1、106 2014年4月上 第7期 总第187期工艺设计改造及检测检修 China Science (2)柔性大 ,适用范围广 ;(3)易于操作和维护 ,可离线编程 ,大大缩短了现场调试时间 ;(4)设备的利用效率高 。在国外 ,机器人喷涂已经成为一项比较成熟的技术 ,有着三十多年的研究和发展历史 。 目前 ,国外尤以喷枪的建模分析和轨迹优化的研究居多 。 1986年 ,Klein首次探讨了喷涂机器人的离线编程技术 ,建立了喷涂离线编程系统 ,并能进行交互式设计和喷枪仿真与机器人的运动轨迹分析 5。 1999年 ,Balkan等人用实验方法建立了涂料的分布方程 ,在此基础上探讨了喷枪模型在平面上
2、的轨迹优化方法 ,并完成了实验研究 6。 Hansbo等人针对旋转物体热喷涂机器人喷涂时的涂料累积模型进行了机器人运动轨迹优化分析 ,并进行了实验验证 7。 Vejko等人以降低涂料浪费和电机负载为目标 ,在保证喷涂质量的前提下对相关的参数进行了优化 8。 2001年 ,Arikan等人开发了一种喷涂机器人离线编程系统 ,实现了在线控制涂层厚度 9。2005年 ,Sheng等人提出了复杂自由曲面上喷涂机器人喷枪路径规划方法 ,通过建立优化目标函数来优化喷涂机器人喷枪路径模式及行走方向 10。 Chen等人首次提出复杂曲面喷枪轨迹组合优化时的涂层干涉问题 ,并通过仿真数据讨论了解决方案 11。
3、Duncan等人在空间频域的方法上给出了喷涂时路径间距的优化方法 12。 2009年 ,Chen等人将基于曲面 CAD模型的喷涂机器人轨迹规划方法与Atkar的方法进行比较 ,讨论了两种方法的优缺点 13。 2010年 ,Gyorfi等人考虑到喷枪路径规划时的约束问题 ,用遗传算法和图搜索方法实现了方案优化 14。国内的喷涂机器人近年来也有了长足的发展 。 1991年 ,北京机械工业自动化研究所完成了我国第一条自动喷涂生产线 ,还开发了PJ系列电液伺服喷涂和 EP系列的电动喷涂机器人 。 国内的哈尔滨工业大学 、 上海交通大学 、 天津大学 ,南京理工大学等高校都开发出了喷涂机器人 ,但尚未形
4、成批量生产的能力 15。国内的喷涂机器人研究成果主要集中在两个方面 :(1)喷涂机器人的构型 、 运动学和动力学分析 。 (2)喷涂机器人的轨迹规划和运动仿真等问题 。 彭商贤等人对喷涂机器人的手臂静动特性进行了研究 16。王战中等人对非球形手腕 6R串联喷涂机器人采用矩阵方程和方向余弦进行了逆运动学分析 17。 杜亮等人对喷涂机器人的各关节和喷枪之间的关系进行了计算 ,并对机器人的结构进行了分析 18。 赵德安等人根据复杂曲面分片交界处喷枪空间路径相对于交 界线的三种位置关系 ,探讨了涂层厚度计算方法和喷枪轨迹优化问题 19。 范柯灵等人采用摄动法分析了机器人的位姿误差 20。 曾勇等人提出
5、了最小二乘圆弧逼近思想 ,在保证喷涂精度的同时有效减少了复杂曲面的分片数 21。陈伟华等人利用抛物线逼近法也对喷枪轨迹优化问题进行了研究 22。蔡蒂等人使用蒙特卡洛法对机器人的工作空间进行了分析和仿真 23。国内的其他学者还对涂层的厚度 、 均匀性等进行了研究 24。2 未来喷涂机器人发展的趋势和市场需求分析随着航天技术的发展 ,喷涂的数字化已经成为现代喷涂技术的发展趋势 。 喷涂的数字化就是综合利用三维 CAD技术 、 可视化技术 、离线编程技术等先进的数字化技术来提高喷涂的自动化程度 、 喷涂质量 、 喷涂效率 、 改善喷涂的工作条件 25。 基于制造业面临的挑战 ,喷涂机器人未来的研究重
6、点主要包括 :(1)机构创新理论 。 不断由串联机构向并联和复合式机构等新机构构型延伸 ,增强机器人的运动灵活性 、 模块化和重构特性 ,适应制造业的小批量多品种 ;(2)先进控制理论 。 喷涂机器人越来越多地被用于复杂曲面喷涂 ,要实现高效 、 高质量喷涂 ,需要先进的控制理论做支撑 。 此外 ,国际上的机器人已经进入以智能化为标志的第 3代 ,更需要先进的控制理论 。(3)新型传感器技术 。 目前喷涂机器人已经使用了多种传感器 ,但是要实现多传感器的信息融合还比较困难 。(4)网络化 。 未来工厂的发展趋势是无人化 ,要实现对喷涂机器人的监控 、 远程诊断和机器人之间的工作协调 ,就需要实
7、现喷涂机器人的网络化 。随着我国制造业的持续发展和结构转型 ,以及喷涂机器人功能的日益增强和价格的不断下降 ,未来将会有更多的喷涂机器人应用到制造业中 。未来喷涂机器人的一个应用热点是航空航天领域 26,目前公开发表的文献中 ,仅美国将喷涂机器人在飞机上进行了应用 27。 数据表明 ,机器人不但喷涂效率高 ,而且喷涂质量稳定可靠 ,尤其能满足隐形飞机对喷涂的高指标要求 。 美国 Berry等研制的 SAFARI系统采用示教方式对 F-15进行冲洗和喷涂 ,仅用 10个小时就可以完成所有作者简介:王丰超(1969-),男,博士,副研究员,中国商飞上海飞机制造有限公司航研所副所长,主持、参与17项
