自动喷涂机器人双机协同倒挂装置的可行性方案研究

时间：2024-08-31

徐文敏丁一峰胡辉

上海建工（江苏）钢结构有限公司江苏南通 226100

1 我国涂装产业人工喷涂现状

目前，我国涂装产业中所使用的涂料，多为以有机溶剂作为载体的溶剂型涂料。溶剂中含量大量的苯、甲苯、二甲苯等具有较强危害性的化学成分，这种溶剂型涂料刺激性大，对人体有一定的伤害。涂装行业从业人员的流动性大，水平高的枪手十分缺乏，企业往往无法招聘到足够的、能满足要求的施工人员。

涂料的价格日益昂贵，使用成本越来越高。一方面，涂料的功能越来越多，导致了更高的造价；另一方面，国家对VOC（挥发性有机化合物）排放的控制要求日益严格。另外，施工过程中枪手喷涂的涂料，很多并非喷到构件上，而是飘散到空气中；即使喷涂到构件上，膜厚控制的不均匀性也导致了大量的打磨或补喷，最终使成本高企。

相对于欧美、日韩等发达国家和地区，我国涂装从业人员的专业化也不足，上岗前没有受过系统的理论学习和专业技能训练，再加上人员流动等方面的问题，造成了目前我国钢结构喷涂效率低、喷涂质量较差、返工率高等现状，严重制约了生产力。

涂装行业的问题显而易见，针对该种困局，用机器喷涂代替人工喷涂，向自动化喷涂方向发展是必然趋势。

2 涂装工作机器人化的可行性

喷涂机器人是一种能够自动进行涂料喷涂的工业机器人，早在20世纪60年代就被开发出来。

喷涂机器人在国外较为成熟，已经有多年的研究和发展历史，被广泛用于家居、电子等行业。在20世纪90年代，日本是世界上机器人发展最快的国家，被称为“机器人王国”[1-2]。在喷涂行业，机器人也得到了大量的应用，20世纪六七十年代机器人在涂装上得到应用，至今已有五六十年的历史[3]。美国、德国最早应用喷涂机器人，对喷涂机器人行业有着重大的影响[4]。目前，能生产高质量喷涂机器人的厂家品牌主要有ABB、KUKA、MOTOMAN、FANUC等，而ABB的喷涂机器人被全世界广泛采用[5-6]。机器人的发展主要依赖于喷涂机械臂结构设计、运动学及运动学分析技术、涂层优化喷涂算法、控制技术、程序编写技术、视觉识别技术等，而这些技术目前正在不断发展，机器人的造价也随之在不断降低。对于发达国家已经使用很多年的涂装技术，我国要将其应用于生产实际中，难度并不大。

另外，不同于焊接、装配等机器人，涂装机器人对控制的要求并不是太高，如制造高精度的零件，必须要高精度的机器人，否则零件的精度就会出现偏差，导致零件无法正常使用。而用于钢结构的涂装机器人在喷涂的过程中，对精度的要求并不是特别高，喷涂角度、喷涂距离稍微有一定偏差，只会造成涂装膜厚的略微变化，不会出大问题，所以可以购买精度较低的机器人，以节约成本。

3 涂装机器人在钢结构涂装上的应用

目前，涂装机器人在钢结构行业还没有得到批量应用，主要原因是钢结构行业大部分构件的外形各不相同，属于非标件，完全相同的数量十分有限。

在汽车制作业，虽然对精度的控制要求很高，但是一个零件往往要生产成百上千个，属于标准件。1961年，第一台机器人就用于汽车行业，目前这个行业中涂装机器人的应用比较广泛。这是因为同一个车型可以制造上万辆，哪怕汽车的外形再复杂，编程的成本再高，但编写一次程序，就可以对同一车型的汽车喷涂上万遍，分摊到每一辆汽车，编程成本是很低的。而如果应用于钢结构涂装，因为钢结构各不相同的外形，每一件都需要单独编程，这个成本相对还是比较高的，使得企业宁愿使用人工进行喷涂，也不愿意使用机器人。由此可见，机器人喷涂的编程问题是钢结构行业推进的主要瓶颈。

