淺談涂裝自動(dòng)擦凈機(jī)器人系統(tǒng)的技術(shù)開(kāi)發(fā)及應(yīng)用

李靜，邱昌勝
（安徽江淮汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，合肥 230601）
0 引言
為確保車(chē)身油漆噴涂時(shí)車(chē)身外表面的潔凈度，在機(jī)器人噴涂入口需有自動(dòng)擦凈，自動(dòng)擦凈一般采用傳統(tǒng)的五輥式擦凈機(jī)，五輥式擦凈機(jī)均為進(jìn)口設(shè)備，價(jià)位偏高，備件貨期較長(zhǎng)，且維護(hù)困難，在使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)諸多問(wèn)題。由于五輥式擦凈機(jī)的輥?zhàn)庸潭?，難以擦拭整個(gè)車(chē)身，而且當(dāng)車(chē)型大小相差較大時(shí)，部分車(chē)型難以擦凈。

現(xiàn)階段工業(yè)機(jī)器人已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)化，成本比以往降低了很多，擦凈機(jī)器人系統(tǒng)基于投入更少，產(chǎn)出更多的理念，用大載荷的工業(yè)機(jī)器人抓取吸塵罩與鴕鳥(niǎo)毛輥?zhàn)樱ㄟ^(guò)離線模擬制定擦凈軌跡，利用機(jī)器人高柔性動(dòng)作，精確貼合車(chē)身表面，保持最佳的鴕鳥(niǎo)毛侵入深度，以達(dá)到最佳清潔效果。
1 總體思路
在自動(dòng)擦凈機(jī)器人技術(shù)開(kāi)發(fā)之前，我們?cè)敿?xì)了解車(chē)身噴涂前對(duì)車(chē)身外表面的潔凈度要求，充分考慮機(jī)器人擦凈的可行性，并制定詳細(xì)技術(shù)開(kāi)發(fā)方案。在方案確認(rèn)后，我們對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行了充分策劃，主要針對(duì)工藝方案、節(jié)拍分析、節(jié)距分析、機(jī)器人型號(hào)、機(jī)器人數(shù)量、機(jī)器人軌跡、詳細(xì)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)、制造、現(xiàn)場(chǎng)安裝、擦凈驗(yàn)證、小批量生產(chǎn)等方面編制了涂裝自動(dòng)擦凈機(jī)器人系統(tǒng)的技術(shù)開(kāi)發(fā)及應(yīng)用項(xiàng)目總體網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃，各推進(jìn)組根據(jù)總網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃制定詳細(xì)的子項(xiàng)目推進(jìn)計(jì)劃，并嚴(yán)格按計(jì)劃落實(shí)和實(shí)施。
2 項(xiàng)目方案
2.1 前期擦凈存在的問(wèn)題
2.1.1 手工擦凈
手工擦凈是汽車(chē)制造過(guò)程中最為原始和簡(jiǎn)單的一個(gè)工藝方法，在配合噴房?jī)?nèi)部通風(fēng)的情況下，根據(jù)產(chǎn)量和車(chē)身大小的不同，配置不同人數(shù)的擦凈工人。工人的必須穿著防靜電連體服，通過(guò)風(fēng)淋系統(tǒng)的吹凈，才能進(jìn)入擦凈區(qū)。擦拭車(chē)身的為專(zhuān)用的防靜電無(wú)紡布，每個(gè)工人負(fù)責(zé)車(chē)身的固定區(qū)域進(jìn)行擦凈。由于人工成本的低廉，國(guó)內(nèi)很多廠家還在繼續(xù)采用手工擦凈。但手工擦凈得到的車(chē)身潔凈度不高，且無(wú)法適應(yīng)高產(chǎn)量時(shí)的需求，所以大部分中高級(jí)乘用車(chē)的生產(chǎn)廠家已利用自動(dòng)化設(shè)備取代了手工擦凈。
2.1.2 五輥式鴕鳥(niǎo)毛擦凈機(jī)
現(xiàn)在國(guó)內(nèi)使用最多的自動(dòng)化擦凈設(shè)備為五輥式鴕鳥(niǎo)毛擦凈機(jī)，它由1個(gè)頂輥，2個(gè)側(cè)斜輥，2個(gè)垂直側(cè)輥組成，如圖1所示。

