關(guān)于噴涂機(jī)器人外加電高壓系統(tǒng)絕緣性能的研究與實(shí)踐

高重慶 牟海闊 黃玉超 周禮樹(shù) 蒲浩

摘 要：對(duì)于整車(chē)制造的涂裝而言，為了更好地實(shí)現(xiàn)能源節(jié)約和環(huán)境保護(hù)的目標(biāo)，越來(lái)越多的公司將水性漆噴涂作為首選，而為之適配的外加電噴涂設(shè)備也越來(lái)越普及，一汽-大眾成都分公司就是國(guó)內(nèi)首個(gè)采用水性漆噴涂的公司。文章結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)過(guò)程中出現(xiàn)的高壓故障，從設(shè)備維護(hù)人員的角度出發(fā)，闡述了高壓?jiǎn)栴}帶來(lái)的影響以及相應(yīng)的改進(jìn)措施和成果，為外加電高壓噴涂設(shè)備的維護(hù)提供了新的方法和思維。

關(guān)鍵詞：涂裝車(chē)間;靜電噴涂;絕緣性能

中圖分類(lèi)號(hào)：U445.58+5 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）19-205-03

Research and practice on insulation performance of external electric high

voltage system for spraying robot

Gao Chongqing， Mou Haikuo， Huang Yuchao， Zhou Lishu， Pu Hao

（ Chengdu Branch of FAW Volkswagen Co.， Ltd??Paint Shop， Sichuan?Chengdu 610100 ）

Abstract： For the coating of vehicle manufacturing， in order to better achieve the goal of energy conservation and environmental protection， more and more companies will take water-based paint spraying as the first choice， and for the adaptation of the additional electric spraying equipment is becoming more and more popular， faw-volkswagen chengdu branch is the first company to use water-based paint spraying.In this paper， the influence of high voltage problem and the corresponding improvement measures and achievements are expounded from the point of view of equipment maintenance personnel in combination with the high voltage fault in the field maintenance process， which provides a new method and thinking for the maintenance of external electric high voltage spraying equipment.

Keywords： Paint shop; ESTA-Paint; Insulation performance

CLC NO.： U445.58+5 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）19-205-03

前言

目前我公司涂裝車(chē)間機(jī)器人的噴涂工藝使用的為環(huán)保、節(jié)能的2010工藝，用于實(shí)現(xiàn)能源節(jié)約和環(huán)境保護(hù)的目標(biāo)，其最大的特點(diǎn)就是免中涂漆。為減少VOC的排放，色漆噴涂目前已經(jīng)全部更改為水性漆，其設(shè)備性能的最大特點(diǎn)為油漆電導(dǎo)率的降低，為適配相應(yīng)油漆屬性，靜電噴涂的加壓方式采用外部加壓放電的方式。

本文針對(duì)噴涂機(jī)器人外部加電系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)使用過(guò)程中故障率增加的問(wèn)題，通過(guò)針對(duì)性的研究，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，提出了相應(yīng)的解決思路和方法，大大降低了高壓系統(tǒng)的故障率，縮減了維護(hù)成本。

1 靜電噴涂的概念及控制

靜電噴涂是利用電暈放電的原理使涂料在高壓直流電場(chǎng)作用下攜帶負(fù)電荷，并吸附在攜帶正電荷基底表面的噴涂方法。高電壓值的大小直接影響靜電涂裝的靜電效應(yīng)、上漆率和漆膜的均勻性。

目前在使用的加壓方式分為兩種：（1）直接加壓，加壓的電極即為旋杯的折角;（2）外部加壓（本文主要研究設(shè)備），電導(dǎo)率較溶劑性油漆較高，無(wú)法直接加壓，加壓的電極呈環(huán)狀圍繞在噴杯杯體外側(cè)。

控制器為發(fā)生器提供一個(gè)可變的直流電壓。該直流電壓被發(fā)生器轉(zhuǎn)化為更高的電壓。發(fā)生器還配備一個(gè)級(jí)聯(lián)整流器。經(jīng)過(guò)級(jí)聯(lián)整流器的各倍率級(jí)，直流電壓被轉(zhuǎn)換到負(fù)極直流電壓（最大100 kV）。

2 靜電噴涂的故障原理

外加電的高壓電源控制模式為恒電流控制模式，既啟動(dòng)之后，電流保持恒定，控制電流，檢測(cè)電壓。電壓隨著負(fù)載條件的變化而變化。如果電壓下降低于設(shè)置的靜態(tài)閾值，會(huì)斷開(kāi)系統(tǒng)。此模式也可以檢查電壓的變化速度（dU/dt）。

從控制模式角度出發(fā)，為安全考慮，在進(jìn)行高壓故障設(shè)定時(shí)，必須檢測(cè)電導(dǎo)率突增所帶來(lái)的電流或電壓變化，其原因是負(fù)載電流太大，也即漏電。常見(jiàn)的漏電情況有：

（1）外加電八爪手指離車(chē)體太近導(dǎo)致電導(dǎo)率增加;