8、国家、省部级等科技攻关课题,发表SCI、CSSCI期刊等论文20余篇,曾荣获“明治生命科学奖优秀奖”(2007)等。智能化喷涂机器人的研究现状及进展王丰超1 王立平2 梁新成2 赵景山2 仇云杰3(1.上海飞机制造有限公司,上海 200436;2.清华大学机械工程系,北京 100081;3.江苏长虹智能装备集团有限公司,江苏盐城 224051)【摘 要】喷涂机器人作为一个复杂的集成系统,需要计算机科学、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科支撑,是一个国家工业自动化水平的重要标志。回顾机器人的发展历史,解决应用中出现的难题,争取早日实现航空制造领域喷涂机器人的产业化。【关键词
9、】喷涂机器人 结构设计 控制 优化【Abstract】Spraying robot as a complicated and integrated system requires the support of advanced multidisciplinary knowledge including computerscience, cybernetics, mechanisms, information and sensing technology, artificial intelligent and bionics. Hence, spraying robot is thought o
10、f as an importantsymbol of automation level of a nations industry. Reviewing the history of spraying robot and discussing the problems in applications is imperative to its earlyindustrialization in aircraft manufacturing field in China.【Key words】Spraying robot structural design control optimization
11、1072014年4月上 第7期 总第187期工艺设计改造及检测检修China Science (2)确保国内机器人产业化的有序竞争 。 大量企业的机器人项目蜂拥而至 ,造成了市场的恶性竞争 ,也浪费了研发经费和研发时间 ;(3)制定国内机器人产业化的中长期发展战略 。 国家应该出台相应政策 ,鼓励企业和高校建立产学研用联盟 ,结合国情探索机器人应用的新领域和新模式 。4 结语高质 、 高效和智能化是喷涂作业的发展趋势 ,也是数字化制造技术的发展要求 。 智能化主要是指由现代通信与信息技术 、 计算机网络技术 、 行业技术 、 智能控制技术汇集而成的针对这一个方面的应用 。 我国的喷涂机器人技术
12、和水平虽然有了很大的发展 ,但是与国外的差距较大 ,尚未实现产业化 。 未来喷涂机器人需要在借鉴国外技术的基础上 ,不断提高机器人的应用水平和制造业的升级转型 。 可以采取的措施主要有 :(1)在机器人设计方面 ,需要依赖企业和高校的联合攻关实现具有我国自主知识产权的机器人机构的结构创新 。(2)在机器人制造方面 ,要以关节机构 、 减速机以及伺服电机等关键元件制造和实用化为突破口 ,掌握核心的机器人技术 ;(3)国家和地方政府需要出台相关政策 ,鼓励和支持企业 、 高校和科研院所结成机器人产业联盟 。 规范现有的机器人研发秩序 ,支持龙头企业发展壮大 ,提高资金的利用效率 。参考文献1李发忠
13、.静电喷涂机器人变量喷涂轨迹优化关键技术研究D.江苏大学,2012.2杨扬.基于特种工件的大工作空间喷涂机器人设计与分析D.北京交通大学,2012.3王朝晖,陈恳,吴聊,等.面向飞机表面喷涂的多层次控制程序结构J.航空学报,2013,34(4):928-935.4石银文.快速发展的机器人自动喷涂技术J.机器人技术与应用.2007(5):11-13.5Alexandr Klein.CAD-based off-line programming of paintingrobotsJ.Robotica,1987,5(4):267-271.6Tuna Balkan,M.A.Sahir Arikan.Mo
14、deling of paint flow rateflux for circular paint sprays by using experimental paintthickness distributionJ.Mechanics Research Communications,1999,26(5):609-617.7Anita Hansbo,Per Nylen.Models for the simulation of spraydeposition and robot motion optimization in thermal sprayingof rotating objectsJ.S
