溶劑型保險杠涂裝機器人的水性化改造應用

李樂 侯穎 劉杰 鄭禮寧 李帥

（東風本田汽車有限公司，武漢 430056）

1 前言

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，建設(shè)綠色環(huán)保型涂裝線已成為汽車涂裝行業(yè)的發(fā)展要求和共識，加之近幾年環(huán)保法規(guī)要求日趨嚴格，降低VOCs 排放勢在必行。

由于汽車市場逐步多元化，傳統(tǒng)車企的競爭也日益激烈。針對新建廠房成本高、周期長的諸多弊端，本文提出的“在原有溶劑型保險杠涂裝線的基礎(chǔ)上進行改造，實現(xiàn)由溶劑型保險杠涂裝向水性保險杠涂裝轉(zhuǎn)變”方案，更具有成本優(yōu)勢和可實施性。

以溶劑型保險杠涂裝線的水性化改造項目為實例，以機器人為切入點，在不停產(chǎn)條件下，探究面向大批量垂直切換條件下，將溶劑型涂裝機器人改為水性涂裝機器人的改造切換應用方案。

2 保險杠水性涂裝工藝及特點

2.1 保險杠水性涂裝工藝

保險杠是塑料材質(zhì)，為不良導體，易產(chǎn)生靜電并吸附灰塵。在素材投入后，需進行擦拭和吹掃除塵處理。隨后，進入涂裝工序，依次噴涂底、色漆和清漆，以滿足保險杠的外觀需求。本次主要涉及將涂裝工序中的“溶劑型色漆噴涂”改為“水性色漆噴涂”，其他工藝保持不變。

2.2 水性色漆的工藝特點

保險杠涂裝的色漆涂料一般由樹脂、溶劑、顏料、添加劑等組成。其中，溶劑型色漆主要含有丙烯酸樹脂、芳香族系溶劑、石油系混合溶劑等物質(zhì)，而水性色漆主要含有DIW（去離子水）、水性丙烯酸乳液等物質(zhì)。

由于涂料成份不同，其導電性、粘度等特性也有較大變化，對設(shè)備的需求也有相應調(diào)整。例如，水性色漆導電性更好，原有的“齒輪泵+內(nèi)加電”的涂料供給方式將無法使用，需重新設(shè)計選型；水性色漆對噴涂的流量、霧化等涂裝參數(shù)的設(shè)定更為敏感，易出現(xiàn)針孔、漆膜發(fā)花等品質(zhì)缺陷[1-2]。因此，在設(shè)備選型、品質(zhì)調(diào)試時需充分考慮水性色漆的上述特性。

3 水性涂裝機器人的改造需求和選型

3.1 涂裝機器人噴涂工作范圍

在機器人選型時，需保證其工作軌跡范圍能覆蓋保險杠最大尺寸的表面。不論是停走式輸送，還是連續(xù)跟蹤噴涂，在輸送方向上，機器人和工件都相對靜止。因此，只需對工件在主俯視面上的工作范圍覆蓋性進行確認即可[3]。如圖1 所示，現(xiàn)場采用交錯安裝，半邊噴涂，從工作范圍的覆蓋情況來看，可以滿足需求。

圖1 機器人工作軌跡范圍示意

3.2 水油通用性

鑒于本案在不停產(chǎn)條件下實施大批量垂直切換，需要機器人的改造具備盡可能短的安裝改造時間和改造后快速達成大批量生產(chǎn)的能力。為此，采用了“白天量產(chǎn)溶劑型色漆+夜班調(diào)試水性色漆”的同步調(diào)試方案，以縮短調(diào)試時間，這也就要求涂裝機器人同時具備水性色漆和溶劑型色漆的噴涂能力。

就目前而言，保險杠涂裝行業(yè)內(nèi)水性和溶劑型色漆并存的實例較少，廣汽豐田等整車廠曾經(jīng)有過類似的使用，但其換色系統(tǒng)復雜、故障率高且改造時間長。相比之下，本案的改造方案更具有可操作性和可復制性，為大批量垂直切換提供了快速對應的可行方案。

