汽车涂装作业机器人关键技术分析

冯 锐，邱春雷

(1.四川化工职业技术学院，四川 泸州 646300；2.西华大学，四川 成都 610097)

0 引言

汽车涂装作业机器人可进行自动喷涂油漆或其他涂料，在汽车领域被广泛应用。因其高度智能化和喷涂均匀的优点，其在汽车领域占比越来越高。喷涂料多含有危害人体健康的化学成分，如苯、二甲苯等，传统的汽车喷涂采取人工方式，采用这种方式对人体产生极大的危害，涂装作业机器人的出现有效解决了这一问题。同时涂装作业机器人和人工的很大区别在于可有效改善喷涂效果，同时提高工作效率。对车企来说，这就是企业利润的提高，可有效控制生产成本。

本文将对喷涂作业机器人结构及功能进行介绍，并针对涂装作业机器人在汽车领域的仿真技术应用、污染防控技术应用、安全技术应用及防止喷涂串色应用这几个关键技术进行分析，并提出相应的措施方法，使其能够更好的服务于汽车行业，使其成为汽车行业发展重要主推力量。

1 涂装作业机器人结构及功能分析

喷涂作业机器人作为自动控制机器人，其通过控制柜对机器人发出操作命令，通过液压阀门实现对机器人喷涂料开关的控制，最终实现汽车喷涂。喷涂作业机器人操作系统主要包括以下几个系统：机械结构系统；电气系统：包括多种控制模块；液压执行系统等。

汽车喷涂作业机器人作为汽车领域的专用机器人，其具有独特的工作特征，除了具有传统机器人的功能外，其还具有以下功能：1)可编写工艺喷涂参数功能。工艺喷涂参数包括：涂料流量、雾气压力及扇幅压力等。通过控制软件可将相应参数输入控制器中，实现数字量和模拟量的快速更换，实现有效的喷涂作业。2)防爆功能。喷涂作业机器人工作环境多为密闭环境，而且喷涂料多具有可燃性，因此使得密闭环境具有爆炸的风险，所以喷涂作业机器人应具有防暴功能。3)喷枪位姿变换功能。喷涂作业机器人多采用直线形非球型中空手腕结构，该结构可实现喷枪位姿的快速变换，同时可避免管路发生纠缠及干涉，预防管路破裂。4)喷涂方式转换功能。机器人手臂上可安装各种小型模块，实现喷涂方式转换，例如在低压喷涂系统引入了换色模块、实现低压和高压喷涂转换，这使得喷涂效率提高，避免由于喷涂设备更换引起的停工。

2 仿真技术应用分析

喷涂作业机器人在汽车喷涂作业的大量使用，致使机器人仿真技术在该领域得到越来越多技术人员的关注。技术人员通过仿真软件可以进行喷涂作业机器人的选型并进行项目模拟作业，从而评估项目实施的可行性。

仿真技术应用可有效解决喷涂奇异点的问题。喷涂作业机器人喷涂头部需要保持与喷涂表面法向垂直(如图2所示)，然而在实际操作中，却可能出现与法向无法垂直的工况，可直接导致机器人抖动，更有可能导致机器人的停机，这就是常说的喷涂奇异点。而离线程序不仅通过仿真软件可传输给喷涂作业机器人，还能将喷涂作业机器人的内部程序输送给仿真软件，从而在仿真软件中再现喷涂作业机器人实际工况，基于这一功能，可解决喷涂奇异点的问题。

如图3所示U轴出现红色信号，这说明机器人已达到转动轴极限，仿真软件将达到极限的转动轴进行变色处理。若要将此报警信号进行消除，可通过改变机器人作业位置的方法。常用方法也有改变喷涂头部结构，但这种方法耗时费力，在实际生产过程中，是不常用的。可在仿真软件中模拟喷涂作业机器人实际需要移动的位置量。通过记录程序点，找到机器人各个轴向的极限位置，从而确定机器人中点位置即为最佳安装位置，再根据现场空间条件，确定喷涂作业机器人实际位置，这种方法可有效解决喷涂奇异点的问题。

仿真技术的应用，可使得汽车厂家在不现场停机作业的情况下，真实的模拟实际作业情况，这可有效提高工作效率，为汽车企业带来收益。

3 污染防控技术应用分析

喷涂作业机器人取代人工进行喷涂应用越来越广，但随之带来了污染问题，像轨道及开门挂钩的污染问题。这直接导致喷涂效果不佳，车身出现颜色不均匀、甚至颗粒物等问题，严重影响汽车质量。因此，需有合适的防污染解决方案。

汽车内部表面的喷涂，喷涂作业机器人和开门机器人(如图4所示)要相互合作完成，喷涂作业机器人在喷涂过程中，难免会有喷涂料滴落在开门机器人开门挂钩上面，如果长时间不清理这一挂钩，就会导致油漆的积累，最终导致车身颗粒等情况，影响喷涂质量。

