“都林”機(jī)器人內(nèi)板連續(xù)式噴涂技術(shù)應(yīng)用淺析

岳金良，肖永超，唐 鵬

（長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）

0 引言

近年來，我國汽車制造業(yè)取得了飛速的發(fā)展，涂裝又是在制造業(yè)中比較重要的工藝環(huán)節(jié)之一，進(jìn)而也取得了長足的進(jìn)步；其中尤為凸顯的機(jī)器人在噴涂的高效性、質(zhì)量及運(yùn)營成本方面也取得了較大突破。該過程中便出現(xiàn)了機(jī)器人自動噴涂內(nèi)板技術(shù)，就目前行業(yè)應(yīng)用情況來看，都林公司推廣時間較早，應(yīng)用工廠較多，技術(shù)已經(jīng)較為成熟。下文將結(jié)合新建工廠實際應(yīng)用經(jīng)驗對機(jī)器人自動噴涂內(nèi)板技術(shù)進(jìn)行分析和研討。

1 “都林”機(jī)器人內(nèi)板噴涂技術(shù)

1.1 內(nèi)板噴涂方式

目前行業(yè)內(nèi)板噴涂基于輸送設(shè)置的不同主要有兩種方式：一種是車身在噴涂區(qū)域按照既定節(jié)拍前進(jìn)，機(jī)器人跟蹤車身位置并開門、開蓋噴涂，稱為連續(xù)式輸送噴涂；另一種是車身進(jìn)入噴涂區(qū)域后停止，開門、開蓋機(jī)器人將五門一蓋打開后，噴涂機(jī)器人對靜止的車身進(jìn)行作業(yè)，稱為走停式噴涂，這兩種噴涂方式的優(yōu)缺點(diǎn)如表1 所示。

表1 連續(xù)式與走停式噴涂方式優(yōu)缺點(diǎn)對比Table 1 Comparison of the advantages and disadvantages between continuous and stop-and-go spraying method

從表1 中可看出，二者各有優(yōu)缺點(diǎn)，采用連續(xù)式噴涂的最大優(yōu)點(diǎn)是噴漆室長度短，后期運(yùn)行風(fēng)量小、節(jié)能、運(yùn)行成本低，同時沒有高速搬運(yùn)的時間損失，節(jié)拍內(nèi)工作時間機(jī)器人更能有效、全面應(yīng)用；采用走停式噴涂的最大優(yōu)點(diǎn)是車身靜止噴涂，簡單易操作，管控方便。內(nèi)板連續(xù)式噴涂調(diào)試雖然較為復(fù)雜，但基于成本與品質(zhì)的綜合考慮，其仍是工廠的首選。

1.2 內(nèi)板站機(jī)器人布局

因采用內(nèi)板連續(xù)式噴涂，面涂線體設(shè)計一般較為緊湊，需要在有限的空間內(nèi)合理布局機(jī)器人并保證內(nèi)板漆膜質(zhì)量；內(nèi)板站主要有噴涂機(jī)器人、開門機(jī)器人和開蓋機(jī)器人；噴涂機(jī)器人設(shè)置為高位導(dǎo)軌，即懸掛于軌道上，開門、開蓋機(jī)器人設(shè)置在地面導(dǎo)軌，如圖1 所示。

圖1 連續(xù)式噴涂機(jī)器人布局Figure 1 Robot layout of continuous spraying

高位導(dǎo)軌方式提高了機(jī)器人噴涂的可操控范圍，降低了噴涂機(jī)器人對機(jī)運(yùn)設(shè)備的依賴性，且采用軌道方式比固定式更易于在線跟蹤，噴涂空間利用率更高；同時高位軌道噴涂機(jī)器人較固定式或地面導(dǎo)軌機(jī)器人，可以減少噴涂過程中對本體的漆霧附著，降低車身噴涂缺陷，延長機(jī)器人保潔頻次。但需要注意的是，噴涂機(jī)器人裝置于高位導(dǎo)軌上，前期應(yīng)合理設(shè)計機(jī)器人、導(dǎo)軌、噴漆室三者綜合的穩(wěn)定性，合理設(shè)置、核算機(jī)器人立柱數(shù)量及間距，防止內(nèi)噴機(jī)器人立柱間距相對較大，噴涂時產(chǎn)生較為嚴(yán)重的震動，長期運(yùn)行存在安全隱患以及影響噴涂質(zhì)量。

噴涂機(jī)器人數(shù)量的設(shè)置需要根據(jù)生產(chǎn)節(jié)拍及膜厚進(jìn)行確定，以保證在生產(chǎn)節(jié)拍內(nèi)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的膜厚要求。

