机器人喷涂的漆膜厚度控制

1、机器人喷涂的漆膜厚度控制一、研究背景及意义机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃、应用日益广泛的领域。对机器人研究和应用水平，是一个国家工业自动化水平的重要标志。随着工业自动化水平的提高,工业机器人在汽车等行业的应用也越来越广泛。机器人喷涂作为工业机器人的一个应用领域早在1975年就投入运用，它可以避免危害人体的健康，提高经济效益(如节省涂料)和喷涂质量。其主要包括喷漆、家电喷涂、静电喷涂及家具喷涂等几大类. 其中对于汽车、家电等产品。由于具有可编程能力，所以喷涂机器人能适应于各种应用场合。例如，在汽车工业上，可利

2、用喷涂机器人对下车架和前灯区域、轮孔、窗口、下承板、发动机部件、门面以及行李箱等部分进行喷涂。由于能够代替人在危险和恶劣环境下进行喷涂作业，因此喷涂机器人得到了日益广泛的应用。在自动喷涂操作中，喷涂机器人的机械手围绕待涂工件表面来回移动，适当的轨迹和其它过程参数的选择都能使生产成本得到节约。喷涂机器人的喷涂效果(如涂层厚度的均匀性、喷涂时间等)与物体表面形状、喷枪参数等诸多因素有关。对于诸如汽车、电器及家具等产品，其表面的喷涂效果对质量有相当大的影响。产品表面的色泽一定程度上取决于涂层厚度，如果表面上的涂层厚度不能保持一致，产品表面就会产生溶剂的凸起，引起表面不光洁，而且涂层过厚的地方在使用过

3、程中会有皲裂倾向，也会导致涂料的浪费。在喷涂成千上万的产品时，减少每一个工件表面的涂料量，从经济角度而言，潜在的利润也相当大(特别是汽车、飞机等大型产品)。同时也可相应地减少排放到喷涂车间环境中的涂料总量，减轻环境污染。近年来随着人们对产品质量的追求和对环保的重视，这方面的意义更是凸显出来。对于喷涂工艺的有约束单目标优化问题,主要先利用罚函数法或Lagrange 乘子法,将带约束单目标优化问题转化为无约束单目标优化问题,再运用差分拟牛顿法求解. 有些研究人员将喷枪轨迹和喷涂工艺的优化合二为一,但考虑的工艺参数较少,主要以轨迹优化为主,运用无约束梯度法进行优化. 对于喷涂工艺的有约束多目标优化问

4、题,有些研究人员直接运用带权无穷范数理想点法来求解喷漆多目标优化问题,先分别求出各目标函数的极小值,作为理想值,然后再让各分量目标函数尽量逼近各自的理想值. 在喷涂机器人喷枪路径的规划中,研究人员采用单目标遗传算法优化涂层厚度方差,仿真的结果得到了很大改善. 以平面或规则曲面作为对象的喷漆机器人喷枪规划方法已经逐渐熟,Ramabhadran 等人具体讨论了喷枪轨迹优化问题,用数值方法求解优化轨迹. 但在喷枪轨迹规划中,主要考虑的是对喷枪速度的优化,其他的喷漆工艺参数均是取自经验值,缺乏实际性,也并没有考虑上漆率对喷漆效果的影响,所以本文拟从影响喷涂漆膜厚度的因素出发，将喷漆流量、喷枪口径及输送

5、压力与漆膜厚度的关系，作为影响参数。建立关于喷漆工艺参数的优化模型,对相应的喷漆工艺参数进行优化研究.二、国内外工业机器人发展现状及趋势()（一）国外机器人发展现状及趋势机器人技术是一门综合技术，集光机、电、液、信于一身，它的发展水平已经成为反映一个国家工业水平和科技进步的重要标志。机器人技术的发展不仅将推动机器人本身的发展，而且会对国家整体技术水平的提升产生重大影响。近年来，世界经济结构正在发生重大而深刻的变革，美国、日本等发达国家和欧盟先后推出并实施了多个与机器人技术、自动化工艺装备相关的国家研究计划，以支持相关的核心技术和关键重大装备的研发与应用。最近，国外在机器人技术方面取得了一些新的

