桶形工件內表面自動涂裝解決方案

趙宏劍，王 崇，張 波，王 剛

（1. 北京機械工業(yè)自動化研究所，北京 100120；2. 中航工業(yè)沈陽飛機工業(yè)（集團）有限公司，沈陽 110034）

0 引言

由于桶形工件內表面自動噴涂存在作業(yè)空間小、形狀不規(guī)則等特點，傳統(tǒng)的自動涂裝裝備和噴涂機器人都無法到達噴涂區(qū)域，更難以實現(xiàn)噴涂姿態(tài)控制及動作過程，人工作業(yè)即難以達到令人滿意的噴涂效果，又存在漆霧對人體的損害問題，所以，研制一款專業(yè)的涂裝裝備來完成桶形工件內表面的自動噴涂作業(yè)，一直是亟待解決的技術難題，本文就是在這一需求的推動下開始了對桶形工件內表面自動噴涂進行工藝分析和噴涂裝備的研究。

1 桶形工件內噴涂裝工藝分析

1.1 桶形工件特征描述

本文針對的桶形工件需要符合如下特征：1）工件外形為桶形；

2）有一端或兩端有開口；

3）工件內壁噴涂區(qū)域表面平滑，沒有明顯的凸起和階梯狀過渡面；

4）截面不規(guī)則；

5）工件長度/最小內徑≥9。

1.2 工藝原理分析

噴涂工藝分析主要圍繞噴涂姿態(tài)控制和噴涂工藝控制兩個部分。

1）噴涂姿態(tài)控制

噴涂姿態(tài)控制包括控制噴槍扇面與被噴面的通過速度（即：噴涂速度）；噴槍扇面與被噴面的夾角（即：噴涂角度）；槍嘴與被噴面的距離（即：噴涂距離）和工件移動速度四個工藝參數(shù)。

（1）噴涂速度（V）

結合桶形工件的特點，噴涂速度調節(jié)需要通過控制噴槍的旋轉速度來實現(xiàn)，速度值與噴涂距離和被噴區(qū)域的形狀有關，在噴槍的一個旋轉周期內，噴槍的旋轉速度需要根據(jù)數(shù)據(jù)計算結果實時調整才能保證最終的噴涂速度達到設定值。

以空氣噴涂為例，噴涂速度基本在（0.4～0.6）m/s，最佳速度值與涂料特性、噴具特性、基材特性和涂層厚度要求等有關，需要通過噴涂工藝試驗來確定。通過試驗確定好的噴涂速度指標是計算噴槍旋轉速度的依據(jù)，不同的噴涂區(qū)域可能采用不同的噴涂速度。

（2）噴涂角度

通常最佳的噴涂角度是噴涂扇面與被噴面垂直，即：噴嘴軸向與被噴面夾角為90°，噴涂角度在80°～100°之間對于噴涂質量沒有明顯影響，噴涂角度的控制既是使噴涂角度達到或接近最佳值。

（3）噴涂距離

噴涂距離是影響噴涂質量的關鍵參數(shù)。一種油漆和一種噴槍的匹配通常會有一個最佳的噴涂距離，需要通過工藝試驗來確定，在一個噴涂區(qū)域內通常只有一個最佳的噴涂距離，噴涂距離控制就是使噴涂距離達到或接近最佳值。

以空氣噴涂為例，最佳噴涂距離基本在（200～300）mm之間。

（4）工件移動速度（V1）

桶形工件的工件移動速度即噴槍與工件在軸向的相對移動速度，當工件在靜止狀態(tài)下進行噴涂時，工件移動速度等同于噴槍沿工件軸向的移動速度。該參數(shù)需要與其它參數(shù)進行匹配才能保證涂層厚度均勻，對生產(chǎn)節(jié)拍有直接影響。

（5）噴涂工藝理論計算

噴涂工藝理論計算公式：V=V1×L×N /W

其中： V=噴涂速度；V1=工件移動速度；L=噴槍行程；N=噴涂變數(shù)；W=噴槍扇幅

注：桶形工件內噴中噴槍行程等同于工件內表面圓周長。

2）噴涂工藝控制

影響噴涂工藝的因素很多，在設備上主要控制三個參數(shù)，即：涂料流量、噴涂扇幅、霧化效果：

（1）涂料流量

涂料流量是影響噴涂工藝的關鍵因素，在涂料穩(wěn)定的前提下，涂料流量決定了系統(tǒng)的成膜能力，流量的穩(wěn)定性決定了涂層的均勻性，涂料流量的準確性和穩(wěn)定性是系統(tǒng)工藝技術水平的重要體現(xiàn)。