1.3 機(jī)器人霧化器及旋杯配置

都林機(jī)器人內(nèi)板霧化器既可內(nèi)置電極噴涂又可不帶電噴涂，以車門內(nèi)板結(jié)構(gòu)為例對比噴涂狀態(tài)，如圖2、圖3 所示。通過噴涂效果圖對比可以發(fā)現(xiàn)，內(nèi)板加電噴涂，邊緣效應(yīng)效果好，同時能夠減少噴涂軌跡，即不浪費(fèi)噴涂時間，噴幅內(nèi)的上漆率非常好，但基于成本角度考慮的話，內(nèi)加電機(jī)器人是明顯要高于不加電的。

圖2 不加電效果圖Figure 2 Effect map without electrospray

圖3 加電效果圖Figure 3 Effect map with electrospray

所以新工廠機(jī)器人霧化器配置方面需要結(jié)合成本、品質(zhì)進(jìn)行綜合考慮，對水性B1B2 工藝來講，通常采用色漆內(nèi)板不帶電噴涂，即霧化器不配置內(nèi)置電極，清漆采用高壓靜電噴涂的方案，其原因如下：

（1） 色漆內(nèi)板膜厚要求較低，一般控制為10～15 μm，只需起到顏色遮蓋作用，不加電通過噴涂參數(shù)控制也可以達(dá)到要求，同時降低機(jī)器人設(shè)備成本；

（2） 清漆現(xiàn)階段一般皆使用2K 溶劑型清漆，主要是提高外觀的飽滿度及亮度，內(nèi)板膜厚基本控制為20～30 μm，而涂料固含量在46%～50%之間，所以在高膜厚低固體分的情況下需要采用內(nèi)加電的方式達(dá)到噴涂標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.3.1 旋杯

因內(nèi)板噴涂局限性及特殊性，其噴涂參數(shù)常設(shè)置為低轉(zhuǎn)速低吐出量。而使用小杯徑的旋杯可以實現(xiàn)涂料的高效霧化，并且可保證內(nèi)板結(jié)構(gòu)復(fù)雜的部位的上漆，防止虛噴弊病的發(fā)生，“都林”一般選用PPH707空氣旋杯，EC50NW 的杯頭，即杯徑為50 mm，同時杯頭具有磁性防掉落和遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，可以監(jiān)控杯頭是否安裝及其轉(zhuǎn)速，與安全信號聯(lián)鎖，實現(xiàn)報警。

1.3.2 成型空氣

“都林”霧化器的成型空氣分為vortex（斜吹）和straight（直吹）兩路，其中vortex 空氣可以防止成型空氣飛散，straight 空氣可以收縮扇幅，二者通過比例調(diào)節(jié)閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，兩種成型空氣孔數(shù)量相同。采用雙環(huán)成型空氣，主要作用是限制漆霧扇面的大小，如圖4 所示，其扇幅控制優(yōu)于單環(huán)成型空氣，針對內(nèi)板結(jié)構(gòu)復(fù)雜部位，噴涂質(zhì)量更有保障。

圖4 雙成型空氣效果圖Figure 4 The effect map of double molding air

1.3.3 噴涂TCP 速度

機(jī)器人噴涂TCP 速度與該工位所噴涂的車型面積、噴涂時的重疊率、生產(chǎn)節(jié)拍、噴涂寬度，以及機(jī)器人的使用效率有關(guān)；“都林”機(jī)器人噴幅重疊率為66%，機(jī)器人的使用效率在70%～80%之間，一般情況下，內(nèi)板機(jī)器人采用空氣杯噴涂時，噴涂TCP速度＜900 mm/s；采用靜電噴涂時，噴涂TCP 速度＜700 mm/s。

1.3.4 車身輔具設(shè)計與應(yīng)用

前機(jī)蓋輔具：輔具前端設(shè)置矩形框，尺寸為100 mm×100 mm，方向為水平，開蓋機(jī)器人可通過其前端鉤子將機(jī)蓋掀起，如圖5 所示。前門、后門輔具：一般采用磁鐵輔具，如圖6 所示。磁鐵需要滿足耐高溫（160 ℃）的試驗，保持磁性，在磁鐵周圍增加保護(hù)套，使保護(hù)套高出磁鐵1～2 mm，保證吸合力的同時，避免磁鐵同車門內(nèi)板直接接觸，防止磕碰漆問題。該輔具結(jié)構(gòu)簡單且易安裝，開門機(jī)器人可通過一定力矩將車門打開和關(guān)閉。

