家居木制品表面機(jī)械自動(dòng)與智能噴涂技術(shù)設(shè)備分析

吳智慧， 沈忠民

(1.南京林業(yè)大學(xué)家居與工業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)院，江蘇 南京 210037；2.昆山市白玉蘭家具有限公司，江蘇 昆山 215345)

噴涂是通過(guò)噴槍或碟式霧化器，借助于壓力或離心力，使液體涂料分散霧化成均勻而微細(xì)的霧滴，噴射到被涂物表面形成涂層的涂裝方法[1]。噴涂作業(yè)生產(chǎn)效率高，是現(xiàn)今應(yīng)用最普遍的一種涂裝方式，廣泛應(yīng)用于木家具、木地板、木門(mén)、木飾面、木樓梯等家居木制品行業(yè)。噴涂作業(yè)要求環(huán)境應(yīng)是無(wú)塵車間，噴涂設(shè)備有噴槍、噴涂室、干燥固化室、工件輸送裝置、消霧及廢水廢氣處理設(shè)備等。噴涂的主要問(wèn)題是高度分散的漆霧和揮發(fā)出來(lái)的溶劑，既污染環(huán)境，又不利于人體健康[2]。隨著近年來(lái)國(guó)家環(huán)保政策的實(shí)施和企業(yè)環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，機(jī)械自動(dòng)噴涂和機(jī)械智能噴涂的涂裝技術(shù)及設(shè)備得到了逐步應(yīng)用，替代傳統(tǒng)的人工手動(dòng)噴涂。目前，按照涂料霧化的原理不同可分為空氣噴涂、無(wú)氣噴涂、靜電噴涂等；按照涂裝自動(dòng)化程度不同可分為人工手動(dòng)噴涂、機(jī)械自動(dòng)噴涂、機(jī)械智能噴涂等。

1 人工手動(dòng)噴涂

手動(dòng)噴涂是通過(guò)操作人員手持噴槍，借助于空氣壓力將涂料分散成均勻而微細(xì)的霧滴后涂施于被涂物表面的一種方法。

噴槍按涂料供給方式可分為吸上式、自流式和壓送式三種，如圖1所示。重力自流式噴槍多適用于試驗(yàn)室及小批量的噴涂作業(yè)；吸上式噴槍適用面較廣，但它要求涂料有較長(zhǎng)的使用期；壓送式噴槍則適用于較大規(guī)模的生產(chǎn)企業(yè)。

噴涂室又稱噴漆室，是手動(dòng)噴涂的專用場(chǎng)所，其主要作用是及時(shí)排除和過(guò)濾噴涂過(guò)程中產(chǎn)生的漆霧，保證工作環(huán)境具有一定安全和衛(wèi)生的條件。噴涂室的種類很多，圖2所示為干式噴漆室和濕式噴漆室(水簾柜)。

在無(wú)防護(hù)情況下進(jìn)行噴涂(又稱噴漆)，尤其是采用溶劑型涂料時(shí)，作業(yè)場(chǎng)所空氣中苯、二甲苯等有機(jī)揮發(fā)物濃度相當(dāng)高，對(duì)噴涂工的危害極大。因此，在傳統(tǒng)人工手動(dòng)噴涂時(shí)必須配備防護(hù)裝置，同時(shí)限制工作時(shí)間，而且工作地點(diǎn)要有良好的通風(fēng)條件。

圖2 噴漆室

2 機(jī)械自動(dòng)噴涂

機(jī)械自動(dòng)噴涂是采用機(jī)械設(shè)備或機(jī)械手，以自動(dòng)噴涂的方式來(lái)代替人工噴涂的工藝。目前主要有固定機(jī)械手自動(dòng)噴涂、水平往復(fù)機(jī)自動(dòng)噴涂、垂直往復(fù)機(jī)自動(dòng)噴涂、自動(dòng)旋杯噴涂等形式，可組成不同的自動(dòng)噴涂生產(chǎn)線，其特點(diǎn)是速度快、效率高，而且噴涂均勻、品質(zhì)好，適于代替人工進(jìn)行大批量產(chǎn)品(或工件)的噴涂。

