汽車(chē)色漆內(nèi)噴機(jī)器人設(shè)計(jì)的重點(diǎn)

郅學(xué)偉，和軍強(qiáng)

（宜賓凱翼汽車(chē)有限公司，四川 宜賓 644000）

目前國(guó)內(nèi)新建的汽車(chē)涂裝線多采用“內(nèi)外噴機(jī)器人+干式噴漆室+高比例循環(huán)風(fēng)+噴漆廢氣凈化”的成套工藝。該工藝的關(guān)鍵是采用內(nèi)噴機(jī)器人徹底取代人工噴涂。一些原有生產(chǎn)線的環(huán)保改造也多通過(guò)增加內(nèi)噴機(jī)器人來(lái)凈化噴漆廢氣。本文基于筆者在改造和調(diào)試內(nèi)噴機(jī)器人方面的經(jīng)驗(yàn)，探討了一些設(shè)計(jì)過(guò)程中需注意的因素。

1 噴涂效率

隨著機(jī)器人噴涂的推廣，其噴涂效率在設(shè)計(jì)時(shí)就得到了重視，稍微專(zhuān)業(yè)的都要做機(jī)器人的節(jié)拍時(shí)序圖。但早期規(guī)劃涂裝車(chē)間時(shí)還很少考慮機(jī)器人的效率問(wèn)題，只是用軟件簡(jiǎn)單計(jì)算或者憑經(jīng)驗(yàn)來(lái)估算，比如節(jié)拍翻一倍，機(jī)器人數(shù)量也跟著多一倍。一般情況下生產(chǎn)線會(huì)有二三十秒的非噴涂時(shí)間造成固定效率損失，包括輸送切換、換色清洗、機(jī)器人準(zhǔn)備撤退動(dòng)作、噴涂過(guò)程中機(jī)器人動(dòng)作切換等所需時(shí)間以及安全時(shí)間。假設(shè)一條面漆線每臺(tái)機(jī)器人非噴涂動(dòng)作固定損失30 s，按100 s設(shè)計(jì)節(jié)拍計(jì)算，單個(gè)機(jī)器人效率就是70%，如果按2倍節(jié)拍50 s設(shè)計(jì)，那么單個(gè)機(jī)器人效率僅40%。如果僅僅比100 s節(jié)拍時(shí)增加一倍的機(jī)器人就可能無(wú)法很好地完成作業(yè)。前幾年有幾條涂裝線嘗試過(guò)面漆單線55 JPH(65 s節(jié)拍)左右的設(shè)計(jì)，結(jié)果產(chǎn)生了較多問(wèn)題，就是因?yàn)闆](méi)有考慮到機(jī)器人效率，并未按照噴涂所需工藝時(shí)間來(lái)設(shè)計(jì)，而是直接按節(jié)拍比例增加機(jī)器人，所以最終項(xiàng)目失敗。

相比噴涂車(chē)身外表面，內(nèi)噴還受限于四門(mén)兩蓋的空間。布置內(nèi)噴機(jī)器人時(shí)更應(yīng)關(guān)注噴涂時(shí)間窗口(指可以用來(lái)作業(yè)的時(shí)間)、有效噴涂時(shí)間等參數(shù)。充足的噴涂窗口時(shí)間是做好機(jī)器人內(nèi)噴項(xiàng)目最重要的基礎(chǔ)，它基本上決定了調(diào)試空間。根據(jù)筆者設(shè)計(jì)和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，色漆內(nèi)噴以四門(mén)兩蓋總的噴涂窗口時(shí)間設(shè)計(jì)在350 ~ 400 s之內(nèi)為宜。緊湊工藝中，色漆四門(mén)部位的內(nèi)噴窗口保障尤為重要。

在一些采用色漆內(nèi)表面帶電噴涂的生產(chǎn)線上，或者在內(nèi)表面有中涂的情況下，可將色漆內(nèi)噴窗口總時(shí)間設(shè)置到300 ~ 350 s。實(shí)際上根據(jù)不同的情況，TCP(機(jī)器人噴涂移動(dòng)速率)會(huì)有所變化，需要調(diào)試確定，一般希望新設(shè)計(jì)的線不超過(guò)900 s。

