CN102632003A

CN102632003A - 机器人用双流量计式数字化喷涂系统

Info

Publication number: CN102632003A
Application number: CN2012100980689A
Authority: CN
Inventors: 王国磊; 陈恳; 缪东晶; 杨东超; 张传清; 潘玉龙; 杨向东; 徐静
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2012-04-05
Filing date: 2012-04-05
Publication date: 2012-08-15

Abstract

机器人用双流量计式数字化喷涂系统，由流体部分、气路部分和控制部分组成，流体部分采用循环供料模式，进料管路和回料管路中分别串接数字式流量计以实现进料流量和回料流量的实时检测，进料管路中还串接有气动比例阀以实现远程流量调节；气路部分共分为六路，为各气动元器件提供压缩空气，各气路中均串接电气比例阀以实现远程调节；控制部分由上位机和PLC控制器组成，与电气比例阀和流量计分别相连。该系统可实现循环供料模式下喷枪的实时流量检测和闭环控制，还具备涂料泵、搅拌器、喷枪开关、雾化空气和扇幅空气的远程调节能力，尤其适用于使用枪内循环模式进行供料但不便于人工检测流量或容易出现流量衰减现象的场合。

Description

机器人用双流量计式数字化喷涂系统

技术领域

本发明涉及一种机器人用双流量计式数字化喷涂系统，属于机器人喷涂技术领域。

背景技术

目前，工业产品对机器人喷涂的涂层表面质量要求和漆膜厚度精度要求越来越高，在机器人运动精度已经足够高的前提下，约束喷涂作业质量进一步提高的瓶颈在于喷涂机器人的流量控制精度。但是，普通的恒压式喷涂系统无法对喷涂作业中的流量波动加以实时监测，更缺乏有效的远程调节手段。因此，迫切需要一种能够对喷枪流量进行实时检测与远程调节的自动化喷涂系统。

通过对已公开的文献、专利、工业产品的调研发现，现有的喷涂系统中喷枪流量检测、调节的技术手段有三种：

第一种，人工方法。检测办法是：打开喷涂机器人的供料系统，调节调压阀到某指定压力值，然后关闭喷枪的雾化空气和扇幅空气，打开喷枪，由工作人员手持测量工具(如量筒)在喷枪下接一定时间(如1分钟)，然后读取量筒数值，换算喷枪的单位时间吐出量。进一步的，若需要调节流量，办法是：若当前测得流量值偏高，则降低调压阀压力；反之，则提高调压阀压力。上述检测、调节过程需反复进行，直到喷枪流量达到要求为止，然后可以开始喷涂作业。这种方法的缺点显而易见：需要大量人工参与，降低了喷涂作业的自动化程度，不利于发挥机器人高效、自动化的特点。而且，对于易沉淀涂料或者长尺寸送料管路来说，涂料容易在管路内发生沉积，引起喷枪流量衰减或不稳定，导致工作人员不得不定期的、反复的监测调节喷枪流量，非常麻烦。

第二种，通过计量齿轮泵进行控制。如图1所示，该方法需要采用盲端送料方式，即喷枪只接一根进料管，然后在进料管上串接一台计量齿轮泵。齿轮泵的原理是通过齿轮转动带动涂料流动，每转动固定角度送出的涂料量是等同的，因此通过控制器控制齿轮泵的转速即可实现喷枪喷出流量的检测与控制。这种技术的缺点是仅适用于喷枪为盲端的涂料输送系统，若管路为循环供料类型，则会有一部分涂料经由回流管流回涂料容器，导致齿轮泵的输出流量大于喷枪的实际吐出流量。此外，计量齿轮泵系统的造价高昂且易磨损，需要定期标定，使用成本很高。

第三种，通过流量计和节流阀进行控制。如图2所示，该方法同样限定喷枪只接一根进料管，然后在进料管上串接节流阀和流量计，当流量计检测到流量有偏差时，控制器通过改变节流阀的开度来调节流量。这类方法的缺点与第二类方法相同，即仅适用于喷枪为盲端的管路类型，因为若管路为循环供料类型，则由于一部分涂料由回流管流回涂料容器，流量计所检测出的流量大于喷枪喷出的实际流量。此外，该方法需要把流量计布置在尽可能靠近喷枪的机械臂上，增加了机械臂末端的尺寸和重量，不适用于小型或内表面喷涂机器人。

综上所述，目前的喷涂系统中喷枪流量的自动检测和调节均针对盲端供料方式，然而对于很多高固体份、大比重、易沉淀涂料来说，却必须循环供料的方式，即在喷枪上接一个回流管，使涂料在涂料容器和喷枪之间不断循环，以防止涂料沉淀。在这种情况下，喷枪开枪时，一部分涂料从喷枪喷口喷出，一部分从回料管回流到涂料容器，现有的技术手段无法检测出到底有多少涂料从喷枪喷口喷出，更无法进行控制，只能被迫采用人工测量的方式。

