悬挂轨道式旋杯涂装机器人

摘 要： 本文介绍了发那科机器人公司推出的Ｐ－500型喷涂机器人，该机器人为悬挂轨道式，同传统的涂装机器人相比喷涂效率高、成本低、安装空间及尺寸小，是目前用于整车外部涂装的理想设备。

关键词： 悬挂 轨道 机器人 外部涂装

近年来，涂装车间机器人应用的发展，在喷涂效率、质量、降低运行成本和降低投资上取得显著的提高。发那科机器人公司推出的悬挂轨道式喷涂机器人 — FANUC P-500型外部喷涂机器人系统，能够做到较低的成本，更小的安装尺寸和更少的安装时间，并能够处理较大范围的车型。

图 1: P-500 外部旋杯涂装系统

近年来在涂装机器人领域的研究

1.1 工艺设备的集成
安装在机器人手臂中的涂料换色模块组尽可能的接近喷杯（见图2）这样可以最大限度的减少涂料浪费，此类改进措施表现在运行费用和整个运行周期过程,大大提高了设备的喷涂效率，缩短了系统正常运行时间，降低了设备投资。 

图2-1: 普通机器人集成的手臂内部

图2-2: P-500 机器人的工艺设备

1.2 喷涂的优化

从上世纪末到本世纪前五年期间，研究人员主要关注的是两个喷涂领域的优化：即机器人应用100%静电雾化器(或称旋杯)的车体外部喷涂和机器人应用于运动的输送链上的车体内部喷涂（如门内侧，引擎室，底盖等）。机器人100%外部旋杯喷涂应用开发着重于旋杯设计和涂料的混合比例使金属漆能够用旋杯达到可以接受的颜色和外观标准。而之前要获得良好的表面效果，车体外表面的两层金属漆中至少一层是采用空气雾化喷枪喷涂的。这种杯+杯工艺与以前的空气枪的喷涂工艺相比，显著地减少了（20%-40%）涂料的使用量。
“杯+杯”工艺的研究已得到了充分的应用,从九十年代中期到二十一世纪早期，汽车的喷涂中，机器人喷杯混合使用喷枪和旋杯的比例从1995 年大约85%喷枪和15%旋杯变成最近几年中的85%旋杯和15%喷枪。
由于近来行业中大多使用旋杯喷涂应用于车身外表面喷涂，因此，使用旋杯的外表面喷涂是FANUC P-500 喷涂系统终端产品研究的焦点。发那科机器人公司的P-500 喷涂系统为车身外表面喷涂的应用。
FANUC P-500 机器人外表面喷涂系统是非常成功的，使用悬挂于轨道的机器人喷涂车身外表面在汽车工业的车身外表面喷涂上产生了深远的影响。自2003 年首次推出 P-500 系统以来，全球已安装了超过约2000台。
FANUC P-500 设计方法引发了在数个区域的创新思维，具有多项专利和专利应用，这些区域涉及到机器人设计、工艺设备设计、生产维护、程序设计方法以及安装。P-500 系统提供了最高级别的均匀性和喷涂工艺效率。专利的工艺方法和优化的喷涂设备设计最小化了生产过程中超范围的喷涂。

车身外部的喷涂
2.1 车身外部的喷涂要求：
◇喷涂质量：主要是厚度、外观方面要减少灰尘、赃物；
◇控制喷涂轨迹；
◇灵活性：适应产量的多变性；对未来车型具有适应性(复杂的车型；特出的车型)；
◇投资成本低；
◇操作成本低；
◇能缩短调试周期进而缩短新车型的推出时间；
◇易于维护和操作方便。
2.2 解决方案
◇使用灵活简便的机器人；
◇引入“清洁墙（悬挂机器人）”的概念；
◇改善投资和运行成本；
◇简化机器人轨迹编程，减少需要对机器人编程的时间，并且在整个车间实施模拟和编程的一致性。

悬挂轨道式旋杯涂装机器人系统的特点:

悬挂轨道式涂装机器人系统提供了比传统机器人具有更强的喷涂性能的车体外表面喷涂系统，减少用户成本和生产费用，可以比固定安装机器人更快地完成安装和调试。悬挂轨道式涂装机器人的主要优势：

