡可能降低生產線改造成本，本文設計的工業機器人模具噴涂系統主要根據當前已有的軌道預制板模具設備基礎進行改造。因此需要根據軌道預制板模具型腔尺寸進行工業機器人選型，并合理地設計控制系統使其與生產線系統結合，滿足生產節拍要求和工序要求。

2.1 工業機器人安裝配置原則

安裝配置方案應按照以下原則施工：①充分利用軌道預制板加工設備及其工位外部和內部的空間，充分利用現場已有設施進行工業機器人設備配置；②根據目前軌道預制板模具型腔內部空間，通過仿真驗證機器人的工作范圍，避免機器人運動過程中發生碰撞，同時避免機器人不能到達指定位置使型腔表面不能完整噴涂；③要根據模具型腔內空間以及模具設備整體內部空間考慮機器人第七軸直線移動軸布置高度，以保證機器人動作安全空間；④構建轉運便捷、電氣線路信號安全、機器人本體防護、設備周邊操作人員安全防護等。

2.2 模具和設備的結構及尺寸

軌道預制板模具內部型腔長7 700 mm，寬3 200 mm，最深處為1 800 mm。模具主體由底模、側模、端模組成。為了在噴涂時避免霧化的脫模劑四處飄散，在模具上方安裝有可升降的模具頂蓋和換氣系統，同時將專用的脫模劑噴涂設備安裝于模具上方模具頂蓋內。軌道預制板模具主體和上部模具頂蓋如圖1所示。

脫模劑噴涂工位設備待機時，設備4 個液壓缸將模具頂蓋抬升至空中，當空的模具移動至當前脫模劑噴涂工位時，設備降下模具頂蓋將模具覆蓋，內部的自動噴涂設備再進行噴涂作業；噴涂完畢后，噴涂設備回收，并抬升模具頂蓋，模具即移出脫模劑噴涂工位進入澆筑工位。模具噴涂工藝流程如圖2 所示。

圖2 模具噴涂工藝流程

當前噴涂設備采用豎直向下的噴淋的方式對模具型腔表面進行脫模劑噴涂。這種方法一方面不能將模具豎直的側模表面充分噴涂，另一方面大部分脫模劑流向了模具底模最深處局部地區，這將使之后自密實混凝土在模具局部地區難以填充產生孔洞，造成軌道預制板的質量問題。

2.3 機器人第七軸設計及布置方案

本文選用六軸工業機器人，六軸工業機器人自由度高、靈活性強、技術成熟，能夠滿足模具型腔的噴涂需要。由于模具型腔深度為1 800 mm，寬為3 200 mm，若能夠將機器人懸吊于模具型腔上方，使機器人能夠充分利用其臂展長度對模具進行噴涂作業。同時，由于模具長為7 700 mm，如能夠使機器人在模具型腔中移動，那么只使用一臺機器人即可完成模具噴涂工作。

因此為工業機器人擴展平移軌道便能夠使機器人實現水平移動。此機構又稱為第七軸工業機器人行走軸，是基于工業機器人6 個軸的旋轉自由度外增加的第七個直線平移自由度[6-8]。對于本文設計的模具噴涂系統，工業機器人采用桁架吊裝的方式進行安裝，桁架布置在模具長軸上，如圖3 所示。

2.4 工業機器人選型

本文目前只針對機器人需要滿足的運動范圍進行選型。根據機器人工作環境的溫度、濕度，需要對機器人本體做防護，在購買機器人時根據需要考慮選擇合適的防護等級。

根據需求，要保證模具內部型腔表面都能被涂料覆蓋。由于機器人安裝在模具中軸線上方，模具頂面距離最深處為1 800 mm，中軸線距離型腔邊緣1 600 mm，計算得模具頂面中軸線距離模具邊緣最深處距離約為2 408 mm。又因為噴槍一般距離噴涂表面500～800 mm，以最小距離500 mm 為準，因此理論上當機器人工作半徑至少約為1 900 mm 時，機器人噴涂的范圍能夠保證覆蓋所有內腔表面。