圖5 機(jī)蓋輔具Figure 5 The assistive device of cover

圖6 前、后門輔具Figure 6 The assistive device of front and rear door

1.3.5 內(nèi)板機(jī)器人仿形設(shè)計

（1） 軌跡設(shè)計制作基礎(chǔ)

“都林”機(jī)器人編程軟件分為離線編程MOTOSIM EG和在線修改軟件Paint Studio，在前期使用MOTOSIM EG 進(jìn)行仿形離線制作，后期生產(chǎn)過程中使用Paint Studio 進(jìn)行在線噴涂參數(shù)和簡單仿形修改操作。實車示教之前都會采用離線仿形軌跡設(shè)計及仿真。以都林“MOTOSIM-VRC”設(shè)計軟件為例，在進(jìn)行軌跡制作前，首先做的就是軟件內(nèi)的機(jī)器人與車身數(shù)模固定：即首先需要添加應(yīng)用機(jī)器人、噴槍、設(shè)置噴幅尺寸、添加數(shù)模調(diào)整相對位置以及創(chuàng)建噴涂程序；然后做的是傳送帶同步噴涂設(shè)置，即添加傳送帶同步基板，最后則是程序設(shè)置、仿真及示教。

程序設(shè)計主要命令即是插補(bǔ)命令，“都林”機(jī)器人軌跡由插補(bǔ)方法決定在各程序點(diǎn)間以何種軌跡移動，在各程序點(diǎn)間的移動速度即為再現(xiàn)速度。主要使用的是關(guān)節(jié)插補(bǔ)MOVJ、直線插補(bǔ)MOVL 與圓弧插補(bǔ)MOVC，與機(jī)運(yùn)聯(lián)動在命令前添加SY，即聯(lián)動程序編寫主要為SYMOVL，SYMOVJ 等。

示例如下：

0001 MOVJ，VJ=20，機(jī)器人按最大速度的20%移動到等待點(diǎn)位置；

0002 SYSTART，CV#（1）STP=1.000，機(jī)器人同步跟隨機(jī)運(yùn)開始；

0003 SYMOVJ，VJ=50 CV#（1）CTP=50.000，機(jī)運(yùn)到達(dá)50 mm 位置，機(jī)器人同步跟隨進(jìn)行作業(yè)；

0004 SYMOVL，V=500 CV#（1）CTP=50.000，同步跟隨噴涂，速度500 mm/s；

STP 數(shù)值必須小于CTP，STP 為跟隨開始信號，CTP 為機(jī)運(yùn)觸發(fā)信號。

（2） 開門、開蓋機(jī)器人

開門機(jī)器人為坐落于地面軌道的三軸機(jī)器人（S、L、U 軸），其前端配有專用開門工具，用于開關(guān)車門，車門須被打開至最大角度，一般為60°～80°之間，其開門工具采用可旋轉(zhuǎn)的卡接裝置，卡接裝置下有8 個觸接卡頭，如圖7 所示，有效保證開門；機(jī)蓋開度為70°～90°之間，并且要穩(wěn)固。開蓋機(jī)器人為六軸機(jī)器人，前端設(shè)置矩形鉤（如圖8 所示），機(jī)蓋同樣需被打開至最大角度，以便于提供噴涂機(jī)器人的運(yùn)行空間。確認(rèn)好開門、開蓋位置后可以貼條作為比標(biāo)記，內(nèi)板噴涂程序是需要經(jīng)過多次優(yōu)化的，過程中需要注意防止車身精度及輸送等問題導(dǎo)致的開門位置出現(xiàn)偏差。

開門過程中，機(jī)器人向PLC 發(fā)送持續(xù)的檢測信號，確認(rèn)開門器抓車門到位。內(nèi)部設(shè)有檢測開關(guān)，當(dāng)門抓取到位后，檢測開關(guān)信號為“ON”，如開門過程中此信號中斷，機(jī)器人急停報警。

圖7 開門機(jī)器人卡接裝置Figure 7 Door-opening robot latching device

圖8 開蓋機(jī)器人卡鉤Figure 8 Opening robot hook

（3） 噴涂機(jī)器人軌跡

內(nèi)板機(jī)器人不同于外板采用規(guī)則的水平往復(fù)或垂直往復(fù)運(yùn)動軌跡，其軌跡是基于車身內(nèi)板復(fù)雜結(jié)構(gòu)形成的多線條、多重疊的無規(guī)則運(yùn)動軌跡，其目的主要是保證顏色的遮蓋，所以內(nèi)板仿形的復(fù)雜程度較高，其仿形軌跡需要離線制作并結(jié)合實車進(jìn)行對點(diǎn)示教。軌跡設(shè)計過程中，首先要確保離線數(shù)模的數(shù)據(jù)與實車的數(shù)據(jù)保持一致；其次，增加路徑點(diǎn)形成軌跡線的同時要考慮該噴涂扇幅能否完全覆蓋此結(jié)構(gòu)，否則仍需增加噴涂軌跡線。相對機(jī)蓋內(nèi)板等平整區(qū)域可以貼條作為示教基礎(chǔ)并確認(rèn)重疊率是否滿足要求，圖9 為連續(xù)式噴涂內(nèi)板噴涂軌跡圖。

