姚亚夫 ，龚理，，罗昌杰

（1.中南大学 机电工程学院，长沙 410083；2.中国科学院深圳先进技术研究院 精密工程中心，广东 深圳 518055）

1 引言

我国是全球最大的玩具生产制造国，尤其是珠三角地区玩具厂家数量众多［1］。作为传统的劳动密集型行业，玩具喷漆自动化水平较低。近年来随着国家对工人劳动环境和劳动强度的监督管理日益严格，人力成本的大幅提高，产业已面临发展的瓶颈，亟待产业结构调整和技术升级换代，发展自动化设备是唯一出路［2］。

目前在塑料玩具行业中，主要采用遮盖式喷涂对玩具上色。这种喷涂方式要借助模具套模，工艺极为烦琐和复杂，严重依赖经验丰富的技工，且喷漆效率低下，工作环境也最为恶劣，以至从事此项工作的人员越来越少，招工困难的现象也日益严重。而由于人工操作的缺陷，造成高档类玩具手工喷漆效果欠佳、个性差异较大，合格率不高，因此迫切需要自动化喷漆装备。

玩具喷漆虽然属于喷涂行业的一类，目前主导的喷漆加工设备-喷涂往复机（包括三轴、四轴、五轴、六轴、七轴机械手往复机）、自动分度往复喷漆机、内壁自动喷漆机、全方位数控打版机，甚至是ABB、FANUC 等国际知名品牌的六轴喷涂机器人对被喷件都是采用整体喷涂，自动喷涂行业还没有很好地解决玩具喷漆中的这种遮盖式局部喷涂。而且由于玩具的个性差异极大，喷涂表面颜色种类繁多，玩具的新产品开发和市场化更新率极快，对喷漆装备的要求极高，传统的喷涂机不能满足也不适合玩具行业。为促进传统加工企业的产业升级，使工人从玩具喷漆行业的恶劣工作环境中解放出来，迫切需要攻克这个技术难关。

为此，首先对玩具遮盖喷涂工艺进行了研究，对其实现自动化进行了设计，研制出了针对遮盖式喷涂的专用机器人。本文详细介绍了机器人的机构设计与控制系统实现过程。通过生产实验，验证了设计的可行性。

2 自动化喷涂研究

2.1 玩具喷涂工艺

玩具喷漆主要采用的是一种遮盖式局部喷涂工艺，主要工艺如图1 所示。在玩喷涂前首先要制作相应的铜模，铜模把玩具不需要喷涂部分遮住，需要喷涂的部分裸露在外面，玩具喷涂时铜模与玩具的配合称之为合模，其效果如图2 所示。铜模与玩具配合要求比较高，尤其是糖胶类软玩具对合模的配合精度要求非常高。

图1 玩具喷漆基本工艺

图2 某款玩具公仔合模图

玩具喷涂时要求上色边界轮廓清晰。由于铜模有一定的厚度，模与玩具配合存在一定的误差，铜模和玩具有间隙，容易出现飞油（油漆喷涂超过了指定的轮廓线）的现象。

为了使得工件喷涂的漆膜厚度均匀，不产生色差、斑马纹、流挂和橘皮等缺陷，喷涂过程中尽量保持喷枪的位置始终与喷涂面的距离保持一致，姿态与喷涂面的法向一致，且喷枪所行走的轨迹视玩具的表面情况而定［3］。由于玩具之间差异性很大，每款玩具的喷涂方式都不相同。目前一般每个玩具喷涂的时间大约为10s。

铜模经过多次喷涂后，表面会覆盖油漆，影响遮盖效果，使喷漆轮廓不清晰。因此经过多次喷涂后需要清洗铜模。铜模的清洗主要包括以下几个步骤：用软胶模具与铜模配合；加入适量清洗液；用毛刷反复洗刷铜模；吹除上表面杂质同时吹干铜模；移开软胶模具；由于会有少许液体渗入铜模下表面，还要对下表面吹干，否则喷漆表面会出现水迹现象。其中清洗铜模的时间约为35s。

2.2 自动化工艺设计

自动化工艺设计，主要以提高效率为优化目标，兼顾成本和环保。

为了提高生产效率，每次喷涂一个玩具显然不行。因此在自动化设计时，需要一次合模多个玩具，这样对机械的精度提出了很高的要求，同时机构需要一定的自校正能力，来吸收误差，保证合模的精度。