针对机器人涂装编程问题，可对钢结构构件进行分析。常规钢构件的本体结构还是比较简单的，主要是H形、十字形、箱形或圆管等几种截面，特别是许多钢梁就是常规的H形截面。针对这些较为典型的截面，只需要简单输入一些截面参数和长度，就能获取这些构件的外形信息，完成喷涂路径的规划，编程的工作也较为简单。但是装上其他连接零件后，形状就变得复杂了，要获取构件外形信息需要输入大量信息，喷涂路径规划难度也提高很多，再加上不同的油漆配套要求，编程就变得更加复杂。

通过上述分析，可以将那些只有本体的构件区分出来，通过简单的编程后就能用机器人进行喷涂，或者将部分复杂的构件先进行本体喷涂，这样就可以解决部分问题。对于纯钢板类构件或者截面小于300 mm的型钢，钢板预处理生产线就是成熟产品；对于圆管类本体，目前已经有一些单位推出专用的涂装设备，能解决内外面的涂装，在管道行业也得到了一些应用；对于其他类型截面，也有一些单位在研发或试用中。

对于结构形式复杂的钢结构，如何获取构件结构信息，行业内也都在尝试不同的方法，主要的方法有设计模型导出法、多角度拍照获取法和三维扫描获取法。目前，最可靠的方法就是直接利用设计模型导出的方式获取，因为现阶段我国钢结构设计大多数都是用专用软件进行设计的，有三维立体模型，这个精度是非常高的，完全能满足喷涂的编程需求。已经有多家公司通过不同方法能直接利用设计模型进行编程，但是这种方法有一个缺点，即实物和模型有一定差异，需要在喷涂过程中进行修正。其他2种方法虽然能获取构件的真实信息，但是还存在一定的缺陷，不能完整地获取信息。

及时解决了外形信息的获取问题后，由于喷涂工具或喷涂方法的限制，导致许多地方仍无法采用无气喷涂，需要手工刷涂或滚涂进行修补。图1是建筑钢结构中常见的钢柱，钢柱的本体是箱形结构，比较规则，而钢柱顶部和中间安装有多个方向的牛腿。由于钢柱类构件这些牛腿的存在，极大地增加了钢柱的涂装难度。对于钢柱本身的喷涂，无论哪种截面喷涂都是比较简单的。但牛腿排布方向、牛腿形状各不相同，再加上牛腿上也有许多加劲板，导致喷涂难度较高。要规划牛腿部位喷涂路径，必须考虑喷涂的先后次序、每一道喷涂交叠位置的选择和起始点等，这是喷涂工艺最难的地方，所以研发单位针对这些地方往往还是采用手工修补处理。

图1 带有柱牛腿的钢柱

4 机器人的安装方式及漆雾防护

钢结构外形尺寸较大，宽度、高度至少要2 m，长度至少要10 m，而且现在对VOC的要求较高，使得满足要求的涂装施工场地也十分有限，如何选择合理的机器人布局显得特别重要。

由于构件的外形尺寸较大，故目前6轴涂装机器人的手臂不能到达喷涂位置。要对钢结构的各个不同区域进行喷涂，机器人必须能够沿着构件长度方向移动，所以涂装机器人必须增加第7轴，也就是让机器人在第7轨上移动。机器人在喷涂时，漆雾会飞散得到处都是，这样在让机器人穿上防护衣的同时，也要对机器人轨道进行保护，否则轨道上一旦沾上漆雾，涂装机器人移动的精度将会下降，继而影响喷涂的精度，长期使用后随着油漆不断积累，将导致无法移动。因此，必须做好轨道漆雾防护工作，如在轨道上加装风琴防护罩等。

