某锻件自动喷涂集成系统体系框架及其布局研究

王友胜 ，侯 力，王少江，常青林，易宗礼

（1.四川大学 制造科学与工程学院，成都 610065；2.二重集团（德阳）启帆智能科技有限公司，德阳 610065）

0 引言

在中国制造业中，表面喷涂技术得到了广泛的应用，传统手工喷涂存在工作效率低、喷涂质量差、资源利用率不高、管理难度大等问题，已经不能满足当前的发展。随着机器人技术和计算机技术的迅速发展，机器人自动喷涂被广泛应用到各行业。我国学者对喷涂机器人技术和在各行业的应用做了大量的研究。李明忠、赵国瑞[1]设计了一种利用导流孔实现水流螺旋混流的新型喷嘴，运用有限元对水流入射角度、喷嘴腔体长径比和喷嘴出流直径等参数进行了仿真分析，雾化角度和喷射距离得到了理想结果；曾勇、龚俊等[2]针对喷涂路径组合优化过程中误差较大的问题，提出了直接修正和修正喷涂高度的修正方法，基于这两种修正方法进行了喷枪轨迹和相关参数的优化，有效减小了误差；董辉、李林鑫采用D-H参数法推导机械手的运动学方程并分析机械手的正、逆运动学问题，建立机械手仿真模型，以此为基础完成机械手喷涂作业的轨迹规划与运动仿真[3]；樊帅权、周波等[4]针对人工试教法存在的缺点，基于OpenGL开发了一套离线轨迹规划与仿真系统，但只能应用在一些简单曲面，不适用表面复杂的工件喷涂；汤养[5]和王金涛、徐金亭[6]分别提出了针对复杂曲面零件自动喷涂路径规划的方法，并在理论和仿真方面验证了方案的可行性；卢晓东、唐倩等[7]针对表面喷涂技术的涂层均匀性问题，在椭圆双β模型的基础上，运用微分投影法，建立一种立体涂层累积速率模型，提出了一种双层喷涂自动轨迹规划方法；缪东晶、吴料等[8]开发了一种适用于航空飞机等具有大型自由曲面产品自动喷涂的机器人系统；康国坡陈新度等[9]为解决喷涂机器人电机选择的困难，运用虚拟样机技术对喷涂机器人结构和动力学进行分析，求得峰值扭矩基于转速准则选取电机；房晶晶研究了机器人自动喷涂系统在铁路机车喷涂中的应用[10]；康惠春、王建军等开发了一套适合大型拖拉机底盘的机器人自动混气喷涂集成系统，提升了底盘喷涂工艺能力[11]。

上述喷涂领域的研究成果为锻造自动喷涂系统的研究设计提供了一定的技术基础和参考，但是针对锻造自动喷涂系统的研究，国内还处于起步阶段，不能很好的解决工程实际问题。因此，本文基于某公司的真实案例，采用计算机集成控制技术与机器人自动喷涂技术相结合方法，提出了一种锻件自动喷涂集成系统的体系框架和系统布局的规划方案，并分析了该锻件自动喷涂集成系统的工作节拍，实现了近无人化管理的生产模式，为相关集成平台的开发和实施提供了一定的参考。

1 锻件自动喷涂工艺流程

锻件自动喷涂工艺流程是自动喷涂集成系统框架建立的基础，同时也是自动喷涂集成系统布局的依据。根据喷涂需要的条件、设施、环境等条件，制定合理有序的喷涂工艺流程如图1所示。

搬运机器人将工件从原料室搬到准备室进行等待；启动叉车抬起待涂铸件放到输送机上，输送机感应到有物体进入，开始工作，将待涂工件送入预热炉的指定位置进行加热，温度控制在60℃～80℃；预热完成后，输送机再次启动，将工件运送到清理室指定位置，采用高压喷雾进行自动清理；完成后进入喷涂室，传感器感应到工件到达指定位置，将信号传递给控制器，控制器接到信号识别出工件种类，调出对应程序，给喷涂机器人发送指令，喷涂机器人开始工作，按照给定轨迹进行喷涂，检查是否有漏喷进行补喷；喷涂完成后，输送机将工件送入冷却室进行冷却；自然风干，晾晒后放入储存室，整个工艺流程完成。