當(dāng)車(chē)身行進(jìn)到擦凈區(qū)域時(shí)，擦凈機(jī)可從車(chē)型識(shí)別系統(tǒng)中讀取到相關(guān)的車(chē)型信息，自動(dòng)調(diào)整頂輥的高度以適應(yīng)不同的車(chē)型。擦凈時(shí)，首先由頂輥擦拭車(chē)身的水平面，以及行李箱的垂直面，頂輥可以根據(jù)車(chē)身外形的變化進(jìn)行跟蹤，貼合車(chē)身進(jìn)行擦凈。然后由側(cè)斜輥擦凈車(chē)身的ABC柱部分，同時(shí)垂直側(cè)輥擦凈車(chē)身側(cè)面。先水平面后垂直面的順序保證車(chē)身不會(huì)被二次污染。
輥?zhàn)舆x用的是高質(zhì)量的鴕鳥(niǎo)毛， 每根羽毛有正確的角度和密度. 在輥?zhàn)拥尿?qū)動(dòng)桿上有一個(gè)開(kāi)關(guān)用于監(jiān)控速度, 可以直觀的調(diào)節(jié)毛刷的旋轉(zhuǎn)速度，見(jiàn)圖2所示。 整個(gè)輥?zhàn)涌梢钥焖俦憷母鼡Q, 有聯(lián)軸節(jié)。羽毛輥?zhàn)拥乃俣瓤烧{(diào)節(jié)從30-90rpm. 設(shè)定點(diǎn)為1rpm。輥?zhàn)釉?0rpm的速度下可有100mm的車(chē)身侵入深度。

頂輥有兩個(gè)運(yùn)動(dòng)軸, 垂直和旋轉(zhuǎn). 垂直軸通過(guò)兩個(gè)線性導(dǎo)軌來(lái)實(shí)現(xiàn), 在停電的時(shí)候頂輥可以通過(guò)配重塊上升到一個(gè)安全位置, 或是保持現(xiàn)有的位置直到稍有外力使其達(dá)到安全位置。頂輥的驅(qū)動(dòng)是伺服電機(jī), 齒輪箱, 離合, 鏈齒輪和鏈條. 通過(guò)PLC和伺服系統(tǒng)來(lái)對(duì)其位置進(jìn)行閉環(huán)控制. 可通過(guò)示教器或者是人機(jī)界面編程來(lái)為每個(gè)車(chē)型儲(chǔ)存約20個(gè)位置。另外, 頂輥裝備了直流去離子棒, 用于消除羽毛表面的電荷, 保持羽毛的清潔, 更徹底的移除顆粒,灰塵等
側(cè)面的羽毛輥?zhàn)拥奈恢煤退俣扔蒔LC和伺服系統(tǒng)單獨(dú)進(jìn)行閉環(huán)控制. 通過(guò)示教器和人機(jī)界面可以為每種車(chē)型儲(chǔ)存約20個(gè)位置側(cè)輥有600mm的線性移動(dòng)， 且每個(gè)輥?zhàn)佣佳b有去離子棒, 消除羽毛表面的電荷。每個(gè)側(cè)輥都可以自動(dòng)調(diào)節(jié)角度和進(jìn)行位移來(lái)適應(yīng)車(chē)身。
現(xiàn)五輥式擦凈機(jī)均為進(jìn)口設(shè)備，價(jià)位偏高，備件貨期較長(zhǎng)，且維護(hù)困難，用戶(hù)使用過(guò)程中已發(fā)現(xiàn)諸多問(wèn)題。
2.2 擦凈機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)
正如噴涂機(jī)器人取代了以往的往復(fù)式噴涂機(jī)一樣，擦凈機(jī)器人基于同樣的設(shè)計(jì)理念，用高柔性的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)替代以往的單一往復(fù)式運(yùn)動(dòng)。替用戶(hù)節(jié)省更多的投資和運(yùn)行成本，得到更好的擦凈效果，適應(yīng)中高級(jí)乘用車(chē)的擦凈質(zhì)量要求。
2.2.1 設(shè)計(jì)理念
現(xiàn)階段工業(yè)機(jī)器人已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)化，成本比以往降低了很多，擦凈機(jī)器人系統(tǒng)基于投入更少，產(chǎn)出更多的理念，用大載荷的工業(yè)機(jī)器人抓取吸塵罩與鴕鳥(niǎo)毛輥?zhàn)?，通過(guò)離線模擬制定擦凈軌跡，利用機(jī)器人高柔性動(dòng)作，精確貼合車(chē)身表面，保持最佳的鴕鳥(niǎo)毛侵入深度，以達(dá)到最佳清潔效果。
2.2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
系統(tǒng)主要由機(jī)器人本體，擦凈裝置，電控部分和抽吸裝置組成，其中，擦凈裝置部分為吸塵罩和鴕鳥(niǎo)毛輥，與五輥式鴕鳥(niǎo)毛擦凈機(jī)所采用的吸塵罩和羽毛輥是幾乎相同的設(shè)計(jì)和部件，所不同僅是系統(tǒng)的動(dòng)作部分，見(jiàn)圖3所示。

