新工艺和移动控制系统的优越性分析

杜尔的第三代机器人由一款新开发的产品EcoRCMP2 在工艺和移动控制系统进行控制。采用模块化控制和驱动组件的控制面板、具有更多备用动力的新电动机和数字编码器接口，以及用于安全监控工作区和速度的集成式安全控制系统， 这些代表了基于杜尔智能工厂理念的全新一代涂装机器人。 此控制平台由大量传感器和执行器及高级维护或控制系统结合形成。 一个集成接口可确保机器人“云就绪”， 并提供所有相关数据以满足工业4.0 环境中的当前和未来需求。

图6-1-1　涂装机器人

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一、涂装机器人的分类及特点

涂装机器人作为一种典型的涂装自动化装备， 具有工件涂层均匀、重复精度好、通用性强、工作效率高的特点， 能够将工人从有毒、易燃、易爆的工作环境中解放出来， 已在汽车、工程机械制造、3C 产品及家具建材等领域得到广泛应用。 涂装机器人与传统的机械涂装相比， 具有以下优点：

(1) 最大限度提高涂料的利用率、降低涂装过程中的有害挥发性有机物(Volatile Organic Compounds， VOC) 排放量。

(2) 显著提高喷枪的运动速度， 缩短生产节拍， 效率显著高于传统的机械涂装。

(3) 柔性强， 能够适应多品种、小批量的涂装任务。

(4) 能够精确保证涂装工艺的一致性， 获得较高质量的涂装产品。

(5) 与高速旋杯经典涂装站相比， 可以减少30% ～40%的喷枪数量， 降低系统故障率和维护成本。

目前， 国内外的涂装机器人大多数在结构上仍采取与通用工业机器人相似的5 或6 自由度串联关节式机器人， 在其末端加装自动喷枪。 按照手腕结构划分， 涂装机器人在应用中较为普遍的主要有两种： 球型手腕涂装机器人和非球型手腕涂装机器人， 如图6-1-2 和图6-1-3所示。

图6-1-1　涂装机器人

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一、涂装机器人的分类及特点

涂装机器人作为一种典型的涂装自动化装备， 具有工件涂层均匀、重复精度好、通用性强、工作效率高的特点， 能够将工人从有毒、易燃、易爆的工作环境中解放出来， 已在汽车、工程机械制造、3C 产品及家具建材等领域得到广泛应用。 涂装机器人与传统的机械涂装相比， 具有以下优点：

(1) 最大限度提高涂料的利用率、降低涂装过程中的有害挥发性有机物(Volatile Organic Compounds， VOC) 排放量。

(2) 显著提高喷枪的运动速度， 缩短生产节拍， 效率显著高于传统的机械涂装。

(3) 柔性强， 能够适应多品种、小批量的涂装任务。

(4) 能够精确保证涂装工艺的一致性， 获得较高质量的涂装产品。

(5) 与高速旋杯经典涂装站相比， 可以减少30% ～40%的喷枪数量， 降低系统故障率和维护成本。

目前， 国内外的涂装机器人大多数在结构上仍采取与通用工业机器人相似的5 或6 自由度串联关节式机器人， 在其末端加装自动喷枪。 按照手腕结构划分， 涂装机器人在应用中较为普遍的主要有两种： 球型手腕涂装机器人和非球型手腕涂装机器人， 如图6-1-2 和图6-1-3所示。

图6-1-2　球型手腕涂装机器人

图6-1-2　球型手腕涂装机器人

图6-1-3　非球型手腕涂装机器人

(一) 球型手腕涂装机器人

球型手腕涂装机器人与通用工业机器人手腕结构类似， 手腕三个关节轴线相交于一点， 即目前绝大多数商用机器人所采用的Bendix 手腕， 如图6-1-4 所示。 该手腕结构能够保证机器人运动学逆解具有解析解， 便于离线编程的控制， 但是由于其腕部第二关节不能实现360°周转， 故工作空间相对较小。 采用球型手腕的涂装机器人多为紧凑型结构， 其工作半径多为0.7 ～1.2 m， 多用于小型工件的涂装。

