任务3.4 喷涂工业机器人工作站
1.任务引入
喷涂工业机器人是可进行自动喷涂的工业机器人，在1969年由挪威Trallfa公司发明。
喷涂工业机器人工作站主要包括工业机器人本体、控制系统、喷涂系统、安全系统、应用系统以及辅助部分。
（1）工业机器人包括工业机器人本体、工业机器人控制柜和示教器。
（2）控制系统是连接整个工作站的主控部分，由PLC、继电器、输入/输出端子组成一个控制柜，接收外部指令后进行判断，然后给工业机器人本体信号，从而完成信号的过渡、判断和输出，属于整个喷涂工业机器人工作站的主控单元。
（3）喷涂系统包括喷涂电源、喷涂喷头、喷涂料存储罐和运送机构。
（4）安全系统包括挡光帘、外围工作房和安全光栅。
（5）应用系统包括变位机、喷涂工装和喷涂相关装置。
（6）辅助部分包括喷涂材料、除尘装置等。
2.任务目标
1）知识目标
了解喷涂工业机器人工作站的组成。
2）技能目标
熟练使用喷涂工业机器人。
3）素养目标
培养学生对专业及以后从事的职业和岗位的认同感，树立职业自信。
3.任务分析
喷涂工业机器人工作站（图3-5）主要由工业机器人本体、计算机和相应的控制系统组成。液压驱动的喷涂工业机器人还包括液压油源，如液压泵、油箱和电动机等。喷涂工业机器人多采用5个自由度或6个自由度的关节式结构，手臂有较大的运动空间，并可做复杂的轨迹运动，其腕部一般有1～3个自由度，可灵活运动。较先进的喷涂工业机器人腕部采用柔性手腕，既可向各个方向弯曲，又可转动，其动作类似人的手腕，能方便地通过较小的孔伸入工件内部，喷涂其内表面。
图3-5 喷涂工业机器人工作站
喷涂工业机器人的大量运用极大地解放了在危险环境下工作的劳动力，也极大地提高了制造企业的生产效率，并带来稳定的喷涂质量，提高了产品的合格率，同时提高了油漆利用率，减少了废油漆、废溶剂的排放，有助于构建环保的绿色工厂。
4.相关知识
1）喷涂工业机器人工作站的组成[1]
（1）工业机器人本体。
工业机器人本体即机座、臂部、腕部和终端执行机构，是一个带有旋转连接和交流伺服电动机的6轴或7轴联动的一系列的机械连接，使用轮系（齿轮传动链）和旋转向量（R V）型减速器。大多数喷涂工业机器人有3～6个自由度（对于带轨道式工业机器人，一般将工业机器人本体在轨道上的水平移动设置为扩展轴，称为第7轴），其中腕部通常有1～3个自由度。
驱动系统包括动力装置和传动机构，使执行机构产生相应的动作，即每个轴的运动由安装在工业机器人手臂内的伺服电动机驱动传动机构来控制。执行机构为静电喷涂雾化器，不同品牌、不同型号的工业机器人手臂末端的接口不同，根据生产工艺可选择不同的静电喷涂雾化器。
对于采用溶剂型油漆喷涂的系统，必须配备废油漆、废溶剂清洗回收装置，避免污染环境，达到环保生产的目的。
（2）工业机器人控制器。
每一台工业机器人都可以独立地动作，而工业机器人控制器（RC）就是按照输入的程序对驱动系统和执行机构发出指令信号，控制单台工业机器人运动轨迹的装置。工业机器人控制器内的主要部件为与工业机器人手臂内的伺服电动机连接的伺服放大器及CPU模块。不同型号的工业机器人配备不同内存的CPU，CPU内存储有用户自定义数据及程序。
CPU将程序数据转换成伺服驱动信号传给伺服放大器，伺服放大器启动伺服电动机来控制工业机器人的运动。通常CPU模块还具备通过与不同类型的I/O模块连接实现与其他外部设备或工业机器人通信的作用。例如，CPU模块与PLC连接，可以通过系统操作控制台（SCC）来控制工业机器人的动作。一般一台控制器独立控制一台工业机器人，随着技术的发展和低成本化的进程，已出现可同时控制两台机器人运动的控制器。(https://www.daowen.com)