圖9 內(nèi)板噴涂軌跡Figure 9 The spray path of inner plate

內(nèi)板軌跡注意點(diǎn)：

① 由于內(nèi)板空間狹小，霧化器轉(zhuǎn)角時要注意機(jī)器人R、B、T 軸手臂與車身內(nèi)板結(jié)構(gòu)之間保持安全距離；

② 內(nèi)板軌跡噴涂節(jié)距一般為60～70 mm，鉸鏈以及中立柱等不易噴涂位置，需要多走幾遍軌跡，噴涂流量設(shè)定需要偏低一些，即小吐出量多軌跡重疊噴涂；針對內(nèi)凹外凸差別較大的區(qū)域，可以設(shè)置單獨(dú)的刷子號以及單獨(dú)開關(guān)槍處理；

③ 因外板噴涂霧漆導(dǎo)致的B柱上部陰陽面問題，可以通過在內(nèi)板站增加B 柱外板軌跡，即噴完機(jī)艙后噴涂B 柱外板面然后再噴涂B 柱內(nèi)表面解決；

④ 針對噴涂部位不連續(xù)且需要跨越跳轉(zhuǎn)的區(qū)域，可單獨(dú)設(shè)置空噴軌跡進(jìn)行有效過渡，該過程中注意機(jī)器人運(yùn)行的舒適性及便利性。

2 機(jī)器人設(shè)備調(diào)試要點(diǎn)

2.1 內(nèi)板機(jī)器人IO 空氣檢測

設(shè)備安裝完成后需針對機(jī)器人IO 空氣進(jìn)行重點(diǎn)檢測，關(guān)注管路連接的準(zhǔn)確性及與電控信號傳遞的準(zhǔn)確性，同時判斷機(jī)器人功能是否具備。主要控制以下幾項：成型空氣、渦輪驅(qū)動空氣、NANO 閥空氣、AOPR 空氣管、渦輪剎車空氣管、軸承空氣管、麥克風(fēng)空氣管等。

2.2 設(shè)置軟極限、防錯

調(diào)整機(jī)器人各軸（主要是S、L、U 三軸）的脈沖極限設(shè)定，防止機(jī)器人與壁板等建筑物的干涉碰撞，當(dāng)超出脈沖設(shè)定范圍時，機(jī)器人急停報警。

2.3 機(jī)器人示教過程確認(rèn)

示教過程中，注意在滿足噴涂位置及角度的同時，盡量拉大機(jī)器人與周邊干涉物的距離。

2.4 聯(lián)動、防錯設(shè)置

（1） 干涉信號設(shè)置

噴涂機(jī)器人與開門機(jī)器人間開關(guān)門均設(shè)定干涉信號。開門機(jī)器人開門OK，噴涂機(jī)器人方能進(jìn)入內(nèi)噴區(qū)域。噴涂機(jī)器人作業(yè)完成到達(dá)安全區(qū)域，開門機(jī)器人執(zhí)行關(guān)門動作。

（2） 噴涂過程中，機(jī)器人同步跟蹤的保證通過編碼器采集的脈沖信號通過脈沖控制模塊不停地向PLC 輸出脈沖數(shù)據(jù)，PLC 根據(jù)接收到的脈沖數(shù)據(jù)，與設(shè)定值進(jìn)行對比，如出現(xiàn)偏差即產(chǎn)生報警，PLC 向機(jī)器人輸出急停信號，機(jī)器人立即停止工作。

（3） 滑橇檢測

沿輸送鏈方向上設(shè)置檢測開關(guān)，對滑橇位置進(jìn)行檢測，當(dāng)檢測數(shù)據(jù)與編碼器脈沖信號發(fā)生偏差時產(chǎn)生報警，機(jī)運(yùn)與機(jī)器人立即停止工作。

3 工藝調(diào)試要點(diǎn)