(二) 非球型手腕涂装机器人

图6-1-3　非球型手腕涂装机器人

(一) 球型手腕涂装机器人

球型手腕涂装机器人与通用工业机器人手腕结构类似， 手腕三个关节轴线相交于一点， 即目前绝大多数商用机器人所采用的Bendix 手腕， 如图6-1-4 所示。 该手腕结构能够保证机器人运动学逆解具有解析解， 便于离线编程的控制， 但是由于其腕部第二关节不能实现360°周转， 故工作空间相对较小。 采用球型手腕的涂装机器人多为紧凑型结构， 其工作半径多为0.7 ～1.2 m， 多用于小型工件的涂装。

(二) 非球型手腕涂装机器人

图6-1-4　Bendix 手腕结构

非球型手腕涂装机器人的3 个轴线并非与球型手腕涂装机器人一样相交于一点， 而是相交于两点。 非球型手腕涂装机器人相对于球型手腕涂装机器人更适合于涂装作业。 该型涂装机器人每个腕关节转动角度都能达到360°， 手腕灵活性强， 机器人工作空间较大， 特别适用复杂曲面及狭小空间内的涂装作业， 但由于非球型手腕运动学逆解没有解析解， 增大了机器人控制的难度， 难以实现离线编程控制。

非球型手腕涂装机器人根据相邻轴线的位置关系又可分为正交非球型手腕和斜交非球型手腕两种形式。 如图6-1-5 所示， Comau SMIARI-3S 型机器人所采用的即为正交非球型手腕， 其相邻轴线夹角为90°； 如图6-1-6 所示， FANUC P-250iA 型机器人的手腕相邻两轴线不垂直， 而是呈一定的角度， 即斜交非球型手腕。

图6-1-4　Bendix 手腕结构

非球型手腕涂装机器人的3 个轴线并非与球型手腕涂装机器人一样相交于一点， 而是相交于两点。 非球型手腕涂装机器人相对于球型手腕涂装机器人更适合于涂装作业。 该型涂装机器人每个腕关节转动角度都能达到360°， 手腕灵活性强， 机器人工作空间较大， 特别适用复杂曲面及狭小空间内的涂装作业， 但由于非球型手腕运动学逆解没有解析解， 增大了机器人控制的难度， 难以实现离线编程控制。

非球型手腕涂装机器人根据相邻轴线的位置关系又可分为正交非球型手腕和斜交非球型手腕两种形式。 如图6-1-5 所示， Comau SMIARI-3S 型机器人所采用的即为正交非球型手腕， 其相邻轴线夹角为90°； 如图6-1-6 所示， FANUC P-250iA 型机器人的手腕相邻两轴线不垂直， 而是呈一定的角度， 即斜交非球型手腕。

图6-1-5　正交非球型手腕

图6-1-5　正交非球型手腕

图6-1-6　斜交非球型手腕

现今应用的涂装机器人很少采用正交非球型手腕， 主要是其在结构上相邻腕关节彼此垂直， 容易造成从手腕中穿过的管路出现较大的弯折、堵塞甚至折断。 相反， 斜交非球型手腕被做成中空结构， 各管线从中穿过， 直接连接到末端高转速旋杯喷枪上， 在作业过程中内部管线较为柔顺， 故被各大厂商所采用。 涂装作业环境中充满了易燃、易爆的有害挥发性有机物， 除了要求涂装机器人具有出色的重复定位精度、循径能力及较高的防爆性能外， 还有特殊的要求。 在涂装作业过程中， 高速旋杯喷枪的轴线要与工件表面法线在一条直线上， 且高速旋杯喷枪的端面要与工件表面始终保持恒定的距离， 并完成往复蛇形轨迹， 这就要求涂装机器人有足够大的工作空间和尽可能紧凑灵活的手腕， 即手腕关节要尽可能短。 其他的一些基本性能要求如下：