工业机器人示教器通过单根电缆与工业机器人控制器内的CPU连接，不同品牌工业机器人的示教器内安装了不同的应用软件，功能有所差异。通过示教器操作面板上的按键来操作软件界面上的菜单。可以实现的主要功能为：直接编程、显示用户程序、操作工业机器人运动、预定义工业机器人的位置、自定义程序和编辑系统变量等。
（3）系统操作控制台。
系统操作控制台的主要功能是集成整个喷房硬件，实现系统自动化功能，它包含系统所有与管理喷涂工业机器人活动相关的硬件及整合每个喷房单元的相关硬件，例如与喷房系统相关的安全互锁继电器、隔离光栅等。柜内安装有一个PLC，以上硬件通过各种类型的I/O模块与PLC通信。PLC通过I/O模块接收喷房单元内每一台工业机器人及外围设备的实时信号，包括与工厂主信息系统、其他工业机器人系统单元的数据交换，然后根据预先编制好的逻辑判断程序，对所收集接收到的信号做出相应的处理并发送结果变量给各相关系统。
系统操作控制台的另一个主要功能就是提供一个友好的操作界面实现人机交互，使整个系统在人的监控下按人的意愿有序而稳定地连续工作。一般将人机图形交互系统，即一部计算机主机和显示器整合到系统操作控制台内，计算机主机通过各种上层控制网络与PLC连接。不同厂家的人机图形交互系统计算机上装有不同的用户软件，该软件的人机界面上显示了整个区域内工业机器人系统的时实状态和用户操作菜单，可查寻相关的生产信息、报警信息等。大部分设备操作都可通过操作系统操作控制台上的按钮或选择开关及人机交互界面上的菜单完成。
（4）工艺控制柜。
应用喷涂工业机器人的最主要的目的是将不同种类、不同颜色的油漆，通过工业机器人的运动，均匀地涂抹在车身表面。工艺控制柜（PCE）是电信号与潜在的挥发性油漆和溶剂间的相对安全接口，它将电信号转换为气动信号。来自PLC的电信号触发工艺控制柜内的电磁阀，打开空气（或真空）回路，通过一定的气压驱动各个油漆或溶剂管路接口上的气动阀，将各种不同颜色的油漆或溶剂供给工业机器人喷涂作业或清洗管路等动作使用。
工艺控制柜的主要功能为控制喷涂工艺的各种动作（如换色、清洗等），控制各种工艺参数，如油漆流量、雾化器旋杯转速等。随着工业机器人技术的不断发展，大部分品牌的喷涂工业机器人均采用闭环流控制系统，通过在靠近终端执行器的工业机器人手臂上安装流量计或计量泵，精确控制油漆或溶剂实际输出流量值和设定值之间的误差。不同型号的喷涂工业机器人可能会设计将工艺控制柜的功能部件分别集成到其他系统空间内，而不是单独形成一个工艺控制柜，这样可以节约生产场地，美化生产环境。
（5）车型检测系统。
喷涂工业机器人具有很强的柔性生产能力，可同时喷涂各种不同形状的车身。出于保护系统的原因，在车身进入喷房单元前对车身类型进行检测是非常必要的。一般采取在擦净功能区前安装若干对光电开关，并在离最近的一对光电开关1 m左右的输送链基架上，安装一个接近开关。根据不同的生产现场及所生产的车型间的差异程度，通过PLC程序设置不同的检测位置，并调整好光电开关的安装位置。
当即将进入喷房的车身到达检测位置时，不同车型会触发不同组合的电子眼，以此检测来自工厂信息系统的车型信息与车型检测系统所检测到的车型是否一致。如果不一致，系统会产生报警并停止运行，需由操作员人工确认车型并在系统操作控制台的相应界面上输入正确的车型信息，PLC再将正确的车型信息分别发送到各个工业机器人控制器内的CPU模块。CPU模块将车型信息转化为各种指令，工业机器人根据指令执行不同的程序，从而达到根据不同的车型执行不同的喷涂轨迹的目的。
需要注意的是，要将相邻两对电子开关的发射端和接收端错开安装，以避免产生错误信息。
（6）设置安全的、隔离的生产区域。