3.3 其他技術(shù)指標

除了上述重點介紹的指標，機器人手臂的載荷量和重復精度、涂裝機的噴涂流量和扇形、旋杯噴頭的大小選型等在選型設(shè)計時均需充分考慮。涉及現(xiàn)場改造的，還需重點關(guān)注改造內(nèi)容與現(xiàn)場實際情況相結(jié)合的匹配性，例如維修備件的匹配性、與改造前原有設(shè)備的兼容性等。

3.4 各主要涂裝機廠商的產(chǎn)品概略

為滿足水性色漆靜電涂裝需求，需要將涂料回路與高壓回路實現(xiàn)物理隔離。由于涂裝機器人行業(yè)在不斷發(fā)展，機器人廠商會開發(fā)多款涂裝霧化機構(gòu)（以下簡稱涂裝機）或空氣噴槍等產(chǎn)品。這里，僅以項目考察過或研究過的市場主流產(chǎn)品為例，進行簡要列舉。

3.4.1 ABB

用于水性漆噴涂的涂裝機主要有RB1000-WSC+CBSII、RB1000-EXT、RB1000-CExt 3 種。最新還推出了RB1000i 系列，但從有大批量應用實績上來說，主要是上述3 種，如圖2 所示。

圖2 ABB涂裝機

上述3 種涂裝機分內(nèi)加電和外加電，WSC 為內(nèi)加電型，EXT 和CE 屬外加電型。其中RB1000-WSC 涂裝機，需配合CBSII 外部裝置填充彈匣一同使用（以下將此搭配簡稱CBSII 涂裝機）。

3.4.2 SAMES

SAMES 用于水性漆噴涂的涂裝機有2 款，分別是AccuBell709 EVO 和PPH707 EXT。這2 款均可運用在水性色漆的靜電噴涂上，根據(jù)加電方式不同，709EVO 為內(nèi)加電型，707EXT 為外加電型，如圖3 所示。

圖3 SAMES涂裝機

3.4.3 DURR

DURR 的水性涂裝機從使用量來看，外加電型居多，多用于車身外裝噴涂。近幾年，為適應車身內(nèi)裝的復雜工況而開發(fā)的EcoBell3C 系列，更成為其此類產(chǎn)品的代表，如圖4 所示。

圖4 DURR涂裝機

以上幾款涂裝機在各大整車廠應用均較為廣泛，且均適用于水性漆的靜電噴涂。上述幾款涂裝機的配置情況一覽見表1。

就本項目而言，在充分考慮節(jié)約成本、縮短改造時間、具備水油通用性能、系統(tǒng)兼容性等多方面因素的情況下，經(jīng)過對各技術(shù)指標研討和檢證后，選擇“保留原有ABB IRB5400-22 機器人+新增CBSII 涂裝機系統(tǒng)”的改造方案來實現(xiàn)色漆水性化改造。

表1 各主要涂裝機廠商的產(chǎn)品配置一覽

4 溶劑型機器人改為水性機器人的改造切換方案

通過調(diào)研，行業(yè)內(nèi)不停產(chǎn)條件下進行大批量垂直切換的改造實例較少，類似的機器人改造實例都需要不同程度的停產(chǎn)，以應對調(diào)試、示教、切換等諸多問題。

就本案而言，現(xiàn)有保險杠涂裝線設(shè)計年產(chǎn)能25.6 萬臺，由于實際產(chǎn)量遠大于設(shè)計產(chǎn)能，實際設(shè)備負荷高達145%以上，改造可用的整體時間少、風險高、難度大。此外，還要面臨新車型導入占用的調(diào)試時間，項目整體改造和調(diào)試時間嚴重不足。為此，在項目規(guī)劃初期，就對方案進行了總體規(guī)劃，如表2 所示。

表2 改造切換面臨的問題及方案總體規(guī)劃

4.1 改造方案—具備水油通用性能

4.1.1 改造方案

結(jié)合成本、現(xiàn)場實際及備件通用性能等情況綜合考量，本案選擇“保留原有ABB IRB5400-22機器人+新增CBSII 涂裝機系統(tǒng)”的改造方案。通過對改造方案進行詳細的技術(shù)研討和實地調(diào)研，確定需對原有軟硬件進行改造（詳見圖5 和表3 的說明）。

