噴涂機(jī)器人系統(tǒng)新型停止閥應(yīng)用研究

張文群， 魏紅亮， 王芝建

(1.合肥通用職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 安徽 合肥 230031;2.安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司， 安徽 合肥 230601)

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噴涂機(jī)器人系統(tǒng)新型停止閥應(yīng)用研究

張文群1， 魏紅亮2， 王芝建2

(1.合肥通用職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 安徽 合肥 230031;2.安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司， 安徽 合肥 230601)

利用流體密度與縫隙壓力差的流體關(guān)系設(shè)計(jì)了停止閥閥門的三種狀態(tài)：一種由流體密度決定的自由狀態(tài)，兩種控制系統(tǒng)產(chǎn)生的強(qiáng)制狀態(tài)。自由狀態(tài)的停止閥容許溶劑及脈沖空氣的通過而阻止油漆涂料通過，實(shí)現(xiàn)了涂料的充分利用。

回流停止閥； 控制空氣； 清洗； 預(yù)注； 噴涂

0 引 言

隨著汽車市場(chǎng)的激烈競(jìng)爭(zhēng)，為降低生產(chǎn)成本，提升工藝質(zhì)量，噴涂機(jī)器人在汽車制造行業(yè)應(yīng)用越來越多[1-2]。噴涂機(jī)器人工藝系統(tǒng)在自動(dòng)切換不同顏色涂料準(zhǔn)備噴涂前，都要自動(dòng)清洗工藝管路及閥組，然后預(yù)注涂料，以便及時(shí)噴涂。噴涂機(jī)器人傳統(tǒng)的自動(dòng)預(yù)注油漆涂料技術(shù)是：清洗完成后,控制系統(tǒng)控制相應(yīng)閥組延時(shí)關(guān)閉，多排放點(diǎn)油漆涂料，以確保相關(guān)閥組及管路中不殘留溶劑而充滿油漆(殘留溶劑會(huì)破壞車身噴涂質(zhì)量)。對(duì)于年產(chǎn)10萬臺(tái)以上整車的汽車制造廠而言，噴涂工藝系統(tǒng)在每臺(tái)車上的一點(diǎn)點(diǎn)涂料浪費(fèi)，長(zhǎng)期下來浪費(fèi)的質(zhì)量成本也是不可估算的。文中所述回流停止閥技術(shù)在噴涂機(jī)器人工藝系統(tǒng)中的應(yīng)用,減少了涂料浪費(fèi)，保證了工藝質(zhì)量，近幾年在安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司幾個(gè)整車項(xiàng)目上得以應(yīng)用，效果非常好。

1 噴涂機(jī)器人工藝系統(tǒng)原理

噴涂機(jī)器人工藝系統(tǒng)主要由換色閥、涂料調(diào)壓器、計(jì)量泵、霧化器等總成構(gòu)成，如圖1所示。

1.換色閥； 2.涂料調(diào)壓器； 3.計(jì)量泵； 4.霧化器

圖中部件按涂料工藝走向示意分布[3],不同顏色的涂料從車間輸調(diào)漆系統(tǒng)供給機(jī)器人噴涂系統(tǒng)的換色閥，機(jī)器人控制系統(tǒng)通過控制空氣控制換色閥某一通道顏色涂料接通；該涂料流經(jīng)涂料調(diào)壓器，并被機(jī)器人工藝控制系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)壓到工藝給定壓力；經(jīng)過調(diào)壓的涂料被輸送給計(jì)量泵，控制系統(tǒng)控制計(jì)量泵的涂料流量，使之符合受噴面的涂料流量工藝參數(shù)要求；最后，涂料流入機(jī)器人末端的霧化器總成。

霧化器總成[3]是噴涂機(jī)器人工藝系統(tǒng)里最關(guān)鍵的總成，主要包含閥組、空氣馬達(dá)及能高速旋轉(zhuǎn)的旋杯等，結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

1.主針閥； 2.回流停止閥； 3.空氣馬達(dá)； 4.主針及漆液管

閥組主要包含主針閥、清洗閥及停止閥等，其主要功能是控制涂料、清洗溶劑或清洗脈沖空氣的二位通斷或半通斷；空氣馬達(dá)的作用主要是帶動(dòng)旋杯高速旋轉(zhuǎn)；旋杯主要功能是產(chǎn)生錐狀漆霧。

2 新型回流停止閥結(jié)構(gòu)原理

文中所述停止閥主要包含閥本體、活塞復(fù)位彈簧、清洗控制彈簧、預(yù)注涂料彈簧、停止閥活塞、閥膜片、錐狀閥門及閥門座等，結(jié)構(gòu)原理示意圖如圖3所示。