由于工业机器人在正常的生产过程中是连续运行的，所以必须与人工区域严格隔离，以防止人身伤害事故的发生，实现安全生产。通常可在工业机器人自动喷涂区域的入口和出口处分别安装一对安全光栅，在生产过程中，若有人误闯入工业机器人自动喷涂区域，在安装光栅的位置就会触发光栅，系统产生相应的报警并立即停止运行，防止发生人身伤亡及损坏设备的事故。但是，车身也必须通过安装安全光栅的区域进入自动喷涂区域，在这个过程中也会触发光栅。为了解决这个矛盾的问题，可在安装安全光栅位置前的输送链基架边上安装一个屏蔽安全光栅的屏蔽开关，当运送车身的撬体运行到开关处就会触发屏蔽开关，发给系统PLC一个信号，这个信号用来屏蔽安全光栅。为了确保更严格的区分是人还是车身进入自动喷涂区域，更好的做法是在输送链基架的两侧各安装一个屏蔽开关，只有两个屏蔽开关都被触发才能起到屏蔽安全光栅的作用。若有人误闯也不会同时触发两端的屏蔽开关，安全光栅依然处于工作状态，当人处于安全光栅的位置时仍会触发安全光栅。
（7）车身直线跟踪系统。
在整车自动喷涂线上，为了提高生产效率，在喷涂作业过程中车身一直跟随输送链按照设定速度前进，而不会脱离输送链固定在某处供工业机器人喷涂作业。因此，每一台工业机器人都必须知道在工作范围内每一台车身的实时位置信息。车身直线跟踪系统的硬件主要包括脉冲编码器、检测开关和编码器转发器。根据用户的要求可以选择不同的检测开关、触点开关或光学开关，也可以是接近开关。当车身随着地面输送链运动到检测开关的位置时触发检测开关，脉冲编码器开始计数，计算车身的实时位置。脉冲编码器的输入轴与地面输送链的中心轴机械地相连，以获取地面输送链运动的同步信息。输出轴连接到编码器转发器上。编码器转发器整合到系统操作控制台内，通过编码器转发器，可将车身的实时位置信息发送到PLC及各个工业机器人控制器。
（8）电源分配柜。
电源分配柜用于分电配源，即引入工厂总电源，根据工业机器人系统及其外围设备所需电源值的不同，分配相应的电压、电流。可以选择标准通用的EDS电源分配柜，也可根据用户需求自行设计非标准的电源分配柜。
2）喷涂工业机器人
（1）喷涂工业机器人概述。
喷涂工业机器人一般采用液压驱动，具有动作速度快、防爆性能好等特点。喷涂工业机器人广泛应用于汽车、仪表、电器和搪瓷等工艺生产部门。
喷涂工业机器人的主要优点如下。
①柔性大。
第一，工作范围大。
第二，可实现内表面及外表面的喷涂。
第三，可实现多种车型的混线生产，如轿车、旅行车和皮卡车等的混线生产。
②提高喷涂质量和材料使用率。
第一，仿形喷涂轨迹精确，提高了涂膜的均匀性等外观喷涂质量。
第二，减小了喷涂量和清洗溶剂的用量，提高材料利用率。
③易操作和维护。
第一，可离线编程，大大缩短了现场调试时间。
第二，采用可插件结构和模块化设计，可快速安装和更换元器件，极大地缩短了维修时间。
第三，所有部件的维护可接近性好，便于维护保养。
④设备利用率高。
往复式自动喷涂机的利用率一般仅为40%～60%，喷涂工业机器人的利用率可达90%～95%。
（2）喷涂工业机器人的分类。
按是否具有沿着车身输送链运行方向水平移动的功能，可分为带轨道式和固定安装式；按安装位置的不同，可分为落地式和悬臂式。落地式喷涂工业机器人具有易于维护清洁的优点。带轨道式喷涂工业机器人具有工作范围相对较大的优点。悬臂式喷涂工业机器人可减小喷房宽度尺寸，达到减少能耗的作用。
按有无气喷涂，喷涂工业机器人可分为以下两种。
①有气喷涂工业机器人。
有气喷涂也称为低压有气喷涂，喷涂机构依靠低压空气使油漆在喷出枪口后形成雾化气流作用于物体表面，有气喷涂相对于手刷而言无刷痕，而且平面相对均匀，单位工作时间短，可有效地缩短工期。但有气喷涂有飞溅现象，存在漆料浪费，在近距离查看时，可见到极细微的颗粒。一般有气喷涂采用装修行业通用的空气压缩机，相对而言一机多用、投资成本低，市面上也有抽气式有气喷涂机、自落式有气喷涂机等专用机械。