6、进展，智能化程度也大大提高，并在一些方面进行了许多开创性的研究。在过去10年中，国际机器人学研究和机器人产业最重要的标志为向智能化方向发展，包括传感型智能机器人发展加快，新型智能技术不断开发，机器人的体系结构和软件采用模块化设计方法，机器人工程系统明显增加，微型驱动器、微型机器人和纳米技术的应用有所突破，应用领域向非制造业拓展，行走机器人和人形机器人研究得到进一步重视，敏捷制造生产系统获得开发，开放式网络机器人技术的开发成为新热点，以及军用机器人将用于装备部队等。而喷涂机器人作为一项较成熟的技术，在国外大概已经有三十年的研究和发展历史了。较早运用该技术的有美国的miIlllit公司、德国的ha

7、te公司、美国的mdge公司等，对机器人和印刷业的发展产生过深远的影响。随着喷涂机器人的技术不断创新，喷涂精度空前提高，在世界发达国家喷涂机器人得到了广泛的应用。在国外，工业机器人技术日趋成熟，已经成为一种标准设备被工业界广泛应用。从而，相继形成了一批具有影响力的、著名的工业机器人公司，它们包括：瑞典的ABB Robotics，日本的FANUC、Yaskawa，德国的KUKA Roboter，美国的Adept Technology、American Robot、Emerson Industrial Automation、S-T Robotics，意大利COMAU，英国的AutoTech Rob

8、otics，加拿大的Jcd International Robotics，以色列的Robogroup Tek公司，这些公司已经成为其所在地区的支柱性产业。国外Binks Mfg公司最新研制了一种喷漆机器人, 该机器人通过主喷嘴的往复精确移动对所有产品表面做均匀的喷漆, 工作时可将工件挂在任何一根传送带上, 以英尺分米分的速度送往喷漆室。此系统遇到工件后立即喷漆, 并选择所需的颜色, 在机器人的存储器中已存入了255种可完成的工序,可快速完成设备喷涂, 既准确又无次品。随着喷涂机器人的技术不断创新，喷涂精度空前提高，在世界发达国家喷涂机器人得到了广泛的应用。（二）国内机器人发展现状及趋势中国工业

9、机器人发展长期以来受限于成本较高同时国内劳动力价格低廉的状况，使得工业机器人应用面十分狭窄，但是随着中国经济持续快速扩张，人民生活水平不断提高，随着劳动力过剩程度的降低，单个工人的成本上升，对于产品质量更高的要求以及国家对装备制造业的重视，工业机器人及其技术在中国得到了政府和产业界的广泛重视。政府努力加快中国装备制造业尤其是工业机器人的发展，采取各种措施扩大中国装备制造业在市场中占据的份额，并提供优惠措施鼓励更多企业使用机器人及其技术以提升技术水平。产业界也开始重视工业机器人在降低劳动成本、减少劳动风险、提高产品质量中所起的巨大作用。正因为如此，国内越来越多的企业在生产中采用了工业机器人。许多

10、企业通过采用工业机器人技术满足了自己的要求，从而提高了企业的竞争力。各种机器人生产厂家的销售量都有大幅度的提高。在未来，中国的工业机器人产业将成为一种在国民经济中占据重要地位的产业。如中国科学院沈阳自动化所投资组建的新松机器人公司，年利润增长迅速。但总的来看我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如：可靠性低于国外产品；机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距。（1）工业机器人的技术及产业发展趋势从近几年世界机器人推出的产品来看，工业机器人技术正在向智能化、模块化和系统化的方向发展，其发展趋势主要为：结构的模块化和可重构化；控制技术的开放化、PC化

11、和网络化；伺服驱动技术的数字化和分散化；多传感器融合技术的实用化；工作环境设计的优化和作业的柔性化以及系统的网络化和智能化等方面。国际机器人联盟（I F R ）与联合国欧洲经济委员会（UNECE）发布的数据显示，全球多用途工业机器人销售从2003年开始恢复增长，预计在2005 年到2008 年间，全球工业机器人销量预计年均增长6.1，到2008 年增至12.1 万台。以具体地区而言，亚太地区仍将是工业机器人使用量最高的地区，预计日本的工业机器人销量将由2004年的3.71万台增至2008年的4.59万台。而整体亚太地区的工业机器人销量将由2004 年的5.2万台增至2008 年的7.04万台。