目前車(chē)身內(nèi)部噴涂主要分為兩大類(lèi)，隨行式(line tracking)和走停式(stop & go)，配套的機(jī)器人有六軸和七軸。常規(guī)的七軸是在六軸基礎(chǔ)上增加軌道，現(xiàn)在杜爾(Dürr)、ABB等都發(fā)展出自身七軸的技術(shù)(見(jiàn)圖1)，已大大拓寬了內(nèi)噴的施工窗口。為了充分發(fā)揮設(shè)備效率，降低調(diào)試難度，追求施工穩(wěn)定性，以及兼顧部分降級(jí)功能，目前更多的新建涂裝線內(nèi)噴機(jī)器人傾向于設(shè)計(jì)成七軸stop & go。

圖1 主流自身七軸的機(jī)器人Figure 1 Common robots with integrated seven axes

有時(shí)也存在因規(guī)劃失誤或提產(chǎn)需求而要求用較短的噴涂時(shí)間窗口來(lái)完成作業(yè)，此時(shí)需要摸索每一款車(chē)型每一個(gè)顏色對(duì)應(yīng)的調(diào)試策略。

某采用機(jī)器人內(nèi)噴的項(xiàng)目因規(guī)劃失誤，色漆的實(shí)際噴涂效率僅27%。該案例中的內(nèi)噴機(jī)器人采用六軸隨行式，噴涂車(chē)門(mén)內(nèi)表面時(shí)最大可達(dá)空間僅3 m(見(jiàn)圖2)，面漆線最初采用7 m的噴涂節(jié)距，機(jī)器人極限噴涂窗口時(shí)間僅為節(jié)拍的3/7。該車(chē)間面漆段節(jié)拍為78 s，因此噴涂窗口時(shí)間為78 × 3 ÷ 7 = 33 (s)，由于噴涂起止位置被限制，實(shí)際有效噴涂時(shí)間僅約21 s，很多段的噴涂TCP達(dá)到1 300 m/s，而且由于拐角鉸鏈等部位無(wú)法充分設(shè)置噴涂動(dòng)作，少漆部位達(dá)17 ~ 20處。另外，噴涂速率快還需要加大油漆吐出量，導(dǎo)致油漆反彈，在霧化器外表面附著大量水性漆霧，容易形成導(dǎo)電通路，頻繁觸發(fā)報(bào)警。

圖2 內(nèi)噴六軸隨行式布局的噴涂窗口制約Figure 2 Restriction of spray window for ling-tracking interior painting line with 6-axis robots

拓展噴涂時(shí)間窗口最簡(jiǎn)單直接的措施就是降節(jié)拍，但生產(chǎn)節(jié)拍對(duì)工廠產(chǎn)出和成本至關(guān)重要。結(jié)合該項(xiàng)目?jī)?nèi)噴帶電的設(shè)計(jì)以及自動(dòng)變節(jié)距的功能，將最大節(jié)拍定為90 s，小型車(chē)噴涂段節(jié)距調(diào)整為6.6 m，令噴涂時(shí)間窗口達(dá)到90 × 3 ÷ 6.6 = 41 (s)，提升了24%。在增加噴涂窗口的基礎(chǔ)上優(yōu)化仿形，TCP降到850 ~1 100 m/s，從而降低噴涂流量，進(jìn)一步提高上漆率，再通過(guò)優(yōu)化動(dòng)作令噴涂可達(dá)性提高。對(duì)于遮蓋力較差的白色，在內(nèi)表面單獨(dú)采用固含量更高的原漆，同樣遮蓋力的流量比之前減少20%，基本解決了內(nèi)噴窗口瓶頸導(dǎo)致的嚴(yán)重少漆和漆霧污染問(wèn)題。對(duì)于較大的車(chē)型，可通過(guò)機(jī)器人接力設(shè)計(jì)重新分配噴涂次序、更換行程更大的開(kāi)蓋機(jī)器人、拉大節(jié)距等措施完成色漆內(nèi)噴作業(yè)。

