车辆自动喷漆机器人及可视化设计

刘瑞军

摘要：货车车辆的关键金属零部件在使用过程中易受到不同环境的腐蚀而影响其使用安全与寿命。为了改善喷涂作业环境，提高作业质量与效率，本文拟设计车辆自动喷漆机器人系统，在实现机械化喷涂作业的基础上，深入研究喷涂迹线、喷射压力、距离、角度等参数对物料附着效果、回弹等的影响，实现喷涂系统性能参数的合理设计，达到保障喷涂质量的目的。

关键词：货车自动喷漆;自动喷涂机器人;可视化控制

0  引言

铁路货车车辆金属零部件受环境介质的作用易发生化学或电化学反应，腐蚀破坏基材，从而大大影响部件使用寿命，威胁到车辆运行的安全性。为缓解车辆金属部件的腐蚀，需对部件进行有效的表面处理[1-3]。本文拟研制一套自动喷涂系统以弥补人工作业中的短板，根据各制动配件的喷涂要求，设计合适的喷涂轨迹曲线，综合全部制动配件的喷涂轨迹，设计合适的喷涂机器人和匹配的喷涂系统[1-3]。

1  系统关键问题分析

1.1 铁路货车制动配件自动喷涂机器人设计

六自由度喷涂机器人运动自由度与范围能够满足目前厂修检修时制动配件各类尺寸规格需求，定位精度能够满足高质量喷涂控制需求。机器人系统包括腕臂运动机构、喷嘴运动机构、油漆喷涂动力系统、运动机构控制系统。

1.2 喷涂室可视化监控与操作控制系统研制

为彻底解决喷涂恶劣环境对工作人员健康的影响，本项目所研制的系统考虑在喷涂室布置可视化监控网络，并配备置于喷涂室外的喷涂机器人操作台，喷涂工人通过远程视频识别出不同的制动配件，选择相应的控制喷涂作业过程，实现远程机械化作业。

1.3 喷涂性能关键参数设计

根据喷涂对象结构特性与喷涂效果需求，开展铁路货车制动配件喷涂关键参数研究，包括喷涂迹线设计、喷射压力与喷射角度参数设计、受喷面距离参数设计、喷嘴雾化与锥角设计、喷涂原料回弹情况分析等。从而实现喷涂过程的均匀连续，保障被喷件喷涂质量与喷涂作业效率[4-5]。

2  系统关键问题分析

①在现有货车制动配件防锈喷涂作业线基础上，升级改造喷涂室作业装备，将人工喷涂作业方式升级为机器人自动喷涂。保留现有的导链传输线。在喷涂间内，其布置方式与原方式一致，对侧为挡漆板，现操作工站立喷涂位置布置一台喷涂机器人来代替人工作业。

②采用機器人喷涂，因喷涂动作参考人工作业方式，则需要配置一套旋转机构，代替人手旋转制动配件，制动配件在悬挂状态能旋转到希望角度。

③通过旋转机构，在解决了制动配件在悬挂线挂具上的定姿态、定角度旋转技术问题后，喷涂机器人就可以按制动配件旋转后所处在姿态执行相应匹配的喷涂轨迹曲线，移动喷枪完成制动配件正对着机器人侧的区域的喷涂作业。

3  系统模块设计

所研制的铁路货车制动配件自动喷漆系统能满足喷涂作业的机械化和远程控制需求，系统包含的主要模块有[6-7]：

①运动机构：通过六自由度机械手，实现喷嘴在设计空间范围内的自由运动与精确定位;

②自动送料系统：在既有的制动配件喷漆流水线上，采用合理的物料传输系统，实现物料的均匀、连续、稳定输送;

③自动控制系统：结合现场应用需求，编制机器人控制程序，实现机器人姿态、位置、轨迹的有效控制;

