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清洗吸污车罐体喷漆工作站的设计与仿真
摘要
随着汽车行业迅速发展， 由于汽车庞大的市场需求以及汽车用途需求的多样性， 许多 生产专用车的中小规模厂家， 不能承受持续性的高人工费用， 因此对低成本自动化设备有 着迫切的需求。汽车喷漆过程中人工作业时间长， 漆料对人体伤害严重， 且此工艺对工人 技能要求高。自动喷漆工作站可提高生产效率， 降低生产成本， 稳定生产质量， 缩短工人 作业时间，增加企业利润。
本文以清洗吸污车罐体喷漆工作站的设计与仿真为目标， 提供自动化喷漆的整体设计 方案， 按照设计技术参数要求对工作站进行布局分析， 完成了喷漆工作站的结构设计， 包 括喷涂机器人本体、电动机、油缸等重要部件选型， 龙门吊装结构部件、机器人末端喷漆 装置和变位机、罐体上下料装置及输送产线的设计。最后对喷漆工作站进行离线编程， 完 成工作站的仿真，验证了设计的正确性。
随着我国人口老龄化的加剧， 国内制造行业已出现用工贵、招工难的情况， 为保护生 产工人的健康，开发低成本的喷漆工作站取代人工， 已成为现代汽车行业智能制造的热门 研究课题之一。
关键词：喷漆工作站； 清洗吸污车罐体；仿真
目 录
1 引 论 1
1.1 研究目的及意义 1
1.2 国内外发展现状 1
1.3 课题研究内容 2
2 清洗吸污车罐体喷漆工作站的总方案设计 4
2.1 设计要求 4
2.2 罐体喷漆工作站总体布局 4
2.3 喷漆机器人主体选型 5
2.4 喷漆末端部分选型 7
3 清洗吸污车罐体喷漆工作站关键结构设计 8
3.1 喷漆工作站的工艺流程 8
3.2 喷漆机械臂轨迹规划 9
3.3 罐体上下料机构设计 10
3.4 喷漆罐体转向机构设计 13
3.5 机器人龙门架结构设计 13
4 工作站的编程设计与仿真 15
4.1 仿真软件简介 15
4.2 喷漆工作站的离线编程设计 15
4.3 创建喷漆工作站 Smart 组件 21
4.4 仿真效果分析 25
5 结 语 29
参考文献 30
致 谢 31
1引论
1.1 研究目的及意义
大多油漆含有苯物质，是一种极易挥发，且能致癌的化学物质，对人体健康伤害巨 大。随着人们健康意识的提高，大多数工人不愿从事喷漆工作，招工难的问题不得不使 企业提升工人待遇。高额的人工费用使得厂家迫切的需求投入较小的自动化、半自动化 设备，从而代替大量的人工生产力。上漆作为工业生产中一重要环节，其重复性、单调 性工作量大。 一套合理适用的自动化设备不仅解决工人健康问题，以长远眼光看，也比 高额的人工费用经济实惠。
本文以设计的一种成本相对较低，适用范围较广的喷漆工作站为研究目的。以合理 的结构设计，尽可能降低成本，切实解决中小企业厂家对自动化生产的需求，提升核心 竞争力。
工业机器人能够在恶劣的生产环境下持续工作，对于重复单调的工作有着极大的优 势。汽车生产过程中，喷漆工作重复性强，且生产环境难以保障，喷漆自动化是现代化 发展的必然选择。
1.2 国内外发展现状
为满足工业生产需求，早在上个世纪六十年代末起，国外工业化发展较早的国家已 经开始研究机器人相关的技术。将机器人运用到喷涂相关的生产从而代替人工，经过研 究探索，国外相关企业在 1969 年研发出第一台专用型喷涂机器人。
这种喷涂机器人的主要作用是减少工人的工作量、减轻其工作强度，更重要的是喷 涂机器人代替人工作业，可有效保障工人的健康安全，使其远离生产过程中所产生的有 害物质。但受限于当时的科技水平， 这种机器人的结构很简单,功能十分单一，只能对工 件做一些简单的往复喷涂动作，且喷涂的质量与精度较低。即便如此，在单位时间内该 喷漆机器人相比于人工喷涂作业的效率要高很多，当时的美、日、德等国率先接纳并采 用这项研究技术。自此之后，国外关于喷涂机器人的研究与应用开始迅速发展，各种核 心技术正一步步更新升级，满足与日俱增的生产需求。
截至目前为止，我国机器人行业仍有较大的发展空间，工业机器人市场需求庞大。 其中涂装生产行业之中影响力较大、市场占有率较高的喷漆机器人制造公司,主要有总部 位于瑞士的 ABB 公司、成立于德国的 KUKA、日本的安川公司与上海发那科公司等。 这些喷漆机器人生产商，不但拥有强大的资金，还拥有着最先进的喷漆机器人技术，其 产品的特点是： 1、环境适应能力强， 在较苛刻的环境下，机器人依然可以进行喷雾作业。 2、性能良， 操作失误几率很小， 操作平稳。3、具有较高的喷涂精度， 可用于航空航天，精密电子仪器，军事装备等。