2 霧化器是否帶電

由于水性漆導(dǎo)電導(dǎo)致帶電霧化器的結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜、形狀較大，水性涂裝線的內(nèi)表面機(jī)器人多不帶電。無(wú)論是SAMES的EVO內(nèi)加電還是杜爾的隱藏極針外加電，霧化器都會(huì)增大，應(yīng)用在內(nèi)表面噴涂的話，存在設(shè)備成本高、故障率高、可達(dá)性差的問(wèn)題，容易造成肥邊等質(zhì)量缺陷，且鉸鏈和凹陷部位難以噴涂，水性色漆內(nèi)表面帶電也容易導(dǎo)致跳高壓停線。雖然水性色漆內(nèi)表機(jī)器人帶電噴涂尚存在諸多難題，但對(duì)上漆率提升的渴望還吸引行業(yè)不斷研究?jī)?yōu)化，圖3所示便是一種不錯(cuò)的解決方案。

圖3 FANUC尼龍罐Canister水性漆絕緣噴涂系統(tǒng)示意圖Figure 3 Schematic diagram of FANUC’s isolation spraying system with nylon canister for waterborne paint

3 機(jī)器人污染車(chē)身

內(nèi)噴機(jī)器人本體有線路完全內(nèi)置、部分內(nèi)置和全部外置幾種，考慮到內(nèi)噴的操作空間，以及減少線路摩擦掉臟的概率，應(yīng)盡量選用管路內(nèi)置的機(jī)器人。

某車(chē)間內(nèi)噴機(jī)器人采用外置管路，其中色漆外置空氣管路和電纜，清漆外置空氣管路、電纜和涂料溶劑管路，外置管路均用波紋管包覆。外置管路很容易與機(jī)器人本體等摩擦，從而掉落臟污。如圖4所示，將管路與機(jī)器人本體固定，并用“連體服”將管路和機(jī)器人本體包在一起，機(jī)器人前端也帶上“袖套”之后，基本解決了掉臟問(wèn)題。

圖4 色漆內(nèi)噴波紋管的改造方案Figure 4 Reformation of corrugated tube for basecoat spryer

4 開(kāi)門(mén)裝置

內(nèi)腔噴涂有噴涂機(jī)器人自帶開(kāi)關(guān)門(mén)的設(shè)計(jì)，但多用噴涂機(jī)器人和開(kāi)門(mén)機(jī)器人進(jìn)行配合來(lái)噴涂?jī)?nèi)腔。目前行業(yè)多用傳統(tǒng)的插針式開(kāi)門(mén)器，通過(guò)接觸門(mén)板上沿的車(chē)窗來(lái)抓取工件，機(jī)器人在下壓過(guò)程中插針的機(jī)械位移觸發(fā)傳感器，以此來(lái)判斷是否抓取成功。過(guò)噴的油漆不可避免地有一部分掉落到開(kāi)門(mén)機(jī)器人的抓手上面，反復(fù)噴涂后就形成積漆，如不及時(shí)清理，積漆就有可能滴落到車(chē)身表面而造成返工，因此一般需要一兩個(gè)小時(shí)清理一次。

要解決開(kāi)門(mén)器滴漆的問(wèn)題，可以?xún)?yōu)化噴涂角度以及開(kāi)門(mén)器位置，也可以在開(kāi)門(mén)器的設(shè)計(jì)上下功夫，一般開(kāi)門(mén)器的爪子越小就越不容易滴漆。有的工廠設(shè)置氣吹裝置，利用開(kāi)門(mén)器工作間隙，在固定位置用壓縮空氣吹掉開(kāi)門(mén)器爪子上面的油漆。

現(xiàn)在也有磁錘式開(kāi)門(mén)器，它通過(guò)磁錘吸住門(mén)板內(nèi)側(cè)來(lái)抓取工件。磁錘吸住工件后會(huì)通過(guò)光纖來(lái)感知磁錘位置的變化，以此來(lái)判斷是否抓取成功。釋放工件時(shí)利用壓縮空氣令磁鐵與工件表面脫離。磁錘式開(kāi)門(mén)器不與工件主動(dòng)接觸，也不容易滴漆，但應(yīng)用在非鐵制件的門(mén)上不太方便。