④视频监控系统：根据喷涂室环境情况，合理布置高清摄像头，实现喷涂室作业过程监控，达到满足远程操控需求的目的。

4  智能机器人设计

4.1 喷涂机器人参数

作为喷涂作业的执行单位，需要考虑喷涂环境的粉尘易爆的特殊性，故需要采用具有防爆保护的专用喷涂机器人，其参数如图1所示。

4.2 喷涂工艺参数

喷涂路径根据零部件外形仿形，结合具体情况自动变化喷漆系统压力，机器人示教生成合理路径。

4.2.1 罐体喷涂路径

工件来料时横向位置，横向中间部分喷涂时走直线，纵向仿工件圆弧保持喷嘴与工件距离一致性，喷嘴往复两个回合，然后工件旋转90度，工件一端面面对机器人，喷端面，端面喷涂路径完全仿形端面外形，喷完端面再旋转90度喷另一横向，再旋转90喷另一端面。如图2。

4.2.2 板件喷涂路径

工件来料时板面面对机器人，喷嘴上下运动，两侧位置，喷涂路径仿侧面，喷嘴与板面有45度夹角，正面喷嘴与板面垂直，三个板件喷完一面，工件旋转180度，喷涂另一面。如图3。

4.2.3 弹簧喷涂路径

工件来料时如图4面对机器人，喷涂路径轴向走平行线，径向仿形弹簧外圆，弹簧端面喷嘴垂直端面喷涂，正面一侧四个弹簧喷完后，工件旋转180度，喷涂另一测。如图4。

4.3 视频监控及操作控制系统

视频监控及操作控制系统包括两套防爆摄像头、一台监控工业计算机、监视显示器、检测传感器、PLC、旋转电机、夹紧气缸、电磁阀、低压电器、电控柜、操作台等。

喷涂间内包括：摄像头、传感器、旋转电机、夹紧气缸、电磁阀等。控制器、计算机、操作台等都布置在喷涂间外。

摄像头布置在喷涂间导链传输线机器人侧的两端，通过操作能从两侧完全观察到机器人工作范围和喷涂过程。

所有操作按钮配置在操作台上，可实现手动/自动切换。在手动模式下，可以单独动作传输线、夹紧机构、旋转机构。在自动模式下，通过启动、停止按钮，实现传输、喷涂的自动过程。

本系统中，通过对视频信号进行视频流自动识别，在制动配件到位后，到位传感器触发识别软件，在显示图像的指定ROI范围内，识别软件自动提取制动配件的外轮廓和特征轮廓，通过与模型库进行轮廓比对，自动识别出制动配件的类型并弹出选择界面，由喷涂工人进行确认，系统自动选择相应的控制喷涂作业过程，实现远程机械化作业。

也可由喷涂工人通过看远程视频识别出不同的制动配件，选择相应的控制喷涂作业过程，实现远程机械化作业。

5  总结

本系统可实现适应各类制动配件的喷嘴运动迹线设计。根据铁路货车各类制动配件的形状与尺寸，合理设计喷嘴的运动迹线，达到快速、高效完成喷涂作业的目的。同时，本系统可以推广至车辆工程的各个领域中。

参考文献：

[1]陈伟，赵德安，汤养.自由曲面喷漆机器人喷枪轨迹优化[J].农业机械学报，2008（01）.

[2]张国栋.喷漆链爬行的研究[J].山西焦煤科技，2007（03）.

[3]余明高，李喜玲.喷头设计参数对雾场特性影响分析[J].煤炭科学技术，2007（06）.

[4]任明宙，徐克林.基于SPC的喷漆线产品质量改善[J].物流技术，2007（09）.

[5]中达首创国内喷漆控制系统自动化解决方案[J].机电产品市场，2005（04）.

[6]刁训娣，赵德安，李医民，王燚.喷漆机器人喷枪轨迹离线优化方法[J].农机化研究，2004（01）.

[7]贾成贵.HD125摩托车喷漆生产线[J].洪都科技，1991（01）.