機(jī)器人示教過(guò)程的汽車顏色控制

曹曉根，韓 雪

(長(zhǎng)城汽車股份有限公司技術(shù)中心、河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北保定 071000)

引 言

涂裝不僅對(duì)汽車進(jìn)行防腐保護(hù)，還賦予汽車五顏六色的色彩。調(diào)查顯示，48%的消費(fèi)者會(huì)根據(jù)汽車顏色選擇產(chǎn)品，77%的消費(fèi)者認(rèn)為車身顏色是購(gòu)買汽車時(shí)的一個(gè)決策因素［1］。預(yù)測(cè)顏色流行趨勢(shì)，進(jìn)行多顏色的涂裝，是提高汽車競(jìng)爭(zhēng)能力的重要方式之一。轎車涂裝作為汽車涂裝最高水平的體現(xiàn)，對(duì)于顏色的控制要求極為嚴(yán)格。隨著汽車制造商相繼采用機(jī)器人或機(jī)械手自動(dòng)噴涂后，顏色控制方面的競(jìng)爭(zhēng)更加激烈。由于部分顏色，如銀色金屬漆、鮮艷的黃色金屬漆等對(duì)涂裝參數(shù)異常敏感，而在示教過(guò)程中各項(xiàng)噴涂工藝參數(shù)需進(jìn)行確定，且要保證在正式生產(chǎn)中參數(shù)的波動(dòng)不會(huì)明顯影響到顏色的變化。因此，科學(xué)合理的示教過(guò)程是調(diào)整優(yōu)化噴涂參數(shù)的過(guò)程，是保證顏色穩(wěn)定的主要措施。

1 機(jī)器人示教過(guò)程中的顏色控制

以MOTOMAN-EPX2700機(jī)器人為例，對(duì)機(jī)器人示教過(guò)程中的顏色控制方法予以介紹。以典型的水性漆的3C2B(三涂?jī)珊?，水性中涂、水性色漆、高固體份溶劑型清漆)工藝來(lái)說(shuō)，顏色主要是由基色漆(base)賦予的，同時(shí)受到罩光清漆和底材(即底漆和面漆中間的涂層)的影響。因此在進(jìn)行示教時(shí)對(duì)色差的控制以基色漆為主。

1.1 影響顏色的因素

車身顏色受到諸多因素的影響。在產(chǎn)品上，顏色本身的性質(zhì)及涂料的穩(wěn)定性是主要影響因素。顏色本身的性質(zhì)主要是遮蓋力和功能性材料的閃爍效應(yīng)。而涂料的穩(wěn)定性表現(xiàn)在不同批次間顏色的變化和涂料固體份的變化導(dǎo)致的膜厚變化。在工藝上，不同的環(huán)境溫度、濕度、機(jī)器人示教程序(包括旋杯轉(zhuǎn)速、流量、成型空氣壓力、靜電電壓、噴涂距離、噴幅及搭接寬度等)、出漆壓力、涂料施工粘度及噴漆室風(fēng)速等均會(huì)造成顏色的變化。而閃干時(shí)間、烘烤溫度和時(shí)間則對(duì)一些敏感的顏色(如銀色)產(chǎn)生影響。

1.2 示教前準(zhǔn)備

要控制示教過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)顏色的穩(wěn)定，首先要確定生產(chǎn)時(shí)的工藝條件。如一般水性漆施工θ為23～28℃，相對(duì)濕度 70% ～80%［2］，而實(shí)際上噴漆室的θ可控制在(25±2)℃，要結(jié)合所處的地域和涂裝材料的特性確定工藝，即涂裝機(jī)器人示教時(shí)的工藝要求。確定的工藝內(nèi)容還包括輸送鏈鏈速、節(jié)距、閃干時(shí)間、噴漆室風(fēng)速、涂料的溫度［要求控制θ為(20±1)℃］、施工粘度［要求控制精度為 ±0.5s］及涂料的施工固體份(要求控制精度在5%以內(nèi))，這些施工參數(shù)都要在示教前預(yù)先確定并確認(rèn)。

由于顏色本身的性質(zhì)對(duì)色澤的影響很大，在顏色開(kāi)發(fā)時(shí)需要進(jìn)行顏色穩(wěn)定性的工藝驗(yàn)證［3］，驗(yàn)證合格后方能進(jìn)行生產(chǎn)調(diào)試。在工藝驗(yàn)證時(shí)會(huì)得到顏色對(duì)膜厚敏感與否的結(jié)論。根據(jù)不同顏色對(duì)膜厚的敏感程度，合格的顏色為±4μm范圍內(nèi)(指膜厚的公差，以下同)顏色目視無(wú)變化，或±6μm范圍內(nèi)顏色變化不明顯。

