汽車(chē)噴涂機(jī)器人工藝規(guī)劃及作業(yè)分區(qū)研究

王海平

（1.浙江大學(xué)工程師學(xué)院，浙江 杭州 310015；2.亞歐汽車(chē)制造(臺(tái)州)有限公司，浙江 臺(tái)州 318057）

隨著設(shè)備智能化的推進(jìn)，制造業(yè)對(duì)新工廠設(shè)備柔性化生產(chǎn)的要求越來(lái)越高，汽車(chē)涂裝生產(chǎn)工藝采用靈活的機(jī)器人進(jìn)行噴涂已成為主流。提高機(jī)器人噴涂車(chē)身品質(zhì)，并發(fā)揮好機(jī)器人噴涂的柔性，已成為汽車(chē)制造涂裝車(chē)間的一個(gè)關(guān)鍵課題，即如何在新工廠或更新改造工廠設(shè)計(jì)規(guī)劃階段將機(jī)器人噴涂柔性與高質(zhì)量的要求考慮進(jìn)去，從源頭上提升機(jī)器人噴涂品質(zhì)和生產(chǎn)的柔性化。本文以某年產(chǎn) 25萬(wàn)輛[即 72 JPH(即每小時(shí)生產(chǎn)72輛車(chē))]的新建工廠涂裝工藝為例，研究水性B1B2涂裝噴涂全自動(dòng)化生產(chǎn)線的機(jī)器人工藝布置，結(jié)合現(xiàn)有的數(shù)據(jù)資源和管理經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)建立一套數(shù)學(xué)模型，用于估算、分析和評(píng)估現(xiàn)有技術(shù)方案，計(jì)算柔性化噴涂生產(chǎn)線需要的機(jī)器人數(shù)量，并確定最終機(jī)器人的工藝布局和每個(gè)工作站中機(jī)器人噴涂車(chē)身的工藝分區(qū)。

1 B1B2涂裝機(jī)器人噴涂工藝流程

B1B2工藝，即免中涂工藝，取消了傳統(tǒng)3C2B工藝中的中涂，主要采用具有中涂漆功能的色漆底漆來(lái)代替，使整個(gè)涂裝噴涂工藝更加環(huán)保和節(jié)約成本。該新建工廠的B1B2工藝整條生產(chǎn)線共計(jì)8個(gè)工作站，其中機(jī)器人有5個(gè)工作站，每個(gè)工作站的機(jī)器人都是按照編好的程序自動(dòng)完成噴涂作業(yè)任務(wù)，工藝流程見(jiàn)圖1。

圖1 B1B2工藝機(jī)器人噴涂流程Figure 1 Robotic B1B2 spraying process

2 機(jī)器人工藝布置估算模型

2.1 機(jī)器人工藝布置研究流程

機(jī)器人估算數(shù)學(xué)模型的建立需要結(jié)合生產(chǎn)中機(jī)器人噴涂管理經(jīng)驗(yàn)，對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證、優(yōu)化后才能確定，具體步驟如下：

(1) 根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)原理對(duì)車(chē)身噴涂膜厚與對(duì)應(yīng)的機(jī)器人噴涂參數(shù)和不同顏色涂料參數(shù)等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，主要參數(shù)包括生產(chǎn)線設(shè)計(jì)產(chǎn)能、車(chē)身噴涂面積、車(chē)身膜厚、涂料固體分、噴涂TCP(工具中心點(diǎn))速率、噴涂流量、噴涂重疊率、噴幅、噴涂作業(yè)效率、上漆率等。

(2) 對(duì)統(tǒng)計(jì)的各工藝參數(shù)相互之間的關(guān)系進(jìn)行分析，通過(guò)實(shí)驗(yàn)、調(diào)整及驗(yàn)證，找出各工藝參數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，建立機(jī)器人噴涂TCP速率與對(duì)應(yīng)工藝參數(shù)的數(shù)據(jù)模型和機(jī)器人噴涂流量與對(duì)應(yīng)工藝參數(shù)的數(shù)據(jù)模型。