②无气喷涂工业机器人。
无气喷涂工业机器人可用于高黏度油漆的施工，而且边缘清晰，甚至可用于一些有边界要求的喷涂项目。根据机械类型，喷涂机构可分为气动式无气喷涂机、电动式无气喷涂机、内燃式无气喷涂机和自动喷涂机等多种。另外要注意的是，如果对金属表面进行喷涂处理，最好选用金属漆（磁漆类）。
按能否移动来分，喷涂工业机器可分为以下两种。
第一，仿形喷涂工业机器人。
仿形喷涂工业机器人根据被喷涂工件的外形特点，简化了工业机器人本体的结构与控制方式，造价低廉，维修简便，喷涂质量基本上能满足工业需求。国外公司统计的数字显示，采用仿形喷涂工业机器人进行作业，喷房内部尺寸可减小2/3，排风量减少3/5，漆雾处理的冲水流量减少1/3，涂料节省30%～50%。仿形喷涂工业机器人广泛应用于汽车、铁路机车等机械制造业的喷涂作业，用于完成工件顶部与侧面的喷涂。有一种用于汽车车身喷涂的仿形喷涂工业机器人，该工业机器人模仿汽车车身的形状，同时在顶部与侧面各安装喷头，喷头固定在机架上，喷头与车身的距离、角度可以调节，以满足不同型号车身的喷涂需要。它采用PLC控制方式，整个系统可靠性高，组态可灵活调整，编程方便，调试维护简单，对不同车型的车身通过编程即可达到仿形编程目的。
第二，移动式喷涂工业机器人。
移动式喷涂工业机器人主要用于高空喷涂作业，如大楼、桥梁的高空喷涂等，配备缆绳、真空或磁吸附装置，充当工业机器人的下肢，使工业机器人能够在高空喷涂作业的同时进行移动。有一种缆索工业机器人，用于斜拉桥的高空喷涂，利用PLC作为控制系统，该工业机器人运行稳定，可靠性高，可满足斜拉桥高空喷涂的需要。还有一种用于高层建筑喷涂作业的移动工业机器人，以真空吸附的方式进行高层建筑物的喷涂作业，其由支援系统、工业机器人本体和控制系统组成。其中支援系统包括移动小车、卷缆部件和悬挂装置；控制系统采用PLC控制。喷涂机械手采用往复运动的方式，同时在喷涂机械手上安装了两套CCD摄像系统，可从支援小车的监视器实时监视喷涂作业情况和墙面喷涂的质量。该工业机器人的推广应用提高了高层建筑喷涂作业的质量、工作效率和安全可靠性，减小了工人的工作量。
（3）喷涂工业机器人工作站设计因素。
①工业机器人的工作轨迹范围。
在选择工业机器人时需保证工业机器人的工作轨迹范围必须能够完全覆盖所需施工工件的相关表面或内腔。工业机器人的配置可满足车身表面的喷涂需求。间歇输送方式的工业机器人用于对静止的共建施工，除工件断面上，还需保证在工件俯视面上工业机器人的工作范围能够完全覆盖所需施工的工件相关表面。当工业机器人的工作轨迹范围在输送运动方向上无法满足时，则需要增加工业机器人的外部导轨，以扩展其工作范围。
②工业机器人的重复精度。
对于涂胶工业机器人而言，一般重复精度达到0.5 mm即可。而对于喷涂工业机器人，重复精度要求可低一些。
③工业机器人的运动速度及加速度。
工业机器人的最大运动速度或最大加速度越大，意味着工业机器人空行程所需的时间越短，在一定节拍内工业机器人的绝对施工时间越长，可提高工业机器人的使用率。因此，工业机器人的最大运动速度及加速度是一项重要的技术指标。需要注意的是，在喷涂过程中（涂胶或喷涂），喷涂工具的运动速度与喷涂工具的特性及材料等因素直接相关，需要根据工艺要求设定。此外，由于工业机器人的技术指标与其价格直接相关，所以应根据工艺要求选择性价比高的工业机器人。
④工业机器人手臂可承受的最大荷载。
对于不同的喷涂场合，在喷涂过程中配置的喷涂工具不同，要求工业机器人手臂的最大承载载荷也不同。
5.任务评价
任务评价见表3-4。
表3-4 任务评价
