沈陽新松機器人自動化股份有限公司 皮景峰 劉 洋

在民用飛機中，為了檢測對零件強度影響較大的表面開口缺陷，無損檢測方法——涂熒光滲透檢測被廣泛應用。對于小尺寸、批量零件可采用常見的侵入法檢測或人工靜電噴涂熒光滲透檢測，而對于大型零件如飛機蒙皮、發(fā)動機風扇框架、壓力機機匣、渦輪寬肩等大尺寸、復雜型面的零件更適合采用機器人靜電噴涂熒光滲透檢測。

沈陽新松機器人自動化股份有限公司為了滿足飛機鋁及鋁合金蒙皮等大型復雜形狀零件檢測的要求，采用雙直角坐標機器人和SAMES自動靜電噴涂設備，設計制造了機器人熒光滲透靜電噴涂檢測生產線，此項目的實施會對未來的生產帶來深遠的影響。

熒光滲透靜電噴涂檢測簡介

1 熒光滲透檢測

滲透檢測是基于液體的毛細作用（或毛細現(xiàn)象）和固體染料在一定條件下的發(fā)光現(xiàn)象。

滲透檢測的工作原理是：工件表面被施涂含有熒光染料或者著色染料的滲透劑后，在毛細作用下，經(jīng)過一定時間，滲透劑可以滲入表面開口缺陷中；去除工作表面多余的滲透劑，經(jīng)過干燥后，再在工件表面施涂吸附介質——顯像劑；同樣在毛細作用下，顯像劑將吸引缺陷中的滲透劑，即滲透劑回滲到顯像中；在一定的光源下（黑光或白光），缺陷處的滲透劑痕跡被顯示（黃綠色熒光或鮮艷紅色），從而探測出缺陷的形貌及分布狀態(tài)。

根據(jù)飛機蒙皮熒光滲透靜電噴涂檢測要求選擇水洗型熒光滲透檢測（干粉顯像），查表1代號為：I A- a，可顯示的裂紋區(qū)位數(shù)為3，查表2靈敏度等級為3級。

2 靜電噴涂

靜電噴涂是利用高壓靜電電場使帶負電的涂料微粒沿著電場相反方向定向運動，并將涂料微粒吸附在工件表面的一種噴涂方法。靜電噴涂設備由噴槍、噴杯以及靜電噴涂高壓電源等組成。

表1 滲透檢測方法分類

表2 靈敏度等級

如圖1所示，工作時靜電噴涂的噴槍（或噴盤、噴杯），涂料微粒部分接負極，工件接正極并接地，在高壓電源的高電壓作用下，噴槍（或噴盤、噴杯）的端部與工件之間就形成一個靜電場。涂料微粒所受到的電場力與靜電場的電壓和涂料微粒的帶電量成正比，而與噴槍和工件間的距離成反比，當電壓足夠高時，噴槍端部附近區(qū)域形成空氣電離區(qū)，空氣激烈地離子化和發(fā)熱，使噴槍端部銳邊或極針周圍形成一個暗紅色的暈圈，在黑暗中能明顯看見，這時空氣產生強烈的電暈放電。

圖1 靜電噴涂原理

涂料經(jīng)噴嘴霧化后噴出，被霧化的涂料微粒通過槍口的極針（或噴盤、噴杯）的邊緣時因接觸而帶電，當經(jīng)過電暈放電所產生的氣體電離區(qū)時，將再一次增加其表面電荷密度。這些帶負電荷的涂料微粒的靜電場作用下，向導極性的工件表面運動，并被沉積在工件表面上形成均勻的涂膜。

熒光滲透靜電噴涂生產線組成

1 設備概述

如圖2所示，熒光滲透靜電噴涂生產線分為兩個車間，即熒光滲透噴涂車間和檢驗車間，兩個車間通過廠房自動門進行物理分隔。在熒光滲透噴涂車間內配置一套電控系統(tǒng)、一個操作臺、兩臺防爆直角坐標機器人、兩套靜電噴涂系統(tǒng)、兩套噴淋裝置、兩套干燥裝置。為了保持熒光滲透噴涂車間的潔凈配有排送風過濾系統(tǒng)和地面導流裝置。

熒光滲透靜電噴涂生產線分為自動工作和手動工作兩個工作模式，自動模式功能包括自動靜電噴涂滲透液、自動噴淋清洗、自動熱風干燥、自動噴涂顯像粉；手動模式功能包括設備調試和工件位置設定與校驗。

工件在熒光滲透噴涂車間靜電噴涂完成后，通過天鏈運輸?shù)綑z驗車間，在檢驗車間進行工件缺陷檢測。

2 防爆直角坐標機器人組成及功能

防爆直角坐標機器人能夠在爆炸性環(huán)境下實現(xiàn)自動控制、可重復編程、末端操作器的位置在3個自由度內可編程的工業(yè)自動化設備。這里自由度就是指可運動或轉動的軸。直角坐標機器人是以直線運動軸為主，各個運動軸通常對應直角坐標系中的X軸、Y軸和Z軸。