此外，现有喷涂系统中，许多气动元器件(如泵、搅拌器等)仍采用“手动调压阀+压力表”的控制方法，由人工进行调节，自动化程度低，无法实现远程操作。

因此，迫切需要开发一种能够对循环供料模式下自动喷枪的流量进行实时、在线检测和闭环控制，并且对气动元器件实现远程控制的数字化喷涂系统，以便提高喷涂系统的自动化程度，提高喷涂机器人的作业质量。

发明内容

本发明所要解决的问题在于克服现有的机器人用喷涂系统中喷枪流量检测与控制、空气压力调节存在的缺陷，研制一种具有在线、实时流量检测能力和远程涂料、空气调节能力的机器人用双流量计式数字化喷涂系统，使之可用于不便于人工检测流量且必须使用循环供料模式进行供料的场合。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

机器人用双流量计式数字化喷涂系统，由流体部分、气路部分、控制部分组成，其特征在于：

涂料进料管001从涂料容器101中连出，依次连接涂料泵103、过滤器104、稳压器105、调压阀106、气动比例阀107、进料管数字式流量计108，最终连接到自动喷枪109的进料口，涂料回流管002从自动喷枪109的回料口连出，经回料管数字式流量计110、背压阀111连回到涂料容器101；

空气管003从气源201连出，经空气过滤器202后分为六路，第一路经第一电气比例阀203、油雾器209连接到搅拌器102，第二路经第二电气比例阀204连接到涂料泵103和稳压器105，第三路经第三电气比例阀205连接到气动比例阀107，第四路经第四电气比例阀206连接到自动喷枪109的雾化空气入口，第五路经第五电气比例阀207连接到自动喷枪109的扇幅空气入口，第六路经第六电气比例阀208连接到自动喷枪109的开关枪空气入口；

控制部分包括含有控制程序的上位机301和PLC控制器302，进料管数字式流量计108和回料管数字式流量计110分别通过控制线路与PLC控制器302的脉冲信号采集模块相连，六个电气比例阀分别通过控制线路与PLC控制器302的D/A模块相连，PLC控制器302通过控制线路与上位机301相连。

所述的上位机301采用工控机或触摸屏。

所述的进料管数字式流量计108和回料管数字式流量计110采用本安式数字流量计。

所述的电气比例阀和PLC控制器302均置于防爆控制柜005内。

所述的涂料泵103采用隔膜泵、活塞泵或齿轮泵。

所述的自动喷枪109采用自动空气喷枪。

本发明与已有技术相比，具有以下优点及突出性效果：

对于同时接有进料和回料两根涂料管的自动喷枪，通过同时检测进料和回料两根涂料管实时流量的方式实现了喷枪吐出流量的实时、在线检测。进一步地，实现了喷枪流量的闭环控制，大大提高了喷涂系统的流量控制精度，消除了喷涂过程中的流量波动，有利于提高机器人的喷涂质量。此外，本系统还实现了泵、搅拌器、开关枪、雾化空气压力和扇幅空气压力的远程监控和调节，提高了喷涂系统的自动化程度。

本发明特别适用于不便于人工检测流量且必须使用枪内循环模式进行供料的场合，以及因使用高固体份、大比重、易沉淀涂料或涂料输送管路过长而容易出现流量衰减现象的场合。

附图说明

图1是计量齿轮泵式涂料供给系统的原理图。

图2是“流量计+节流阀”式涂料供给系统的原理图。

图3是本发明的系统结构示意图。

图中：

001-进料管路；002-回料管路；003-空气管路；004-控制线路；005-防爆柜；006-危险区域标志线；

101-涂料容器；102-搅拌器；103；涂料泵；104-涂料过滤器；105-稳压器；106；调压阀；107；气动比例阀；108-进料管数字式流量计；109-自动喷枪；110-回料管数字式流量计；111-背压阀；112-齿轮泵；113-节流阀。

201-气源；202-空气过滤器；203-第一电气比例阀；204-第二电气比例阀；205-第三电气比例阀；206-第四电气比例阀；207-第五电气比例阀；208-第六电气比例阀；209-油雾器；

301-上位机；302-PLC控制器(含脉冲信号采集模块和D/A模块)；303-控制器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构、原理和工作过程进一步说明。

