特種車輛機(jī)器人迷彩噴涂技術(shù)應(yīng)用研究

杜建國 朱志強(qiáng) 張緒忠 王 敏 李 建 宋一樂 李 瑋 孫宇超

特種車輛機(jī)器人迷彩噴涂技術(shù)應(yīng)用研究

杜建國1朱志強(qiáng)2張緒忠1王 敏1李 建1宋一樂1李 瑋1孫宇超1

（1. 山西航天清華裝備有限責(zé)任公司，長治 046012；2. 火箭軍裝備部駐長治地區(qū)軍事代表室，長治 046012）

分析了特種車輛的特點(diǎn)及人工三色變形迷彩噴涂的工藝難點(diǎn)，設(shè)計(jì)了集綠色化和智能化于一體的機(jī)器人迷彩噴涂系統(tǒng)，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性，獲得了較高質(zhì)量的三色迷彩圖案，實(shí)現(xiàn)了特種車輛機(jī)器人迷彩噴涂技術(shù)的成功應(yīng)用。

特種車輛；機(jī)器人；迷彩噴涂

1 引言

特種車輛為保證良好的偽裝性及防腐性，目前廣泛采用在車輛表面進(jìn)行迷彩噴涂的表面處理方法。傳統(tǒng)的人工繪制迷彩圖案及人工噴涂的迷彩涂裝作業(yè)方式，需多名操作人員配以三維小車、工作梯、遮蔽工裝等協(xié)作完成，存在噴涂質(zhì)量不一致、自動化程度低、工作量大、生產(chǎn)效率低、安全性差、環(huán)境性差等不足。

機(jī)器人噴涂在國外航空、航天行業(yè)已得到廣泛應(yīng)用。洛克希德·馬丁公司大型飛機(jī)機(jī)器人噴涂系統(tǒng)已用于F-22、F-35等戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)身表面作業(yè)[1]；外軍在迷彩噴涂作業(yè)方法上也朝著自動化噴涂方向發(fā)展，研究及裝備了機(jī)器人迷彩噴涂作業(yè)站，提高迷彩作業(yè)效率和偽裝效果[2]。近年來，國內(nèi)航空、航天企業(yè)開始應(yīng)用機(jī)器人噴涂，實(shí)現(xiàn)了發(fā)動機(jī)、飛機(jī)翼板、筒段等規(guī)則零部件的單色自動化噴涂。北京機(jī)械工業(yè)自動化研究所將ABB IRB5500機(jī)器人自動噴涂系統(tǒng)應(yīng)用于航天固體發(fā)動機(jī)表面噴涂，大大提高了噴涂質(zhì)量和生產(chǎn)效率[3]；清華大學(xué)與上海航天設(shè)備制造廠共同設(shè)計(jì)了龍門式三維正交的噴涂機(jī)器人，能高精度完成航天大零部件的噴涂作業(yè)[4]；天津航天長征火箭制造有限公司將IRB 580-12型立式噴涂機(jī)器人應(yīng)用于航天行業(yè)用筒段產(chǎn)品，優(yōu)化制造質(zhì)量，提升制造效率[5]。但機(jī)器人噴涂尚未應(yīng)用于特種車輛噴涂，特別是三色變形迷彩噴涂。

本文基于所研制生產(chǎn)的特種車輛的特點(diǎn)及三色變形迷彩噴涂要求，設(shè)計(jì)機(jī)器人迷彩噴涂系統(tǒng)并成功應(yīng)用于產(chǎn)品噴涂中。

2 產(chǎn)品特點(diǎn)及現(xiàn)有工藝難點(diǎn)

2.1 產(chǎn)品特點(diǎn)

特種車輛具有外形尺寸大、重量重、車身凸出、外掛特征繁多且結(jié)構(gòu)不規(guī)則的特點(diǎn)。特種車輛之間存在一定的個體差異，噴涂時車輛駛?cè)胛恢枚ㄎ痪_性差。噴涂質(zhì)量要求高，具體要求如下：