(1) 能够通过示教器方便地设定流量、雾化气压、喷幅气压以及静电量等涂装参数。

(2) 具有供漆系统， 能够方便地进行换色、混色， 确保高质量、高精度的工艺调节。

(3) 具有多种安装方式， 如： 落地、倒置、角度安装和壁挂。

(4) 能够与转台、滑台、输送链等一系列的工艺辅助设备轻松集成。

(5) 结构紧凑， 减小密闭涂装室(简称喷房) 尺寸， 降低通风要求。

二、涂装机器人的系统组成

典型的涂装机器人工作站主要由涂装机器人、机器人控制柜、示教器、供漆系统、自动喷枪/旋杯、防爆吹扫系统等组成(图6-1-7)。

涂装机器人与普通工业机器人相比， 操作机在结构方面的差别除了球型手腕与非球型手腕外， 主要是防爆、油漆及空气管路和喷枪的布置导致的差异， 其特点有：

图6-1-6　斜交非球型手腕

现今应用的涂装机器人很少采用正交非球型手腕， 主要是其在结构上相邻腕关节彼此垂直， 容易造成从手腕中穿过的管路出现较大的弯折、堵塞甚至折断。 相反， 斜交非球型手腕被做成中空结构， 各管线从中穿过， 直接连接到末端高转速旋杯喷枪上， 在作业过程中内部管线较为柔顺， 故被各大厂商所采用。 涂装作业环境中充满了易燃、易爆的有害挥发性有机物， 除了要求涂装机器人具有出色的重复定位精度、循径能力及较高的防爆性能外， 还有特殊的要求。 在涂装作业过程中， 高速旋杯喷枪的轴线要与工件表面法线在一条直线上， 且高速旋杯喷枪的端面要与工件表面始终保持恒定的距离， 并完成往复蛇形轨迹， 这就要求涂装机器人有足够大的工作空间和尽可能紧凑灵活的手腕， 即手腕关节要尽可能短。 其他的一些基本性能要求如下：

(1) 能够通过示教器方便地设定流量、雾化气压、喷幅气压以及静电量等涂装参数。

(2) 具有供漆系统， 能够方便地进行换色、混色， 确保高质量、高精度的工艺调节。

(3) 具有多种安装方式， 如： 落地、倒置、角度安装和壁挂。

(4) 能够与转台、滑台、输送链等一系列的工艺辅助设备轻松集成。

(5) 结构紧凑， 减小密闭涂装室(简称喷房) 尺寸， 降低通风要求。

二、涂装机器人的系统组成

典型的涂装机器人工作站主要由涂装机器人、机器人控制柜、示教器、供漆系统、自动喷枪/旋杯、防爆吹扫系统等组成(图6-1-7)。

涂装机器人与普通工业机器人相比， 操作机在结构方面的差别除了球型手腕与非球型手腕外， 主要是防爆、油漆及空气管路和喷枪的布置导致的差异， 其特点有：

图6-1-7　涂装机器人系统组成(www.xing528.com)

1—机器人控制柜； 2—示教器； 3—供漆系统； 4—防爆吹扫系统；5—涂装机器人； 6—自动喷枪/旋杯

(1) 一般来说， 如果手臂工作范围宽大， 则进行涂装作业时可以灵活避障。

(2) 手腕一般有2 ～3 个自由度， 轻巧快速， 适合内部、狭窄的空间及复杂工件的涂装。

(3) 较先进的涂装机器人采用中空手臂和柔性中空手腕， 采用中空手臂和柔性中空手腕使得软管、线缆可内置， 从而避免软管与工件发生干涉， 减少管道黏着薄雾、飞沫， 最大程度降低灰尘黏到工件的可能性， 缩短生产周期。

(4) 一般来说， 在水平手臂搭载喷漆工艺系统， 从而缩短清洗、换色时间， 提高生产效率， 节约涂料及清洗液。

涂装工艺包括空气涂装、高压无气涂装和静电涂装。 静电涂装中的旋杯式静电涂装工艺具有高质量、高效率、节能环保等优点。

空气涂装： 所谓空气涂装， 就是利用压缩空气的气流， 流过喷枪喷嘴孔形成负压， 在负压的作用下涂料从吸管吸入， 经过喷嘴喷出， 通过压缩空气对涂料进行吹散， 以达到均匀雾化的效果。 空气涂装一般用于家具、3C 产品外壳、汽车等产品的涂装。 空气喷枪如图6-1-8 所示。