圖5 改造前后的整體情況說明

表3 主要改造內(nèi)容清單

除了上述軟硬件改造外，在軟件方面需進行IPS 系統(tǒng)升級：原有ABB 機器人的系統(tǒng)為IPS 4.5，而CBSII 涂裝機的需求系統(tǒng)為IPS 4.6 及以上。

4.1.2 改造后設(shè)備的主要構(gòu)成及原理

改造后的設(shè)備，采用ABB 提供的CBSII 涂裝機系統(tǒng)，實現(xiàn)水性色漆的靜電噴涂。整個設(shè)備主要由控制電柜、CBSII 涂裝機系統(tǒng)和噴涂機器人3 部分構(gòu)成，如圖6 所示。

水性色漆機器人和CBSII 涂裝機的主要動作如圖7。

圖6 水性色漆噴涂機器人構(gòu)成及控制原理

圖7 多彈匣設(shè)計示意，具備水油通用能力

a.機器人從Home 點移動到101 位置；

b.抓手將噴完的彈匣取出，放入另一個彈匣；

c.抓手將彈匣放回102 位置進行清洗填充；同時，機器人回Home 點，開始噴涂保險杠。

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4.1.3 改造后具備水油通用的特點

在不停產(chǎn)條件下改造，爭取改造工時，就需要機器人具備溶劑型和水性的噴涂能力，實現(xiàn)“白天量產(chǎn)溶劑型色漆+夜班調(diào)試水性色漆”的同步調(diào)試方案。

考慮到溶劑型色漆的成分無法在水性漆中溶解，即使少量殘留也會導致爆發(fā)性油點、縮孔，使得溶劑型漆管路在短時間內(nèi)無法實現(xiàn)徹底清洗。因此，在設(shè)計時，創(chuàng)造性的提出采用多彈匣配置，實現(xiàn)水性系統(tǒng)和溶劑型系統(tǒng)相互獨立的涂料供給。

除了涂裝機的空氣回路共用外，整個涂料回路包括涂料供給管路、換色閥、IFS 單元、彈匣、槍針開關(guān)閥、整形環(huán)、旋杯等全部采用水性、溶劑型各自獨立供給的方式。從物理上規(guī)避了水性/溶劑型混用帶來的噴涂品質(zhì)風險隱患。

除了上述硬件的特殊設(shè)計和改造，軟件上也進行了系統(tǒng)的重新配置和調(diào)整。增加先導閥組控制、系統(tǒng)定義和邏輯優(yōu)先級等系統(tǒng)配置文件來實現(xiàn)自動控制。

多彈匣的設(shè)計是在原有的雙清洗位設(shè)計基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場實際變通而來的，在很大程度上拓寬了設(shè)備的適應性，在水性色漆調(diào)試階段（白天量產(chǎn)溶劑型色漆+夜班調(diào)試水性色漆），可實現(xiàn)15 min以內(nèi)溶劑型色漆和水性色漆相互切換并大批量量產(chǎn)，且噴涂無品質(zhì)不良。

4.2 切換方案—前期測試+分步改造

4.2.1 前期模擬測試

為充分檢證ABB IRB5400-22 和CBSII 涂裝機的匹配性，現(xiàn)場改造裝機前，在廠家上海實驗室（圖8、表4）進行了全面模擬測試。重點檢證設(shè)備的匹配性、系統(tǒng)可行性等，對IRB5400-22 機器人與CBSII 涂裝機的兼容性、設(shè)備可達性進行驗證，并模擬測試了現(xiàn)場工況條件下的自動運轉(zhuǎn)狀態(tài)。

在不停產(chǎn)條件下，實現(xiàn)大批量垂直切換，調(diào)試糾錯時間少，量產(chǎn)影響風險大。為盡可能降低風險，采用“1+2+3 臺”的分步施工模式，分3 次進行改造施工。此方案切實保障了每次改造穩(wěn)步推進，并起到穩(wěn)扎穩(wěn)打的效果。