涂層厚度達(dá)到40～60μm；涂層綜合附著力優(yōu)于2級；各顏色所占比例的變化量在±5%以內(nèi)；迷彩斑點(diǎn)周圍的漆霧過渡區(qū)寬度≤20mm。

2.2 現(xiàn)有工藝難點(diǎn)

三色變形迷彩是由與背景相似的三種顏色的不規(guī)則斑點(diǎn)構(gòu)成的迷彩，能夠達(dá)到歪曲目標(biāo)外形輪廓的目的[6]。

國內(nèi)特種車輛迷彩噴涂主要為人工采用膠帶紙或模板遮蔽噴涂，人工噴涂主要的工藝流程如圖1所示。

圖1 迷彩噴涂工藝流程

人工噴涂作業(yè)方式存在以下難點(diǎn)：

a. 迷彩圖案繪制難以滿足“空間混色”要求

整車尺寸大、外形復(fù)雜，按照網(wǎng)格進(jìn)行迷彩圖案繪制無法有效整合產(chǎn)品各立體面，難以有效保證圖案位置偏移量、立體平面間過渡自然要求，各立體平面為各自相對獨(dú)立的噴涂面；

b. 遮蔽過程繁復(fù)

采用膠帶紙或模板遮蔽，需制作模板或貼繪圖案，且需在三種油漆噴涂過程中多人協(xié)作完成。采用膠帶紙遮蔽，圖案邊框粘貼時間過長貼膠脫落粘于產(chǎn)品表面，影響噴涂質(zhì)量；

c. 對噴涂操作人員技能要求高，受人為因素影響大，手工噴涂質(zhì)量不一致

噴涂過程需操作人員憑借長期積累的經(jīng)驗(yàn)和精心操作才能完成，對噴涂操作人員技能要求較高，受人為因素影響大，手工噴涂質(zhì)量不一致；

d. 噴涂設(shè)備及工藝裝備自動化程度低，安全性及環(huán)保性差

操作人員配以三維小車、工作梯等使用手工噴槍進(jìn)行噴涂，噴涂過程會產(chǎn)生大量的漆霧和廢氣，對人員的健康造成一定的危害。

3 機(jī)器人迷彩噴涂系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)機(jī)器人迷彩噴涂系統(tǒng)并應(yīng)用于產(chǎn)品噴涂，機(jī)器人可以按照設(shè)定的指令直接噴涂指定的形狀、顏色，通過機(jī)器人涂覆設(shè)備及噴涂工藝升級代替人工噴涂，可減少迷彩圖案勾畫、遮蔽工序，提高生產(chǎn)效率，保證噴涂質(zhì)量。

3.1 綠色化和智能化

機(jī)器人迷彩噴涂系統(tǒng)布置于全封閉噴漆室內(nèi)，如圖2所示，新鮮空氣通過送風(fēng)機(jī)組送入室體頂部動壓室，均壓后再進(jìn)入靜壓室，從頂部均勻地送入室體內(nèi)，飛散的廢漆霧被壓入室體下部的干式紙盒漆霧處理系統(tǒng)，廢氣在排風(fēng)機(jī)作用下進(jìn)入廢氣處理設(shè)備進(jìn)行凈化后將潔凈空氣排出。通過機(jī)械化換人、自動化減人，達(dá)到噴涂過程中的綠色化和智能化。

圖2 機(jī)器人噴漆室布置示意圖

3.2 機(jī)器人布置形式選擇

噴涂機(jī)器人選擇6軸工業(yè)防爆機(jī)器人，具備雙機(jī)協(xié)同噴涂功能，布置形式選擇圖2所示側(cè)軌模式，相較地軌布置形式，具有以下優(yōu)勢：

a. 側(cè)軌采用一個外部軸，結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)方便，故障率更少；

b. 占用空間少，節(jié)省噴漆室空間，在固定范圍內(nèi)達(dá)到更大可達(dá)率；

c. 側(cè)軌受噴漆及施工影響小，安全系數(shù)高。

3.3 機(jī)器人噴槍及支架

機(jī)器人噴槍為專用定制噴槍，通過減少兩種油漆間搭接面飛濺確保迷彩斑點(diǎn)周圍漆霧過渡區(qū)域?qū)挾燃夹g(shù)要求。

機(jī)器人末端法蘭盤安裝加長可折疊噴槍支架，如圖3所示，拓展機(jī)器人臂展，增加機(jī)器人噴涂系統(tǒng)冗余性，解決部分特種車體內(nèi)部凹槽和底部可達(dá)性問題。