图6-1-7　涂装机器人系统组成

1—机器人控制柜； 2—示教器； 3—供漆系统； 4—防爆吹扫系统；5—涂装机器人； 6—自动喷枪/旋杯

(1) 一般来说， 如果手臂工作范围宽大， 则进行涂装作业时可以灵活避障。

(2) 手腕一般有2 ～3 个自由度， 轻巧快速， 适合内部、狭窄的空间及复杂工件的涂装。

(3) 较先进的涂装机器人采用中空手臂和柔性中空手腕， 采用中空手臂和柔性中空手腕使得软管、线缆可内置， 从而避免软管与工件发生干涉， 减少管道黏着薄雾、飞沫， 最大程度降低灰尘黏到工件的可能性， 缩短生产周期。

(4) 一般来说， 在水平手臂搭载喷漆工艺系统， 从而缩短清洗、换色时间， 提高生产效率， 节约涂料及清洗液。

涂装工艺包括空气涂装、高压无气涂装和静电涂装。 静电涂装中的旋杯式静电涂装工艺具有高质量、高效率、节能环保等优点。

空气涂装： 所谓空气涂装， 就是利用压缩空气的气流， 流过喷枪喷嘴孔形成负压， 在负压的作用下涂料从吸管吸入， 经过喷嘴喷出， 通过压缩空气对涂料进行吹散， 以达到均匀雾化的效果。 空气涂装一般用于家具、3C 产品外壳、汽车等产品的涂装。 空气喷枪如图6-1-8 所示。

图6-1-8　空气喷枪

(a) 日本明治FA100H-P； (b) 美国DEVILBISS T-AGHV；(c) 德国PILOT WA500 自动空气喷枪

高压无气涂装： 高压无气涂装是一种较先进的涂装方法， 其采用增压泵将涂料增至6 ～30 MPa 的高压， 通过很细的喷孔喷出， 使涂料形成扇形雾状， 具有较高的涂料传递效率和生产效率， 表面质量明显优于空气涂装

静电涂装： 静电涂装一般是以接地的被涂物为阳极， 以接电源负高压的雾化涂料为阴极， 使涂料雾化颗粒上带电荷， 通过静电作用， 吸附在工件表面。 其常应用于金属表面或导电性良好且结构复杂的表面， 或是球面、圆柱面的涂装。

三、涂装机器人的作业示教

涂装是一种较为常用的防腐、装饰、防污的表面处理方法， 其规则之一是需要喷枪在工件表面做往复运动。 目前， 工业机器人四巨头都有相应的涂装机器人产品(ABB 的IRB52，IRB5400， IRB5500 和IRB580 系列； FANUC 的P-50iA， P-250iA 和P-500YASKAWA 的EPX 系列； KUKA 的KR16)， 且都有相应的专用控制器及商业化应用软件， 例如ABB 的IRC5P 和Robot Ware Paint， FANUC 的R-J3 和Paint Tool Software， 这些针对涂装应用开发的专业软件提供了强大而易用的涂装指令， 可以方便地实现涂装参数及涂装过程的全面控制， 也可缩短示教的时间、降低涂料消耗。 涂装机器人示教的重点是对运动轨迹的示教， 即确定各程序点处工具中心点的位姿。 对于涂装机器人而言， 其工具中心点一般被设置在喷枪的末端中心， 且在涂装作业中， 高速旋杯喷枪的端面要相对于工件涂装工作面走蛇形轨迹并保持一定的距离。 为达到工件涂层的质量要求， 必须保证以下几点：

