實驗室涂裝機器人底座的改進

劉傳輝++袁洪印++王霞玲

摘 要：實驗室噴涂機器人是研發汽車涂料的主要設備之一，本文根據實驗室現有二維汽車涂裝機器人的性能，確定了改進的三維汽車涂裝機器人。利用CATIA軟件對涂裝機器人的運動機構進行三維建模。對伺服電機和執行機構進行了分析和選擇。對改進設計的噴涂機器人進行組裝測試，對改進前后和進口國外的噴涂機器人的實驗性能進行比較。得出改進涂裝機器人達到實用要求的結論。

關鍵詞：實驗室；涂裝；機器人；底座；改進

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20160832073

引言

汽車涂料是影響汽車涂層的主要因素之一，由于生產汽車涂料時所使用的原材料批次有所不同，所以每次生產涂料的原材料配方有所不同，特別是在顏色、外觀等方面[1-3]。為了生產出高質量的涂料，涂料研發中心做了大量實驗，模擬汽車生產線噴涂，然而由于噴涂機器人比較古老自身存在缺陷，無法自動調節噴涂距離（板距），只能把涂料噴在較薄的平板上，這就導致誤差的存在，從而導致實驗室合格的涂料到汽車生產線使用時還需要調試。

由于現在可自動調節噴涂距離的機器人價格比較昂貴，一般企業難以接受。為配合汽車涂裝生產線，噴涂更加穩定準確，實現現有3自由度噴涂機器人的功能，節約成本。本文針對實驗室，改進設計了一種專門用于實驗室涂料研發的噴涂機器人。

1 噴涂機器人改進設計及控制

1.1 傳動部件選擇

噴涂機器人機械運動機構包括底座上的X軸、Y軸和帶動槍托的Z軸。為了更加穩定的噴涂，達到現有3自由度噴涂機器人的功能，運動機構采用較高精度的專用的軸承，以達到運動平穩、使用壽命長、噪音小等特點[4-5]。噴涂機器人驅動方式主要包括：伺服電機驅動，滾珠絲杠等主要驅動部件[6-8]。通過理論計算選出滾珠絲杠和伺服電機（表1和表2）。

1.2 軸承的選擇

綜合比較，滾珠絲杠應選擇高精度、加速性能好、維修方便的軸承，所以滾珠絲杠前端選著高精度、啟動阻力低的角接觸球軸承；后端要求承受較小的載荷，可以補償熱變形伸長，所以采用深溝球軸承，中間主要是支承作用，防止絲杠由于太長高速運動時太熱產生彎曲變形，所以采用當量摩擦系數最小，具有一定承載能力的深溝球軸承。

1.3 導向部件的選擇

滾動直線導軌是一種精密的導向部件，它具有承載高、精度高、運行速度高、摩擦力小、可靠性高等特點，現如今已經被大多數機械、自動化生產線領域所應用。為了增加滾珠絲杠的使用壽命，穩定的噴涂，提高噴涂質量，所以，選著導向支承的部件——直線圓柱導軌。滾動直線導軌是由LM光軸、鋼球、軸承套、保持器、密封墊片等組成。通過計算選擇的直線圓柱導軌（如表2）。

1.4 底座的結構

噴涂機器人的噴涂效果和底座的結構有一定關系，底座結構比較簡單、剛性好、便于安裝和維護、容易安裝限位開關和傳感器等。底座包括X軸運動和Y軸運動（如圖1和圖2）。大導程滾珠絲杠和直線導軌的結合可以減小摩擦力、精度穩定性高。底座由工作臺、滾珠絲杠、直線軌道、Y軸支架、連接X、Y軸的支架等組成，配合伺服電機X軸最大運行速度可以達到1m/s。

1.5 底座的控制

噴涂機器人控制系統結構主要包括：噴涂系統、PC電腦、數控系統、電氣控制柜等，軟件包括數控系統參數的修改、PLC程序編制等[9-11]。噴涂機器人的主要運動機構（X、Y軸）由數控系統和執行機構完成，其他輔助由數控系統的PLC完成。為了防止運動機構運行超程，在X、Y 2軸2端安裝了限位開關，當3軸碰到限位開關時，系統會報警提示工作人員。