2 锻件自动喷涂集成系统体系框架

锻件自动喷涂集成系统作为一种高度自动化的生产模式，它区别于以往的系统，由锻件产品喷涂工程设计系统、专家和用户综合评审系统、锻件产品喷涂实施系统、企业管理信息系统以及数据库和计算机系统组成，其系统体系框架如图2所示，锻件产品喷涂实施系统各子系统如下。

2.1 同步系统

根据自动喷涂生产线为连续运行的通过式的特点，选取同步系统。同步系统是自动喷涂集成系统不可或缺的一个单元，它决定着喷涂位置定位的准确性，是工件到位自动检测系统实现功能的前提。同步系统能够实现喷涂机器人工作速度与输送链速度之间同步协调，防止因速度不同步原因造成定位不准确或者引发故障。

2.2 工件到位自动检测系统

工件到位自动检测系统又是机器人喷涂系统的前提，主要用到的是传感器技术，工件到位自动检测系统对工件是否到达指定作业位置进行检测，并将信息传输给控制系统，控制系统收到信号将指令下发到相应设备，如输送设备、喷涂机器人等，设备接受到指令开始工作。

2.3 机器人喷涂系统

机器人喷涂系统是锻件自动喷涂集成系统核心模块，机器人喷涂系统主要由喷涂机器人系统、识别系统和供漆系统组成。

2.3.1 喷涂机器人系统

A公司采用某公司的专用喷涂机器人，喷涂机器人参数如图3所示，技术特点为：

1）机器人气体正压防爆系统：喷涂机器人采用全封闭的结构，并在壳体中充入阻燃气体来隔绝喷涂过程中可燃气体，可以有效防止产生电火花而引起爆炸等安全事故。

2）连续3R斜交非球型中空手腕：喷涂机器人的四五六轴为中空非球型手腕结构，这样可以将涂料管、高压线缆、气管等贯穿手腕，消除管道外置对导致机器人运动受限，提升高压线缆的安全性。

3）喷涂范围大，喷涂效率与质量高：喷涂机器人的运动半径可以达到2.9米，远超于市面上多数喷涂机器人，仅有ABB的IRB 5400、IRB 5500和川崎的KJ314-7轴等少数机型能达到，运动范围如图4所示。

图1 喷涂工艺流程图

图3 SRPT15-2900机器人参数

2.3.2 识别系统

识别系统可以实现机器人自动喷涂多品种混流生产。它充当了机器人的眼睛，可以识别出系统中已经储存的零件种类，并且通过通讯系统发送给总控系统，调用喷涂程序完成工件的喷涂工作。一般采用给每个零件编制二维码，通过视觉传感器扫描二维码，来识别零件的种类。

图4 SRPT15-2900机器人运动范围图

2.3.3 供漆系统

供漆系统主要由供漆泵、涂料调压器、色漆换色阀和喷枪组成。为提高涂料的上漆率以及满足喷涂环境防爆要求，采用高压柱塞气动泵给喷枪提供涂料；调节喷枪扇幅，采用自动涂料调压器来控制涂料的供给压力，实现自动调节；为提高机器人自动喷涂系统柔性和可扩展性，实现自动换色的功能，采用色漆换色阀，给更换涂料带来极大的便利；基于锻件多为大型工件，选用空气辅助式无气喷枪，即能实现大扇幅喷涂，同时还可以提高涂料的上漆率，节约涂料成本。

图5 系统整体布局

2.4 生产过程监控系统

自动喷涂生产车间安装自动监控系统，全天候实时监控生产过程。安装监控系统，只需一个人在监控室进行监督查看生产过程，监控系统装有报警装置，当遇到突发状况时，会以最快和最佳的方式发出警报并触发急停动作，工作人员收到信号后，可以快速进入现场处理事故，分析事故产生的原因，不仅提高了作业安全性，降低了劳动成本，还提高工作效率。

3 锻件自动喷涂集成系统布局

锻件自动喷涂集成系统基础结构由输送室、预热室、清理室、喷涂室、冷却室组成，系统整体布局如图5所示。采用Sketchup软件绘制喷涂集成系统布局模型，可以更加直观的反映出喷涂集成系统的工艺流程、系统框架，为接下来的实际应用提供依据。