当下，我国工业机器人行业进入高速发展阶段，各企业厂家在认识到自动化生产的 巨大优势后，纷纷采用不同的方式加强自身在相关领域的竞争力与优势。自动化喷涂作 为机器人发展的主要方向之一，相关企业不断加大投入，谋求更大的发展空间，占据更 多的市场份额。例如： 哈尔滨海尔机械制造公司、北京拓博尔机械制造公司等采用“校企 结合” 的方式，以学校为依托，与有关机构开展“校企共建” 的方式开展工作；利用大学、 研究所的人力资源、科研技术， 与公司的资金优势相结合， 可以增强公司的市场竞争力。 还有例如上海新时达机器人公司与芜湖埃夫特机器人公司， 皆采用“ 自主创新”和“海外并 购” 的双向发展模式， 既发展企业自主研发能力， 又借助国外研究力量从而提升企业核心 竞争力。经过多年科研攻关、技术革新与工业整合，前者开发出了喷涂机器人的核心部 件 ROBOX 控制器以及对应的控制系统；后者以机器人和运动控制系统产品为核心，在 国内建立了智能制造业务完整的产业链，并参与研制了大量的国家尖端项目。
到目前为止，经过了三十多年的科研和科研， 中国的喷漆机器人已经从 0 级发展到 了现在的成熟，并且在喷漆技术上已经达到了世界领先的水平。然而，目前我国的先进 喷漆机器人和国际同类产品还有很大的差距。而在喷漆机械臂的制造过程中，由于缺乏 对机械臂的控制，使得喷漆机械臂的设计受到了极大的限制。这导致了机器人的自主知 识产权和研发能力受到了来自国外的有关厂商的制约，从而导致了机器人的制造成本非 常高， 因此，对于中国的有关中小型制造商来说， 很难承受昂贵的自动喷漆机器人设备。 在未来，喷涂机器人有四个主要发展趋势，即实现智能化、标准化、数字化和网络化。 而如今，需要在机器人研发制造方面突破技术瓶颈，不断加强核心技术以及在关键元器 件方面的自主开发，摆脱对国外核心技术的依赖。积极探索机器人相关应用的全新发展 方向，引领我国智能机器人走向国际化，相信不久的将来，国产机器人将与国外机器人 的差距会越来越小，然后被我国超越[14]。
1.3 课题研究内容
本课题内容主要为：设计一套能够为清洗吸污车上装部分完成喷漆的工作站。
清洗吸污车为专用汽车车型中的一类，罐体多为圆柱形。上装部分即为罐体部位， 专用车生产以制造汽车上装部位为生产目的，经过专用方案设计制作，生产特定使用方 式的大型汽车。这些专用汽车生产厂家从生产汽车底盘的汽车公司购入各型号大小的汽 车底盘。 一辆完整的汽车底盘，车头部位喷涂是完整的，专用车厂家只需要对上装部位 完成喷涂即可。所以罐体部位可单独进行喷漆，使大部分中小型汽车厂家使用自动化喷 涂大大节省了投入成本。
方案采用如下，龙门吊装机构倒挂六轴机器人，对固定在变位机上的罐体进行喷漆。 龙门机构采用双轨道式电机驱动，可进行两个方向的位移。变位机可使罐体进行旋转， 便于罐体表面进行喷漆。固定方式采用大型电磁吸盘吸附罐体两端，固定处遮挡部位后续进行人工补漆。
上述方案为机器人喷漆部分设计，为工作站主体部分，对其建立 RobotStudio 工作 站，完成仿真设计。为保证方案完整性，除喷漆工作站设计外，对喷漆罐体上下料机构 进行初步设计。上下料机构方案采用搬运小车运输，车身装置上下取料放料机构。
结 语
本文对自动化喷漆工作站进行研究， 并与相关企业的实际生产问题相结合， 设计出本 喷漆工作站方案， 完成工作站方案规划设计、对工作站内部所需设备进行选型， 完成一套 喷漆工作站的工艺流程，并对其进行仿真编程，实现方案的可实行性。
该设计方案为从事相关工作的单位提出了一套完整的自动化喷漆设备设计， 提供了理 论上的相关依据和对应的试验平台， 为相关从业人员提供了相对可靠、绝对安全的机器人 编辑和数据调试途径。本文对自动化喷漆工作站结构进行设计， 完成了工作站上下料功能、 喷漆功能以及转向功能。各机构相互配合，完成清洗吸污车的罐体喷漆工作。
通过此自动化喷漆工作站可大幅度提高生产效率，解决工人健康问题。本研究利用 RobotStudio 进行虚拟模拟， 藉由模拟结果来预估模拟结果之安全与可靠度， 并将模拟结果 运用于实践， 提升作业效能； 不被时间， 试验等条件所束缚。通过对相关构件的调用， 完 成了对工作站的模拟， 进而完成了对工作站的准确构造。将程序编制的结果进行检索， 找 出作业过程中出现的问题， 并对其进行手动修正， 从而为工作站的优化设计提供了科学依 据。
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