圖3 噴槍及支架示意圖

3.4 噴涂仿真

通過數(shù)字化仿真系統(tǒng)構(gòu)建、干涉檢查及驗(yàn)證優(yōu)化進(jìn)行噴涂系統(tǒng)仿真。采用虛擬現(xiàn)實(shí)靜態(tài)工藝布局仿真驗(yàn)證，搭建與實(shí)物1∶1比例的虛擬場景，對機(jī)器人、工藝裝備、物流設(shè)備等工藝資源進(jìn)行布局仿真驗(yàn)證。

圖4 車身噴涂仿真

通過仿真軟件對機(jī)器人迷彩噴涂系統(tǒng)的物流路徑、設(shè)備干涉、機(jī)器人工作空間及噴涂可達(dá)性等進(jìn)行驗(yàn)證與仿真分析，以路徑最優(yōu)、設(shè)備運(yùn)行過程無碰撞為原則，優(yōu)化調(diào)整設(shè)計(jì)方案，通過圖4所示工件軌跡模擬，產(chǎn)品噴涂覆蓋率可達(dá)95%以上。

3.5 車體定位

為滿足機(jī)器人噴涂對工件的位置精度要求，設(shè)計(jì)兩側(cè)導(dǎo)引裝置及前進(jìn)方向擋車器保證噴涂時工件相對機(jī)器人位置的一致性。駕駛者按照噴涂室內(nèi)導(dǎo)引裝置緩慢行駛，在擋車器位置將車輛停止。機(jī)器人自動噴涂前，對工件進(jìn)行掃描，得到工件偏移量后進(jìn)行機(jī)器人軌跡校正，最終實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與工件的相對位置。

3.6 噴涂輸調(diào)漆

特種車輛使用雙組份涂料，使用時需要將雙組份油漆混合后熟化，因此選擇末端供漆方式。每臺機(jī)器人配1套輸調(diào)漆裝置，安裝在室體兩側(cè)，每側(cè)的輸調(diào)漆裝置為本側(cè)機(jī)器人上的噴槍供漆。油漆輸送裝置具有油漆過濾、調(diào)壓、穩(wěn)壓、流量控制、溫度控制等功能，換色閥安裝在機(jī)器人工藝臂內(nèi)，具備管路短、換色快、節(jié)省涂料的特點(diǎn)。清洗時將供漆桶換成溶劑桶將油漆從油漆輸送泵入口到噴槍出口用稀料沖洗，將管路中的油漆排放到廢液桶內(nèi)。

4 機(jī)器人迷彩噴涂技術(shù)應(yīng)用

通過模擬機(jī)器人軌跡得出最佳軌跡，并進(jìn)行噴涂工藝試驗(yàn)及整車噴涂聯(lián)調(diào)聯(lián)試，調(diào)整扇幅、壓力和流量等工藝參數(shù)，獲得最大覆蓋率和最佳噴涂效果。

4.1 噴涂工藝試驗(yàn)

影響機(jī)器人噴涂的工藝參數(shù)較多，通過機(jī)器人噴涂平面試板及圖5所示垂直面和圓弧面試件，不斷優(yōu)化扇幅、壓力、流量和時間等工藝參數(shù)，觀察涂層外觀有無流掛、漏噴、露底等缺陷，并測量涂層厚度、均勻性、光澤、附著力等參數(shù)，最終確定工藝參數(shù)。通過機(jī)器人程序設(shè)定噴漆點(diǎn)的扇幅、壓力、流量和時間等參數(shù)，精確控制噴涂面邊界，減少了遮蔽工作。

