曾 輝 夏富生 蔣立軍

（埃夫特智能裝備股份有限公司，安徽蕪湖，241000）

0 引言

機器人是集現(xiàn)代制造技術、新型材料技術和信息控制技術為一體的產(chǎn)品，也是第四次工業(yè)革命“智能制造”的標志性產(chǎn)品[1]。工業(yè)機器人經(jīng)過60年的迅速發(fā)展，已經(jīng)在工業(yè)發(fā)達國家的汽車、機械制造、食品和物流等行業(yè)得到了普遍應用，同時也維持了工業(yè)發(fā)達國家制造業(yè)的領先優(yōu)勢[2]。

陶瓷是我國精美的工藝品，陶瓷的生產(chǎn)質量取決于陶瓷的噴釉工藝。目前使用的人工噴釉方法，是人工在噴釉循環(huán)生產(chǎn)線上對工件進行噴釉，這樣的人工施釉方法存在生產(chǎn)效率不夠穩(wěn)定、噴釉質量波動大、不利于做集中除塵、對工人身體健康造成影響等問題。本研究采用以6自由度工業(yè)機器人配合精密轉臺為主要功能模塊及深度開發(fā)的自動噴釉生產(chǎn)線方案，實現(xiàn)噴釉的自動化模式生產(chǎn),極大地降低了釉料的浪費率[3]。

1 總體設計方案

一般噴釉生產(chǎn)線需要11個工位，其中1個上坯工位，3個噴基礎釉工位，1個自潔釉噴涂工位，1個抹底工位，5個噴釉后自然風干干燥工位。其生產(chǎn)流程如圖1所示。為了實現(xiàn)自動化噴釉工藝，本系統(tǒng)設計需要1個主控界面、1個人機界面、3個噴釉線系統(tǒng)、1條前處理輸送線、1個上料搬運機器人、1個下料搬運機器人組成控制系統(tǒng)；所需噴釉機器人人機界面包括手動和自動、工藝參數(shù)、報警信息、高級設置、選擇噴釉單元、卸料編號等信息。

圖1 機器人自動化噴釉生產(chǎn)線流程圖

為了設計出自動噴釉成套系統(tǒng)，需要從噴釉生產(chǎn)線機械結構系統(tǒng)設計路線、噴釉生產(chǎn)線電氣控制系統(tǒng)設計路線和機器人噴釉系統(tǒng)人機交互界面設計路線出發(fā)，并且研究噴釉生產(chǎn)工藝，將工藝和智能機器人的功能結合，充分利用關節(jié)臂、主動恒力、視覺處理、軌跡拾取、離線編程等核心技術進行系統(tǒng)集成開發(fā)工作，最終開發(fā)出客戶滿意的易操作生產(chǎn)系統(tǒng)[4-6]。

2 噴釉生產(chǎn)線機械結構系統(tǒng)設計

噴釉線架使用同步帶進行輸送，同步帶如圖2所示，使用304不銹鋼作為線架主體，能有效防止釉料的腐蝕。在線架上，共設置有4個精密自動轉臺，以配合機器人對工件進行全方位的釉料噴涂。

圖2 同步帶輸送圖

為了防止外來臟物落到噴釉中的工件上造成污染，以及提高粉塵的吸收效果，本系統(tǒng)使用亞克力板材搭建了隔離系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 隔離系統(tǒng)圖

在線架上，每一個噴釉轉臺工位都設置有自動擋釉板，在噴釉過程中自動閉合，有效防止釉料落到線架同步帶上，同時起到引流作用，將多余的釉料引導到線架下方，方便回收再利用。

線架其他部位采用丁腈樹脂片做掩蓋，防止釉料落到同步帶上而造成同步帶與帶輪打滑、同步帶前進位移不準的情況。同時，在線架前端增加了同步帶清洗噴頭裝置，可對同步帶上粘附釉料進行清洗。

噴釉線上共設置3個基礎釉噴釉單元和1個自潔釉噴釉單元，其中第一個基礎釉噴釉單元設置為示教單元，該單元配備有埃夫特智能裝備股份有限公司自主研發(fā)的無動力示教關節(jié)臂，如圖4所示。操作工人使用此關節(jié)臂，可以方便地將噴釉軌跡、釉料參數(shù)記錄下來，并在其他各個機器人噴釉單元上再現(xiàn)。