配合機(jī)器人內(nèi)噴的四門(mén)工裝有一次性卡扣(多為 3D打印的耐高溫樹(shù)脂材料，可以循環(huán)利用幾次)、磁力工裝和鉸鏈等形式。對(duì)于鐵質(zhì)車(chē)門(mén)，采用磁力工裝是相對(duì)經(jīng)濟(jì)實(shí)用的選擇，但因與車(chē)身接觸的地方容易出現(xiàn)顆粒、流掛等缺陷，故其推廣受到了限制，一般通過(guò)加強(qiáng)清洗或者粘貼膠帶紙來(lái)減少缺陷。經(jīng)過(guò)摸索，筆者團(tuán)隊(duì)找到了更好的解決磁力工裝掉臟流掛的方案──減少接觸面積，尤其是減少與可噴涂到的部位接觸。該方案的思路是將以前的磁頭外圈凸起接觸車(chē)門(mén)改為中間點(diǎn)接觸車(chē)身(如圖5a所示)，這樣油漆就不容易噴涂到中間點(diǎn)接觸的部位而導(dǎo)致積漆，不會(huì)流掛或?qū)е陆佑|面上的油漆干結(jié)后因碰撞而掉臟，在接觸車(chē)門(mén)的部位只有一個(gè)小點(diǎn)(如圖5b所示)。

圖5 中凸接觸的磁力工裝(a)及其在車(chē)門(mén)上造成的印痕(b)Figure 5 Magnetic door-opening tool (a) with a central contact and the mark (b) produced thereby on the door

5 車(chē)身溫度

采用機(jī)器人內(nèi)噴后可以大幅提高質(zhì)量的穩(wěn)定性，但前提是相關(guān)條件也比較穩(wěn)定，比如進(jìn)入噴漆室時(shí)車(chē)身的溫度最好能與噴房溫度比較一致，否則低溫車(chē)身進(jìn)入噴房后，空氣中的水氣會(huì)附著到車(chē)身上(如圖6所示)。因?yàn)闆](méi)有外表面那樣更好的漆膜均勻性以及有中涂打底，溫度過(guò)低很容易在內(nèi)表面首先出現(xiàn)流掛吹花等缺陷。現(xiàn)在一般采用面漆前儲(chǔ)存區(qū)增加空調(diào)控溫的方法來(lái)解決，建議在設(shè)計(jì)生產(chǎn)線時(shí)噴漆擦凈前預(yù)留三四個(gè)工位做車(chē)身恒溫段，將車(chē)身溫度和噴漆室環(huán)境溫度的差異控制在4 °C之內(nèi)。

圖6 低溫車(chē)身進(jìn)入噴房時(shí)發(fā)生結(jié)露的情形Figure 6 Occurrence of condensation when low-temperature car body enters the spray booth

6 故障應(yīng)對(duì)的設(shè)計(jì)

色漆內(nèi)噴段機(jī)器人往往具有比外噴機(jī)器人更高的故障率，因此對(duì)“降級(jí)模式”的需求比外表面自動(dòng)噴涂更為迫切。沒(méi)有“降級(jí)模式”的生產(chǎn)線最好設(shè)計(jì)單臺(tái)機(jī)器人的退出功能，以保證在出現(xiàn)故障時(shí)能通過(guò)后續(xù)少量補(bǔ)噴來(lái)完成作業(yè)。在將前蓋內(nèi)噴設(shè)計(jì)為單獨(dú)機(jī)器人的前提下，在四門(mén)內(nèi)噴機(jī)器人出現(xiàn)故障且暫時(shí)難以修復(fù)的情況下，可以臨時(shí)用前蓋機(jī)器人部件替換以保證生產(chǎn)。

7 智能制造──數(shù)據(jù)采集與處理

以往采用人工噴涂車(chē)身內(nèi)部時(shí)，很難統(tǒng)計(jì)油漆和溶劑的精確消耗，帶來(lái)定額管理的難題，只能通過(guò)長(zhǎng)期數(shù)據(jù)的積累來(lái)比較。采用內(nèi)噴機(jī)器人后，精確采集噴涂數(shù)據(jù)就有了更全面的基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)上要考慮單耗采集、匯總、比較等功能。全自動(dòng)噴涂加上生產(chǎn)管理系統(tǒng)，以及現(xiàn)在的智能電動(dòng)泵系統(tǒng)，也可以實(shí)現(xiàn)油漆的休眠模式、待機(jī)模式和工作模式的精確切換，這對(duì)降低涂料剪切、節(jié)約運(yùn)行能耗都有好處。

8 結(jié)語(yǔ)

涉及色漆內(nèi)噴的課題還有很多，需要不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，形成理論和實(shí)踐的相互提升，才能不斷完善汽車(chē)色漆內(nèi)噴機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。