（2）內(nèi)加電噴涂過(guò)程中旋杯離車(chē)體太近導(dǎo)致電導(dǎo)率增加漏電，或是機(jī)器人外穿摩擦?xí)a(chǎn)生靜電的衣物導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)過(guò)程中設(shè)備漏電;

（3）高壓電纜出現(xiàn)磨損破皮導(dǎo)致與機(jī)器人金屬本體連接漏電;

（4）回流管過(guò)臟引起對(duì)地導(dǎo)電;

（5）油漆電導(dǎo)率過(guò)高引起換色閥對(duì)地導(dǎo)電。

對(duì)于以上問(wèn)題，針對(duì)性地進(jìn)行相應(yīng)的更換、恢復(fù)，就可解決相應(yīng)的故障。

3 高壓系統(tǒng)絕緣性能

3.1 系統(tǒng)的絕緣性能對(duì)高壓的影響

機(jī)器人系統(tǒng)的絕緣性能，直接決定了高壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性，當(dāng)絕緣性能過(guò)低以及噴涂環(huán)境（特指溫濕度，一般溫度設(shè)定為23℃±2℃，濕度65%±5）、油漆的變化都會(huì)影響的系統(tǒng)高壓的穩(wěn)定性。為了使高壓系統(tǒng)得到良好的工作狀態(tài)，以下條件需滿足：

（1）高壓設(shè)備工作正常，沒(méi)有損壞件;

（2）高壓控制器閾值設(shè)置在合適范圍內(nèi)：不同的控制模式，閾值設(shè)定電壓所代表的含義不同，具體如表所示：

色漆層（恒流模式）：靜態(tài)值，2.8～3.2v（3.0）;動(dòng)態(tài)值，4.5～5.5v（5v）;

（3）帶電部分與接地部分絕緣良好;

（4）機(jī)器人系統(tǒng)接地正常;

（5）旋杯與車(chē)身間距正常。

以下情況可能會(huì)破壞機(jī)器人帶電部分與接地部分的良好絕緣：

（1）油漆電阻值過(guò)低;

（2）噴房濕度太高;

（3）機(jī)器人或機(jī)器人衣服臟污或潮濕;

（4）廢溶劑回漆管路（RF1，RF2）臟污;

（5）高壓控制器與高壓發(fā)生器自制線纜損壞;

（6）絕緣脂老化、失效。

3.2 絕緣性能的研究

當(dāng)系統(tǒng)的絕緣性能遭到破壞時(shí)就會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的故障，影響正常噴涂，造成故障率的提升。絕緣性能的好壞，直接影響高壓系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。結(jié)合以上的影響因素分析以及歷年高壓系統(tǒng)停臺(tái)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，在高壓系統(tǒng)停臺(tái)類(lèi)別占比中，以下兩個(gè)因素占比比較大：

（1）高壓線纜損壞;

（2）電極環(huán)、手指絕緣性能破壞（主要指絕緣脂的更換，更換后可繼續(xù)使用）。

3.2.1 高壓線纜損壞原因分析

在電纜正常使用過(guò)程中，由于高壓的存在會(huì)對(duì)電纜的使用壽命存在一定影響，但現(xiàn)場(chǎng)色漆噴涂站的電纜的使用環(huán)境（需穿過(guò)手軸，存在磨損、彎折、漆液腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)）決定了其使用壽命明顯低于清漆靜電站電纜使用壽命。

在現(xiàn)場(chǎng)穿線的線纜損壞現(xiàn)象有以下幾種：

（1）高壓電纜快插接頭脫落;

（2）線纜擊穿;

（3）線纜外表面腐蝕。

出現(xiàn)以上現(xiàn)象的主要原因?yàn)椋?/p>

（1）高壓電纜接頭自制過(guò)程中，焊接部分出現(xiàn)內(nèi)部空洞或毛刺，在接口處易出現(xiàn)尖端放電腐蝕;現(xiàn)場(chǎng)色漆站進(jìn)行電極環(huán)管路維護(hù)時(shí)，經(jīng)常性的插拔電纜造成磨損;拆裝過(guò)程中降低了接口處的絕緣性能，造成局部漏電，加速接頭腐蝕。

（2）從線纜擊穿的現(xiàn)象分兩種情況，一種為線纜安裝長(zhǎng)度不夠，導(dǎo)致運(yùn)行過(guò)程中長(zhǎng)時(shí)間拉扯、受力，金屬疲勞導(dǎo)致內(nèi)部損傷漏電擊穿。另一種情況為控制電壓設(shè)定值過(guò)高，過(guò)高的控制電壓，不會(huì)帶來(lái)上漆率的提上，同時(shí)還會(huì)增加設(shè)備的電腐蝕率。

（3）對(duì)于線纜外表面的腐蝕，更多地取決于機(jī)器人手軸的滲漏情況。

3.2.2 電極環(huán)、手指頻繁性更換原因分析

對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)使用的電極環(huán)和電極手指，當(dāng)給電極環(huán)提供高電壓時(shí)，在電極頂針周?chē)鷷?huì)產(chǎn)生一個(gè)靜電場(chǎng)，漆液微粒飛過(guò)靜電場(chǎng)并帶電。為獲得均勻的噴霧形狀，令漆液微粒獲得強(qiáng)而均勻的充電效果。微粒帶電越高，待噴涂表面的吸附力就越大。當(dāng)電極環(huán)或手指臟污時(shí)，會(huì)使靜電場(chǎng)減弱，所以保持電極環(huán)和手指清潔很重要。