MOTOMAN-EPX2700機(jī)器人可搭載法國(guó)薩麥斯公司或美國(guó)蘭氏公司生產(chǎn)的系列旋杯。示教前必須確認(rèn)旋杯在使用壽命內(nèi)。一般的旋杯使用壽命為3～4個(gè)月，新型的陶瓷涂層旋杯使用壽命可達(dá)5年以上［4］。如旋杯超出使用壽命，雖然操作程序沒(méi)有改變，吐出量也沒(méi)有明顯變化，但由于涂料利用率低，膜層厚度降低，顏色的變化明顯。同樣，旋杯的型號(hào)應(yīng)該一致，如果更換旋杯，則需要對(duì)示教程序進(jìn)行重新修改。

輸送鏈鏈速一旦確定，節(jié)距會(huì)隨之確定。節(jié)距是保證機(jī)器人能夠正常噴涂，防止漆霧污染車身。一般同顏色的車身，前后距離(指前一車體的最后端與后一車體的最前端)超過(guò)2m(車體高度一般2m以內(nèi))即可保證不發(fā)生霧漆導(dǎo)致的色漆顆粒污染。在進(jìn)行示教時(shí)要考慮換色時(shí)間，單純的說(shuō)，清洗溶劑在保證良好溶解能力的前提下，對(duì)清洗時(shí)間的影響不大。黑色的換色t為8～10s，黃色為12～13s，紅色為12～14s，其余顏色均為10～12s。實(shí)際上根據(jù)前后顏色的變化確定程序中的換色時(shí)間。如前面的車為紅色，后面的車為白色或銀色時(shí)，換色時(shí)間就要達(dá)到14s。這是因?yàn)榧t色色漆顆粒飄到白色或銀色的車體上顏色異常明顯。反之，深藍(lán)色的色漆顆粒飄到黑色的車體上幾乎無(wú)影響。實(shí)際的處理要比較換色時(shí)間和前后距離所需的時(shí)間(距離除以鏈速)的大小，取二者的較大值。有時(shí)為了縮短換色時(shí)間，采取換色時(shí)空車位的做法也是可以的，但要通過(guò)計(jì)算確保此時(shí)所需的時(shí)間相對(duì)更少。

為了提高涂料利用率及保證安全性，車身要良好接地，以免發(fā)生靜電現(xiàn)象引發(fā)事故。一般要求接地R＜1MΩ［5］，用專用搖表進(jìn)行測(cè)量。

1.3 示教過(guò)程控制

示教過(guò)程控制首先做仿行，也就是機(jī)器人噴涂時(shí)的運(yùn)行軌跡，MOTOMAN-EPX2700機(jī)器人支持?jǐn)?shù)字模擬技術(shù)以進(jìn)行離線示教。仿行的原則是保持噴涂距離、旋杯與被噴涂區(qū)域成直角、噴幅與搭接恒定。噴涂距離過(guò)遠(yuǎn)，涂料利用率低［6］，容易形成霧漆;過(guò)近，容易產(chǎn)生靜電，出現(xiàn)安全隱患。一般噴涂距離選擇20cm比較適宜。噴幅也是影響仿行的因素，它主要通過(guò)膜厚的變化影響顏色，噴幅及搭接要恒定，以保證膜厚均勻。一般搭接寬度為1/2～3/4時(shí)較為理想。搭接寬度為1/2時(shí)，相當(dāng)于同一區(qū)域噴涂2次，搭接寬度為2/3及3/4時(shí)，同一區(qū)域分別噴涂3次、4次，噴涂次數(shù)較多時(shí)，膜厚的穩(wěn)定性越好，但噴涂效率及涂料利用率下降。根據(jù)實(shí)際情況，遮蓋力較差且容易受膜厚影響的顏色搭接寬度為2/3或3/4較適宜。當(dāng)旋杯噴涂的精度為1μm時(shí)，通過(guò)膜厚測(cè)定(同一示教程序在A4的試板上噴涂20μm，20個(gè)測(cè)量點(diǎn))，δ可達(dá)到3μm。而黑色等遮蓋力好且不易受膜厚影響的顏色搭接寬度在1/2時(shí)即可滿足要求(不超過(guò)4μm)。因此，選擇搭接寬度與顏色有關(guān)。對(duì)于中涂及清漆，由于搭接寬度對(duì)顏色影響很小，選擇1/2、2/3及3/4均可。噴幅一般在300～400mm，噴幅與旋杯型號(hào)、旋杯吐出量、旋杯轉(zhuǎn)速和噴涂距離等有關(guān)，具體要求噴幅恒定，膜厚穩(wěn)定即可。實(shí)際測(cè)量時(shí)可采用試板，將噴涂距離等參數(shù)調(diào)整到相應(yīng)數(shù)值，噴涂一定時(shí)間(接近所需要的厚度，如所需厚度為20μm，搭接寬度為1/2時(shí)，則噴涂厚度為10μm左右)，觀察留下漆膜的形狀是否規(guī)則(應(yīng)為橢圓形)，漆膜固化后測(cè)量膜厚是否達(dá)到了旋杯本身的精度。