3.1 输送工艺室

输送工艺主要进行上料输送操作，针对喷涂锻件多为大型工件，输送装置采用GWJ3500C重型积放式输送机输送，输送机每个小车载重可达2000kg，本生产线采用4车组结构，可以满足工件重量要求。工艺链速可以在9～15m/min范围内变速调节。输送工艺室如图6所示。

图6 输送工艺室

3.2 预热工艺室

预热工艺主要是对锻件进行补偿热量，防止锻件从预热炉运行至喷涂工位以及喷涂过程中，温度下降，影响喷涂质量。温度的调节方法采用PID调节，预热工艺室如图7所示。

图7 预热工艺室

3.3 清理工艺室

清理工艺主要是清理工件表面的灰尘、污渍等，采用高压喷雾清理方式可以起到很好的清理效果，锻件的清洁度也是喷涂质量的一个关键要素，清理工艺室如图8所示。

图8 清理工艺室

3.4 喷涂工艺室

喷涂工艺主要是锻件的喷涂工作，是整个工艺流程的核心部分。喷涂工艺室内采用无人化自动喷涂，只有当作业出现问题或喷涂机器人需要维修保养时，工作人员才可进入。喷涂工艺室如图9所示。

图9 喷涂工艺室及冷却工艺室

3.5 冷却工艺室

冷却工艺主要是针对已喷涂锻件的温度高，若采用自然冷却，增减整个工艺时间，且影响喷涂质量，因此增加冷却工艺环节进行人工冷却降温。待冷却完成，自然晾晒风干后，送入储藏室。冷却工艺室如图9所示。

4 应用效果分析

输送工艺贯穿整个工艺过程，对后续的其他工艺的有序进行起到关键作用，因此，选择输送工艺模块进行现场展示。锻件产品体积重，惯性力大的特点决定了输送装置要运行平稳、速度缓慢、可调控。选用积放式输送机可以满足上述的需求，其特点是积放式输送机的工作状态稳定、承载能力强、调控范围广，因此，非常适用于自动喷涂生产线的各个工位间的生产过程协调配合，现场情况如图10所示。

图10 输送工艺现场图

自动喷涂生产线原计划的日产量为50件，考虑生产车间的设备需要进行阶段性维护保养等，因此，实际产量与设计产量间存在一个误差系数，该系数一般取为0.95左右。现场生产采用全天候不间断工作制度，除去假期以及维护保养时间实际工作天数大约280天左右车间的设备利用率取为90%。生产线为串联模式，各个设备之间相互独立工作，不存在共用设备现象。计算自动喷涂生产每年有效工作时间，如下式所示：

上式各参数的物理意义为：

T为自动喷涂有效年工作时间；

T0为喷涂实际日工作时间；

C为实际年工作天数；

η为代表车间设备的实际利用率。

将相关数据带入上式计算可得：

在满足年产量规定指标情况下，平均分配到每个锻件上的有效喷涂时间为：

上式各参数的物理意义为：

λ为分配到每个工件的有效喷涂时间；

S为代表该条自动喷涂生产线的锻件产量。

经过上述计算可以得出该条喷涂生产线的工作节拍为28分钟，与之前的工作节拍70分钟（A公司的工作节拍）相比提高了2.5倍，年产量由1400件增加到3500多件，且喷涂的质量也得到了很大改善。

5 结语

锻件自动喷涂集成系统技术是一个技术性和实用性很强的研究课题，本文的研究取得了如下成果：

1）针对锻件产品的喷涂过程的特点和传统的喷涂系统存在的问题，建立了一种锻件自动喷涂集成系统体系结构。

2）以锻件喷涂集成系统体系的组成及其结构特点为根据，合理规划了锻件自动喷涂集成系统的布局。

3）以A公司为应用企业，成功实施了我国首项锻件喷涂行业计算机集成制造系统应用示范工程。

锻件自动喷涂集成系统的成功应用，不仅对喷涂行业的改造起到积极推动作用，同时也为其他行业在计算机集成制造系统的应用平台开发上提供参考。