2.1 固定機(jī)械手(噴槍)自動(dòng)噴涂

此種技術(shù)是將多個(gè)機(jī)械手或噴槍分別固定在機(jī)架不同位置上，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行定點(diǎn)噴涂，適于批量大、外形一致產(chǎn)品(如木線條、地板、木門(mén)、木質(zhì)工藝品等)的表面涂飾，并與地臺(tái)、懸掛、輥筒、皮帶等組成連續(xù)式自動(dòng)噴涂生產(chǎn)線。圖3(a)所示為用于木質(zhì)工藝品的地臺(tái)式側(cè)置固定機(jī)械手自動(dòng)噴涂線(側(cè)置式)；圖3(b)所示為用于木線條的輥筒(或皮帶)式上置固定機(jī)械手自動(dòng)噴涂線(上置式)。

圖3 固定機(jī)械手(噴槍)自動(dòng)噴涂線

2.2 水平往復(fù)機(jī)自動(dòng)噴涂

此種技術(shù)是將一個(gè)或多個(gè)機(jī)械手噴槍安裝在一個(gè)機(jī)頭上，通過(guò)機(jī)頭沿著機(jī)架上橫梁做水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行噴涂，適于批量大、表面近似平面產(chǎn)品(如家具板件、地板、木門(mén)等)的表面涂飾，如圖4所示。其中，有些設(shè)備的橫梁固定，僅依靠機(jī)頭沿橫梁水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)噴涂作業(yè)，適于固定式或通過(guò)式工作臺(tái)的噴涂，如圖4(a)；有些設(shè)備的橫梁可沿機(jī)架進(jìn)行水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)(Y向)，與機(jī)頭沿橫梁進(jìn)行水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)(X向)協(xié)同實(shí)現(xiàn)噴涂作業(yè)，多用于固定式工作臺(tái)的噴涂，如圖4(b)；有些設(shè)備配置多個(gè)橫梁和機(jī)頭，適于復(fù)雜表面的涂飾，如圖4(c)。有些設(shè)備還帶有自動(dòng)掃描裝置，可對(duì)被涂產(chǎn)品(或工件)進(jìn)行外形尺寸的識(shí)別，以調(diào)節(jié)機(jī)頭往復(fù)運(yùn)動(dòng)幅度、噴槍離被涂工件的表面距離，減少無(wú)效噴涂，確保噴涂效率與效果；有些設(shè)備還可與前置寬帶砂光機(jī)、后置的干燥機(jī)以及地臺(tái)、輥筒、皮帶等組成連續(xù)式自動(dòng)噴涂生產(chǎn)線，如圖5所示。

2.3 垂直往復(fù)機(jī)自動(dòng)噴涂

此種技術(shù)是將一個(gè)或多個(gè)機(jī)械手噴槍安裝在一個(gè)側(cè)置的垂直機(jī)架上，通過(guò)機(jī)械手噴槍分別沿著側(cè)置垂直機(jī)架作上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行側(cè)向噴涂，通常與懸掛吊線組成自動(dòng)噴涂線，有單側(cè)置或雙側(cè)置兩種形式，如圖6、圖7所示。該技術(shù)適于批量大、可懸掛的產(chǎn)品(如家具板件、實(shí)木零部件、實(shí)木框架、木門(mén)等)的表面涂飾。有些設(shè)備還帶有自動(dòng)掃描裝置，可對(duì)被涂產(chǎn)品(或工件)進(jìn)行外形尺寸的識(shí)別，以調(diào)節(jié)機(jī)械手噴槍上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)幅度、噴槍離被涂工件表面的距離，減少無(wú)效噴涂，確保噴涂效率與效果。

