机器人自动喷涂系统的方案设计与三维建模

赵俊英 ZHAO Jun-ying；戈美净 GE Mei-jing；王青云 WANG Qing-yun；温国强 WEN Guo-qiang

（天津中德职业技术学院，天津 300350）

摘要： 工业机器人作为现代制造技术发展的重要标志之一和新兴技术产业，已为世人所认同，并正对现代高技术产业各领域以至人们的生活产生了重要影响。文中基于三菱RV2SQ机械手，综合机器人技术、气动技术、传感器技术、电机传动技术、制造技术、可编程控制技术进行了系统集成，搭建了适用于小型零部件喷漆的机器人自动喷涂系统。并运用Pro/E软件对其主要零件进行了三维建模。

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关键词 ： 工业机器人；喷涂；三维建模

中图分类号：TP242.2 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）23-0094-03

作者简介：赵俊英（1988-），女，天津人，教师，助教，天津中德职业技术学院教师，硕士研究生，研究方向为机电一体化。

0 引言

喷涂机器人是一种主要用于表面涂覆工作的特殊机器人，能满足环保、效率和柔性生产的需要，因而在现代化的喷涂线上有望替代人工操作[1]。涂层的厚度、均匀度、光泽度和丰满度等是评价涂装表面质量的重要指标。喷涂机器人容易满足安全环保、高效和高质量的喷涂要求，是未来自动化涂装发展的必然趋势[2]。

在国外，机器人喷涂已经成为一项比较成熟的技术，有着30多年的研究和发展历史。国内的喷涂机器人研究成果主要集中在两个方面：①喷涂机器人的构型、运动学和动力学分析；②喷涂机器人的轨迹规划和运动仿真等问题。彭商贤等人对喷涂机器人的手臂静动特性进行了研究[3]。一些高校已研究出喷涂机器人，但尚未形成批量生产的能力[4]。

随着我国制造业的持续发展和结构转型，以及喷涂机器人功能的日益增强和价格不断下降，未来将会有更多的喷涂机器人应用到制造业中。例如：在汽车制造企业生产领域，随着国内乘用车工业的发展，越来越多的机械喷涂取代了手工作业。航空航天领域也是喷涂机器人的一个应用热点。数据表明，机器人不但喷涂效率高，而且喷涂质量稳定可靠，尤其能满足隐形飞机对于喷涂的高指标要求[5]。

刚刚过去的2014年被称为中国机器人产业的发展元年，政府热，企业热，全民热。中国市场新增工业机器人6.78万台，同比增长40%以上，预示着即将迎接工业4.0“智造”时代的到来。为了促进机器人产业的快速发展，国家相继出台了一系列支持扶持政策。以“世界工厂”珠三角为例，工厂车间悄然兴起了一场工业机器人革命：搬运工、烧焊工、喷涂工等工种，正迅速被“机器人”取代。

1 研究内容

本文基于三菱RV2SQ机械手，进行系统重新集成，研制了适用于小型零部件喷漆的（如汽车保险杠、轮毂喷漆）机器人自动喷涂系统教学模型，并对此系统进行了三维建模。此系统是机器人技术、电机技术、可编程控制技术、传感器技术、气动技术等多种技术的综合应用平台，可小型零件的喷涂。

2 控制方案设计

2.1 控制系统结构

系统主要分为硬件系统和控制系统两大部分。

①硬件系统主要包括三个工作环节中众多工作单元的硬件选型和布局。三个工作环节包括供料环节、运动喷涂环节和物料存储环节；其中的工作单元主要包括：ROBOT单元、电机传送带单元、典型的机电一体化设备的机械部件、PLC模块单元、变频器模块单元、按钮模块单元、电源模块单元、接线端子排和各种传感器等等。

②控制系统由四部分构成：PLC控制系统(三菱FX系列)、机器人控制系统（三菱Q系列）、电机控制系统、和控制面板（机械手配套）。PLC系统相当一个信息中转站、命令控制器及状态显示器，对整个系统进行控制。由PLC控制电机，实现喷涂物料的往复运动。装设两个限位传感器，往复行程可调。

