陶瓷生產(chǎn)中機器人噴釉系統(tǒng)的設(shè)計

1施釉過程難以保證在國外，機器人噴霧器是一種較成熟的技術(shù)，也是陶瓷生產(chǎn)過程中一個容易實現(xiàn)自動化的環(huán)節(jié)。1998年底，世界上共有2512個機器人參與噴漆，占工業(yè)機器人總數(shù)的3.6%。一些制造商使用了機器人進行噴油，但很少有人成功。一些制造商使用了內(nèi)部自行設(shè)計和開發(fā)生產(chǎn)線。系統(tǒng)穩(wěn)定性差，機器人重復(fù)精度低是這些生產(chǎn)線的共同問題。許多制造商都是進口工廠。然而，在許多情況下，很難進行消化、維護和改進。目前，中國陶瓷行業(yè)仍然使用手動操作進行琺瑯，這很難保證質(zhì)量。此外，工人的工作量很大，對健康和安全有損害。本文提出的機器人擠出系統(tǒng)是在引進國外主要設(shè)備（如機器人、噴泉槍）的基礎(chǔ)上設(shè)計的，結(jié)合國內(nèi)陶瓷噴泉生產(chǎn)的實際情況。2機器人噴釉生產(chǎn)線的研究在陶瓷制品的坯體表面上,一般都要覆蓋一層粉磨得很細的物料,它由長石、石英、粘土以及其它礦物組成,通稱釉料.釉料經(jīng)高溫焙燒后即成為與坯體牢固地結(jié)合在一起的一薄層玻璃態(tài)物質(zhì),這一薄層的玻璃態(tài)物質(zhì)稱為釉.釉一般具有光亮、半透明、圓滑和不透水等性質(zhì).陶瓷制品施釉后,表面不易玷污,弄臟后也容易洗滌干凈.此外,釉還可以遮蓋坯體上的某些瑕疵,增進美觀,起到裝飾作用.施釉是指利用干燥坯體的吸水性使泥漿狀的釉料粘附在坯體表面上.現(xiàn)在施釉的方法很多,一般有浸釉、燒釉、蕩釉、涂刷釉、甩釉和噴釉等.其中噴釉是利用壓縮空氣將釉漿通過噴槍或者噴釉機噴成霧狀,使之粘附于坯體上,噴槍與坯體的距離、噴釉的壓力、噴釉的次數(shù)以及釉漿的相對密度等決定了釉層的厚度.這種方法適用于大型、薄壁及形狀復(fù)雜的坯體,特別是對于薄壁易脆小件的生坯更為合適.同時由于噴釉出來的釉層厚度比較均勻、易于控制,容易實現(xiàn)機械化和自動化,因而得到了廣泛的應(yīng)用.本文的設(shè)計即采用噴釉法.近幾年來,意大利、德國、日本等國相繼使用機器人在施釉線上進行噴釉.據(jù)報道,意大利制造的噴釉機械手對衛(wèi)生潔具進行噴釉時,每小時可噴65件左右;對洗面器噴釉,每件需要45～50s;坐便器每件需要65～70s;水箱或立柱每件需要15s.利用手工噴釉每件標準坐便器消耗釉漿2025cm3,坯體實際附著釉漿為900cm3;而采用機械手時,消耗釉漿量1250cm3,坯體附著釉漿1100cm3.可見在生產(chǎn)的效率和釉料的節(jié)約上均有很大的提高.國內(nèi)的陶瓷施釉生產(chǎn)還主要采用人工作業(yè)的方式,機器人噴釉生產(chǎn)線主要存在兩個方面的問題:噴涂環(huán)境參數(shù)變化較大和施釉軌跡設(shè)計不合理.前者主要包括釉料的物理性質(zhì)、空壓機的壓力、大氣壓力、空氣濕度和陶坯擺放位置等.后者則主要由對機器人編程的方法和技術(shù)人員的水平?jīng)Q定.先前的機器人噴釉系統(tǒng)一般假定環(huán)境參數(shù)是完全恒定的,然后在假定的環(huán)境下對機器人進行編程.這樣如果在噴涂過程中環(huán)境變量保持恒定,則一般情況下釉面質(zhì)量也是合乎要求的.但是在實際的生產(chǎn)過程中,環(huán)境變量的變化是客觀存在的,同時它們的變化是隨機的,例如陶坯的擺放位置.此時很難保證先前獲得的軌跡仍能噴出合乎要求的釉面.根據(jù)人工施釉的經(jīng)驗可以得出兩點結(jié)論:當環(huán)境變量發(fā)生變化時,對施釉軌跡進行適當?shù)恼{(diào)整就能使釉面質(zhì)量合乎要求;當環(huán)境變量的變化在一較小的范圍內(nèi)時,對后者無需進行調(diào)整釉面質(zhì)量仍能合乎要求.然而噴涂軌跡的可修改性和環(huán)境參數(shù)的可波動性不是沒有條件的,前者要求能實時獲得環(huán)境變量的變化以及這些參數(shù)與釉面質(zhì)量之間的對應(yīng)關(guān)系,而后者則要求確定可波動的范圍并控制環(huán)境變量在允許的范圍內(nèi).