3.1 机器人更小并更灵活简便

一个两轴的手腕

研究人员通过机器人机械单元的机器人运动学设计的开发，对大范围现存用于生产的系统来进行分析，在此基础上重新设计，这个设计包含悬挂的机器人，去掉了机器人腰部的轴，又使用了一个两轴的手腕，简化了整个系统。

◇轨道方式提高了喷涂路径的的灵活性和可操作性，减少了喷涂设备对输送设备的依赖性。
◇通过除去外部喷涂应用中不需要的多余的轴，这种五轴机器人集成了七轴机器人的优点,且以较少的轴达到100%工作范围的利用效果。
◇轨道方式，比固定式更易于在线跟踪编程，五轴的编程设计相对于六轴或七轴机器人来说要简单得多。
◇PaintPRO 软件是一个图形化的离线编程解决方案，可以简化机器人轨迹编程，也减少了对机器人编程的时间。所有的路径编程均可在安装与建模期间完成，节约了后续安装与调试的时间。
◇由于大多数应用设备嵌入到了FANUC P-500 中，室外安装的设备的数量一般低于台座式系统。
◇即插即用的设计－就位、连接油漆管路、气管和电源。系统的许多部分在到达现场前已经预先安装和校正，成为标准的生产设计。气动控制柜的位置考虑到旋杯排除校准气动的延迟的需要和排除现场更新。得益于气动控制面板安装在机器人本体上，使得开关枪和喷幅转换更加灵敏。

3.2 喷涂质量易于控制
◇配置轨道的 FANUC P-500 可以提供最长的喷涂时间和最少的非喷涂动作。而对于台座式机器人，当对路径进行编程或改变颜色后，需要频繁地重新定位。
◇轨道方式比固定式易于在线跟踪编程，这种方式提供了最长的开枪时间，最小流量，最大的涂料利用率，这在考虑降级和喷涂窗口的有效性时是非常重要。相对来说，固定式的机器人运动速度要加快，使得流量要相应增大，导致涂料利用率降低，品质降低。
◇FANUC P-500系统的轨道轴可以保证机器人在任何输送速度下都可以重放相同的机器人动作，不会出现意外动作错误和异常机器人动作。
◇FANUC P-500机器人设计方案装配了完全一体化的工艺控制。在喷涂过程中，可以对流体和气动工艺的变化做出非常迅速的、重复性的响应。
◇喷房气流对悬挂机器人的影响比起固定式或地面轨道式机器人来要小。
◇气动控制面板安装在机器人本体上，使得开关枪和喷幅转换更加灵敏。
3.3 客户的直接成本
降低客户的直接成本降低在两方面显著减少：
（1）机器人系统自身的价格减少；（2）机器人系统的设计满足更小的安装面积，所需的空间减少了约40%。这显著的减少了喷房的工程费用。

3.3.1 机器人系统自身的价格减少
◇控制系统数量减少
* 每一台机器人控制器控制两台机器人。
* 系统的钢结构用作电缆线槽和软管路径，使得到单台机器人的连接数量减少。
* 一个公用的空气控制柜用于供应多台机器人。
* 由于大多数应用设备嵌入到了P-500系统中，室外安装的设备的数量一般低于台座式系统。
* 控制体系中互联的数量显著减少

图4 ：FANUC P-500控制体系与以前的系统的比较

3.3.2 机器人系统的设计满足更小的安装面积，所需的空间减少了约40%。这显著的减少了喷房的工程费用。

◇喷房的长度和宽度减少
* 由于 FANUC P-500 机器人没有大旋转轴，机械臂的运动不能超出喷房尾部，所以缩短了喷房尾部的安全区，并因此缩短了喷房的整体长度。不需要在室内预留1-2 米的长度以达到操作员安全需求。
* 同许多台座式机器人对比，按照最新运动学设计的 FANUC P-500 机器人设计特点可以减少同时减少喷房的宽度。
* 机器人的设计结果是可以处理大范围的车辆，同时减少喷房的宽度10-20%、喷房的长度40%。