(3) 結(jié)合在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)噴涂機(jī)器人的管理經(jīng)驗(yàn)，對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整，形成一套關(guān)于機(jī)器人工藝布置估算的數(shù)學(xué)模型。

噴涂機(jī)器人工藝方案研究流程如圖2所示。

圖2 噴涂機(jī)器人工藝方案研究流程Figure 2 Process flow for studying the robotic spraying scheme

2.2 機(jī)器人噴涂方式的確定

機(jī)器人噴涂主要有兩種方式，一種是連續(xù)式，即機(jī)器人按照既定節(jié)拍時(shí)間做動(dòng)作，整個(gè)過(guò)程中車(chē)身處于連續(xù)勻速運(yùn)行狀態(tài)，機(jī)器人同步跟蹤車(chē)身完成噴涂作業(yè)；另一種是走停式，即車(chē)身進(jìn)入機(jī)器人工作區(qū)域后停止，由機(jī)器人完成車(chē)身噴涂，整個(gè)過(guò)程中車(chē)身處于靜止?fàn)顟B(tài)，機(jī)器人處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。這兩種噴涂方式的對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 連續(xù)式與走停式噴涂方式對(duì)比Table 1 Comparison between continuous spraying and stop-and-go spraying

2.3 機(jī)器人工藝布置估算數(shù)學(xué)模型

2.3.1 規(guī)劃工藝參數(shù)

工廠的設(shè)計(jì)產(chǎn)能確定后，生產(chǎn)線設(shè)計(jì)產(chǎn)能和節(jié)拍時(shí)間就會(huì)確定，在估算機(jī)器人工藝布置時(shí)需要確定車(chē)身的最大噴涂面積(內(nèi)、外部)和涂料體積固體分參數(shù)。在設(shè)計(jì)噴涂機(jī)器人布置方案時(shí)，考慮到后期產(chǎn)能的提升，一般預(yù)留5% ～ 10%的提升空間。車(chē)身噴涂膜厚主要分為車(chē)身內(nèi)部漆膜厚度和車(chē)身外部漆膜厚度，車(chē)身內(nèi)外板膜厚參數(shù)有一個(gè)區(qū)間范圍。在設(shè)備選型時(shí)，不同的膜厚對(duì)設(shè)備選型會(huì)產(chǎn)生不同的影響，一般以噴涂車(chē)身膜厚上限作為機(jī)器人選型計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)和依據(jù)。

與機(jī)器人工藝布置相關(guān)的主要參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 機(jī)器人噴涂工藝規(guī)劃參數(shù)Table 2 Parameters for planning robotic spraying process

2.3.2 機(jī)器人工藝布置估算數(shù)學(xué)模型

建立機(jī)器人噴涂數(shù)學(xué)模型是分析機(jī)器人布置方案的基礎(chǔ)，不同型號(hào)和品牌的機(jī)器人涉及到的相應(yīng)參數(shù)會(huì)有些許不同，但整體相差不大。

對(duì)于本例而言，機(jī)器人噴涂TCP速率[1]和機(jī)器人噴涂流量估算模型[2]分別如式(1)和式(2)所示。

式中v為機(jī)器人噴涂TCP速率(單位：mm/s)，A為噴涂車(chē)身面積(單位：m2)，f為噴幅重疊次數(shù)，W為機(jī)器人噴幅的寬度(單位：mm)，T為生產(chǎn)線節(jié)拍時(shí)間(單位：s)，t為機(jī)器人清洗換色時(shí)間(單位：s)，n為機(jī)器人數(shù)量，η為有效作業(yè)率(單位：%)，P為噴涂的涂料流量(單位：mL/min)，δ為干膜厚度(單位：μm)，M為涂料體積固體分(單位：%)，R為涂料上漆率(單位：%)。