這是機器人噴釉系統(tǒng)必須回答和解決的兩個難題.為了簡化問題和方便設(shè)計,作出如下假設(shè):在噴涂過程中,除了陶坯擺放位置以外的其他環(huán)境變量均恒定或者說均在允許的波動范圍內(nèi)變化.3組成與控制裝置一條機器人噴釉生產(chǎn)線一般由以下幾部分組成:陶坯輸送線、噴涂轉(zhuǎn)臺、機器人、陶坯位置檢測與調(diào)整裝置以及整條生產(chǎn)線的控制裝置,下面分別介紹它們的設(shè)計.3.1吊鏈、噴釉生產(chǎn)線未焙燒的陶坯由于缺少強度和韌性,在輸送的過程中需要注意防震和磕碰,因而陶坯輸送線的設(shè)計應(yīng)充分考慮這一點.現(xiàn)在的成品噴涂生產(chǎn)線一般采用吊鏈輸送線,因為它易于做到輸送線和機器人協(xié)調(diào)控制.但是對于半自動化噴釉生產(chǎn)線,產(chǎn)品均是工人手工上卸;如果采用吊鏈輸送線,工人上卸陶坯有較大的工作量,同時也很難保證陶坯擺放位置的精確度.因而在這里擬采用輥道輸送線,盡管輥道鏈輪在平穩(wěn)性方面不如吊鏈,但是它方便工人上卸料,利于獲取陶坯擺放位置的偏差,同時動作控制簡單,可以較好地提高工作效率.圖1是輥道輸送線的實物圖.3.2轉(zhuǎn)臺的選擇噴涂轉(zhuǎn)臺與機器人是影響最終釉面質(zhì)量的關(guān)鍵設(shè)備,轉(zhuǎn)臺與機器人配合的好壞直接決定了最終的釉面.按照人工噴涂的習慣和噴涂原理,一般要求轉(zhuǎn)臺在噴涂的過程中能變速旋轉(zhuǎn),而轉(zhuǎn)臺速度的改變是由噴涂過程決定的,或者說是由機器人的動作決定的.因而一般把轉(zhuǎn)臺當作機器人的一個外部軸,在對機器人進行編程時,把機器人和轉(zhuǎn)臺當作一個整體考慮.但是在選用轉(zhuǎn)臺的電機時,一定要滿足容量和慣量要求.實際生產(chǎn)時,陶坯和轉(zhuǎn)臺本身合重約150Kg,根據(jù)估算后,選定MITSUBISHI公司型號為HC-SFS102伺服電機,其額定輸出功率和轉(zhuǎn)速分別為1Kw和2000r/min,額定轉(zhuǎn)矩為4.78Nm.3.3機器人機器人是噴釉生產(chǎn)線上的核心設(shè)備,是決定釉面質(zhì)量的關(guān)鍵因素.3.3.1工作空間和末端負荷的求解一般的噴涂機器人,如噴漆機器人,是必需進行防爆設(shè)計的,即要選用防爆機器人.在噴釉任務(wù)中,由于釉料本身不會爆炸,而且出現(xiàn)火花的可能性很小,一般無需用防爆機器人.噴釉機器人的選擇主要考慮兩個方面的問題:工作空間和末端負載.工作空間在機器人學(xué)中是一個非常重要的研究領(lǐng)域,但是在使用中可以采取簡化的方法.工作空間可以看作是機械手在運動時手腕參考點P(如姿態(tài)機構(gòu)的軸線正交,則正交點為參考點)在空間的活動范圍,即手腕參考點所能掠過的空間,記作W(PW).在考慮機器人的工作空間時,可以根據(jù)工件的大小和工作的特點確定出對機器人工作空間的要求,然后再尋找合適的機器人.對于給定的機器人,一般可以求出其工作空間,即可以進行工作空間的求解.機器人工作空間的求解指根據(jù)機械手的桿長和限制,畫出W(PW)的主截面和俯視圖.在這里,需要噴涂工件的大小約為840×520×770mm3,若假設(shè)噴涂時機器人末端與陶坯表面的距離為400mm,則機器人的工作半徑最少為1200mm.MotomanUP20的最大工作半徑可達到1658mm,因而是滿足噴釉工作空間要求的.其工作空間的主截面如圖2.機器人的末端負荷則由工具重量和機器人工作時末端的受力決定.在這里,MotomanUP20的末端負荷是20kg,已經(jīng)遠遠超出噴釉時的負荷要求.3.3.2離線編程技術(shù)機器人是一種需要事先進行編程才能使用的設(shè)備,對機器人進行編程主要有三種方法,即:示教編程、機器人語言編程和離線編程.目前噴釉機器人一般采用示教的方法進行編程,即工人握住機械手的末端或者通過示教盒進行噴涂試驗,由機器人控制器記錄下機器人各關(guān)節(jié)參數(shù)的變化,使得隨后機器人能獨立地復(fù)現(xiàn)記錄下的動作.