本系統(tǒng)采用氣動流量閥作為涂料流量控制部件，通過電氣比例閥對流量閥進行數(shù)字化控制。

（2）噴涂扇幅

噴涂扇幅的穩(wěn)定性直接影響涂層均勻性，以空氣噴槍為例，扇幅大小是通過調整噴槍上的“扇形空氣”氣路壓力值來調節(jié)，扇幅工作范圍在200～300mm，該路氣體壓力的穩(wěn)定性決定了扇幅的穩(wěn)定性。目前，國際上對噴涂扇幅的控制基本采用開環(huán)控制的方式，通過電氣比例閥來定量控制“扇形空氣”氣路壓力值并提高壓力的穩(wěn)定性。

另外，扇幅大小與噴嘴選擇有關，噴嘴選型主要根據(jù)需要的流量、扇幅和材質進行選擇，噴嘴屬于耗材，超出使用壽命后會逐漸出現(xiàn)扇幅不穩(wěn)定的現(xiàn)象，因此，為了保證系統(tǒng)的工藝穩(wěn)定性，需要及時更換噴嘴。

（3）霧化效果

噴槍霧化效果是指噴具對油漆進行霧化過程中對油漆顆粒的大小及分布控制的效果，是影響涂層質量的最直接的因素，以空氣噴槍為例，霧化效果是通過調整噴槍上的“霧化空氣”氣路壓力值來控制的，該路氣體壓力的穩(wěn)定性決定了霧化效果的穩(wěn)定性?！办F化空氣”壓力值與噴槍結構有關，需要通過噴涂試驗確定，霧化壓力過小會造成油漆霧化不充分，導致油漆漆霧顆粒過大和分布不均；霧化壓力過大會造成油漆霧化過度，導致油漆漆霧顆粒過小，油漆利用率降低，漆膜質量也會下降。

目前國際上對油漆霧化效果的控制也基本上采用開環(huán)控制的方式，通過電氣比例閥來定量控制“霧化空氣”的壓力值并提高壓力的穩(wěn)定性。

2 自動噴涂系統(tǒng)結構及性能研究

通過工藝分析，為了實現(xiàn)對噴涂姿態(tài)和油漆工藝的控制需要相對應的裝備來實現(xiàn)，本系統(tǒng)由三自由度噴涂機械手和涂裝精密控制系統(tǒng)兩部分構成。

2.1 三自由度噴涂機械手

1）結構描述

機械手由一個懸臂和一個兩軸噴涂手腕構成。懸臂的作用是深入工件內部把噴槍送至噴涂區(qū)域，噴涂手腕的作用是調節(jié)噴槍的噴涂姿態(tài)和噴涂速度。

其中機械臂的機構簡圖如圖1所示，機械臂上固定有兩根導軌和齒條，導軌在基礎平臺上的導向塊5上滑動，驅動電機安放在固定的基礎平臺上，通過齒輪齒條傳動。

圖1 懸臂結構

自由度噴涂手腕安裝在懸臂末端，噴槍安裝在噴涂手腕上，由旋轉軸和徑向移動軸構成。旋轉軸用于使噴槍繞工件近似軸線回轉并調整噴槍的旋轉速度，進而調節(jié)噴涂速度；徑向移動軸用于調節(jié)噴槍的噴涂距離和姿態(tài)。

手腕的結構圖如圖2所示，包括回轉驅動電機、徑向移動電機、傳動齒輪箱、回轉板、正弦機構、噴槍架和回轉接頭組成。齒輪箱固定在懸臂前端；回轉驅動電機固定在齒輪箱上，通過齒輪箱內部的傳動齒輪組帶動回轉板回轉；徑向驅動電機同樣固定在齒輪箱上，通過齒輪箱內部的傳動齒輪組帶動正弦機構的曲柄回轉；正弦機構曲柄帶動滑塊在固定在回轉板上的導軌進行直線運動；噴槍架固定在正弦機構的滑塊上；回轉接頭的輸入端固定在機械臂上，輸出端與回轉板固連。