(1) 旋杯的轴线始终在工件涂装工作面的法线方向。

(2) 旋杯端面到工件涂装工作面的距离要保持稳定， 一般为0.2 m 左右。

(3) 旋杯涂装轨迹要部分相互重叠(一般搭接宽度为2/3 ～3/4 时较为理想)， 并保持适当的间距。

(4) 涂装机器人应能同步跟踪工件传送装置上的工件运动。

(5) 在进行示教编程时， 若前臂及手腕有外露的管线， 则应避免与工件发生干涉。

任务实施

分析讨论：

(1) 请简述涂装机器人的分类。

(2) 请分析涂装机器人的系统组成。

知识拓展

涂装作业环境充满了易燃、易爆的有害挥发性有机物， 除了要求涂装机器人具有出色的重复定位精度和循径能力及较高的防爆性能外， 仍有如下特殊要求：

(1) 能够通过示教器方便地设定流量、雾化气压、喷幅气压以及静电量等涂装参数。

(2) 具有供漆系统， 能够方便地进行换色、混色， 确保高质量、高精度的工艺调节。

(3) 具有多种安装方式， 如： 落地、倒置、角度安装和壁挂。

(4) 能够与转台、滑台、输送链等一系列的工艺辅助设备轻松集成。

(5) 结构紧凑， 方便减少喷房尺寸， 降低通风要求。

图6-1-8　空气喷枪

(a) 日本明治FA100H-P； (b) 美国DEVILBISS T-AGHV；(c) 德国PILOT WA500 自动空气喷枪

高压无气涂装： 高压无气涂装是一种较先进的涂装方法， 其采用增压泵将涂料增至6 ～30 MPa 的高压， 通过很细的喷孔喷出， 使涂料形成扇形雾状， 具有较高的涂料传递效率和生产效率， 表面质量明显优于空气涂装

静电涂装： 静电涂装一般是以接地的被涂物为阳极， 以接电源负高压的雾化涂料为阴极， 使涂料雾化颗粒上带电荷， 通过静电作用， 吸附在工件表面。 其常应用于金属表面或导电性良好且结构复杂的表面， 或是球面、圆柱面的涂装。

三、涂装机器人的作业示教

涂装是一种较为常用的防腐、装饰、防污的表面处理方法， 其规则之一是需要喷枪在工件表面做往复运动。 目前， 工业机器人四巨头都有相应的涂装机器人产品(ABB 的IRB52，IRB5400， IRB5500 和IRB580 系列； FANUC 的P-50iA， P-250iA 和P-500YASKAWA 的EPX 系列； KUKA 的KR16)， 且都有相应的专用控制器及商业化应用软件， 例如ABB 的IRC5P 和Robot Ware Paint， FANUC 的R-J3 和Paint Tool Software， 这些针对涂装应用开发的专业软件提供了强大而易用的涂装指令， 可以方便地实现涂装参数及涂装过程的全面控制， 也可缩短示教的时间、降低涂料消耗。 涂装机器人示教的重点是对运动轨迹的示教， 即确定各程序点处工具中心点的位姿。 对于涂装机器人而言， 其工具中心点一般被设置在喷枪的末端中心， 且在涂装作业中， 高速旋杯喷枪的端面要相对于工件涂装工作面走蛇形轨迹并保持一定的距离。 为达到工件涂层的质量要求， 必须保证以下几点：

(1) 旋杯的轴线始终在工件涂装工作面的法线方向。

(2) 旋杯端面到工件涂装工作面的距离要保持稳定， 一般为0.2 m 左右。

(3) 旋杯涂装轨迹要部分相互重叠(一般搭接宽度为2/3 ～3/4 时较为理想)， 并保持适当的间距。

(4) 涂装机器人应能同步跟踪工件传送装置上的工件运动。

(5) 在进行示教编程时， 若前臂及手腕有外露的管线， 则应避免与工件发生干涉。

任务实施

分析讨论：

(1) 请简述涂装机器人的分类。

(2) 请分析涂装机器人的系统组成。

知识拓展

涂装作业环境充满了易燃、易爆的有害挥发性有机物， 除了要求涂装机器人具有出色的重复定位精度和循径能力及较高的防爆性能外， 仍有如下特殊要求：

(1) 能够通过示教器方便地设定流量、雾化气压、喷幅气压以及静电量等涂装参数。

(2) 具有供漆系统， 能够方便地进行换色、混色， 确保高质量、高精度的工艺调节。

(3) 具有多种安装方式， 如： 落地、倒置、角度安装和壁挂。

(4) 能够与转台、滑台、输送链等一系列的工艺辅助设备轻松集成。

(5) 结构紧凑， 方便减少喷房尺寸， 降低通风要求。