旋杯的吐出量一般在0～500mL/min，大的旋杯吐出量可到700mL/min以上。為了保證霧化效果，減少誤差，實(shí)際噴涂顏色比較敏感的色漆時(shí)(包括銀色等對(duì)鋁粉排列敏感的顏色)應(yīng)避免采用400mL/min以上的流量。流量可結(jié)合實(shí)際測(cè)定的膜厚進(jìn)行微調(diào)。

旋杯轉(zhuǎn)速在噴涂時(shí)一般在20～40kr/min。

靜電電壓在60～90kV范圍內(nèi)可調(diào)，與涂料的電阻有關(guān)，且影響到安全性。靜電電壓與涂料利用率成正比，靜電電壓過(guò)高可能產(chǎn)生電弧放電，造成安全隱患或事故，溶劑型涂料噴涂時(shí)靜電電壓不宜超過(guò)90kV。

成型空氣壓力0.15MPa。與吐出量和旋杯的關(guān)系密切，一般根據(jù)旋杯要求確定。

2 應(yīng)用

以某款車型的星光銀色示教為例。

確定膜厚要求，工程遮蓋力δ為14μm。根據(jù)涂裝表面質(zhì)量的影響程度，把車身表面劃分區(qū)域，一般分為A、B、C、D和E共五個(gè)區(qū)域，其中A區(qū)指影響外觀最明顯的區(qū)域;B區(qū)是影響外觀比較明顯的區(qū)域，膜厚δ為14～20μm，且越接近14μm越好;色差要求目視與色板一致，△E≤2且△L≤1.5(△E為兩個(gè)點(diǎn)的空間距離，即色度值之間的色差，△L為明度差異)。相應(yīng)的噴涂工藝參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 噴涂工藝參數(shù)

根據(jù)表1參數(shù)和要求，采用DOE(Design Of Experiments，一種安排實(shí)驗(yàn)和分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行合理安排，以較少的實(shí)驗(yàn)次數(shù)，較短的實(shí)驗(yàn)周期和較低的實(shí)驗(yàn)成本，得到理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及科學(xué)的實(shí)驗(yàn)結(jié)論)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)目標(biāo)為膜厚得分不低于6分;色差得分不低于10分，色差儀為愛(ài)色麗五角度MA68Ⅱ型，評(píng)分表見(jiàn)表2。

表2 產(chǎn)品量化評(píng)分表

將在整個(gè)噴涂系統(tǒng)中不能調(diào)整的參數(shù)作為定量，如噴漆室溫度、噴漆室相對(duì)濕度、搭接寬度、涂料溫度、垂直平均風(fēng)速、涂料施工粘度及噴幅;將吐出量、旋杯轉(zhuǎn)速、靜電電壓和槍速作為變量(吐出量以膜厚為準(zhǔn)，用公式計(jì)算得出并進(jìn)行微調(diào))。將色差和膜厚作為產(chǎn)品要求的主要指標(biāo)。變量參數(shù)列于表3中。

表3 水平-因子矩陣

在樣件上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分為水平和垂直兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)，選用L9(34)正交試驗(yàn)表進(jìn)行，共9組，每組2個(gè)實(shí)驗(yàn)(水平、垂直各1個(gè))，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4和表5。

表4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果(水平)

表5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果(垂直)

結(jié)果表明，水平和垂直情況下，因子的重要程度均為旋杯轉(zhuǎn)速﹥槍速﹥靜電電壓。較好的水平為旋杯轉(zhuǎn)速25～30kr/min，槍速800mm/s，靜電電壓70～80kV(實(shí)驗(yàn)中的第5組)。在選定的范圍內(nèi)，除第一組實(shí)驗(yàn)未達(dá)到要求外，8組均達(dá)到要求，證明按照此示教程序能夠較好的控制色差，示教過(guò)程比較簡(jiǎn)單，還可預(yù)先進(jìn)行離線示教，然后在調(diào)試時(shí)進(jìn)行微調(diào)，縮短調(diào)試周期7～15d。

3 結(jié)語(yǔ)

機(jī)器人的示教與涂裝工藝是漆膜質(zhì)量的有力保證，科學(xué)合理的示教過(guò)程在很大程度上提高了漆膜厚度及色差的均勻性，示教工作不僅是理論的知識(shí)，更重要的是在實(shí)際調(diào)試過(guò)程中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)領(lǐng)悟其中的變化規(guī)律，從調(diào)試過(guò)程中找到最合適的工藝。

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