如圖3所示，防爆直角坐標機器人由機械系統(tǒng)、電控系統(tǒng)和驅動系統(tǒng)、操作工具等組成。

根據(jù)飛機蒙皮熒光滲透靜電噴涂檢測要求, 需要對大型復雜型面飛機蒙皮等板類零件雙面同時工作，機器人分別配備熒光滲透液靜電噴槍、熱水噴頭、熱風噴嘴和干粉顯像劑靜電噴槍，重量大約10kg，并且工作環(huán)境為爆炸性環(huán)境，因此直角坐標機器人需要防爆并成對使用，完成自動靜電噴涂滲透液、自動噴淋清洗工件表面、自動熱風干燥工件表面、自動噴涂顯像粉等工藝過程。

圖2 設備布置圖

圖3 防爆直角坐標機器人

3 防爆直角坐標機器人防爆處理

（1）零部件防爆。全部電氣器件滿足防爆環(huán)境使用要求，其中總電控柜采用機械隔離方式，接近開關和磁性開關采用本質安全型，電磁閥采用隔爆型，器件均帶有防爆環(huán)境使用認證，保證器件出現(xiàn)故障時不會對所處的外在環(huán)境造成危害。整個電氣系統(tǒng)按照《爆炸性環(huán)境》的要求設計執(zhí)行，滿足防爆環(huán)境的使用標準。

（2）防靜電。線體全部采用防靜電材質及金屬材質制造，能夠不產生靜電或者能夠將工作過程中產生的少量靜電瞬間導出，保證危險品附近電荷向大地釋放，從而使電荷立即消失。設備配套安裝靜電接地報警器實時檢測靜電電流，基本原理是通過金屬導體使整個設備與大地接觸，靜電接地報警器采用性能可靠的集成電路，防靜電及報警性能穩(wěn)定可靠，從設備末端到接地樁整個接地回路電阻自動監(jiān)測，阻值超過預定值或當夾體有一方接觸不良時，立即做出報警反應，報警電流為25mA，從設備末端到接地樁整個接地回路電阻自動檢測阻值60歐姆。接地裝置宜采用鋼材，角鋼及鋼管接地體應垂直配置，接地體頂面埋設深度應不宜小于0.6m，除接地體外，接地體引出線的垂直部分和接地裝置焊接部位應作防腐處理，接地線最小截面積為6mm2的絕緣導線，垂直接地體的間距不宜小于5m。

（3）防漏電。對電控柜內主要回路進行漏電監(jiān)控，為各回路斷路器配套漏電檢測附件，基本工作原理是使用一個電子式繼電器，將泄漏電流的電信號與預設值30mA相比較，看是否達到跳閘限值，一旦泄露電流超限，跳閘機構動作，回路呈斷開狀態(tài)。任意支路發(fā)生跳閘，總回路斷路器同時跳閘，整個系統(tǒng)斷電，避免發(fā)生漏電事故以及可能由此引發(fā)的人身傷亡和火災事故。

機器人系統(tǒng)編程及應用

1 離線編程的優(yōu)點

機器人是一個可編程的機械裝置，其功能的靈活性和智能性很大程度上決定于機器人的編程能力。機器入編程方式可分為示教再現(xiàn)編程和離線編程。

目前，在國內外生產中應用的機器人系統(tǒng)大多為示教再現(xiàn)型。示教再現(xiàn)型機器人在實際生產應用中存在的主要技術問題有：機器人的在線示教編程過程繁瑣、效率低；示教的精度完全靠示教者的經(jīng)驗目測決定，對于復雜路徑難以取得令人滿意的示教結果；對于一些需要根據(jù)外部信息進行實時決策的應用無能為力。而離線編程系統(tǒng)可以簡化機器人編程進程，提高編程效率，是實現(xiàn)系統(tǒng)集成的必要的軟件支撐系統(tǒng)。與示教編程相比，離線編程系統(tǒng)具有如下優(yōu)點：減少機器人停機的時間，當對下一個任務進行編程時，機器人可仍在生產線上工作；使編程者遠離危險的工作環(huán)境，改善編程環(huán)境；離線編程系統(tǒng)使用范圍廣，可以對各種機器人進行編程，并能方便地實現(xiàn)優(yōu)化編程；便于和CAD／CAM系統(tǒng)結合，做CAD/CAM/ROBOTICS一體化；可使用高級計算機編程語言對復雜任務進行編程；便于修改機器人程序[1]。

2 離線編程的過程

離線編程系統(tǒng)是利用計算機圖形學的成果，建立起機器人及其工作環(huán)境的幾何模型，再利用一些規(guī)劃算法，通過對圖形的控制和操作，在離線的情況下進行軌跡規(guī)劃。通過對編程結果進行三維圖形動畫仿真[2]，以檢驗編程的正確性，最后將生成的代碼傳到機器人控制柜，以控制機器人運動，完成給定任務。