目前来看，可从以下几个方面解决这一问题：(1)调整喷涂作业机器人喷涂角度。喷涂作业机器人雾化器需避免垂直于开门机器人开门挂钩，并且调整开门钩子和汽车表面需喷涂地方叠加位置的喷涂角度，这样喷涂料可以尽可能少的掉在钩子上，降低清洗喷涂钩子的频率，提高生产效率。(2)定期检查车身工装夹具。车身工装夹具在长期使用中，其夹具实际位置会发生变化，这一变化会直接影响开门钩子位置及角度，最终导致喷涂料累积等情况，因此需要定期对工装夹具进行位置的校准。

而在喷涂作业机器人轨道方面，由于长期的喷涂作业，大量的喷涂料会累积在喷涂轨道上，时间一长就会导致导轨滑块运行不顺畅，滑块里的滚珠会被凝固的涂料卡死，导致喷涂作业无法顺利进行下去。只能采取更换滑块的方式，费时费力影响生产。因此，会采取措施避免这一情况的出现。

目前来看，可从以下几个方面解决这一问题：(1)轨道保养。需要定期对轨道的导向块、齿条、毛毡齿轮、直线导轨等零部件进行彻底清洁。当喷涂作业频率增加时，则需要增加喷涂作业的频率。(2)定期检查润滑系统是否运行顺畅。导向块、齿条、毛毡齿轮、直线导轨等零部件都需要配置有单独的润滑系统，相关人员要定期对润滑油箱的液位情况进行确认，当润滑油不够时，要及时添加，保证整个轨道系统的充分润滑，提高轨道的使用寿命。

4 安全技术应用分析

喷涂作业机器人的高度自动化可以带来高效率的生产，同时不可避免对于本体安全提出了更高要求。喷涂作业机器人连续、高效、安全这三个标准是衡量机器人是否可以完全信赖的标准，而安全是保证这一切能否顺利进行的前提条件。目前，常采取的喷涂作业机器人安全措施有以下几点：

(1)人员安全保证。喷涂作业机器人是一个拥有多轴活动关节的工业机器人系统。该系统可分为工作站和工作线，不论哪一种都要求机器人工作区域是相对密闭的环境，该环境内只允许加工件和工装存在其中。目前常采用相应的检测装置检测环境的安全性，如工作人员需佩戴有门磁装置，确保喷涂作业过程中，无人员在内部。同时配有光幕等装置，当在机器运行过程中，有人员进入时，机器人会自动停止作业，保证人员安全。

(2)待加工件安全保证。设计人员在工件设计阶段就要考虑喷涂作业机器人如何识别该工件。输送该工件的设备要把工件相应参数发送给喷涂作业机器人，喷涂作业机器人要对工件进行特征点识别，常用的识别方法有光幕识别或者超声波识别，识别后的特征数据与数据库进行对比，如相符则进行喷涂，不相符要及时停止输送工件，避免不安全情况的出现。

(3)关联设备安全保证。与喷涂作业机器人关联的设备有待加工件传输设备、消防安全设备、各种温度传感器设备等等。这些设备与喷涂作业机器人进行联锁作业，因此需保证其安全有效。可采用以下措施：待加工件传输设备的安全可采用与喷涂作业机器人电气信号共用的方法，包括待加工零部件的各种参数共享等；温度传感器设备要与喷涂作业机器人共享报警、停止等安全信号；消防安全设备要能够在发出报警信号后，迅速停止喷涂作业机器人作业，避免火灾等情况对机器人的进一步损害。

5 防止喷涂串色应用分析

目前汽车喷涂车间多采用多种车型在一个车间喷涂的方式，这必然存在喷涂料颜色较多的问题，不可避免要存在喷涂串色，这就对喷涂机器人自动换色的能力提出了要求。如果换色系统不能很好的工作，这必然会导致涂料颜色混杂的问题，最终导致喷涂质量变差，影响汽车生产。因此，需要采取合适的方式防止这一情况的出现。喷涂机器人自动换色的基本原理可简述为：系统中每一种油漆管路都有单独的开关阀进行控制，当需要某一种油漆时，系统就会控制这一个开关阀打开，油漆就会通过开关阀进入到油漆填充罐中。

目前常见的导致油漆串色的原因如下：开关阀被异物卡住无法正常开关。当开关阀被异物堵塞无法正常开关时，就会有系统中的涂料进入到公共管路中，使得公共管路受到污染。常见的异物有金属丝、金属油漆渣等。为避免上述情况出现，可采取以下措施避免：(1)管路清洗人员负责制。清洗管路不能只有一个工人操作，要多个工人同时操作，多次清洗避免管路中存在异物，重点需要清洗过滤器；(2)在喷涂机器人的前端安装Y型过滤器，防止管路中仍然存在金属丝、金属油漆渣等异物，起到双重保护的作用。

6 结论

为提高涂装作业机器人在汽车领域的应用效果，对其结构及功能进行了分析，重点围绕涂装作业机器人在汽车领域的仿真技术应用、污染防控技术应用、安全技术应用及防止喷涂串色应用这几个关键技术进行了分析，并提出了相应的措施方法，使其能够更好的服务于汽车行业，成为汽车行业发展重要的主推力量。