1.喷涂系统的具体结构

如图3所示，本发明的喷涂系统由流体部分、气路部分、控制部分组成，其特征在于：

所述上位机301可采用机器人的控制计算机，也可单独采用触摸屏，考虑到喷漆作业的防爆要求，上位机301必须安置于危险区域标志线006之外，与喷漆室隔离。

所述进料管数字式流量计108和回料管数字式流量计110采用本安式数字流量计，如GRACO齿轮式流量计，其检测原理为流量计内部有一对互相啮合的齿轮，涂料流经流量计时带动齿轮转动，齿轮每转动一定角度则输出一个脉冲信号，信号采集器统计一定时间内收到的脉冲信号即可计算出流经流量计的涂料流量。该型流量计的检测精度高，且不受涂料粘度、比重、固体份含量和温度的影响，其分辨率为0.012cc/pulse，即每流过0.012cc的涂料，则流量计输出一个脉冲信号。

所述电气比例阀可选用FESTO比例减压阀，控制器302选用带有脉冲信号采集模块和D/A模块的PLC，考虑到喷涂作业的防爆要求，电气比例阀和PLC控制器302均置于防爆控制柜005内。

所述涂料泵103可采用GRACO公司的气动隔膜泵，具有体积小、安装方便、适用于中高粘度且较大颗粒液体等优良特性，也可根据实际需要采用活塞泵和齿轮泵等其他泵。

所述自动喷枪109采用LVMP型自动空气喷枪，也可采用HVLP等其他类型的自动空气喷枪。

2.喷涂系统的工作原理

本发明中利用双流量计对非盲端喷枪的实时流量进行检测与控制的具体原理是：首先，通过串于进料管路001的进料管数字式流量计108测量进料管的实时流量，通过串于回料管路002的回料管数字式流量计110测量回料管的实时流量，并将二者传递给控制器302，控制器302通过计算二者的差值得到喷枪的实时吐出流量；然后，控制器302将喷枪实时流量与预设流量进行比较，然后输出控制信号给第三电气比例阀205调节其阀口开度，第三电气比例阀205输出端的空气压力又作为控制信号控制串于进料管路001中的气动比例阀107的阀口开度，调节进料管路001的压力和流量，最终达到控制喷枪流量的目的。

(1)双流量计式流量检测原理

由于采用循环供料模式进行供料，进料管数字式流量计108采集到的是进料管流量信号，回料管数字式流量计110采集到的是回料管流量信号，那么由流体的体积不可压缩性可知，喷枪流量为二者的差值，即有

Q_枪＝Q₁-Q₂ 1

其中Q_枪为喷枪流量，Q₁为进料管数字式流量计108测量到的流量，Q₂为回料管数字式流量计110测量到的流量。显然，不喷涂时喷枪流量为0，即喷枪不开枪时Q₁＝Q₂。

(2)流量控制的工作原理

为满足防爆要求，本发明中对喷枪流量的控制采用电气比例阀加气动比例阀的二级控制方法，即用第三电气比例阀205控制气动比例阀107，再通过气动比例阀107控制涂料管路的压力和流量，控制算法采用PID方法，一个典型的控制过程是：

控制器302将喷枪实时流量与预设流量进行比较，如果喷枪流量大于预设流量，则控制器输出信号给第三电气比例阀205调小其阀口开度，使其输出端的空气压力降低，进而导致串于进料管路001中的气动比例阀107的阀口开度减小，于是进料管路001的压力和流量减小，喷枪流量也随之减小，趋于预设流量；反之，如果喷枪流量小于预设流量，则控制器输出信号给第三电气比例阀205调大其阀口开度，使其输出端的空气压力升高，进而导致串于进料管路001中的气动比例阀107的阀口开度增大，于是进料管路001的压力和流量增大，喷枪流量也随之加大，趋于预设流量。采用PID调节可以最大限度的消除喷涂过程中喷枪流量产生的波动，实现喷枪流量的精确控制。

3.喷涂系统的典型工作过程

1)由工作人员在上位机301的人机交互界面中输入或修改预设喷枪流量、预设关枪时管路循环流量、PID控制参数、涂料泵驱动空气压力、搅拌器驱动空气压力、喷枪开关枪空气压力、喷枪雾化空气压力、喷枪扇幅空气压力等。

2)做好喷涂准备，控制系统上电，工作人员在上位机301的人机交互界面上发出指令打开第一电气比例阀203、第二电气比例阀204，涂料泵和搅拌器随之打开，喷涂系统开始工作，涂料在管路内循环。

3)在不开枪状态下，进料管数字式流量计108检测到当前管路内的循环流量，并将结果传输给控制器，控制器一方面将当前流量信息发送给上位机301，在人机交互界面上予以显示；一方面将该流量与预设的关枪时管路循环流量进行比较，并根据比较结果输出控制信号给第三电气比例阀205，相应的控制气动比例阀107的阀口开度实现管路循环流量的调节，使之趋近于预设的管路循环流量。