圖4 第一個基礎釉噴釉工位

無動力關節(jié)臂是自主研發(fā)的專利產(chǎn)品，通過簡易精準的力補償裝置實現(xiàn)對關節(jié)臂重力的抵消，使得關節(jié)臂操作靈巧便捷，同時能結合工人的噴釉手法方便噴釉工人的示教操作。

示教滑臺使用精密導軌滑塊組件，能方便地進行關節(jié)臂與噴釉機器人的移動和定位、靈活切換此噴釉單元的示教和噴釉功能。

精密轉臺作為噴釉單元的核心部件，需要進行精確的轉動控制，以配合機器人的噴釉動作實現(xiàn)工件表面的釉料噴涂作業(yè)。該轉臺使用帶有絕對編碼器的伺服電機進行驅動，為了合理分配空間，使用了直角減速機進行傳動減速，速比為85。

生產(chǎn)線上還有濕法除塵柜，其對噴釉產(chǎn)生的粉塵進行收集、回收。除塵柜分為前側“釉簾”部分和后側噴淋部分：考慮到釉料混入過多水分會影響后期的釉料回收利用，故除塵柜采用釉料做成“釉簾”，用以粘附多余的釉料粉塵；而在除塵柜后側，本項目使用了噴淋系統(tǒng)，利用廠里的處理水進行噴淋，將空氣中少量的粉塵融入處理水中，再集中做排污處理。

噴釉線11個工位，各間隔1.2m，噴釉線總長約13m。其中,1個上坯工位，系統(tǒng)中負載180kg的4軸搬運機器人將坯料從改坯線搬運到噴釉線的該工位上；3個噴基礎釉的工位，使用3臺6自由度機器人分別進行第1遍、第2遍及第3遍的噴釉作業(yè)；1個自潔釉噴涂工位，使用1臺6自由度機器人進行自潔釉的噴涂；1個抹底工位；從第一個噴釉工位到自潔釉噴釉工位，各工位之間都間隔有1個工位，作為噴釉后自然風干干燥工位。分布圖如圖5所示，三維示意圖如圖6所示。

圖5 噴釉生產(chǎn)線二維分布圖

圖6 噴釉生產(chǎn)線三維示意圖

3 噴釉生產(chǎn)線電氣控制系統(tǒng)設計

噴釉生產(chǎn)線電氣控制方案如圖7所示。

圖7 噴釉生產(chǎn)線電氣控制方案圖

3.1 主控制器

主控制器的詳細控制對象以及資源分配如圖8所示。

圖8 主控制器詳細控制對象及資源分配圖

主控制器主要負責3個噴釉線系統(tǒng)與送料線和下料線的協(xié)調工作。

1）通過I/O通信，控制變頻器驅動前輸送帶運動。

主控需要根據(jù)前處理線的上料和下料檢測信號，決定是否驅動輸送帶，并根據(jù)第1工位是否有坯來決定上料機器人是否搬運。前輸送線還有在線更改素坯和噴釉工藝的功能，工藝會根據(jù)輸送帶的移動而跟隨響應，最終準確輸送到機器人處執(zhí)行正確的噴釉軌跡和參數(shù)。

2）向上料搬運機器人發(fā)送搬運指令。

主控控制上料機器人的運行時序，并自動運算出機器人的搬運路徑，從而將素坯放到正確的噴釉線上；在此過程中，主控將需要更新的工藝一并發(fā)送到噴釉線控制PLC上，然后經(jīng)噴釉線控制柜正確分配給各個工位的機器人。

3）向下料搬運機器人發(fā)送指令。

主控同時控制下料機器人的運行時序，自動計算出機器人的下坯路徑；主控通過輪詢的方式，查詢噴釉線A和B上的出坯位置是否準備就緒，如果就緒則符合條件1，然后查詢出坯線是否準備就緒，如果就緒則符合條件2，條件1、2同時滿足則機器人執(zhí)行出坯操作。