結(jié)合本項目改造經(jīng)驗，以1 臺份改造為例，整理列舉了改造切換所需工時情況分布表，其大致如表5 所示。

圖8 模擬測試的確認事項及設(shè)備可達性驗證

表4 實驗室測試確認項清單

4.3 改造方案的調(diào)試

由于本案為量產(chǎn)垂直切換的改造方式，調(diào)試糾錯時間少，調(diào)試任務艱巨。但由于不同現(xiàn)場調(diào)試內(nèi)容不盡相同，列舉2個典型的調(diào)試問題供參考借鑒。

4.3.1 設(shè)備調(diào)試問題舉例——彈匣掉落問題

機器人在噴涂過程中，有1 個裝填彈匣和更換彈匣的過程。此過程會涉及抓手抓取、放置彈匣。CBSII 涂裝機在運行到此過程時，若恰好出現(xiàn)故障報警，卡爪將無法保持，導致彈匣直接掉落（圖9）。

表5 溶劑型機器人改造水性漆機器人工時情況分布

圖9 彈匣掉落問題的現(xiàn)象及解決對策

針對調(diào)試中出現(xiàn)的此問題，調(diào)查原因、分析后，增加一路保壓控制器，并加裝單向閥，確?？ㄗυ谧ト椣粫r一直處于鎖緊狀態(tài)，軟件上增加先導氣控制配置，并修改對應變量的索引地址（由mac6 更改到mac17）。改善后，徹底解決了抓取、放置過程中彈匣掉落的問題。

4.3.2 工藝調(diào)試問題舉例——水性色漆斑馬紋不良問題

由于水性色漆和溶劑型漆特性有本質(zhì)區(qū)別，在量產(chǎn)前的品質(zhì)調(diào)試階段，也出現(xiàn)了很多之前未出現(xiàn)或較少出現(xiàn)的品質(zhì)問題，比如較為復雜的針孔、縮孔等問題。受篇幅限制，在此列舉1 個問題簡要說明。

斑馬紋不良，顧名思義，就是噴涂的產(chǎn)品外觀呈雜亂的斑馬紋狀黑白相間的紋路。本案在噴涂白色水性色漆時，出現(xiàn)了斑馬紋不良。

通過噴涂參數(shù)優(yōu)化、涂料成分調(diào)整等大量試驗測試和數(shù)據(jù)對比分析，找到了“涂膜膜厚均一性+噴涂軌跡間距+噴幅選型”這3 個影響因素。最終，軌跡間距由12 cm 調(diào)整至10 cm（為保障節(jié)拍，移動速度由550 mm/s 提升至650 mm/s），優(yōu)化噴幅選型（由500 NL/min/200 NL/min 的小扇形優(yōu)化為300 NL/min/500 NL/min 的大扇形），確保對應區(qū)域點位的膜厚數(shù)值均一（最大膜厚差≤5 μm），最終解決了斑馬紋不良。

通過對調(diào)試期間典型問題的解決，確保了項目順利完成量產(chǎn)切換。同時，這些調(diào)試問題也對類似水性漆噴涂的改造提供了參考。

5 總結(jié)

目前，水性色漆機器人已按節(jié)點完成SOP，機器人系統(tǒng)運行穩(wěn)定，各車型、顏色在改造后均滿足涂裝品質(zhì)要求。本次項目的實施從源頭上降低了VOCs排放量，滿足綠色環(huán)保的涂裝行業(yè)趨勢要求。

本次項目為溶劑型色漆改造為水性色漆提供了大批量切換的應用實例，相關(guān)改造經(jīng)驗、切換方案均可充分推廣應用到其他生產(chǎn)線，特別是以溶劑型色漆為主流的保險杠涂裝線。同時，在保險杠涂裝機器人水油通用、ABB IRB5400-22 機器人+CBSII 涂裝機等方面實現(xiàn)了技術(shù)突破和創(chuàng)新，具有較強的推廣應用價值。