慧聰表面處理網訊：隨著我國高鐵技術的飛速發展，動車組列車運營數量越來越大，加之“一帶一路”戰略的推進，國內外各大中城市對地鐵的需求也迅速增加，同時對高鐵等軌道客車制造業的先進制造技術提出了更高的要求，要求產品質量更加穩定，制造過程更加綠色環保等。中車股份有限生產的軌道客車的膩子噴涂仍主要采用人工噴涂的方式。因為手工噴涂依賴于工人的經驗及狀態，對涂層厚度和均勻度難以保證；而且涂料往往包含大量有機溶劑及有毒性的低分子助劑，對噴涂工人的身體健康有危害。
膩子自動噴涂技術在國內外軌道車輛領域尚無應用實例，對于滿足軌道車輛車體的膩子自動噴涂工藝技術正處于開發和摸索階段。根據軌道車輛的車體尺寸、平整度、施工范圍，制訂膩子自動噴涂工藝，確定了一種符合軌道車輛車體用的自動噴涂膩子系統。以往的噴涂項目都是將各種涂料均勻噴涂于工件表面即可，此次項目和其他有關噴涂項目不同之處（也是先進之處）在于，解決了車體凹凸不平造成膩子厚度不一致的施工難度問題。
高鐵車體屬于大型表面，但六自由度機械手本身的工作范圍有限，無法在一個固定的位置完成高鐵車體整個車體外表面的完整噴涂。為了使本系統的噴涂范圍能夠覆蓋到整個高鐵車體，采用兩側系統對稱結構，單側系統主要包含1臺ABB噴涂機器人IRB-5，1套三維重建數據采集系統，1套移動升降平臺等。
噴涂作業前，使移動升降平臺接入ABB自帶操作軟件Robot Studio，使之作為機器人的外部軸，實現“6+2”軸聯動，然后機器人開始噴涂作業。
本控制系統實行分層控制策略，鐵氟龍噴涂包括工業計算機（IPC）、鐵氟龍噴涂機器人控制器、PLC及其外圍設備等，圖3為控制系統結構示意。監控系統作為控制過程級，為中央控制室，由組態構成，負責所有設備的調控；主控PLC作為控制管理級；生產管理級包括測量行走機構、用電安全、數據采集、機器人運動控制、噴涂控制等，分別控制對應的機電設備。
本系統作業流程復雜，合理安排噴涂作業流程可有效提高自動化程度及作業效率。
1）高鐵車體進入膩子噴涂車間，到達限位區；2）三維測量系統啟動，進行激光掃描；3）測量系統將三維重建數據傳給軌跡規劃系統，測量系統進入防護區；4）機器人開始噴涂作業；5）噴涂完成且整車晾干后，進行平整度檢測。
在高鐵車體進入實際車間后，需要對車體位置進行標定，給出一個機械原點，同時也是世界坐標及測量系統的原點。激光測量系統檢測到原點后，啟動進行校準、測量作業，然后噴涂機器人進行校準、噴涂。激光基準和機械原點分別設置在工作車間兩端，車體需進入到兩基準之間，才可進行后續作業。
三維物體表面輪廓測量是獲取物體形態特征的一種重要手段，光學非接觸測量由于其高分辨率、無破壞、數據獲取速度快等優點而被認為是有前途的三維形貌測量方法。本文采用此種三維測量方式，選用線陣相機進行測量，線結構光掃描來獲取工件的點云信息，其掃描原理如下：線結構光掃描采用的測量原理是激光三角測距原理，假設被測工件上表面平行于水平面，激光束垂直向下照射，經待測物反射后，并與被測空間物體相交形成激光投射曲線。由于受到物體高度變化的影響，通過CCD（Charge Coupled Device）從與投射方向不同的另一方向觀察到的該投射曲線的形狀與位置包含了被測物體表面的高度信息，利用該信息就可實現高度測量。
三維重建主要包括仿真數據生成、點云數據讀取及格式轉換、點云數據誤差分析、點云數據區域劃分等步驟。對特征缺陷進行識別分類，為后續軌跡規劃做基礎。
經由三維形貌測量系統對采集到的數據進行信息處理，并將其存入IPC中，而后在IPC內進行噴涂建模和軌跡規劃，生成針對機器人控制器的工作指令。噴涂過程建模是噴涂機器人離線軌跡規劃系統重要的組成部分，噴涂模型的好壞直接影響著仿真結果的好壞與準確性。噴涂過程建模是通過剖析涂料流量、霧化氣壓、噴距張角、噴涂距離等噴涂參數對噴涂過程的影響，建立涂層沉積速率數學模型；結合現場噴涂試驗，進行模型參數的辨識，以及自身的檢測和修改。