這種編程方法要求工人事先對機器人的運動軌跡和工作過程非常清楚,有豐富的工作經(jīng)驗和嫻熟的示教技巧.但是示教程序的靈活性差和實際生產(chǎn)中產(chǎn)品質(zhì)量難于保證是這種編程方法所面臨的的普遍問題.機器人語言編程一般適用于裝配、點焊、弧焊、搬運等有明確的起始點,通過機器人語言能較好地表示工作軌跡的任務(wù),對于噴涂任務(wù)則不太適合.離線編程技術(shù)則是以計算機圖形學(xué)的成果為基礎(chǔ)建立機器人及其周圍環(huán)境物的幾何模型,采用機器人編程語言設(shè)計機器人動作,然后對設(shè)計的機器人動作進行三維圖形動畫仿真,以檢驗動作設(shè)計的正確性,最后生成能被機器人直接執(zhí)行的代碼傳到機器人控制柜.這種編程方法有如下幾個好處:首先,適用范圍廣,可以對各種任務(wù)和用途的機器人進行編程(如噴涂和搬運),并能方便地對機器人的運動進行優(yōu)化;其次,可以減少機器人的不工作時間,通過仿真檢驗程序,不用和實際的機器人系統(tǒng)進行直接的聯(lián)系便可直觀地看到編程結(jié)果;第三,便于和CAD系統(tǒng)集成,建立可視化的環(huán)境;第四,可以進行復(fù)雜的運動軌跡規(guī)劃,能夠進行碰撞和干涉檢測;第五,改善了工人的編程環(huán)境,工人不必在生產(chǎn)現(xiàn)場示教機器人.這種方法近年來得到了極大的重視,同時也取得了一定的成果.對于如何在噴涂任務(wù)中如何離線編程也有一定的探討.由于國內(nèi)外在噴涂任務(wù)中成功采用離線編程的不多,因而在此擬采用示教編程和離線編程結(jié)合的方法,分不同階段和品種采用不同的編程方法.在投入使用的初期,主要采用示教編程;隨著對噴涂任務(wù)的了解和經(jīng)驗的增加,逐步采用離線編程;對于特殊形狀的坯體主要采用示教編程.采用示教編程和離線編程時工作流程如圖3、圖4所示.3.4回轉(zhuǎn)臺、教學(xué)臺的編程陶坯偏差的調(diào)整有兩種方式,即在噴涂工位上調(diào)整工件的位置和根據(jù)陶坯偏差調(diào)整機器人的噴涂軌跡.在手把手示教的機器人任務(wù)中,由于很難對示教好的程序進行修改,一般采用調(diào)整陶坯位置的方法.不過需要高精度的轉(zhuǎn)臺和十字滑臺,設(shè)備復(fù)雜,價格昂貴.對于離線編程得到的噴涂程序,根據(jù)陶坯的偏差修改機器人噴涂軌跡易于實現(xiàn),可以減少一定的設(shè)備.在實際應(yīng)用中,可以通過轉(zhuǎn)臺(噴涂任務(wù)必須使用)來調(diào)整陶坯的偏角,而通過修改機器人的噴涂軌跡來調(diào)整陶坯的偏心.陶坯的偏心和偏角是通過單母攝像頭獲得的.圖5所示為陶坯位置偏差示意圖.主控單元的程序流程如圖6所示.其中XOY坐標系為陶坯的模板坐標系,O為轉(zhuǎn)臺的回轉(zhuǎn)中心;XbObYb為陶坯的實際位置坐標系,陶坯的偏差可以由r,θ,φ完全表示.那么偏角的調(diào)整值就是φ(順著逆時針方向調(diào)整),機器人的調(diào)整值(x,y)由下面的公式確定.3.5主控單元程序生產(chǎn)線的控制裝置即主控單元是保證整個系統(tǒng)正常運行的關(guān)鍵,它的任務(wù)在于協(xié)調(diào)、控制生產(chǎn)線所有設(shè)備的動作.噴釉系統(tǒng)所有的信息交換都是通過主控單元進行的,它是整個系統(tǒng)信息交換和傳遞的樞紐.主控單元程序是在Win2000的環(huán)境下,用MSVisualC++編制和調(diào)試的.除了保證系統(tǒng)能穩(wěn)定運行外,主控程序還模擬了系統(tǒng)可能出現(xiàn)的異常情況,并在一定程度上進行處理.系統(tǒng)的實時性也是主控程序著重考慮的問題,當系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生變化時,能及時地檢測到并立即作出反應(yīng).4基于plc的機器人控制系統(tǒng)系統(tǒng)實現(xiàn)如圖7所示.在這里主控計算機為一臺工業(yè)計算機,CPU為PIII866,計算機與周邊設(shè)備主要采用I/O信號進行通訊.其中與機器人的通訊還采用RS-232的串口通訊,用于機器人程序的