圖2 手腕結構

圖3 自動噴涂設備

2）有限元和動力學分析

由于懸臂長度和懸出量超出常規(guī)應用，必然對系統(tǒng)剛度和穩(wěn)定性造成不利的影響。為避免噴涂過程中在噴槍的反作用力下產(chǎn)生抖動，影響噴涂質量，需進行有限元和動力性分析。本研究采用NX Nastran進行分析。在進行有限元處理之前我們必須位模型賦予各種屬性和約束條件。在機械臂模型中，模型受到兩個固定約束，一個重力分布載荷、一個手腕集中載荷和一個由于手腕轉動造成的動載荷。

通過計算我們得到結構的一階模態(tài)頻率是12HZ，而動力載荷的頻率為0.14HZ。由于外載荷的頻率遠遠小于結構的固有頻率，因此，動力載荷可以看作是靜力載荷來加以分析。圖5是動力載荷的周期圖。從圖中可以看出動力載荷的最大值是1.04N，由于整個機構的重力大于2500N，所以動力載荷產(chǎn)生的影響對整個結構來講微乎其微。

圖4 動力載荷的周期圖

有限元分析結果如圖6所示，通過優(yōu)化結構，懸臂末端下垂量約為2mm，滿足噴涂要求。仿真結果與實測結果相符合。

圖5 有限元分析

3）控制系統(tǒng)

噴涂機運動控制核心部件選用安川MP2310控制器。MP2310是集成型控制器，可完成多個軸的同步伺服控制。標配有MECHATROLINK-II和Ethernet端口，可分別實現(xiàn)與伺服控制器和上位的通訊。

系統(tǒng)利用了控制器的電子凸輪功能，以時間軸為主軸，3個電機作為從軸，實現(xiàn)離線編程生成的噴涂軌跡。

2.2 涂裝精密控制系統(tǒng)

1）系統(tǒng)構成

涂料輸供系統(tǒng)完成對涂料從供漆罐到噴槍的輸供及控制，由涂料輸供單元、涂料清洗單元、噴具單元、氣路控制單元、流量控制單元、空氣過濾組件及連接附件構成。

涂料輸供單元具有供料泵、攪拌器、涂料調壓器、涂料穩(wěn)壓塔、涂料過濾器等構成；噴具采用自動空氣噴槍，具備涂料流量、霧化空氣、扇幅獨立調整功能；為了便于設備清洗，系統(tǒng)配置了1套CCV自動換色、清洗閥組，用于實現(xiàn)自動換色、清洗功能。噴槍安裝在噴涂手腕上，通過多路回轉接頭與供氣管和涂料管連接，以解決連續(xù)旋轉過程中漆氣管線不纏繞。

為了保證噴涂工藝，需要分別對噴槍的涂料流量、霧化空氣、扇幅空氣等進行調節(jié)。采用氣動流量調節(jié)閥對油漆流量進行控制，每個氣路配有獨立的電氣比例閥，可實現(xiàn)涂料流量、霧化空氣和扇形空氣的數(shù)字化控制。

圖6 輸供漆系統(tǒng)原理圖

圖7 隔膜泵圖

圖8 空氣噴槍圖

2）涂裝精密控制系統(tǒng)原理圖如圖6所示。

3 試驗結論

通過對設備單軸機械性能、綜合控制精度和噴涂工藝控制能力進行測試，各項性能指標均達到或超過設計指標，具體測試如下：

懸臂運動范圍 4700，實際使用范圍4500mm。

懸臂電機速度 10.3593mm/s。

圖9 回轉電機最大速度 74.5879°/s

圖10 徑向電機最大速度 485.6869°/s

圖11 噴槍伸縮范圍 90-260mm

圖12 徑向伸縮速度 215.6512°/s--225.7165°/s

經(jīng)過大量的油漆工藝試驗，試片和模擬件的噴涂效果達到了工藝要求，通過綜合測試分析，系統(tǒng)整體性能達到了設計要求，能夠滿足生產(chǎn)需求。

4 結束語

本文論述的桶形內噴工藝和自動噴涂裝備都已得到試驗驗證并投入到實際應用當中，該工藝和裝備的應用為用戶節(jié)約了油漆，提升了噴涂質量，提高質量穩(wěn)定性，還把人員從復雜、艱難的作業(yè)環(huán)境中解放出來，對推動我國自動涂裝裝備的技術創(chuàng)新起到積極地推動作用，該項技術已經(jīng)申報國家實用新型專利2項。

[1] 王錫春. 汽車涂裝工藝技術[M]. 化學工業(yè)出版社, 2005.

[2] 劉會成. 涂裝工藝及設備[M]. 化學工業(yè)出版社, 2012.