機器人離線編程系統(tǒng)不但要在計算機上建立起機器人系統(tǒng)的物理模型，而且要對其進行編程和動畫仿真，以及對編程結果后置處理，如圖4所示。

（1）CAD建模。CAD建模需要完成以下任務：零件建模；設備建模；系統(tǒng)設計和布置；幾何模型圖形處理。因為利用現(xiàn)有的CAD數(shù)據(jù)及機器人理論結構參數(shù)所構建的機器人模型與實際模型之間存在著誤差，所以必須對機器人進行標定，對其誤差進行測量、分析及不斷校正所建模型。

（2）圖形仿真。離線編程系統(tǒng)的一個重要作用是離線調試程序，而離線調試最直觀有效的方法是在不接觸實際機器人及其工作環(huán)境的情況下，利用圖形仿真技術模擬機器人的作業(yè)過程，提供一個與機器人進行交互作用的虛擬環(huán)境。計算機圖形仿真是機器人離線編程系統(tǒng)的重要組成部分，它將機器人仿真的結果以圖形的形式顯示出來，直觀地顯示出機器人的運動狀況，從而可以得到從數(shù)據(jù)曲線或數(shù)據(jù)本身難以分析出來的許多重要信息，離線編程的效果正是通過這個模塊來驗證的。

（3）編程。編程模塊一般包括：機器人及設備的作業(yè)任務描述(包括路徑點的設定)、建立變換方程、求解未知矩陣及編制任務程序等。在進行圖形仿真以后，根據(jù)動態(tài)仿真的結果，對程序做適當?shù)男拚赃_到滿意效果，最后在線控制機器人運動以完成作業(yè)。

（4）后置處理。后置處理的主要任務是把離線編程的源程序編譯為機器人控制系統(tǒng)能夠識別的目標程序，即當作業(yè)程序的仿真結果完全達到作業(yè)的要求后，將該作業(yè)程序轉換成目標機器人的控制程序和數(shù)據(jù)，并通過通信接口下裝到目標機器人控制柜，驅動機器人去完成指定任務[3]。

圖4 雙機器人軌跡

3 雙機器人協(xié)調運動

在工業(yè)自動化和柔性生產中，存在這樣一些情況，比如，在處理諸如裝配復雜工件、搬運大型物體、噴涂等任務中,單機器人所表現(xiàn)出來的能力略顯不足,因而雙機器人乃至多機器人系統(tǒng)正逐漸被應用到各個領域中。這種變化不但能提高機器人自身的利用率,增加產量,而且能最大限度發(fā)揮機器人系統(tǒng)的工作潛能,提高機器人的多用途性。另外，雙機器人協(xié)調工作，可減少機器人的復雜性?，F(xiàn)階段，對于雙機器人協(xié)調系統(tǒng)主要集中于兩個方面∶松協(xié)調和緊協(xié)調。前者是指兩個機器人未形成共同抓取前的無碰撞軌跡規(guī)劃問題,后者指兩個機器人抓取同一物體形成閉環(huán)后的協(xié)調運動控制問題。

據(jù)此熒光滲透靜電噴涂為松協(xié)調，即雙機器人空間復制邊緣無接觸的跟蹤，通過確定雙機器人協(xié)調運動的約束關系，然后將這一系列的約束關系作用到機器人末端操作器上，從而獲得機器人協(xié)調運動的位置和姿態(tài)，如圖5所示。

圖5 雙機器人協(xié)調運動

在進行熒光滲透靜電噴涂時，工件固定，工件兩側兩機器人都進行噴涂作業(yè)，即從機器人根據(jù)主機器人末端位姿態(tài)進行跟隨協(xié)調運動。雙面雙機器人噴涂采用主從協(xié)調控制策略，根據(jù)主機器人末端位置和姿態(tài)，以工件基準路徑平面為對稱面，經(jīng)過運動學坐標變換，從而控制從機器人跟隨主機器人協(xié)調運動，實現(xiàn)了雙面雙噴涂機器人噴涂[4]。

結 論

采用機器人離線編程和協(xié)調運動策略的機器人熒光滲透靜電噴涂檢測適用于航空行業(yè)多品種小批量大型復雜型面飛機蒙皮等板類零件的生產。此項技術的應用將提高產品質量、降低成本、減少生產工藝規(guī)劃時間、提供生產效率，使操作員遠離危險的工作環(huán)境 ，對航空業(yè)的生產有重要意義。

[1]趙東渡，熊有倫.機器人離線編程研究 .機器人，1997(4)：75-81.

[2]趙東波，熊有倫.面向對象機器人離線編程系統(tǒng)的設計準則.機器人，1997(6)：2-7.

[3]劉振宇，徐方.一種通用的機器人三維圖形仿真的實現(xiàn)機器人，2001(5)∶4904-406.

[4]張華軍，張廣軍，蔡春波，等. 雙面雙弧焊機器人主從協(xié)調運動控制.焊接學報，2011，32(1)：25-28.