CN102641803A - 机器人用单流量计式数字化喷涂系统 - Google Patents

Abstract

机器人用单流量计式数字化喷涂系统，由进料管路、回料管路、空气管路和控制部分组成，进料管路将涂料从涂料容器输送到自动喷枪进料口，管路中串接数字式流量计和气动比例阀；回料管路将涂料从自动喷枪出料口输送回涂料容器，实现循环供料；空气管路为各气动元器件提供压缩空气，管路中串接电气比例阀；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自动喷枪的实时流量检测和闭环控制，还具备涂料泵、搅拌器、自动喷枪开关、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

机器人用单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单流量计式数字化喷涂系统，属于机器人喷涂设备技术领域。

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，普通的恒压式供料系统由于缺乏对流量的监测手段，已经不能满足喷涂机器人对流量控制精度的要求，成为了进一步提高机器人喷涂作业质量的约束瓶颈，因此迫切需要一种能够对喷枪流量进行实时检测与调节的供料系统，现有的喷涂机器人喷枪流量检测、调节的技术基本有以下三种。

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，若管路设计为循环供料的方式，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闭度来调节流量。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，对于非盲端供料，也就是循环供料方式则束手无策，原因在于：在循环供料方式下，喷枪上接有一个回流管，开枪时一部分涂料从喷枪喷口喷出，还有一部分从回料管回流到涂料容器，因此现有的技术手段无法检测出到底有多少涂料从喷枪喷出，也无法进行控制，只能被迫采用人工测量的办法。

考虑到对于很多高固体份、大比重、易沉淀涂料来说，经常采用循环供料的方式以防止涂料在管路内发生沉淀。因此，迫切需要开发一种能够对循环供料方式下的自动喷枪流量进行实时、在线检测和闭环控制的喷涂系统，以提高流量检测和调节的自动化程度，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喷涂系统中喷枪流量检测方法存在的缺陷，针对循环供料式的喷涂机器人喷涂系统，提供一种结构简单、计量精确、成本较低的机器人用单流量计式数字化喷涂系统，使之适用于不便于人工检测、调节流量且必须使用循环供料模式的场合。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种机器人用单流量计式数字化喷涂系统，其特征在于：该喷涂系统含有进料管路001、回料管路002、空气管路003和控制部分；

进料管路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和数字式流量计108，最终连接到自动喷枪109的进料口；

回料管路002从自动喷枪109的回料口连出，经背压阀110连回到涂料容器101；

空气管路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和油雾器209连接到搅拌器102，第二路经第二电气比例阀204后分别连接到涂料泵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，数字式流量计108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。

所述的机器人用单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。

所述的机器人用单流量计式数字化喷涂系统，其特征在于：数字式流量计108采用本安式数字流量计。

所述的机器人用单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。

所述的机器人用单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。

所述的机器人用单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。

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，仅通过在进料管串接一个流量计即可实现喷枪吐出流量的实时、在线检测，有利于降低喷涂系统的研制成本。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是计量齿轮泵式流量测控系统的原理图。

图2是“流量计+节流阀”式流量测控系统的原理图。

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-数字式流量计；109-自动喷枪；110-背压阀；111-齿轮泵；112-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；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

图3为本发明提供的机器人用单流量计式数字化喷涂系统，该喷涂系统由进料管路001、回料管路002、空气管路003和控制部分组成。

进料管路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和数字式流量计108，最终连接到自动喷枪109的进料口。

回料管路002从自动喷枪109的回料口连出，经背压阀110连回到涂料容器101。

空气管路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和油雾器209连接到搅拌器102，第二路经第二电气比例阀204后分别连接到涂料泵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，数字式流量计108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。

所述数字式流量计108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

利用单个流量计对循环供料方式下的喷枪流量进行实时检测与控制的具体原理是：首先，通过串于喷枪进料管路001的数字式流量计108采集进料管的实时流量信息并传递给PLC控制器302，控制器随即通过预先存储的换算公式将进料流量换算为喷枪实时吐出流量；然后，将喷枪实时流量与预设流量进行比较，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，进而达到控制喷枪流量的目的。