图4: FANUC P-500 喷房和自动机喷房比较

（1）悬挂轨道式涂装机器人：喷房长13m,宽4.3m,面积55.9m2

（2）固定式涂装机器人：喷房长14.5.m,宽5.5m, ,面积77.5m2

图 5: FANUC P-500喷房和固定喷房比较

悬挂方式不需要安装在喷房内钢架上无需考虑机器人的基础，减少了支撑机器人的型钢和底架；

◇格栅不需配作。
◇在喷涂设备和自动清洗旋杯设备新方法的设计改进过程中，除去了系统对空气加热器的需要。这改进了维修并减少了系统的复杂性。节省了电力也降低运行成本。

3.4 客户的运行成本降低
◇小的安装面积使其所需的能耗减少，与以前的机器人系统相比，大多数情况下可节约超出20%的运行。
◇FANUC P-500机器人具有非导电外臂和腕，在室内悬挂，使传递效率达到最大，涂料在机器人中的堆积最少，降低了清洁频次和车体污染。机器人护套也无须象常规机器人那样频繁更换，降低使用成本。
◇保证了地面的清洁，体现在四方面：
（1）系统需要的控制柜的数量减少，占地面积小。
（2）提供一个简约的过道空间，它减少了面板，连接盒及其他部件的使用。
（3）系统的设计把不需要和常规控制柜放在中间层，远离地板。
（4）高空悬挂式不需要安装在喷房地面支撑钢架上，降低了喷房振动时造成
的喷涂污染地面，清洁费用低。
（5）“清洁操作” ，照片是生产一个月没有进行保洁的喷房的使用状况。

3.5 设备编辑方便

◇PaintPRO 离线式可便程软件采用了与实际机器人相同的运动计划器，简化了编程路径，可以快速生成机器人程序。

图 5: PaintPro 离线编程软件

◇通过电脑，所有的路径编排均可在安装与建模期间完成，节约了将来安装与调试的时间。
◇五轴机器的编程相对于六轴或七轴机器人来说要简单得多，FANUC P-500的这项设计集成了七轴机器人的所有优点。

3.6 设备安装方便
◇由于标准的工艺和系统组成，集成式气动控制面板，以及标准的电缆组线，也因此减少安装时间。
◇比起其他机器人减少了大量零部件，安装方便。
◇气动装置，成型空气控制以及杯速控制组件的应用均以某著名涂装校对标准进行预先校准过。
◇FANUC P-500 喷涂系统出厂时已经完全组装好并且经过充分的测试，同传统台座式系统比较，在现场安装设备所需要的时间和成本大大降低了。降低了安装期间产生问题的机会。
◇一星期内成功地安装和调试。

3.7 设备操作维护方便
◇操作介面和PLC 安装在一块面板上，可简单、快速的处理故障。
◇减少维护且简化与改进了涂料管及空气管路的排布
◇易于安装换色阀及管路，由于简化了P-500系统结构设计与维护，从而减少了大量易损件。
◇独特的某著名涂装溶剂-空气阀在清洗过程中比其他系统节省50-70%溶剂。
◇虽需要一些工具保证一些喷涂设备的正确安装，机器人的设计提供了显著的改进，在减少平均维修时间上超过了以前的系统。

3.8 FANUC P-500机器人 悬挂方式充分体现了＂清洁墙＂设计
◇FANUC P-500 机器人为高架式设备，置在机器人下。同地面安装式机器人比较，室内喷涂过程的可视度提高了；
◇并允许在机器人轨道下面放置检修门；

图5 : 实际 FANUC P-500 安装显示了工艺的能见度

3.9 FANUC P-500 系统可用于水性静电旋杯喷涂

喷涂设备的最大的突破之一就是可用于水性静电旋杯喷涂。发那科喷涂系统，开发了一个高效直充喷涂而无需外部码头或容器交换系统。这个新方法不仅显著增加了水性系统喷涂效率，而且显著的减少了与之相关的复杂性和维修成本。

总结：

FANUC P-500 悬挂轨道式喷涂机器人是理想的车体外表面喷涂机器人，设计提供了高性能、高耐久性、柔性化、操作简便和少维护的完美组合，这个系统在提高运行效率和工件外部的喷涂质量上取得了成功，与前一代产品相比，也显著减少了外部涂装系统的投资成本和生产运行费用。目前，在国内新建的大型汽车涂装线上已开始得到推广应用。

参考文献：

陆通林 多功能喷漆机器人 汽车制造业2005/6