在拋錨式教學(xué)中，教師為幫助學(xué)生完成自主學(xué)習(xí)的任務(wù)解決實(shí)際問(wèn)題，會(huì)給學(xué)生提供相應(yīng)的線索或者輔助材料，以此來(lái)培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力，而不是直截了當(dāng)?shù)母嬖V學(xué)生應(yīng)該如何解決所面臨的問(wèn)題。在數(shù)學(xué)概念課中，學(xué)生自主學(xué)習(xí)主要是通過(guò)已知的線索去收集信息、整理信息、分析信息，從而找到解決問(wèn)題的方法去解決問(wèn)題。

3 機(jī)器人工藝規(guī)劃及噴涂作業(yè)分區(qū)

3.1 機(jī)器人噴涂工藝設(shè)計(jì)參數(shù)

年產(chǎn)25萬(wàn)輛相當(dāng)于設(shè)計(jì)產(chǎn)能為72 JPH，生產(chǎn)節(jié)拍為50 s?？紤]到機(jī)器人噴涂的柔性及可靠性，同時(shí)追求車(chē)身更好的外觀質(zhì)量，色漆和清漆會(huì)噴涂?jī)杀?。采用雙線生產(chǎn)，每條生產(chǎn)線的節(jié)拍為設(shè)計(jì)節(jié)拍的一半，即每條噴涂生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)產(chǎn)能為36 JPH，生產(chǎn)線節(jié)拍為100 s，要求每臺(tái)機(jī)器人的噴涂循環(huán)時(shí)間在100 s內(nèi)?？紤]到機(jī)器人噴涂不同顏色涂料一般需要15 s的清洗換色時(shí)間，因此機(jī)器人實(shí)際的噴涂作業(yè)時(shí)間需要控制在85 s以內(nèi)。若采用走停式噴涂，還需要考慮實(shí)際車(chē)身輸送時(shí)間，一般從噴涂的車(chē)身進(jìn)入噴房入口開(kāi)始計(jì)時(shí)，移動(dòng)進(jìn)入機(jī)器人噴涂區(qū)域后停止，直至用固定夾具夾緊，整個(gè)輸送過(guò)程為15 ～ 20 s。

在確定機(jī)器人噴涂工藝設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)，鑒于涂料體積固體分越高，涂料的遮蓋能力越強(qiáng)，因此一般以涂料固體分的下限值進(jìn)行計(jì)算，而機(jī)器人噴涂的車(chē)身膜厚一般選擇上限值作為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)。具體的機(jī)器人噴涂工藝參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 機(jī)器人噴涂工藝設(shè)計(jì)參數(shù)Table 3 Designed parameters of robotic spraying process

3.2 機(jī)器人工藝方案規(guī)劃

3.2.1 機(jī)器人數(shù)量的確定

目前大多數(shù)機(jī)器人在噴涂過(guò)程中的最大TCP速率可達(dá)1 000 mm/s以上，但在采用靜電旋杯噴涂時(shí)，一般噴涂TCP速率控制在600 mm/s以內(nèi)，TCP速率超過(guò)600 mm/s會(huì)導(dǎo)致上漆率降低(傳輸效率會(huì)變差)，造成單車(chē)涂料消耗量增高以及膜厚提升困難。大多數(shù)機(jī)器人在噴涂過(guò)程中的噴涂流量最高可達(dá)900 mL/min，但在實(shí)際采用靜電旋杯噴涂的過(guò)程中，一般會(huì)控制在500 mL/min以內(nèi)，超過(guò)500 mL/min會(huì)令霧化效果降低，污染會(huì)變得嚴(yán)重，甚至?xí)绊戃?chē)身噴涂品質(zhì)。

考慮到機(jī)器人噴涂品質(zhì)的波動(dòng)和后期產(chǎn)能的提升空間，一般機(jī)器人的TCP速率和噴涂流量會(huì)預(yù)留10%調(diào)整量，因此要求v＜ 600 × 0.9 = 540 (mm/s)，P＜ 500 × 0.9 = 450 (mL/min)。