圖5 垂直面和圓弧試件示意圖

4.2 整車噴涂聯(lián)調(diào)聯(lián)試

通過實(shí)車自動噴涂對機(jī)器人迷彩噴涂技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)實(shí)體集成性功能實(shí)施與驗(yàn)證，包括對產(chǎn)品樣件的結(jié)構(gòu)化識別分析、三維模型建模、噴涂路徑智能規(guī)劃以及實(shí)施動態(tài)監(jiān)測等，同步驗(yàn)證噴涂質(zhì)量和工作效率，圖6所示為采用機(jī)器人噴涂某產(chǎn)品整車。

圖6 整車噴涂試驗(yàn)示意圖

4.3 機(jī)器人迷彩噴涂實(shí)施效果

經(jīng)過對特種車輛迷彩噴涂驗(yàn)證，機(jī)器人迷彩噴涂涂層厚度45～55μm，涂層綜合附著力1級，各顏色所占比例變化率在±5%以內(nèi)，漆霧過渡區(qū)域?qū)挾刃∮?0mm，符合設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，同時大大降低了流掛等漆膜缺陷，涂層厚度均勻性、達(dá)標(biāo)性等都明顯優(yōu)于手工噴涂。機(jī)器人噴涂涂料相較手工噴涂涂料節(jié)約25%～35%。

5 結(jié)束語

基于特種車輛產(chǎn)品特點(diǎn)及三色變形迷彩噴涂要求，設(shè)計(jì)了集綠色化和智能化于一體的機(jī)器人迷彩噴涂系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠滿足特種車輛三色變形迷彩噴涂需求，經(jīng)實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化換人、自動化減人，滿足產(chǎn)品使用要求。本文論述的是特種車輛機(jī)器人迷彩噴涂技術(shù)，對于航空、航天、工程機(jī)械等類似特種裝備的機(jī)器人迷彩噴涂應(yīng)用也具有重要的推廣價值。

1 王國磊，王寧濤，陳懇. 面向整機(jī)的機(jī)器人噴涂系統(tǒng)回顧與展望[J]. 航空制造技術(shù)，2016，59(16)：76～80

2 馮海潮，李勇，張則言，等. 淺談迷彩作業(yè)裝備及技術(shù)展望[J]. 中國設(shè)備工程，2021(4)：181～182

3 李慧，高云萌，孫德奎. ABB IRB5500機(jī)器人自動噴涂系統(tǒng)在航天領(lǐng)域中的應(yīng)用[J]. 制造業(yè)自動化，2013(16)：142～143

4 趙景山，羅宏圖，王立平，等. 航空制造涂裝機(jī)器人研究進(jìn)展[J]. 航空制造技術(shù)，2018(4)：47～54

5 劉會彬，尚洪帥，秦佳，等. 航天行業(yè)筒段產(chǎn)品表面涂層的自動噴涂工藝[J]. 電鍍與涂飾，2020(8)：504～508

6 QJ 20568—2016 三色變形迷彩漆涂裝工藝要求[S]

Research on Application of Robot Camouflage Spraying Technology for Special Vehicles

Du Jianguo1Zhu Zhiqiang2Zhang Xuzhong1Wang Min1LiJian1Song Yile1Li Wei1Sun Yuchao1

(1. Shanxi Aerospace Qinghua Equipment Co., Ltd., Changzhi 046012; 2. Military Representative Office of PLA Rocket Force Stationed in Changzhi Region, Changzhi 046012)

This paper analyzes the characteristics of special vehicles and the technical difficulties of artificial deformation camouflage spraying, designs the integrating green and intelligence robot camouflage spraying system, and verifies the feasibility of the design scheme through experiments, obtains high quality tricolor camouflage patterns, and realizes the successful application of special vehicle robot camouflage spraying technology.

special vehicles；robot；camouflage spraying

TP242

A

杜建國（1983），高級工程師，材料加工工程專業(yè)；研究方向：先進(jìn)制造技術(shù)。

2023-03-28