蓝牙节能喷涂机器人设计

高行健

随着工业4.0的深入发展，大型汽车生产厂的喷涂工艺已经全部或部分改用固定式机器人，而4S店由于喷涂位置不固定，还采用人工喷涂。喷涂过程中产生的废气含有大量的苯、对二甲苯、重金属元素等有害物，喷漆工人长期从事此工种对其身体危害非常大，且人工喷涂效果差，为此我们团队设计了膜厚同步激光检测及多级递进式流量流速控制的蓝牙节能喷涂机器人，用来替代4S店中喷涂工人的喷漆作业，节省喷涂用量，提高喷涂质量，达到节能减排的效果。

【关键词】六自由度 结合电控技术的混气喷枪 无线通信 丝杠升降

1 项目背景

人工喷涂因为工人作业水平和作业状态的限制，喷涂效果差，国外喷漆机器人的设计与制造是一项十分成熟的技术，已经有三十年以上的发展历史。国内的喷涂机器人的研究始于二十世纪八十年代。但国内外厂家研发和生产的喷涂机器人一般为台架固定式三自由度喷涂机器人，不能满足汽车修补喷涂的使用。随着喷涂机器人的设计与制造技术的不断创新，喷漆机器人的喷涂精度得到了巨大的提高，使得喷漆机器人在世界发达国家得到了广泛的应用。但是现有喷涂机器人多应用于生产车间的涂装，未有专门应用于汽车修补的喷涂机器人面世，所以我们团队开发用于汽车修补喷涂的機器人在国内外尚属首次。如表1所示。

2 喷涂机器人总体构成

为实现喷涂机器人对4S店中各种复杂喷涂环境的适应能力，设计该机器人具有蓝牙远程无线操作；控制喷枪的移动速度，通过控制喷幅宽度、膜厚和喷液流量流速指标来保持喷涂精度；同时提醒操作人员及时更换、添加喷液的功能。如图1所示。

其基本结构：

（1）机械手臂采用六自由度结构，由6个舵机组成；

（2）底座采用丝杠升降装置，靠螺旋进给实现升降，丝杠由一个大功率电机提供动力；

（3）安装有蓝牙无线通信模块，通信距离远，穿透性强，可以由工人远程操作；

（4）喷枪采用先进电控混气喷枪，采用混气喷涂雾化原理，涂料受压后突然减压膨胀而雾化，压缩空气的流动，促使涂料进一步雾化产生“双生雾化”效果；

（5）激光测距模块H-PT5028实时测距，检测反馈喷头与车身距离，调控流量精确控制膜厚。

（6）喷液储存装置内配有喷液更换提醒系统，可以自动检测喷液存量，提醒工作人员及时添加、更换喷液。

其中，控制系统以STC12C5A60S2单片机为核心，具体包括升降机步进电机驱动电路，六自由度机械臂舵机控制电路，蓝牙无线控制电路，油漆泵、气泵控制电路从而实现对整个系统的控制。整体电路结构如图2。

3 设计制作中解决的关键技术问题

3.1 多级递进式激光测距

（1）选用激光测距技术，测距精度等级高可达10μm，且其抗干扰性强，较超声测距技术而言，更适合在喷涂恶劣环境下作用，可有效避免其他因素的干扰。

（2）多级监控：（一级）检测0.3m内有无目标；（二级）每0.5s检测一次，反馈目标距离，至处开始喷涂；（三级）循环检测确定距离不变，保持连续喷涂。

3.2 多级递进式流量流速控制系统

（1）考虑到汽修汽车维修店操作人员技术水平，故我们采用泵体流量流速控制技术来调节设备喷涂量，手机蓝牙客户端实现远程控制，可操作性强，避免人员实地操作带来的人身伤害；

（2）为最大可能满足不同漆层厚度需求，设计可调多级递进式流量流速，根据实际需求进行设置。初始化参考设置分别为一级膜厚45μm，二级膜厚55μm，三级膜厚65μm，并可配合喷枪实现5μm递进式喷涂，误差范围±1μm。

3.3 垂直升降装置控制

满足喷涂高度的需求，由操作人员根据需要通过蓝牙远程控制，创造性采用丝杠螺母装置提升了升降过程的平稳性，在工作过程中适时调节高度，提高喷涂质量。

3.4 智能延时

充分考虑使用时操作人员失误的情况，设置智能延时功能，延时5s，5s确定无误后启动喷涂作业。

4 项目创新性、优越性

（1）在自由度方面，国内外生产厂家研发和生产的喷涂机器人一般为固定式三自由度喷涂机器人，不能满足汽车修补喷涂的使用，本机器人采用六自由度机械臂，最大限度提升喷枪的伸展空间，完成喷枪的各种动作，使喷枪在一次喷涂中可喷涂范围更大，轨迹灵活，可完成内表面和外表面的喷涂任务，放行喷涂轨迹精确，提高了涂膜的均匀性，将减少喷涂量和清洗溶剂的用量，提高材料的利用率，对环境保护起到非常大的作用；

（2）在机构上，该机器人引入了新颖的丝杠垂直伸缩装置，在不影响喷枪灵活度的基础上提升了喷枪的工作高度，使喷枪更好地适应多种工作环境的需要，使喷枪的运动更为灵活，扫除了一些喷涂中常见的死角，极大地提升了喷涂效率，减轻了工作人员的工作量；

（3）蓝牙无线通信模块使得远程操作机器人成为可能，将喷漆工人从直接喷漆的环境中解脱出来，保护了工人的身体健康。

（通讯作者：曹利华）

参考文献

[1]刘蕾，柳贺，曾辉.六自由度机器人圆弧平滑运动轨迹规划[J].机械制造，2014（52）：10.

[2]皮阳军，王骥，胡玉梅.并联六自由度机构运动学与动力学标定对比[J].哈尔滨工程大学学报，2014（35）：11.

[3]陈爱波，宁淑荣，陈五一.基于MATLAB与SolidWorks的六自由度机器人联合建模仿真[J].机电技术，2014（06）：57-60.

作者单位

1.山东省实验中学 山东省济南市 250100

2.山东大学 山东省济南市 250100