2.4 自動(dòng)旋杯噴涂

此種技術(shù)是采用高速旋杯式噴槍對(duì)產(chǎn)品或工件進(jìn)行噴涂的工藝，如圖8所示。目前，無(wú)論是從提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的角度，還是從節(jié)省涂料和減少環(huán)境污染等角度，高速旋杯式靜電噴涂工藝已成為現(xiàn)代涂裝的主要手段之一，廣泛應(yīng)用于各工業(yè)領(lǐng)域。

高速旋杯式靜電噴涂工藝是將被涂工件接地，靜電噴槍(或靜電旋杯)接上正或負(fù)高壓電，在被涂工件與靜電噴槍(旋杯)之間產(chǎn)生高壓靜電場(chǎng)，旋杯采用空氣透平驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)高速旋轉(zhuǎn)。當(dāng)涂料被送到高速旋轉(zhuǎn)的旋杯上時(shí)，由于旋杯旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生離心作用，涂料在旋杯內(nèi)表面伸展成為薄膜，并獲得巨大的加速度向旋杯邊緣運(yùn)動(dòng)，在離心力及強(qiáng)電場(chǎng)的雙重作用下，通過(guò)離心霧化和靜電霧化的兩者相互作用，迅速破碎分裂成為極細(xì)且?guī)щ姷撵F滴，向極性相反的被涂工件運(yùn)動(dòng)，沉積于被涂工件表面，形成均勻、平整、光滑、豐滿的涂膜。

使用自動(dòng)旋杯噴涂可達(dá)到節(jié)省人力、厚度均勻、質(zhì)量穩(wěn)定、節(jié)省涂料的涂裝效果。旋杯投入運(yùn)行后，可節(jié)省大量的人力，中涂噴涂線基本上可實(shí)現(xiàn)無(wú)人操作，面漆噴涂線只需安排底色漆和清漆的內(nèi)表面噴涂人員即可。旋杯噴涂厚度均勻，質(zhì)量穩(wěn)定，能明顯改善產(chǎn)品的外觀裝飾性。手工空氣噴涂的涂料利用率一般為30%～40%，而旋杯噴涂的涂料利用率一般在90%以上，節(jié)省涂料。

圖4 水平往復(fù)機(jī)自動(dòng)噴涂線(一)

圖5 水平往復(fù)機(jī)自動(dòng)噴涂線(二)

圖6 垂直往復(fù)機(jī)自動(dòng)噴涂線(單側(cè)置)

圖7 垂直往復(fù)機(jī)自動(dòng)噴涂線(雙側(cè)置)

圖8 自動(dòng)旋杯靜電噴涂線(懸掛吊線通過(guò)式)

3 機(jī)器人智能噴涂

機(jī)器人智能噴涂是采用噴涂機(jī)器人(又稱為噴漆機(jī)器人，Spray painting robot)模仿人手和臂的某些動(dòng)作功能，按固定程序?qū)Ξa(chǎn)品或工件進(jìn)行自動(dòng)噴漆或噴涂，如圖9～12所示。

圖9 機(jī)器人智能噴涂線示意圖

圖10 機(jī)器人智能噴涂線(非通過(guò)式)

圖11 機(jī)器人智能噴涂線(地臺(tái)通過(guò)式)

圖12 機(jī)器人智能噴涂線(懸掛吊線通過(guò)式)

噴涂機(jī)器人屬于工業(yè)機(jī)器人(或工業(yè)機(jī)械手)，主要由機(jī)器人本體、計(jì)算機(jī)和相應(yīng)的控制系統(tǒng)組成，主要有液壓、氣動(dòng)、電動(dòng)、機(jī)械等驅(qū)動(dòng)方式[3]。噴涂機(jī)器人一般采用液壓驅(qū)動(dòng)，其液壓驅(qū)動(dòng)的噴涂機(jī)器人還包括液壓油源，如油泵、油箱和電機(jī)等，具有動(dòng)作速度快、防爆性能好等特點(diǎn)[4-7]。機(jī)械手多采用5或6個(gè)自由度關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)，機(jī)械手臂有較大的運(yùn)動(dòng)空間，并可做復(fù)雜的軌跡運(yùn)動(dòng)，其腕部一般有2～3個(gè)自由度，可靈活運(yùn)動(dòng)。較先進(jìn)的噴涂機(jī)器人腕部采用柔性手腕，既可向各個(gè)方向彎曲，又可轉(zhuǎn)動(dòng)，其動(dòng)作類似人的手腕，能方便地通過(guò)較小的孔伸入工件內(nèi)部，噴涂其內(nèi)表面。噴涂機(jī)器人主要包括氣噴涂機(jī)器人、無(wú)氣噴涂機(jī)器人兩種類型。