15、urface and Coating Technology,1999,122(2-3):191-201.8Veljko Potkonjak,Goran S.Dordevic,Dragan Kostic,et al.Dynamicsof anthropomorphic painting robot:quality analysis and costreductionJ.Robotics and Autonomous Systems,2000,32(1):17-38.9 M.A.Sahir Arikan,Tuna Balkan.Process simulation and paintthickne
16、ss measurement for robotic spray paintingJ.CIRP An-nals-Manufacturing Technology,2001,50(1):291-294.10 Weihua Sheng,Heping Chen,Ning Xi,et al.Tool path planningfor compound surfaces in spray forming processesJ.IEEE Trans-actions Automation Science and Engineering,2005,2(3):240-249.11Heping Chen,Ning
17、 Xi,Weihua Sheng,et al.Optimizing mate-rial distribution for tool trajectory generation in surfacemanufacturingC.Proceedigns of IEEE/ASME International Con-ference on Advanced Intelligent Mechatronics,California,July24-28,2005,pp.1389-1394.12Stephen Duncan,Paul Jones,Peter Wellstead.A frequency-do-m
18、ain approach to determining the path separation for spraycoatingJ.IEEE Transactions on Automation Science andEngineering,2005,2(3):233-239.13 Heping Chen,Thomas Fuhlbrigge,Xiongzi Li.A review of CAD-based robot path planning for spray paintingJ.Industrial Robot,2009,36(1):45-50.14 Julius S.Gyorfi,Da
19、niel R.Gamota,Swee Mean Mok,et al.Evo-lutionary path planning with subpath constraintsJ.IEEE Trans-actions on Electronics Packaging Manufacturing,2010,33(2):143-151.图1 美国采用移动式工业机器人进行飞机喷涂30下转第 109页1092014年4月上 第7期 总第187期工艺设计改造及检测检修China Science 用溶剂型涂饰剂进行涂饰的皮革会带有一些溶剂的气味等 ;在皮革 、 毛皮制品中还会存在胶粘剂的气味 ,甚至有甲醛 、
20、 苯的气味 。 显然 ,一些有毒有害气体对人体的健康是不利的 。 在 QB/T2725 2005 皮革气味的测定 标准中 ,将气味的等级分为五级 :l级 :没有引人注意的气味 ;2级 :稍有气味 ,但不引人注意 ;3级 :明显气味 ,但不令人讨厌 ;4级 :强烈的 ,讨厌的气味 ;5级 :非常强烈的讨厌气味 。皮革及其制品因有其特殊性 ,或多或少都会带有一些气味 ,但在汽车坐垫革 、 沙发革等皮革中 ,皮革的气味会比较明显 ,应该加以控制 。参考文献1陈高明.采用先进技术加快产业改造世界制革技术发展状况评析.中国皮革vol.30 No.1 Jan.2001.2马兴元,国峰.皮革异步染色法J.皮
21、革科学与工程,2000,10(1):31-33.3高洪德.皮革的印花方法J.染料与染色,1987(6):57.上接第 107页上接第 105页智能化喷涂机器人的研究现状及进展作者： 王丰超， 王立平， 梁新成， 赵景山， 仇云杰作者单位： 王丰超(上海飞机制造有限公司,上海,200436)， 王立平,梁新成,赵景山(清华大学机械工程系,北京,100081)， 仇云杰(江苏长虹智能装备集团有限公司,江苏盐城,224051)刊名： 中国科技纵横英文刊名： China Science 陈恳;吴聊 面向飞机表面喷涂的多层次控制程序结构期刊论文-H航空学报 2013(04)4.石银文 快速发展的机器人自