4)开始喷涂时，工作人员在上位机301的人机交互界面上发出开枪指令，PLC控制器302首先将指定的雾化空气压力值和扇幅空气压力值转化为模拟信号，并发送给第四电气比例阀206，第五电气比例阀207，喷枪的雾化空气和扇幅空气打开，并迅速达到预设压力值；然后，PLC控制器302再将指定的开枪空气压力值转化为模拟信号，并发送给第六电气比例阀208，第六电气比例阀208输出端的空气压力迅速达到预设值，喷枪针阀被顶开，喷枪开枪。

5)喷涂过程中，进料管数字式流量计108采集进料管流量信号，回料管数字式流量计110采集回料管流量信号，并分别将结果传输给PLC控制器302，PLC控制器302对二者求差得到喷枪流量，然后一方面将喷枪流量信息发送给上位机301，在人机交互界面上予以显示；一方面将该流量与预设的喷枪流量进行比较，并根据比较结果输出控制信号给第三电气比例阀205，相应的控制气动比例阀107的阀口开度实现喷枪流量的调节，使之趋近于预设的喷枪流量。

6)系统工作过程中需要调节流量时，由工作人员在上位机301的人机交互界面中修改预设的流量，然后发送给PLC控制器302，PLC控制器302随即将之与当前流量进行比较，并根据比较结果输出控制信号给第三电气比例阀205，相应的控制气动比例阀107的阀口开度，实现喷枪流量的远程、在线控制；需要调节空气压力时，由工作人员在上位机301的人机交互界面中修改预设的空气压力值，然后发送给PLC控制器302，PLC控制器302随即将指定的空气压力值转化为模拟信号，并发送给相应的电气比例阀，实现空气压力的远程调节。

7)喷涂结束时，上位机301发出关枪指令，PLC控制器302首先将第六电气比例阀208关闭，第六电气比例阀208输出端的空气压力迅速降为0，喷枪针阀回位，喷枪关枪；然后，PLC控制器302将第四电气比例阀206，第五电气比例阀207关闭，喷枪的雾化空气和扇幅空气也随之关闭。

8)喷涂作业结束后，进行排空、清洗等工作，关闭涂料泵103和搅拌器102，控制系统断电。

Claims

1.一种机器人用双流量计式数字化喷涂系统，由流体部分、气路部分、控制部分组成，其特征在于：

涂料进料管(001)从涂料容器(101)中连出，依次连接涂料泵(103)、过滤器(104)、稳压器(105)、调压阀(106)、气动比例阀(107)、进料管数字式流量计(108)，最终连接到自动喷枪(109)的进料口，涂料回流管(002)从自动喷枪(109)的回料口连出，经回料管数字式流量计(110)、背压阀(111)连回到涂料容器(101)；

空气管(003)从气源(201)连出，经空气过滤器(202)后分为六路，第一路经第一电气比例阀(203)、油雾器(209)连接到搅拌器(102)，第二路经第二电气比例阀(204)连接到涂料泵(103)和稳压器(105)，第三路经第三电气比例阀(205)连接到气动比例阀(107)，第四路经第四电气比例阀(206)连接到自动喷枪(109)的雾化空气入口，第五路经第五电气比例阀(207)连接到自动喷枪(109)的扇幅空气入口，第六路经第六电气比例阀(208)连接到自动喷枪(109)的开关枪空气入口；

控制部分包括含有控制程序的上位机(301)和PLC控制器(302)，进料管数字式流量计(108)和回料管数字式流量计(110)分别通过控制线路与PLC控制器(302)的脉冲信号采集模块相连，六个电气比例阀分别通过控制线路与PLC控制器(302)的D/A模块相连，PLC控制器(302)通过控制线路与上位机(301)相连。

2.根据权利要求1所述的机器人用双流量计式数字化喷涂系统，其特征在于：上位机(301)采用工控机或触摸屏。

3.根据权利要求1所述的机器人用双流量计式数字化喷涂系统，其特征在于：进料管数字式流量计(108)和回料管数字式流量计(110)采用本安式数字流量计。

4.根据权利要求1所述的机器人用双流量计式数字化喷涂系统，其特征在于：电气比例阀和PLC控制器(302)均置于防爆控制柜(005)内。

5.根据权利要求1所述的机器人用双流量计式数字化喷涂系统，其特征在于：所述涂料泵(103)采用隔膜泵、活塞泵或齿轮泵。

6.根据权利要求1所述的机器人用双流量计式数字化喷涂系统，其特征在于：所述自动喷枪(109)采用自动空气喷枪。