噴涂機(jī)器人將廣泛用于家具和木制品生產(chǎn)制造的涂裝工藝中。采用機(jī)器人智能噴涂的主要優(yōu)點(diǎn)如下：

(1)噴涂機(jī)器人的機(jī)械手臂運(yùn)動(dòng)空間柔性和工作范圍較大，可實(shí)現(xiàn)外表面及內(nèi)表面的噴涂以及多種不同產(chǎn)品的混線生產(chǎn)。

(2)噴涂機(jī)器人可通過(guò)離線編程進(jìn)行控制，或通過(guò)手把手示教或點(diǎn)位示數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)示教噴涂，大大地縮短現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)間，易于操作和維護(hù)，生產(chǎn)效率高。

(3)噴涂機(jī)器人可帶有前置或側(cè)置的3D激光掃描系統(tǒng)+AI智能軟件算法，對(duì)被涂產(chǎn)品(或工件)進(jìn)行外形尺寸和圖像的識(shí)別分析，給出涂飾方案，自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)械手噴槍運(yùn)動(dòng)幅度、噴槍離被涂工件表面距離，減少無(wú)效噴涂，確保噴涂效率與效果。

(4)噴涂機(jī)器人可與地臺(tái)、支架、懸掛吊線、網(wǎng)帶、皮帶、輥筒等組成周期式(非通過(guò)式)或連續(xù)式(通過(guò)式)自動(dòng)噴涂生產(chǎn)線，可單側(cè)配置或雙側(cè)配置。

(5)噴涂機(jī)器人仿形噴涂軌跡精確，可保證涂膜的均勻性等，降低過(guò)噴涂量和清洗溶劑的用量，提高噴涂質(zhì)量和材料使用率。

(6)噴涂機(jī)器人適合于不同類型、外形復(fù)雜或批量大產(chǎn)品的表面涂飾，其設(shè)備利用率高，一般可達(dá)90%～95%，而往復(fù)式自動(dòng)噴涂機(jī)的利用率一般僅為40%～60%。

4 小結(jié)

噴涂是現(xiàn)今應(yīng)用最普遍的一種涂裝方式，其生產(chǎn)效率高，適用于手工作業(yè)及工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)。傳統(tǒng)噴涂作業(yè)存在的主要問(wèn)題是高度分散的漆霧和揮發(fā)出來(lái)的溶劑，既污染環(huán)境，又不利于人體健康。目前，隨著我國(guó)環(huán)保政策的實(shí)施和企業(yè)環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，在國(guó)內(nèi)實(shí)木家具、實(shí)木整體廚柜、實(shí)木定制衣柜、實(shí)木地板、實(shí)木門(mén)等生產(chǎn)企業(yè)[8]，已開(kāi)始采用機(jī)械設(shè)備或機(jī)械手進(jìn)行自動(dòng)噴涂，以及采用噴涂機(jī)器人模仿人工進(jìn)行智能噴涂等方式來(lái)替代傳統(tǒng)人工手動(dòng)噴涂。隨著我國(guó)家具及木制品行業(yè)智能制造和轉(zhuǎn)型升級(jí)的不斷推進(jìn)[9-10]，機(jī)械自動(dòng)噴涂和機(jī)械智能噴涂的涂裝技術(shù)及設(shè)備生產(chǎn)線將得到廣泛的應(yīng)用。