从现有手工喷涂工艺可以看出，清洗铜模消耗的时间比较多。特别是一次合模多个玩具时，清洗范围更大，清洗花费的时间更长。因此在自动化喷涂设计时使用两块铜模，分别设置在两个工位上，一个工位进行喷涂，另一个工位进行清洗。两个工位独立运行，保证每次需要更换铜模时，清洗工位上的铜模已经清洗干净。由于一次合模多个玩具，上下料的时间也会比较久，自动化工艺设计时也考虑设两个工位，一个工位上下料，一个工位进行合模喷漆。两工位并行工作，提高效率。

由于玩具差异性比较大，每款玩具不同部位喷涂的方式也各不相同，实现机器人自主轨迹规划不太现实。所以喷涂过程需要采用示教编程的方式［4］。

3 机器人结构设计

图3 喷漆机器人主要结构

喷漆机器人机械机构如图3 所示，主要由喷漆机械手、清洗机械手、前合模装置、后合模装置、送料转盘、铜模转盘、机架等组成。

3.1 送料模块

为了提高效率，送料转盘通过气缸驱动齿轮齿条运动实现180°往复旋转，实现双工位工作，可以同时进行合模喷漆和上料卸料操作。铜模转盘同理实现双工位工作，一侧合模喷漆，一侧清洗，两工位相互独立，同时工作，这样只需要两套模具即可实现高速自动化的喷漆，有效地节省了模具的费用；为了确保送料转盘和铜模转盘旋转的精度，都设有外部机械辅助定位。当气缸驱动送料盘旋转到位后，送料定位锁伸出与送料转盘上的导向孔配合，实现180°的精确旋转。送料转盘，铜模转盘、前合模装置、后合模装置、采用同一基准固定，可以大大减少位置误差，从而保证精确套模。如图4 所示。

图4 送料模块主要结构

3.2 喷漆机械手

考虑到成本和控制方便，选用直角坐标机械手作为喷漆机械手，其结构如图5 所示，包括4（3S+R）个自由度，所有轴都由步进电机驱动。通过同步带传动，可以减少急停和快速启动时的冲击，防止过载造成电机丢步。为了提高喷涂效率，喷漆机械手上设有两个喷头，成一定角度设置（角度可调），每个喷头独立控制。

图5 喷漆机械手

3.3 清洗机械手

同样，为了降低成本，清洗机械手采用步进电机驱动的直角坐标机械手。其结构如图6 所示，包括3个自由度。铜模的清洗是一个关键环节，清洗的效果将直接影响喷漆的质量，为了减少成本，通过交流电机驱动偏心轴旋转，实现毛刷的振动。清洗机械手上固定有上吹干装置和喷清洗液装置（图示未标出）。

图6 喷漆机械手

3.4 废气、废漆净化回收系统

图7 清洗液多重过滤系统结构

为了改善工作环境和减少污染，喷漆与清洗都在密闭的工作区间内进行，废气通过抽风设备抽走后净化处理。清洗铜模的清洗液中含有大量废漆杂质和有机溶剂，通过清洗液循环利用装置对清洗液回收再利用，其结构如图7 所示。清洗液经过不锈钢滤网过滤，大块未溶解的油漆从清洗液中脱离出来，防止油漆二次溶解，降低清洗液溶解能力。过滤后的清洗液再经沉淀、渗透后，可以循环使用。

4 控制系统设计

4.1 硬件控制系统的设计

Euro209 是Trio 公司一款基于DSP 和FPGA（Fieldprogrammable Gate Array，现场可编程门阵列）的具有开放式结构的高性能、高可靠性、高集成的数字运动控制器。它采用32 位120MHz DSP 处理技术，可提供多达九轴的精密步进或伺服控制，能实现多轴直线插补和圆弧插补，并且集成了数字及模拟I/O、通讯接口和扩展轴接口［5］。基于Trio 运动控制器的开放式数控系统硬件构成如图8 所示。

图8 喷漆机器人的硬件结构

PC的主要作用是程序编写、下载和调试。与运动控制卡通过以太网接口（Ethernet）连接，实现双向高速数据访问。触摸屏作为人机界面，通过RS232 串口与运动控制器通信，主要作用是实现数控编程与保存、向Euro209 发出运动控制指令、监控运动控制器及机器人状态和相关参数等功能。

运动控制器上的轴控制模块提供了伺服电机/步进电机的标准接口，很方便地控制机器人七个步进轴的运动，通过开关量I/O 接口，运动控制器不仅可以接收限位开关和零点开关信号，还可以控制气缸、清洗液泵、油漆泵的的运行。Trio 运动控制器具有12 位分辨率的0～10V模拟量输入，用来检测油漆压力。