2.2 运行方案

按启动按扭后，装置进行复位过程，当装置复位到位后，由PLC启动送料电机驱动放料盘旋转，物料由送料盘滑到物料检测位置，物料检测光电传感器检测；当物料检测光电传感器检测到有物料，将给PLC发出信号，由PLC 驱动机械手臂伸出手爪下降抓物，然后手爪提升臂缩回，手臂向右旋转到右限位，手臂伸出，手爪下降将物料放到传送带上，落料口的物料检测传感器检测到物料后启动传送带输送物料，Robot上电启动，同时机械手按原来位置返回进行下一个流程；在传送带上的喷涂起始点设置一光纤传感器，检测到物料到达时，Robot开始喷涂，直至到达预设喷涂终点，Robot停止喷涂并复位。在传送终点设置一光纤传感器，检测物料是否到达存储区，由PLC 控制相应电磁阀使气缸动作，将物料推进存储区。

2.3 喷涂机械手主要硬件

该系统主要硬件如表1所示。系统实物如图1所示。

3 PLC控制系统的设计

3.1 主控制器的设计与选型

针对左右传送系统，其定位、运动速度精度要求不高。要求系统行程、速度连续可调，运动稳定即可。因此采用三菱机械手配套的Q系列PLC即可满足要求。系统通过PLC实现机械手与电机的动作控制，从而实现工艺要求。

经分析，该系统的输入量、输出量均是数字量信号。根据系统输入、输出的性质和数量，采用220V交流电源，PLC共24点输入，24点输出，可满足系统输入、输出信号的数量要求且保证输入、输出留有一定的裕量。外围这方面采用示教盒或计算机编程，RS232通信线。外部输入设备有限位传感器、按钮等。外部输出设备有接触器、电磁阀等。

输入/输出信号及PLC地址编号对应关系见表2。

3.2 控制系统软件设计

为满足生产的需要，根据不同工件喷涂工艺的要求，本设计对喷涂机械手的控制采用自动控制工作方式，采用梯形图语言编程。

对于该控制系统，程序设计应包括公共程序、Robot运动控制程序，均采用STL指令设计。如图2所示为系统控制的部分程序。

4 喷涂系统关键部件的三维建模

在机器人离线控制系统的开发中，机器人模型的三维图形仿真实现是重要的一个环节。机器人的三维图形仿真就是要建立一个虚拟的机器人模型以及机器人的工作环境。某种程度上，三维建模与仿真，是实现自动化的前提和基础，可以通过模型仿真来分析和评价设计方案的可行性与可靠性。

本次设计对主要零件进行了系统的测绘和记录，并运用美国参数技术公司开发的以参数化设计著称的产品设计软件Pro/E进行了三维建模，再运用Pro/E装配对零件进行了装配并对喷涂机器人系统模型的三维实体模型进行了部分结构分析。

通过零部件的测绘与装配，还完成了如图3所示几个单元的三维建模。

5 调试与结论

调试顺序控制程序，检查程序的运行是否符合逻辑规定，在某一转换条件实现时，是否发生状态的正确变化，被驱动的负载是否发生相应的变化。完成上述工作后，将可编程序控制器安装在系统中，接入实际的输入信号和负载。根据工况设定变频器的参数，自动运行，检查定位误差，修正相关数据。

经调试，设备符合要求，此6轴机械手系统可完成小零件的表面喷涂。经过30次重复试验，重复精度比人工喷涂提高了50%，喷涂效率比人工提高了75%，能够完成基本的喷涂任务。

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参考文献：

[1]杨扬.基于特种工件的大工作空间喷涂机器人设计与分析[D].北京：北京交通大学，2012.

[2]石银文.快速发展的机器人自动喷漆技术[J].机器人技术与应用，2007（5）：11-13.

[3]彭商贤，唐蓉城，管桦，等.喷涂机器人手臂静动特性研究[J].机械设计，1990（6）：46-50.

[4]张春生.喷漆机器人应用及发展策略[J].机器人技术与应用，1994（6）：22-26.

[5]缪东晶，吴聊，徐静，等.飞机表面自动喷涂机器人系统与喷涂作业规划[J].吉林大学学报（工学版），2013，43（6）：1-5.