4）觸摸屏。保存用戶參數(shù)設置、產(chǎn)品代號。

用戶通過觸摸屏控制主控開始、暫停、停止。若切換手動模式下，可以單獨控制各個DO輸出口和傳輸線伺服驅動90°或者任意角度的旋轉。

3.2 噴釉線

噴釉線控制總覽如圖9所示，噴釉線控制器主要負責1個傳輸線、4個工位的轉臺、施釉柜、機器人的協(xié)調工作以及轉臺、噴槍等的清洗控制。其中，噴釉線1必須與示教模塊通信，完成關節(jié)臂的示教工作。

圖9 噴釉線控制總覽圖

噴釉線的詳細控制對象及資源分配如圖10所示。

圖10 噴釉線的詳細控制對象及資源分配圖

3.3 外部通信和控制方式

通過RS485通信，控制伺服驅動輸送帶運動，當噴釉輸送線的素坯上釉完畢，下料對射光電為空，上料對射光電檢測有坯，便可以執(zhí)行前進一個工位的動作，在動作過程中會完成皮帶的清洗，各個轉臺的清洗工作，可以充分節(jié)省時間，提高生產(chǎn)效率。

3.4 機器人噴釉

噴釉線上有五個工作工位，分別為機器人1工位、機器人2工位、機器人3工位、手動抹釉工位和機器人自潔釉工位，其中4個由機器人完成?？梢酝ㄟ^觸摸屏選擇每個工位是否投入工作；不投入工作的工位，素坯經(jīng)過的時候不會執(zhí)行轉臺頂升和旋轉動作，機器人也不會動作；清空時，每個工位會自動標記是否有坯，如果有工位的坯標識符為0，該工位會自動屏蔽所有的操作，如果標識符為1，正常執(zhí)行噴釉動作。

3.5 噴槍

在自動狀態(tài)下，開關噴槍功能在接收到機器人開噴槍指令1或2時，先啟動扇形、霧化，后啟動噴槍和球閥；在關噴槍時，先關球閥，然后關扇形、霧化、噴槍三個氣路。

噴槍清洗。在自動狀態(tài)下，當執(zhí)行完一次噴釉操作后，系統(tǒng)會調用機器人的清洗噴槍操作功能，完成一次清洗噴槍的動作。

4 機器人噴釉系統(tǒng)人機交互界面設計

對操作人員來說，他們對噴釉生產(chǎn)線的運行狀態(tài)信息的了解以及對噴釉生成過程中的大多操作，都是通過人機交互界面來實現(xiàn)的[7]。本研究設計的交互界面如圖11所示，可以讓操作人員跟容易上手。

圖11 流水線方式機器人噴釉系統(tǒng)人機界面圖

主控手動控制界面有“取素坯”、“放素坯”、“取成品”、“放成品”這四大塊的操作，需要對哪個單元進行操作，就在輸入框里輸入單元號；手動頁面還有“上料傳送帶”、“下料傳送帶”控制上下料的操作，在手動取放坯的時候，操作人員要注意出料是否有空余位置、出料主控手動具體操作界面如圖12所示，在主控設定手動操作時，需要把搬運機器人打開，然后按一下機器人電柜右側的開關，觸摸屏的主控手動頁面需要把暫停解除掉，再點擊手動模式。傳送帶是否靜止，進料傳送帶是否有坯、是否處于靜止狀態(tài)；手動頁面還有一個清空選項，當執(zhí)行清空操作時，會彈出對話框提示本項目是否進行清空操作。

圖12 手動控制界面圖

主控自動操作界面如圖13所示，在主控設定自動操作時，需要各個單元處于黃色的提示燈狀態(tài)下，機器人必須處于原點，兩個工位必須處于零點。在主控自動頁面，點選四個單元，將四個單元的提示燈轉成綠色，然后點擊自動，在輸入欄里輸入要噴涂的產(chǎn)品型號，設定工作完成。要注意的是，各個單元的機器人的主程序也要在運行的狀態(tài)。

圖13 主動系統(tǒng)自動控制界面圖

5 結論

本文所研究的機器人噴釉工藝研究及成套系統(tǒng)集成可運用于大規(guī)模的自動化噴釉生產(chǎn)，能保證噴釉的均勻性和穩(wěn)定性，從而降低生產(chǎn)產(chǎn)品的成本，縮短制造周期，保證產(chǎn)品質量；無動力機械臂可大幅度降低噴釉工人的勞動強度，提高工廠的競爭力；助力國內基于機器人系統(tǒng)智能智造裝備實現(xiàn)飛躍。