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高铁车体表面腻子自动化喷涂系统与喷涂作业规划

发布时间:2021-03-18 13:21 作者:金宝搏

  慧聪表面处理网讯:随着我国高铁技术的飞速发展,动车组列车运营数量越来越大,加之“一带一路”战略的推进,国内外各大中城市对地铁的需求也迅速增加,同时对高铁等轨道客车制造业的先进制造技术提出了更高的要求,要求产品质量更加稳定,制造过程更加绿色环保等。中车股份有限公司生产的轨道客车的腻子喷涂仍主要采用人工喷涂的方式。因为手工喷涂依赖于工人的经验及状态,对涂层厚度和均匀度难以保证;而且涂料往往包含大量有机溶剂及有毒性的低分子助剂,对喷涂工人的身体健康有危害。

  腻子自动喷涂技术在国内外轨道车辆领域尚无应用实例,对于满足轨道车辆车体的腻子自动喷涂工艺技术正处于开发和摸索阶段。根据轨道车辆的车体尺寸、平整度、施工范围,制订腻子自动喷涂工艺,确定了一种符合轨道车辆车体用的自动喷涂腻子系统。以往的喷涂项目都是将各种涂料均匀喷涂于工件表面即可,此次项目和其他有关喷涂项目不同之处(也是先进之处)在于,解决了车体凹凸不平造成腻子厚度不一致的施工难度问题。

  高铁车体属于大型表面,但六自由度机械手本身的工作范围有限,无法在一个固定的位置完成高铁车体整个车体外表面的完整喷涂。为了使本系统的喷涂范围能够覆盖到整个高铁车体,采用两侧系统对称结构,单侧系统主要包含1台ABB喷涂机器人IRB-5400,1套三维重建数据采集系统,1套移动升降平台等。

  喷涂作业前,使移动升降平台接入ABB自带操作软件Robot Studio,使之作为机器人的外部轴,实现“6+2”轴联动,然后机器人开始喷涂作业。

  本控制系统实行分层控制策略,包括工业计算机(IPC)、机器人控制器、PLC及其外围设备等,图3为控制系统结构示意。监控系统作为控制过程级,为中央控制室,由组态构成,负责所有设备的调控;主控PLC作为控制管理级;生产管理级包括测量行走机构、用电安全、数据采集、机器人运动控制、喷涂控制等,分别控制对应的机电设备。

  本系统作业流程复杂,合理安排喷涂作业流程可有效提高自动化程度及作业效率。

  1)高铁车体进入腻子喷涂车间,到达限位区;2)三维测量系统启动,进行激光扫描;3)测量系统将三维重建数据传给轨迹规划系统,测量系统进入防护区;4)机器人开始喷涂作业;5)喷涂完成且整车晾干后,进行平整度检测。

  在高铁车体进入实际车间后,需要对车体位置进行标定,给出一个机械原点,同时也是世界坐标及测量系统的原点。激光测量系统检测到原点后,启动进行校准、测量作业,然后喷涂机器人进行校准、喷涂。激光基准和机械原点分别设置在工作车间两端,车体需进入到两基准之间,才可进行后续作业。

  三维物体表面轮廓测量是获取物体形态特征的一种重要手段,光学非接触测量由于其高分辨率、无破坏、数据获取速度快等优点而被认为是最有前途的三维形貌测量方法。本文采用此种三维测量方式,选用线阵相机进行测量,线结构光扫描来获取工件的点云信息,其扫描原理如下:线结构光扫描采用的测量原理是激光三角测距原理,假设被测工件上表面平行于水平面,激光束垂直向下照射,经待测物反射后,并与被测空间物体相交形成激光投射曲线。由于受到物体高度变化的影响,通过CCD(Charge Coupled Device)从与投射方向不同的另一方向观察到的该投射曲线的形状与位置包含了被测物体表面的高度信息,利用该信息就可实现高度测量。

  三维重建主要包括仿真数据生成、点云数据读取及格式转换、点云数据误差分析、点云数据区域划分等步骤。对特征缺陷进行识别分类,为后续轨迹规划做基础。

  经由三维形貌测量系统对采集到的数据进行信息处理,并将其存入IPC中,而后在IPC内进行喷涂建模和轨迹规划,生成针对机器人控制器的工作指令。喷涂过程建模是喷涂机器人离线轨迹规划系统重要的组成部分,喷涂模型的好坏直接影响着仿真结果的好坏与准确性。喷涂过程建模是通过剖析涂料流量、雾化气压、喷距张角、喷涂距离等喷涂参数对喷涂过程的影响,建立涂层沉积速率数学模型;结合现场喷涂试验,进行模型参数的辨识,以及自身的检测和修改。