將機(jī)器人噴涂工藝方案涉及到的工藝參數(shù)代入機(jī)器人噴涂工藝數(shù)據(jù)模型進(jìn)行求解，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 每個(gè)工作站機(jī)器人數(shù)量的估算Table 4 Estimation of the number of robots per workstation

每個(gè)色漆和清漆內(nèi)噴工作站需要配備4臺(tái)開(kāi)門(mén)機(jī)器人和2臺(tái)開(kāi)蓋機(jī)器人，而機(jī)器人噴涂流量和TCP速率還需要在現(xiàn)場(chǎng)噴涂調(diào)試中進(jìn)行驗(yàn)證，其理論值見(jiàn)表5。

表5 機(jī)器人臺(tái)數(shù)、噴涂流量和TCP速率的理論值Table 5 Theoretical values of robot amount, paint flow rate, and TCP moving speed

3.2.2 機(jī)器人噴涂工藝方案

圖3 B1B2水性涂裝工藝機(jī)器人噴涂方案Figure 3 Scheme of B1B2 robotic spraying process with waterborne paint

3.3 機(jī)器人噴涂作業(yè)分區(qū)

按照機(jī)器人噴涂的最大車(chē)身面積，在離線仿真軟件上進(jìn)行作業(yè)分區(qū)，經(jīng)模擬驗(yàn)證后確定各工作站機(jī)器人噴涂車(chē)身的作業(yè)分區(qū)。BC0外部底漆工作站4臺(tái)機(jī)器人的作業(yè)分區(qū)見(jiàn)表6。

表6 機(jī)器人噴涂BC0外部底漆作業(yè)分區(qū)Table 6 Work zone division of robots for spraying primer BC0 externally

BC1內(nèi)部色漆工作站5臺(tái)噴涂機(jī)器人和6臺(tái)開(kāi)門(mén)開(kāi)蓋機(jī)器人的作業(yè)分區(qū)見(jiàn)表7。

表7 機(jī)器人噴涂BC1內(nèi)部色漆作業(yè)分區(qū)Table 7 Work zone division of robots for spraying color paint BC1 internally

BC2外部底漆工作站8臺(tái)機(jī)器人的作業(yè)分區(qū)見(jiàn)表8。

表8 機(jī)器人噴涂BC2外部色漆作業(yè)分區(qū)Table 8 Work zone division of robots for spraying color paint BC2 externally

CC1內(nèi)部色漆工作站5臺(tái)噴涂機(jī)器人和6臺(tái)開(kāi)門(mén)開(kāi)蓋機(jī)器人的作業(yè)分區(qū)見(jiàn)表9。

表9 機(jī)器人噴涂CC1內(nèi)部清漆作業(yè)分區(qū)Table 9 Work zone division of robots for spraying color paint CC1 internally

CC2外部清漆工作站6臺(tái)機(jī)器人的作業(yè)分區(qū)見(jiàn)表10。

表10 機(jī)器人噴涂CC2外部清漆作業(yè)分區(qū)Table 10 Work zone division of robots for spraying color paint CC2 externally

4 結(jié)語(yǔ)

目前新能源汽車(chē)快速發(fā)展，加上智能化裝備新技術(shù)快速推進(jìn)，使整個(gè)汽車(chē)制造行業(yè)不斷轉(zhuǎn)型升級(jí)。面對(duì)未來(lái)設(shè)備智能化發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。對(duì)于車(chē)身噴涂工藝來(lái)說(shuō)，新技術(shù)、新工藝和新材料的變化勢(shì)必帶動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，涂裝工藝中靈活的、柔性化的機(jī)器人噴涂技術(shù)日益受到重視，如何讓機(jī)器人噴涂技術(shù)發(fā)揮更大作用，需要對(duì)機(jī)器人噴涂技術(shù)的應(yīng)用不斷進(jìn)行研究和探索，為保證噴涂工藝穩(wěn)定和噴涂品質(zhì)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。