22、动喷涂技术期刊论文-H机器人技术与应用 2007(05)5.Alexandr Klein CAD-based off-line programming of painting robots 1987(04)6.Tuna Balkan;M.A.Sahir Arikan Modeling of paint flow rate flux for circular paint sprays by using experimental paintthickness distribution 1999(05)7.Anita Hansbo;Per Nylen Models for the simulatio
23、n of spray deposition and robot motion optimization in thermalspraying of rotating objects 1999(2-3)8.Veljko Potkonjak;Goran S.Dordevic;Dragan Kostic Dynamics of anthropomorphic painting robot:quality analysis and costreduction 2000(01)9.M.A.Sahir Arikan;Tuna Balkan Process simulation and paint thic
24、kness measurement for robotic spray painting 2001(01)10.Weihua Sheng;Heping Chen;Ning Xi Tool path planning for compound surfaces in spray forming processes 2005(03)11.Heping Chen;Ning Xi;Weihua Sheng Optimizing mate-rial distribution for tool trajectory generation in surfacemanufacturing 200512.Ste
25、phen Duncan;Paul Jones;Peter Wellstead A frequency-do-main approach to determining the path separation for spraycoating 2005(03)13.Heping Chen;Thomas Fuhlbrigge;Xiongzi Li A review of CAD-based robot path planning for spray painting 2009(01)14.Julius S.Gyorfi;Daniel R.Gamota;Swee Mean Mok Evo-lution
26、ary path planning with subpath constraints 2010(02)15.张春生 喷漆机器人应用及发展策略 1994(06)16.彭商贤;唐蓉城;管桦 喷涂机器人手臂静动特性研究 1990(06)17.王战中;张大卫;安艳松 非球形手腕6R串联型喷涂机器人逆运动学分桥 2007(06)18.杜亮;张铁 四自由度喷涂机器人的运动学分析期刊论文-H机电产品开发与创新 2007(01)19.赵德安;陈伟;汤养 面向复杂曲面的喷涂机器人喷枪轨迹优化期刊论文-H江苏大学学报（自然科学版） 2007(05)20.范柯灵;张铁;蔡蒂 六自由度喷涂机器人位姿误差分析期刊论文-
27、H机电产品开发与创新 2008(01)21.曾勇;龚俊;陆保印 面向直纹曲面的喷涂机器人喷枪轨迹优化期刊论文-H中国机械工程 2010(17)22.陈伟华;张铁;周伟 喷漆机器人轨迹规划的研究 2009(03)23.蔡蒂;谢存禧;张铁 基于蒙特卡洛法的喷涂机器人工作空间分析及仿真期刊论文-H机械设计与制造 2009(03)24.陈雁;颜华;王力强 机器人匀速喷涂涂层均匀性分析期刊论文-H清华大学学报（自然科学版） 2010(08)25.Alfred A.Schmitt;Jan S.Bender;Hartmut Prautzsch Impulse-based dynamic simulation of higher order and numericalresults 200526.赵宏剑;王刚;张波 飞机尾翼自动喷涂系统 2013(01)27.刘亚威 未来飞机制造的几个热点主题 2013(17)28.缪东晶;吴聊;徐静 飞机表面自动喷涂机器人系统与喷涂作业规划 2013(06)29.石闻 F-22战斗机的机器人表面喷涂 1997(08)30.冯华山;秦现生;王润孝 航空航天制造领域工业机器人发展趋势期刊论文-H航空制造技术 2013(19)31.查看详情引用本文格式：王丰超.王立平.梁新成.赵景山.仇云杰 智能化喷涂机器人的研究现状及进展期刊论文-中国科技纵横 2014(7)