  选用美国GRACO/固瑞克AL高压无气288048型自动喷枪,小巧轻盈的圆形喷枪设计,能够应对极高的生产速度,耐用的不锈钢结构可应付最难处理的涂料,零部件较少,总体维修费用降低,宽量程的齿顶线适用于各种应用。

  扁平扇形喷嘴的特点是能产生高冲击力的液柱流或扇形喷雾。这种喷嘴产生的喷雾分布均匀。液滴大小为小到中等。当需要若干个喷嘴产生重叠喷雾时,具有特色的逐渐变细的喷雾便使喷雾覆盖区分布均匀。当喷嘴垂直于表面喷射时,平面上的涂痕为椭圆。扁平扇形喷嘴的内表面通常为半椭球面或半球面,半球面可看作是半椭球面的特例。

  扁平扇形喷嘴喷出的液体短轴呈现为一个狭窄的带状;长轴表现为一个扇形,喷射出的扇形角度通常称作喷射角φ。

  空气喷涂时,不同的喷嘴喷出的液滴的体积非常小,试验和理论数据都表明,喷枪喷嘴产生的雾化的腻子液滴平均直径都小于100μm。对于这样微小而密集的液滴可以认为是连续分布的,这样有助于最大程度地简化整个沉积喷涂模型的建立。影响腻子空间分布的因素有:喷枪类型、喷嘴类型等喷枪参数,空气压力、空气温度、腻子黏度等外界因素,假设这些因素都是保持不变的。

  本文选择变参数高斯分布生长速率模型作为涂层的沉积速率数学模型;高斯模型的数学表达式较为复杂,是理想状态下的概率分布,亦能够最大程度地还原实际喷涂效果。对于二维高斯随机向量(X,Y)~N(0,0,1,1,ρ),(X,Y)的概率密度为:

  其中,σ为各种参数(停留时间、腻子黏度、腻子密度、喷涂压力、喷枪距离、喷枪速度等)的合集,待现场试验验证。

  

  高斯函数数学模型的建立是人们经验积累的结果,在实用性上更接近于真实,但其收敛性较差。

  此项目和其他有关喷涂项目不同之处亦是先进之处在于,其解决了车体凹凸不平造成腻子厚度不一致的施工难度问题。由此问题提出了采用增材制造(3D打印基本原理)的思想进行路径规划建模,采用三维切片技术辅助路径规划。3D打印技术是快速成型技术的一种,也叫做增材制造。基本原理是把一个通过设计或扫描等方式做好的3D模型按照某一坐标轴切成无限多个剖面(即点云切片技术),而后一层一层打印出来并按给定位置堆积到一起,构成实体的立体模型。点云切片的基本原理是通过一组间距为δ的平面与点云模型进行求交计算,实质是平面和点云的求交运算,然后进行线性插值近似生成切片数据,即可得到切片界截面。

  在模拟喷涂时,假定喷枪始终垂直指向待喷涂工件表面,其中,涂层重叠最大宽度是轨迹规划的重要参数。

  缺陷处喷涂轨迹的生成可按下步骤进行:1)将所有切平面上的截面数据按顺序排列;2)系统识别平面,设定需要喷涂的区域轮廓、轨迹起点和方向,从最底层开始轨迹规划,获得第一层的轨迹;3)喷枪上移一个切片厚度δ;4)对新的切片层重新识别缺陷轮廓数据,得到第二层轨迹数据;5)同理,循环上述步骤,对下一层数据进行轨迹规划,得到喷涂所在层的喷涂轨迹,直至所有层遍历完全,得到全部喷涂轨迹,轨迹规划完成。

  本文针对高铁车体两侧表面的自动化喷涂,提出了一种双侧系统对称作业的自动化腻子喷涂系统,详细分析了喷涂作业流程,对车体位置标定、车体表面三维形貌测量及重建、喷枪轨迹规划等技术进行了研究,验证了系统的自动化程度及可行性。

  目前涂层厚度是通过理论分布试验来实现的,自动轨迹规划还不能满足所有复杂情况的要求,且系统中还存在部分喷涂工艺参数无法确定等问题。在将来的研究中,如何结合实际喷涂效果、喷涂工艺参数进行轨迹规划,通过优化参数及轨迹路线、优化轨迹规划算法等手段进一步提高喷涂效率和涂层均匀度等将是未来研究的重点。

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