(1)单流量计式流量检测原理

由于采用循环供料模式进行供料，数字式流量计108采集到的流量信号与自动喷枪109的实际喷出流量并不相同，而是根据是否喷涂而存在两种关系：

1)不喷涂时，即喷枪不开枪，此时数字式流量计108采集到的信号为管路循环流量，喷枪流量为0，即有：

其中，Q_测为数字式流量计108测量到的流量，Q_枪为喷枪吐出流量，Q_进为进料管流量，Q_回为回料管流量。

2)喷涂时，即喷枪开枪，此时流量计采集到的信号为管路循环流量，喷枪流量为进料管流量与回料管流量的差，即有：

由流体力学可知，管道进料流量与喷枪吐出流量均与管路压力有关，因此当管路压力恒定时，管路进料流量与喷枪吐出流量之间的比例关系也是一定的，那么如果知道二者之间的比例关系就可以由管道进料流量推算出喷枪吐出流量。必须注意的是，不同涂料、不同粘度下的进料流量与喷枪流量的比例关系是不同的，因此需事先进行喷涂实验，通过曲线拟合方法建立换算公式，存储于控制器中。

一个典型的建立换算公式的实验过程是：

1)实验准备：如喷枪有针阀位置调节功能，则保证此时的喷枪针阀位置和日常喷涂作业时完全一致，本发明中针阀位置为全开。然后针对实验涂料，调节涂料粘度到指定值，打开涂料输送系统，将涂料打入系统。

2)数据采集：关闭喷枪的雾化和扇幅空气，并在喷枪下置一量筒，然后通过调压阀设定管道内压力至某数值，打开喷枪1分钟，记录1分钟内量筒内累计的涂料体积，并观测记录流量计的读数，然后通过调压阀改变管道内压力重复上述操作，至少取5组数值。为提高测量精度，可在喷涂常用压力调节范围内以压力表最小量程为间隔，尽可能多的进行实验。

3)数据拟合：通过曲线拟合的方法，获得不同压力下的“Q_枪/Q_测”比值，本发明用二次多项式进行拟合，获得如式(3)所示的方程，并将该方程存储于控制器的数据处理模块中。

Q_枪＝a·(Q_测)²+b·Q_测+c    (3)

其中a，b，c为拟合系数。

(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，控制原理是：

PLC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PLC控制器302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PLC控制器302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)做好喷涂准备，控制系统上电，工作人员在上位机301的人机交互界面中根据涂料及粘度信息输入或修改换算公式的拟合系数，以及预设的喷枪流量、预设的关枪时管路循环流量、PID控制参数等，然后可以发出指令打开第一电气比例阀203、第二电气比例阀204，涂料泵和搅拌器被驱动开始运转，喷涂系统开始工作，涂料在管路内循环，此时喷枪为关闭状态。

2)关枪状态下的流量检测控制过程是：数字式流量计108将检测到的流量信息以脉冲信号形式发送给PLC控制器302，PLC控制器302通过脉冲信号采集模块将脉冲信号转化为流量信息，然后将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。

3)需要开枪喷涂时，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和第五电气比例阀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。

4)开枪状态下的流量检测控制过程是：数字式流量计108将检测到的流量信息以脉冲信号形式发送给PLC控制器302，PLC控制器302通过脉冲信号采集模块将脉冲信号转化为进料管流量信息，并根据预先存储的换算公式将该结果换算为喷枪流量，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。

5)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喷枪流量或预设的关枪时管路循环流量，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、在线调节。

6)喷涂结束时，上位机301发出关枪指令，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和第五电气比例阀207关闭，喷枪的雾化空气和扇幅空气也随之关闭。

7)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 (6)

1.一种机器人用单流量计式数字化喷涂系统，其特征在于：该喷涂系统含有进料管路(001)、回料管路(002)、空气管路(003)和控制部分；

所述进料管路(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)和数字式流量计(108)，最终连接到自动喷枪(109)的进料口；

所述回料管路(002)从自动喷枪(109)的回料口连出，经背压阀(110)连回到涂料容器(101)；

所述空气管路(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)和油雾器(209)连接到搅拌器(102)，第二路经第二电气比例阀(204)后分别连接到涂料泵(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；

所述控制部分包括含有控制程序的上位机(301)和PLC控制器(302)，数字式流量计(108)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所述的机器人用单流量计式数字化喷涂系统，其特征在于：所述上位机(301)采用工控机或触摸屏。

3.根据权利要求1所述的机器人用单流量计式数字化喷涂系统，其特征在于：所述数字式流量计(108)采用本安式数字流量计。

4.根据权利要求1所述的机器人用单流量计式数字化喷涂系统，其特征在于：第一电气比例阀、第二电气比例阀、第三电气比例阀、第四电气比例阀、第五电气比例阀和第六电气比例阀和PLC控制器(302)均置于防爆控制柜(005)内。

5.根据权利要求1所述的机器人用单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所述的机器人用单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。

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