1.活塞； 2.活塞復(fù)位彈簧； 3.預(yù)注涂料彈簧； 4.清洗控制彈簧；5.停止閥主出口； 6.閥膜片； 7.錐狀閥門； 8.清洗位控制空氣；9.噴涂位控制空氣； 10.停止閥主入口

該停止閥閥門有3種位置狀態(tài)，一種由流體密度間接決定的自由狀態(tài)，兩種由噴涂機(jī)器人控制系統(tǒng)產(chǎn)生的強(qiáng)制狀態(tài)。在自由狀態(tài)下，清洗控制彈簧的彈力大于活塞復(fù)位彈簧彈力，但該彈簧屬于活塞總成，故在復(fù)位彈簧作用下，活塞組件向閥體主入口方向移動(dòng)直達(dá)閥體限制位。自由狀態(tài)下，若流經(jīng)的流體由于密度不夠大，導(dǎo)致流體對(duì)閥門的壓力不夠大，活塞組件中的閥門在預(yù)注涂料彈簧作用下，錐狀閥門與閥門座分離產(chǎn)生錐形環(huán)狀縫隙。

3 新型回流停止閥數(shù)學(xué)模型

圖3停止閥的錐狀閥門受力示意圖如圖4所示。

圖4 停止閥閥門受力示意圖

由于錐狀閥門部件比較小，采用輕質(zhì)材料，其重力在力的分析中可忽略不計(jì)；為進(jìn)一步簡(jiǎn)化研究對(duì)象的受力分析，不考慮活動(dòng)部件的摩擦力及制造誤差對(duì)數(shù)學(xué)模型的影響[4]。通常機(jī)器人噴涂系統(tǒng)溶劑密度為0.8×103kg/m3左右，油漆密度在1.0×103kg/m3以上[5]。

流體在停止閥錐狀環(huán)形縫隙作連續(xù)流動(dòng)，有流量連續(xù)性方程[6]：

q=vA=v1A1=v2A2=常數(shù)

式中： q----流量，m3/s；

v，v1，v2----流速，m/s；

A----通流截面面積，m2；

A1----停止閥圖2所示的閥門主入口側(cè)的圓盤面積，m2；

A2----最小環(huán)狀縫隙面積，m2。

由圖可知，A1>A2。故

由實(shí)際流體的伯努利方程[6]

式中: p1,p2----壓力，Pa；

v1,v2----流速，m/s；

g----重力加速度，m/s2；

ρ----密度，kg/m3；

h1,h2----液位高度(m),由于停止閥的h1，h2基本處于同一高度，故取值為0；

α1,α2----動(dòng)能修正系數(shù)，停止閥閥門結(jié)構(gòu)決定了流體為紊流狀態(tài)，故取值為1；

hw----能耗折算高度。

即有

由式(2)和式(4)可知，p1>p2，故有

式中:Δp----壓力差，Pa。

根據(jù)局部壓力損失公式

式中: ξ----局部阻力系數(shù)；

Amin----錐狀環(huán)形縫隙的最小截面積，m2。

式(6)表明,在閥體結(jié)構(gòu)確定的情況下，流量q一定時(shí)，Δp與ρ近似成正比。又因?yàn)殄F狀閥門右端的空腔通過回流管路與回收裝置直通(見圖2)，可以近似地認(rèn)為p2為0。根據(jù)式(5)和式(6)，有

對(duì)圖2的閥門進(jìn)行水平方向受力分析,若閥門處于半開預(yù)注平衡狀態(tài)，可近似地認(rèn)為[7]

式中:F----預(yù)注涂料彈簧彈力，N。

根據(jù)式(7)和式(8)，錐狀閥門在運(yùn)動(dòng)方向上的受力數(shù)學(xué)模型如下：

當(dāng)流體密度比較大時(shí)，有

根據(jù)式(10)，圖2的錐狀閥門會(huì)向右移動(dòng)，直到閥門錐面與停止閥錐狀閥座接觸，閥門達(dá)到一個(gè)新的受力平衡狀態(tài)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)關(guān)閉閥門間隙的作用。

4 新型回流停止閥應(yīng)用

停止閥安裝在霧化器總成的主針閥回流管路中，故又叫回流閥。通過回流閥，清洗溶劑、脈沖空氣或油漆涂料在噴涂機(jī)器人霧化器系統(tǒng)中的涂料供給管路、涂料漆液管及回流管路中形成前向通路(見圖4)。在清洗相關(guān)管路時(shí)，不再需要的漆液和溶劑將通過回流管排出或回收?；亓魍Ｖ归y的應(yīng)用有3種工作模式：溶劑清洗吹干模式、預(yù)注涂料模式及噴涂模式。溶劑清洗吹干模式如圖5所示。