12、北美地区的工业机器人销量也将稳定增加，预计将由2004年的1.34万台增至2008年的1.65万台。而欧洲地区的工业机器人销量预计到2009年将增至3.37万台。（2）喷涂机器人目前存在的问题国内使用过的喷涂机器人，一般来说主要分为国内自主研发和从国外直接买进。对于国内自行设计的喷涂机器人，机器人的重复定位精度低、喷枪与机器人的配合以及喷枪的选用都有较高的难度，同时由于设计水平和经验的限制，在使用时会出现一些在设计时忽视或未解决好的问题。再如喷涂程序的示教，由于开发人员没有为工人提供较好的示教手段，使得示教时间很长，影响生产效率。自行设计的喷涂机器人很难真正交给厂家、交给工人。对于进口的国外喷

13、涂机器人，主要有两点不足：一是引进的机器人是基于国外发达国家的生产实际进行设计制造的，国内喷涂企业和汽车企业现有生产工艺条件不能完全满足进口设备的要求，同时由于使用的都是国内的技术人员，习惯、文化与技术的差异，可能造成引进的机器人不能正常工作或者不能工作在其理想状态，发挥不出其应有的作用；另一方面在涂料的成膜过程中，喷涂设备及相应的喷涂工艺决定了涂膜的均匀性、涂膜质量及生产效率。常用的喷涂设备有高压无气喷涂机、往复式顶喷机、往复式侧喷机、移动龙门式仿形喷涂设备及各类自动喷涂上业机器人等，但由于喷涂精度不高，对于表面有凹凸结构的复杂自由曲面,其采用传统的匀速喷涂方法易造成涂层厚度差较大。三、研究

14、的内容及方法 ()（一）研究内容随着国内机器制造工业的发展，机械喷涂逐渐有手工喷涂转变为机器喷涂。早期的手工喷涂不仅效率低,涂层不均匀,浪费大量的油漆.而且对于大批量，相同的作业来说，更是浪费大量的人力物力。喷涂机器人的出现极大的解决了由手工喷涂所带来的弊端。但是在实际运用过程中，由于喷漆过程受周围环境条件(如环境温度、大气压强以及相对湿度等因素) 和喷枪本身有关参数(如喷枪的位置和方向、喷射压力和油漆粘度等) 的影响较大,使得获得高质量喷涂效果的目标不容易达到。其中涂膜厚度是涂装工艺中最重要的控制因素，其意义在于：防止因膜厚不适当导致的涂层缺陷。通过调研，我们发现，现场生产中涂层的外观缺陷有

15、超过一半以上是因为漆层膜厚控制不当造成的。一些常见的涂装缺陷如流挂、漆层薄、露底色等直接与膜厚控制失控有关.因此，本文从影响喷涂漆膜厚度的因素（流量、喷漆流量、喷枪口径及输送压力移率、固体含量、走枪速度、喷幅宽度）出发，分析喷漆流量、喷枪口径及输送压力与漆膜厚度的关系，找出涂装机器人喷涂领域中的膜厚控制参数，通过数学模型，对相应的喷漆工艺参数进行优化研究.使得喷涂漆膜厚度在实际运用过程中达到合理的配置。（二）具体研究方法及措施在分析影响喷涂机器人喷涂厚度因素的基础上，通过matlab软件，将影响因素作为权衡因子，然后利用实验，模拟喷涂机器人在各个影响因子下的生产曲线，最后通过方差等，检验模型精

16、度，建立闭环的数学模型。达到优化喷涂机器人喷漆厚度的目的，为实际生产提供依据。（1）通过实验及matlab软件找出喷漆流量与漆膜厚度的关系。漆膜应该具有足够的厚度, 以遮盖底漆或工件表面本身所具有的原始色泽。足够厚度的漆膜也能够提高工件的结构整体性。漆膜过厚则造成浪费,过薄则可能起不到应有的作用（2）通过实验及matlab软件找出喷漆流量与喷枪口径及控制参数的关系喷枪实际上是空气雾化器,它利用压缩空气高速喷出时把漆料撕裂雾化, 所产生的喷炬的截面一般是圆形的, 喷炬在各方面覆盖范围相同。工厂里使用的喷涂用喷枪的喷射角通常在45 °左右,其外部混合式空气喷嘴可以防止涂料进入空气管道,而