但是，當(dāng)電極環(huán)、手指頻繁臟污時(shí)，是內(nèi)部絕緣性能發(fā)生改變的直觀表現(xiàn)。主要體現(xiàn)在絕緣脂氧化，此時(shí)就要進(jìn)行相應(yīng)更換。此處需要說(shuō)明的是，一個(gè)電極環(huán)安裝8個(gè)電極手指，每個(gè)電極都配有一對(duì)電阻器。如果待噴涂表面不均勻，則可借助這些電阻器對(duì)電極中至部件的電流進(jìn)行補(bǔ)償。如果電阻器丟失或一個(gè)電阻器有故障，則漆液微粒的帶電效果會(huì)變差。此外，霧化裝置會(huì)更快變臟且程度更惡劣。

對(duì)于電極環(huán)和電極手指而言，內(nèi)部電阻器和電極環(huán)極不容易損壞，現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生故障時(shí)，更多的是因?yàn)閮?nèi)部絕緣脂絕緣性能性能降低。

現(xiàn)場(chǎng)使用的絕緣脂為白凡士林（CAS NO.8009-03-8），熔點(diǎn)37℃～54℃，閃點(diǎn)>190℃，主要成分為C16～C32的高碳烷羥和少量的高碳稀羥，在常溫環(huán)境下其物理狀態(tài)為半固態(tài)，這就導(dǎo)致在進(jìn)行電極填充時(shí)，內(nèi)部會(huì)混入空氣，進(jìn)而在電極連接處極易出現(xiàn)空氣擊穿放電，釋放熱量，進(jìn)而時(shí)絕緣脂絕緣性能下降。所以，減少甚至杜絕絕緣脂填充時(shí)空氣的混入，才是解決問(wèn)題的核心。

3.3 絕緣性能保障的措施及成果

3.3.1 高壓線纜自制方法創(chuàng)新與標(biāo)準(zhǔn)制定

對(duì)于上文提到的線纜損壞的三個(gè)原因，通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)高壓電纜的安裝長(zhǎng)度進(jìn)行確定（435±5cm），解決易彎折問(wèn)題;對(duì)參數(shù)的優(yōu)化，將噴涂電流值控制在100～350mA之間，=確定線纜固定更換周期為1年，解決電纜擊穿問(wèn)題;對(duì)電纜制作方法進(jìn)行優(yōu)化，采用全腔錫焊的方法替代原有的頂端焊接，徹底解決接頭容易脫落的問(wèn)題。通過(guò)后續(xù)兩年的跟蹤，再未出現(xiàn)由于高壓線纜問(wèn)題導(dǎo)致的故障停臺(tái)。

3.3.2 絕緣脂加注方法、工具創(chuàng)新

在絕緣脂加注過(guò)程中，若想完全避免空氣的混入，最合理的方案就是采用液態(tài)絕緣脂進(jìn)行加注，針對(duì)凡士林的物理性質(zhì)：熔點(diǎn)溫度37℃～54℃，在室溫26℃時(shí)凝固為脂狀，所以，用注射器將加熱的液體絕緣脂加注到電極內(nèi)部。液體絕緣脂才能使電阻器、鋼彈簧和電極之間的空腔在裝配期間完全充滿絕緣脂，繼而凝固后，可保證內(nèi)部無(wú)氣泡。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際驗(yàn)證，改進(jìn)后的電極環(huán)的故障率明顯下降。

為方便現(xiàn)場(chǎng)絕緣脂的熔解，合理的控制熔解溫度，利用PID閉環(huán)控制原理，設(shè)計(jì)制作“恒溫熔解熔解控制箱”。防止加注過(guò)程中，過(guò)高溫度的絕緣脂對(duì)對(duì)電極的損傷，同時(shí)也方便加注維護(hù)。

3.3.3 實(shí)施效果及成果固化

措施實(shí)施以后，從2018年下半年至今，高壓?jiǎn)栴}引發(fā)的設(shè)備停臺(tái)明顯降低，從往年均值的295分鐘，降低至19年全年的35分鐘，縮減了大量的維護(hù)工時(shí)，以及維護(hù)過(guò)程帶來(lái)的備件損耗。最后，將電纜制作過(guò)程、標(biāo)準(zhǔn)，電極環(huán)等的維護(hù)方法形成標(biāo)準(zhǔn)化的操作文檔，方便在公司內(nèi)進(jìn)行推廣。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于整個(gè)靜電高壓噴涂而言，高壓系統(tǒng)問(wèn)題的解決只是噴涂系統(tǒng)中的一部分，除了靜電的高壓，在噴涂系統(tǒng)中還要考慮油漆的霧化、成型空氣的控制、涂料的定量供給以及相應(yīng)的清洗等控制過(guò)程等，這些環(huán)節(jié)相輔相成，最終的結(jié)果就是呈現(xiàn)靚麗的車(chē)身。

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