工业机器人常用的安装方式有正装式、侧装式及倒挂式。正装式布局的轨道布置在地面上，这就导致了一个弊端：由于构件较大，而且还存在牛腿类构造，所以要在构件两侧布置机器人，也就要在构件两侧布置轨道，这样轨道布置会占用较多的施工场地，极大地减少有效放置构件的场地。侧装式布局也无法满足构件两侧面喷涂的要求，要解决这一难题，一个很好的办法就是将机器人倒挂起来，这样轨道就不会占用有效施工场地。

5 涂装机器人双机协同的必要性

鉴于钢结构构件的外形特征，涂装机器人双机协同的优势在于以下几个方面：

1）2台涂装机器人之间相互配合协作，能够极大地减少单台机器人的喷涂死角，也就减少了手工修补工作量。

2）一个复杂的涂装工作，如果由单台涂装机器人完成，则对该单台涂装机器人的配置要求较高，从而大幅提升成本；而如果由2台涂装机器人相互配合协作，则对2台涂装机器人的配置要求可以降低，也就降低了投资成本。

3）一般情况下，2台涂装机器人协助施工移动的范围要小于单台涂装机器人，可以提高涂装效率。

涂装机器人双机协同也存在劣势，这个劣势需要在使用中予以规避。双机器人系统甚至多台机器人协同制造系统一直是学术界研究的热点，而路径规划问题是研究的核心部分，其目的是在有障碍物的环境中为机器人规划一条从起点到终点的最优路径。在双机协同系统中，另一个机器人也会成为当前机器人的障碍物[7-8]。目前，双机协同的机器人主要是应用在焊接、装配等领域，用在涂装上的很少看到。而涂装的路径规划，相对于装配、焊接的路径规划更加困难，因为用于装配、焊接的多机器人协同系统，其路径规划的过程中只要机器人的机械臂在运动过程中不要触碰即可，而涂装的多机器人协同系统，还要考虑喷涂时相邻机器人的机械臂不能遮挡当前机器人喷枪的涂料喷射，以及漆雾的污染问题等，这对涂装机器人的路径规划提出了更高的要求。为了保证涂装质量，我公司研究了一种双机协同倒挂涂装机器人，并已申报了专利。

6 双机协同倒挂涂装机器人研究

双机协同倒挂涂装机器人装置的核心部件是倒挂着的双机协作机6轴机器人。机器人倒挂方式可以使地面布满构件，有效利用空间，节约施工场地。该装置顶部有一个钢制矩形轨道框架（长13 m、宽8 m），轨道框架通过吊杆节点与涂装房的房顶连接。轨道框架下面长度方向设12 m线轨，旁边布置齿条，作为纵向移动轨道（图2）。

纵向轨道下方布置一个钢制窄框架（长8 m、宽0.8 m），这个窄框架是由双横梁和短梁组合而成的，跨接在纵向轨道下方，窄框架下方长度方向有7 m长的线轨，旁边布置齿条，此轨道和纵向轨道垂直，作为横向移动轨道。窄框架通过轨道连接装置与纵向轨道连接，内部设有齿轮、减速机、伺服电机等装置。轨道的外侧均设置有风琴罩，用来防止漆雾污染。横向轨道下方设一个轨道移动装置，该装置控制机器人做横向移动，内部有齿轮、减速机、伺服电机等装置，机器人就可以实现前后左右的移动了（图3）。

图2 双机协同倒挂涂装机器人系统及移动装置

图3 双机协同倒挂涂装机器人

轨道移动装置中间的矩形管内部设置可供机器人升降的装置，升降装置的外侧也设置风琴罩，防止漆雾污染。底部的作业区域是一根可以旋转的横梁，横梁的两侧各设置一个双机倒挂涂装机器人，这样喷涂机器人就在6轴的基础上新增加了4个轴，提供了更大的工作范围，可满足钢结构喷涂的特殊需求。