17、且效率高, 作业性能好, 能喷涂粘度和快干型涂料,能得到均匀美观的涂层,这一点对于机器人自动化生产是至关重要的。（2）通过实验及matlab软件找出喷漆流量与输送压力的关系。在空气喷涂场合, 涂料雾化的动力是压缩空气,它直接参与喷涂, 如果压缩空气的清洁度差,含油、含水超标, 则直接影响油膜的质量, 会产生针孔、缩孔等涂膜弊病,故应严格控制。空气压力应按各种喷枪的特性选用。空气压力高了,雾化虽细, 可是涂料分散多, 损失大。反之,空气压力过低,喷雾变粗,又成为产生橘皮、针孔缺陷的原因。输送压力和空气压力有着直接的关系, 空气压力经过净化, 增压后进入输送管道, 因此, 输送压力的大小对喷漆的质

18、量影响很大。 四、论文结构本文总共分为五章，系统的对机器人喷涂的漆膜厚度控制进行研究。主要对影响喷涂的漆膜厚度的因素进行分析，并通过matlab软件，将影响因素作为权衡因子，利用实验，模拟喷涂机器人在各个影响因子下的生产曲线，最后通过方差等，检验模型精度，建立闭环的数学模型。达到优化喷涂机器人漆膜厚度的。第一章绪论。论述了本文研究的背景和意义，总结评述了国内外喷涂机器人的现状及发展趋势。分析国内喷涂机器人在实际生产中的不足，引出控制喷涂机器人漆膜厚度的重要性。并为后面分析影响喷涂机器人漆膜厚度打下基础。同时，简要说明本文的研究方法和论文结构。第二章文献综述。对国内外工业机器人的发展进行了概述。

19、机器人的产生实际就是工业化的产物。本章介绍了工业机器人的概念、分类，适应范围和发展等基本问题，为下一步探讨代喷涂机器人提供理论依据。第三章针对喷涂机器人在实际生产中的不足，提出影响喷涂机器人膜漆厚度的相关因素，对于影响因素进行剖析，确立建立膜漆厚度模型所需要的主要影响参数，为下一步实验做准备。第四章 研究结论和讨论。在上一章分析影响喷涂机器人膜漆厚度的基础上，通过matlab软件，对实验数据进行计算，建立闭环数学模型，找寻影响膜漆厚度与相关因素之间的关系，并通过最后通过方差算法进行模型精度检验，将符合要求的曲线或数据存入数据库，以便后期指导生产。第五章 总结及建议。对全文进行一个总结，并提出喷

20、涂机器人在喷涂膜漆厚度上的建议。五、进展计划结合实习计划，拟于X月X日前完成选题，初步完成资料收集、整理和撰写文献综述等工作。X月份撰写完成开题报告。X月前完成撰写论文初稿并提交导师审阅。争取X月前论文定稿，能够参加X年X月份的论文答辩。六、参考文献1王叛，赵德安，王振滨等.喷漆机器人喷枪最优轨迹规划的研究J.江苏理工大学学报:自然科学版，2001，22(5)2蔡自兴机器人学的发展趋势和发展战略J机器人技术及应用，200l(4)3唐新华喷涂机器人的现状及发展趋势(一)J电焊机，2006，36(03)4柳洪宋，伟刚机器人技术基础M冶金工业出版社，20025王振滨，赵德安，李医民等.喷漆机器人离线

21、编程系统探讨J.江苏理工大学学报:自然科学版，2000，216刁训娣，赵德安等.喷漆机器人喷枪轨迹设计及影响因素研究J.机械科学与技术，2004(4)7 冯川，孙增沂.机器人喷涂过程中的喷炬建模及仿真研究J1.机器人，2003，25(4)8 张永贵，黄玉美，高峰等.喷漆机器人空气喷枪的新模型J.机械工程学报，2006，42(11)9 张文修，梁怡.遗传算法的数学基础M.西安交通大学出版社，200010 刁训娣，赵德安，李医民等.喷漆机器人喷枪轨迹离线优化方法J1.农机化研究，2004(l)11陈国良，王熙法，庄镇全.遗传算法及其应用M.人民邮电出版社，200112王小平，曹立明.遗传算法与工程

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