3.1 噴涂距離

噴漆機(jī)器人霧化器與車身內(nèi)板間的距離較短，一般為100～180 mm，明顯較外板噴涂距離短，其原因主要有以下兩點(diǎn)：

（1） 便于增加機(jī)器人R、B、T 軸的活動空間，減免因空間有限導(dǎo)致的磕碰及機(jī)器人姿態(tài)的極限報警；

（2） 針對復(fù)雜部位提高霧漆效果，在相同流量、轉(zhuǎn)速、TCP 的情況下，噴涂距離在合理范圍之內(nèi)偏下限，可以提高車身結(jié)構(gòu)復(fù)雜區(qū)域的霧漆效果。

3.2 電壓

電壓的設(shè)置直接影響涂料的上漆率以及膜厚的均勻性。色漆內(nèi)板不必上電也可達(dá)到膜厚及顏色遮蓋作用，所以目前一般工廠只有2K 清漆采用內(nèi)置電極霧化器進(jìn)行帶電噴涂；因為內(nèi)板結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且邊緣位置較多，內(nèi)板電壓設(shè)置不能同外板電壓設(shè)置，一般電壓設(shè)置為10～40 kV 之間即可，電壓設(shè)置過高，易導(dǎo)致車身內(nèi)板結(jié)構(gòu)出現(xiàn)流漆、裂漆、暗印等弊病。

3.3 噴涂參數(shù)經(jīng)驗值

對于水性B1B2 工藝，噴涂參數(shù)的經(jīng)驗值如表2所示。

表2 噴涂參數(shù)經(jīng)驗值Table 2 Experience values of spraying parameters

從表2 中可以看到，內(nèi)板轉(zhuǎn)速宜控制在20000～25000 r/min，外板轉(zhuǎn)速宜控制在50000～55000 r/min；內(nèi)板轉(zhuǎn)速較外板低得多，主要由于內(nèi)板噴涂需要控制及縮小扇幅，使用雙環(huán)成型空氣及低轉(zhuǎn)速可有效達(dá)到該目的；另外，較低的轉(zhuǎn)速可以保證內(nèi)板漆膜的濕度及金屬粉粒徑的有序排列，防止過干導(dǎo)致內(nèi)板漆膜出現(xiàn)發(fā)花等現(xiàn)象。需要注意的是，“都林”霧化器使用轉(zhuǎn)速需＞15000 r/min，方可進(jìn)行油漆霧化，否則轉(zhuǎn)速較低，油漆或溶劑容易進(jìn)入渦輪、軸承和控制回路。同時，轉(zhuǎn)速不得超過65000 r/min，轉(zhuǎn)速過高，易導(dǎo)致渦輪嚴(yán)重受損和杯頭與渦輪連接失敗，對人員和設(shè)備造成危險。

3.4 內(nèi)板品質(zhì)控制要點(diǎn)

（1） 考慮到內(nèi)板的噴涂部位，只噴涂沒有外飾件遮蔽的區(qū)域，因此噴涂過程中以色漆遮蓋為主，對于車門內(nèi)板及門洞處，屬于人眼目視可見的B 區(qū)，需重點(diǎn)注意遮蓋質(zhì)量，保證無虛噴、流掛等缺陷。

（2） 對于鉸鏈、中立柱等復(fù)雜且不易上漆部位，可通過增加成型空氣，減小扇幅，調(diào)整霧化器噴涂角度，局部分別增加刷子號單獨(dú)控制來有效達(dá)到噴涂效果。

（3） 針對內(nèi)板結(jié)構(gòu)復(fù)雜、軌跡重疊率較高的位置出現(xiàn)的吹漆問題，可以通過調(diào)整邊臨兩槍的成型空氣進(jìn)行解決，盡量降低軌跡存在垂直角度的成型空氣互吹問題。

（4） 考慮水性色漆需要滿足預(yù)烘干脫水率≥85%，因此內(nèi)板色漆膜厚不宜過厚，否則易出現(xiàn)痱子等弊病。

4 結(jié)語

隨著汽車涂裝環(huán)保理念的踐行，內(nèi)板自動化噴涂技術(shù)的應(yīng)用會越來越多，而基于成本和品質(zhì)的綜合考慮，內(nèi)板連續(xù)式噴涂技術(shù)也會成為更多廠家整車廠的首選。通過對“都林”機(jī)器人的噴涂方式、布局、設(shè)備配置、參數(shù)設(shè)置、仿形設(shè)計及品質(zhì)控制要點(diǎn)等方面的分析，總結(jié)了連續(xù)式噴涂的優(yōu)勢及技術(shù)管控要求，以上是筆者基于新工廠調(diào)試應(yīng)用帶來的一些經(jīng)驗及分享，希望對大家有益。