噴涂機器人運動機構需要滿足3個主軸滾珠絲杠可以同步運動、X軸滾珠絲杠可以按照需要更改運動的速度、Y軸按照工件的厚度調整位置保證工件噴涂面與噴槍或者旋杯之間的距離為25cm，Z軸運行到噴涂起點位置準備噴涂。噴涂機器人有X、Y、2個進給坐標，其中X、Y 2個坐標在底座上，為工件運動。噴涂機器人運動機構主要由絲杠和直線圓柱軌道組成的機械部分（如圖3）。

2 噴涂機器人試驗研究與分析

汽車涂料的顏色、橘皮、性能等是涂料研發公司進行研究的主要指標，本實驗以保險杠涂料作為實驗涂料，板材為提供的大小馬口鐵PP性能板和PP顏色板。實驗結果結合了理論與實際進行分析。實驗的條件、實驗設備和檢測設備的特點都會影響實驗的結果，本實驗是在大型涂料研發公司進行的，采用先進的設備進行檢查，噴涂工藝完全一樣，并且與汽車涂裝生產線相結合，這樣使得論文的研究具有更大的意義。

2.1 實驗材料

小馬口鐵和大馬口鐵各16塊，不同厚度的板材（1～5cm），每種厚度板材15塊共75塊，1k淺灰導電底，金屬漆（土豪金）和白實色，2k保險杠清漆，異丙醇，粘性擦布。

2.2 測量儀器

自動程序膜厚儀

2.3 實驗步驟

用異丙醇將試驗板材擦洗干凈。

用噴涂機器人分別把1cm的板材， 噴好1k淺灰導電底。

閃8min，按照相對應的程序分別將色漆噴好（原漆粘度DIN杯17s/23℃，施工粘度Ford4杯17s/23℃）。

閃8min，按照2k保險杠清漆程序清漆噴好（粘度DIN杯23s/23℃）。

平10min，分別放進3個完全一樣的烘箱的同一個位置，烘烤溫度85℃，烘烤時間20min烘烤。

取出試板，帶冷卻后進行膜厚測量。

分別將同厚度的板材用機器人按照以上步驟流程完成，在進行下一厚度板材，進行比較。

2.4 實驗結果

噴涂機器人主要是針對實驗室研發涂料所應用，不適合在汽車生產線上應用，具有以下特點：

滾珠絲杠和直線導軌的增加使得噴涂機器人運行更加平穩、精度更高，噴涂膜厚更加均勻。

可以實現背板的半自動調節，范圍是250～600mm，同時能實現多厚度工件的噴涂，工件厚度可以達到300mm。如此一來，原來由于厚度較大而不能直接噴漆的工件，在該設備下便可以通過調整繼續進行噴涂研究，從而可以根據客戶需求研發涂料，進而為研發商帶來更多的效益。

噴槍（或者旋杯）扇面的重疊更加均勻。

3 總結

本文經過了詳細精準的計算與選擇噴涂機器人的運動部件、運用CATIAV5R20軟件進行三維建模，對實驗室噴涂機器人的運動部分進行了研究，主要結論如下：

對于可以忽略厚度的噴涂工件，改進前噴涂機器人噴出的膜厚波動比較大，其膜厚偏離標準值；進口噴涂機器人噴出的膜厚偏離比較小，膜厚值在標準范圍內；而改進后的噴涂機器人雖然膜厚有波動，但是波動比較小，整體膜厚可以滿足標準范圍。

對于厚度不可忽略的噴涂工件，隨著板材厚度的增加改進前的噴涂機器人漆膜隨著增加，并且隨著漆膜厚度的增加，增加浮動越來越大；而改進后可以調節噴涂距離的噴涂機器人，所以噴出的漆膜復合標準范圍，但是跟進口機器人有輕微的差別。

通過實驗對比，在相同工藝下，使用改進前后和進口的噴涂機器人進行噴涂比較，無論是薄噴涂工件還是厚噴涂工件，改進前的噴涂機器人所噴涂出的膜厚遠偏離標準范圍，改進后的噴涂機器人更接近進口國外現使用的噴涂機器人所噴出的膜厚，其膜厚可以達到標準范圍。而在相同的涂料工藝下，膜厚決定涂料的顏色與性能的質量。所以改進后的噴涂機器人，可以達到生產需要。

參考文獻

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