選用美國GRACO/固瑞克AL高壓無氣288048型自動噴槍，小巧輕盈的圓形噴槍設計，能夠應對極高的生產速度，耐用的不銹鋼結構可應付難處理的涂料，零部件較少，總體維修費用降低，寬量程的齒頂線適用于各種應用。
扁平扇形噴嘴的特點是能產生高沖擊力的液柱流或扇形噴霧。這種噴嘴產生的噴霧分布均勻。液滴大小為小到中等。當需要若干個噴嘴產生重疊噴霧時，具有特色的逐漸變細的噴霧便使噴霧覆蓋區分布均勻。當噴嘴垂直于表面噴射時，平面上的涂痕為橢圓。扁平扇形噴嘴的內表面通常為半橢球面或半球面，半球面可看作是半橢球面的特例。
扁平扇形噴嘴噴出的液體短軸呈現為一個狹窄的帶狀；長軸表現為一個扇形，噴射出的扇形角度通常稱作噴射角φ。
空氣噴涂時，不同的噴嘴噴出的液滴的體積非常小，試驗和理論數據都表明，噴槍噴嘴產生的霧化的膩子液滴平均直徑都小于100μm。對于這樣微小而密集的液滴可以認為是連續分布的，這樣有助于程度地簡化整個沉積噴涂模型的建立。影響膩子空間分布的因素有：噴槍類型、鐵氟龍噴涂噴嘴類型等噴槍參數，空氣壓力、空氣溫度、膩子黏度等外界因素，假設這些因素都是保持不變的。
本文選擇變參數高斯分布生長速率模型作為涂層的沉積速率數學模型；高斯模型的數學表達式較為復雜，是理想狀態下的概率分布，亦能夠程度地還原實際噴涂效果。對于二維高斯隨機向量（X，Y）~N（0，0，1，1，ρ），（X，Y）的概率密度為：
其中，σ為各種參數（停留時間、膩子黏度、膩子密度、噴涂壓力、噴槍距離、噴槍速度等）的合集，待現場試驗驗證。
高斯函數數學模型的建立是人們經驗積累的結果，在實用性上更接近于真實，但其收斂性較差。
此項目和其他有關噴涂項目不同之處亦是先進之處在于，其解決了車體凹凸不平造成膩子厚度不一致的施工難度問題。由此問題提出了采用增材制造（3D打印基本原理）的思想進行路徑規劃建模，采用三維切片技術輔助路徑規劃。3D打印技術是快速成型技術的一種，也叫做增材制造。基本原理是把一個通過設計或掃描等方式做好的3D模型按照某一坐標軸切成無限多個剖面（即點云切片技術），而后一層一層打印出來并按給定位置堆積到一起，構成實體的立體模型。點云切片的基本原理是通過一組間距為δ的平面與點云模型進行求交計算，實質是平面和點云的求交運算，然后進行線性插值近似生成切片數據，即可得到切片界截面。
在模擬噴涂時，假定噴槍始終垂直指向待噴涂工件表面，其中，涂層重疊寬度是軌跡規劃的重要參數。
缺陷處噴涂軌跡的生成可按下步驟進行：1）將所有切平面上的截面數據按順序排列；2）系統識別平面，設定需要噴涂的區域輪廓、軌跡起點和方向，從底層開始軌跡規劃，獲得層的軌跡；3）噴槍上移一個切片厚度δ；4）對新的切片層重新識別缺陷輪廓數據，得到第二層軌跡數據；5）同理，循環上述步驟，對下一層數據進行軌跡規劃，得到噴涂所在層的噴涂軌跡，直至所有層遍歷完全，得到全部噴涂軌跡，軌跡規劃完成。
本文針對高鐵車體兩側表面的自動化噴涂，提出了一種雙側系統對稱作業的自動化膩子噴涂系統，詳細分析了噴涂作業流程，對車體位置標定、車體表面三維形貌測量及重建、噴槍軌跡規劃等技術進行了研究，驗證了系統的自動化程度及可行性。
目前涂層厚度是通過理論分布試驗來實現的，自動軌跡規劃還不能滿足所有復雜情況的要求，且系統中還存在部分噴涂工藝參數無法確定等問題。在將來的研究中，如何結合實際噴涂效果、噴涂工藝參數進行軌跡規劃，通過優化參數及軌跡路線、優化軌跡規劃算法等手段進一步提高噴涂效率和涂層均勻度等將是未來研究的重點。
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