擦凈機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也是將車(chē)身從頭到尾、自上而下的清潔干凈、并避免再次污染。清潔是由鴕鳥(niǎo)毛輥?zhàn)訉⑴K物從車(chē)體上除去，鴕鳥(niǎo)毛輥?zhàn)幼陨硪苍诔掷m(xù)地自清潔。滾刷是由一定數(shù)量的駝毛安裝在可旋轉(zhuǎn)的桿上而成，應(yīng)有多種尺寸以適應(yīng)不同的車(chē)體外形。在吸塵罩內(nèi)安裝有去離子棒，對(duì)鴕鳥(niǎo)毛輥?zhàn)舆M(jìn)行吹掃，中和羽毛所帶電荷，使羽毛張開(kāi)，抽吸空氣就可輕易將灰塵顆粒抽吸走，從而保證了鴕鳥(niǎo)毛輥?zhàn)拥淖陨砬鍧?。同時(shí)，在吸塵罩邊緣裝有防碰撞安全邊，它是由中空的橡膠管搭配兩端對(duì)射的光電管組合而成，一旦與車(chē)身有輕微碰撞，系統(tǒng)將得到一個(gè)急停信號(hào)。
吸塵罩一端裝有控制鴕鳥(niǎo)毛輥?zhàn)愚D(zhuǎn)速的電機(jī)，可對(duì)鴕鳥(niǎo)毛輥?zhàn)拥霓D(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整，和五輥式擦凈機(jī)一樣，調(diào)整精度為1rpm，調(diào)整范圍為30rpm-90rpm。在吸塵罩的后端，裝有抽吸的軟管，軟管的另一端連接風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)提供每小時(shí)2000m3的抽吸風(fēng)量，含有灰塵顆粒的抽吸空氣可通過(guò)噴房的過(guò)濾系統(tǒng)經(jīng)過(guò)過(guò)濾后排放到大氣中。每臺(tái)機(jī)器人安裝有一套鴕鳥(niǎo)毛輥?zhàn)?，為了適應(yīng)不同的生產(chǎn)量要求，我們配備不同數(shù)量的機(jī)器人，根據(jù)國(guó)內(nèi)的一般情況，主要有以下兩種配置：若產(chǎn)量小于46輛/小時(shí)，一般采用2臺(tái)擦凈機(jī)器人，若大于46輛/小時(shí)，則采用3臺(tái)擦凈機(jī)器人，如圖4所示。

兩臺(tái)機(jī)器人分別負(fù)責(zé)一半車(chē)身，僅在水平面擦凈時(shí)有重疊部分，若采用三臺(tái)機(jī)器人，則一臺(tái)機(jī)器人負(fù)責(zé)擦凈車(chē)身水平面，另外兩臺(tái)機(jī)器人負(fù)責(zé)車(chē)身的側(cè)面。
2.2.3 擦凈系統(tǒng)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)
機(jī)器人擦凈系統(tǒng)主要分為兩部分，分別是機(jī)器人和鴕鳥(niǎo)毛輥。機(jī)器人主要起載體作用，確保鴕鳥(niǎo)毛輥能根據(jù)車(chē)身軌跡擦凈車(chē)身；鴕鳥(niǎo)毛輥上有鴕鳥(niǎo)毛和離子風(fēng)管，鴕鳥(niǎo)毛擦拭車(chē)身，離子風(fēng)起吹掃車(chē)身和去除車(chē)身表面靜電，避免車(chē)身沾灰。
3 結(jié)語(yǔ)
自動(dòng)擦凈機(jī)器人系統(tǒng)可以滿(mǎn)足各種車(chē)型的需求，根據(jù)車(chē)身外表面擦凈需求進(jìn)行機(jī)器人軌跡仿形，尤其在多車(chē)型共線生產(chǎn)，或者是車(chē)型變化較大的生產(chǎn)線，擦凈機(jī)器人的靈活性尤其突出。對(duì)于擦凈工藝來(lái)說(shuō)，對(duì)清潔效果影響最大的是鴕鳥(niǎo)毛侵入車(chē)身的深入，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)論證，羽毛侵入車(chē)身的深度保持在30mm~40mm之間得到的清潔效果是最好的，所以擦凈機(jī)器人系統(tǒng)的高柔性帶來(lái)的一個(gè)最大好處在于可以使羽毛輥精確貼合車(chē)身，保持固定的侵入深度，不僅能使得清潔效果達(dá)到最佳，而且可以延長(zhǎng)鴕鳥(niǎo)毛輥?zhàn)拥膲勖?nbsp;