圖5 溶劑清洗吹干模式

在圖5清洗模式下，噴涂機(jī)器人控制系統(tǒng)控制機(jī)器人閥島，0.6MPa的清洗控制空氣注入停止閥。在清洗控制空氣壓力作用下，停止閥的活塞向下運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)停止閥的錐狀閥門強(qiáng)制打開，錐狀閥門與錐狀間的間隙最大，清洗溶劑或脈沖空氣便能通過圖4所示的漆液管流入停止閥，并通過停止閥得以排放或回收，從而實(shí)現(xiàn)霧化器總成工藝管路的清洗。

清洗模式完成后，若噴涂機(jī)器人繼續(xù)噴涂，下一步便是涂料預(yù)注模式。在該模式下，噴涂機(jī)器人控制系統(tǒng)不產(chǎn)生控制空氣，停止閥的活塞在活塞復(fù)位彈簧及清洗控制彈簧的共同作用下自行進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。在油漆涂料沒有充分作用到停止閥的閥門并產(chǎn)生足夠壓力時(shí)，停止閥的閥門受力可根據(jù)式(9)計(jì)算，其錐狀閥面與錐狀閥座間有約2mm的間隙，這為油漆涂料的預(yù)注開辟了回流通路，如圖6所示。

在預(yù)注模式階段，由于油漆密度比較大，根據(jù)停止閥的閥門受力數(shù)學(xué)模型公式(10)，油漆對(duì)閥門的壓力大于預(yù)注彈簧的彈力，停止閥的閥門會(huì)被觸發(fā)并自動(dòng)關(guān)閉。停止閥的閥門關(guān)閉后就不會(huì)再有油漆涂料通過停止閥及回流管路排放，如圖7所示。

圖7 涂料預(yù)注模式過程二

在噴涂模式下，噴涂機(jī)器人控制系統(tǒng)控制閥島，0.6MPa的噴涂控制空氣進(jìn)入停止閥，如圖8所示。

在噴涂控制空氣壓力作用下，停止閥的活塞向上運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)停止閥的錐狀閥門強(qiáng)制關(guān)閉；隨后機(jī)器人噴涂控制系統(tǒng)打開主針閥，油漆涂料便流向高速旋轉(zhuǎn)的旋杯。這樣實(shí)現(xiàn)了溶劑或脈沖空氣與油漆涂料穩(wěn)定隔離，保證了霧化器總成有效噴涂。

圖8 噴涂模式

在回流停止閥的應(yīng)用中，清洗模式下強(qiáng)制打開閥門時(shí)，閥門間隙最大，增大通流面積，降低閥門回油背壓；預(yù)注模式下，錐狀環(huán)形間隙比較小，通流面積梯度比較小，可以改善錐形閥門的微控性能[8]，直到閥門縫隙穩(wěn)定地關(guān)閉；噴涂模式下，控制空氣強(qiáng)化閥門的關(guān)閉，從而確保溶劑與油漆涂料的安全隔離。

5 結(jié) 語

新型回流停止閥設(shè)計(jì)非常巧妙、經(jīng)濟(jì)實(shí)用，利用流體密度特性自動(dòng)關(guān)閉回流通道，其在噴涂機(jī)器人系統(tǒng)霧化器回流工藝管路中的應(yīng)用是一種新型的噴涂機(jī)器人工藝技術(shù)。該工藝技術(shù)最近幾年才研究出來，對(duì)噴涂工藝來說意義重大，能減少油漆涂料排放導(dǎo)致的環(huán)境污染和油漆涂料的浪費(fèi)，在噴涂機(jī)器人系統(tǒng)值得推廣應(yīng)用，甚至可以推廣到其它噴涂系統(tǒng)或流體控制系統(tǒng)。

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New style stop-valve application research in painting robot system

ZHANG Wenqun1， WEI Hongliang2， WANG Zhijian2

(1.Hefei Institute of General Professional Technology, Hefei 230031， China;2.Anhui Jianghuai Automobile Group Corp. Ltd., Hefei 230601, China)

By applying relationship between fluid density and gap-pressure difference in hydrodynamics, we design three states for the stop-valve. One is the free state decided by fluid density, and the other two are the forced states. In the free status, solvent &pulse-air can pass through the stop-valve but paint materials are blocked. So, the paint materials are economically used.

backflow stop-valve; control air; cleaning; preloading; painting.

2017-02-15

安徽省質(zhì)量工程項(xiàng)目(2013tszy078， 2014jxtd082)

張文群(1973-)，女，漢族，安徽霍邱人，合肥通用職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，碩士，主要從事機(jī)械制造及液壓方向研究,E-mail:374758184@qq.com.

10.15923/j.cnki.cn22-1382/t.2017.2.17

TH 137

A

1674-1374(2017)02-0194-04