同時又為了在機器人折疊回收時盡可能使機器人本體離開模具內腔空間，機器還需與模具頂面保持一定距離，如圖4 所示。

圖4 機器人折放狀態示意圖

綜上所述，所需的機器人運動半徑需要達到2 000 mm 以上。又因為機器人末端負載較小，所以首選小型機器人。通過進一步對機器人進行運動仿真，本文選用Fanuc 工業機器人M-10iA/8L（運動半徑2 028 mm，負載8 kg）[9]。

另外，機器人末端噴頭選用當前專用設備采用的噴頭，如圖5 所示，節省硬件成本。噴涂系統采用外部獨立的脫模劑供給系統進行控制。

圖5 模具噴涂機器人末端噴頭安裝

3 模具噴涂系統控制方案

模具噴涂系統總成主要包括Fanuc 工業機器人控制單元、噴涂控制單元以及監控系統。

3.1 總控電氣系統

本文所設計的模具噴涂系統的電氣系統基于分布式和模塊化理念設計，整個系統分為機器人單元、機器人末端執行器氣動噴涂單元以及計算機監控單元。機器人控制單元包括機器人第六軸及第七軸電機的控制，機器人單元作為從站通過ProfiNet I/O 板卡提供的Socket 通信接口與生產線噴涂工位的PLC 控制系統主站相連接，實現機器人與生產線的結合。末端執行器氣動噴涂單元由PLC 主站進行控制。外部監控系統主要用于機器人單元運動姿態的實時監控，基于TCP/IP與計算機相連。

3.2 機器人自動噴涂方案

工業機器人自動噴涂系統主要對模具的4 個側模和1 個底模進行噴涂。由于機器人旋轉工作范圍是±180°，工作半徑可覆蓋模具型腔一半區域，因此本文擬將模具型腔分為左右2 個工作區域，在桁架行走軸上設定機器人的2 個工作位置，分別為模具長軸1/4處和3/4 處。

當模具進入脫模劑噴涂工位時，工位PLC 主站啟動液壓缸，使模具頂蓋下降。下降到工作高度時，PLC主站發送信號到機器人控制柜，機器人啟動第七軸行走軸電機使其移動至桁架1/4 處。機器人展開，啟動脫模劑氣動噴涂單元，開始對模具左側區域進行噴涂。模具左半部分區域噴涂完畢后，機器人收折，機器人啟動第七軸行走至桁架3/4 位置，機器人展開，再進行右半部分模具的噴涂工作。

3.3 機器人噴涂軌跡規劃仿真

本文采用 Fanuc 工業機器人仿真軟件ROBOGUIDE 進行1∶1 仿真環境搭建，并進行機器人軌跡規劃仿真，仿真環境能夠對器人運動軌跡進行調試，同時能夠驗證機器人在模具型腔中對目標位置的可達性。

經實驗確定機器人末端噴頭距離待噴涂平面600 mm 處時能夠使目標表面均勻附著合適厚度的脫模劑，因此將末端執行器工具坐標點設定至600 mm 處，如圖6 所示。

圖6 機器人工具坐標點設定

由于脫模劑本身具有流動性，模具噴涂系統采用先噴涂側模后噴涂底模的策略。根據實驗中噴涂側模流動至底模的脫模劑存量，在噴涂底模時可適當降低噴槍壓力降低底模的噴涂量。由于側模存在弧面，因此模具型腔噴涂軌跡主要采用圓弧插補和直線插補2種插補方式進行軌跡規劃，如圖7 所示。

圖7 模具噴涂軌跡規劃仿真

另外，機器人與計算機實現了TCP/IP 通信，現場操作人員可通過基于仿真軟件二次開發的可視化軟件對現場機器人實現運動狀態的實時監控。

4 結論

本文針對鐵路軌道預制板構件預制生產線的軌道預制板模具脫模劑噴涂工位設計并實施了一種基于工業機器人的軌道預制板模具脫模劑自動噴涂系統，能夠降低人工成本，彌補專用設備適應性低的缺點，填補了國內空白。工業機器人擁有極高的自由度和可達性，能夠到達模具狹小的局部空間內進行噴涂，并提高噴涂的一致性，同時提高了模具的噴涂質量和效率。