4.2 软件控制系统的设计

4.2.1 运动控制卡程序设计

Trio 运动控制器本身就是一个可以执行多任务程序的嵌入式系统。Euro209 内置有比较完整的运动控制程序，可以以指令的形式调用，用户可以根据需要将一串指令编成一个“宏指令”（即用户程序），用于控制更为复杂的运动。用户程序用Trio BASIC 编写，可在运动控制器软件开发环境MotionPerfect2中开发。可创建不同的程序配合上位机软件实现多种功能［6］。玩具喷漆机器人的控制流程如图9 所示。

图9 喷漆机器人的软件结构

程序主要包括手动模块、自动模块、示教模块。由于自动运行时喷漆和清洗是独立运行，因此使用两个线程分别控制。在示教模块，运用了运动控制卡自带的直线插补和圆弧插补功能MOVEABS 和MOVECIRC。

喷漆过程中油漆压力对喷漆厚度影响显著，因此需要对油漆压力进行实时监测，下面给出的程序在一个线程中持续运行，周期性地读取模拟量输入信号，数字滤波后，存放在一个通用存器VR（10）中：

在实时运行速度里引入一个变化因子K 来修正油漆压力的影响，其公式如下：

实际运行速度=K×VR（10）×设置速度（其中K 是常数系数）

这样当油漆压力减少时，喷涂速度相应变慢，保证油漆厚度一致。

4.2.2 触摸屏软件设计

触摸屏采用昆仑通泰工业触摸屏，其开发软件为MCGS（Monitor and Control Generated System，监视与控制通用系统）是一套基于Windows 平台的、用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统。这款触摸屏主要特点是：实时性强、有良好的并行处理性能；方便控制复杂的运行流程。MCGS 嵌入版开辟了“运行策略”窗口，用户可以选用系统提供的各种条件和功能的策略构件，用图形化的方法和简单的类Basic 语言构造多分支的应用程序，按照设定的条件和顺序，操作外部设备，控制窗口的打开或关闭，与实时数据库进行数据交换，实现自由、精确地控制运行流程，同时也可以由用户创建新的策略构件，扩展系统的功能。根据示教需求，编写了触摸界面和相应程序，其主要界面如图10 所示。

图10 主要人机交互界面

由于示教编程需要存储数据量比较大，使用系统自带函数!SetDevice（设备0，6，“WritePV（4，0202，WB，528，下载Data000，nReturn）”）对数据进行存储。每11个数据为一组代表一条示教指令。其含义如表1 所示。下位机通过识别每组数据的第一个数据来判断运动方式。

5 实 验

根据上述设计和实现方案，成功研制出了样机，并在某上市玩具公司进行了生产实验，实验是对一款出口产品进行喷涂实验，并将自动化喷涂实验与手工喷涂进行了对比，其结果如表2 所示。可以看出本玩具喷漆机器人的喷涂效果良好，产品合格率高，大大提高了生产效率，改善了工作环境。图11为样机的实物图。图12（a）是样机在对一款出口玩具进行喷涂实验。图12（b）是这款出口玩具的机器人喷漆效果图。

表1 示教指令数据存储含义

表2 一款出口玩具手工喷涂与机器人喷涂实验情况对比

图11 遮盖式喷涂机器人实物图

图12 喷涂实验与喷涂效果

6 结论

本文给出了玩具遮盖式喷涂工艺的自动化设计方法，及以工艺为先导的遮盖式喷涂机器人结构设计和控制系统实现方法。喷漆机器人采用步进电机驱动的直角坐标机械手，在满足喷漆需求的前提下大大降低了成本；送料与合模、喷漆和清洗分别都采用双工位，同时一次合模多个玩具，显著提高了生产效率；对废气净化，废水多级净化回收利用，改善了工作环境，同时减少了污染。

本喷漆机器人的成功研制，为玩具喷涂的全自动化奠定了基础，同时对其余非玩具类零件（比如手机机壳）的遮盖式喷涂自动化设计有指导作用。

［1］陈泽锋.从2012中国玩具展看行业的转型谋变［J］.玩具世界，2012（11）：2.

［2］王文璧.2012 年玩具行业新动向［J］.玩具世界，2012（2）：2.

［3］梁治齐，熊楚才.涂料喷涂工艺与技术［M］.北京：化学工业出版社，2006：293-297.

［4］ASAKAWA N，TAKEUCHI Y.Teachingless Spray-Painting of Sculptured Surface by an Industrial Robot［C］//Proceedings of IEEE International Conference on Robotics and Automation.Albuquerque New Mexico，1997：1875-1879.

［5］Trio English Manual Book.PCI209 运动控制［EB/OL］.http//www.triomotion.net.

［6］毛俊峰.基于Trio 控制器的焊接定位机器人控制系统研究［D］.大连：大连交通大学，2011.