大型復(fù)雜裝備柔性噴涂生產(chǎn)線設(shè)計

杜建國

(山西航天清華裝備有限責任公司,山西 長治 046012)

1 引言

涂裝是工程機械產(chǎn)品表面制造工藝中的一個重要環(huán)節(jié),防銹、防蝕涂裝質(zhì)量是產(chǎn)品全面質(zhì)量的重要方面之一[1]。傳統(tǒng)的大型復(fù)雜裝備噴涂作業(yè)主要依靠人工在原有裝配工房改建的噴烘一體噴烤漆室內(nèi)輔以工作梯進行手工噴涂及烘干,存在噴涂設(shè)備自動化程度低、交叉作業(yè)效率低、安全及環(huán)保條件受限等不足。

近年來,隨著產(chǎn)品品種、數(shù)量的增多以及涂裝效果及質(zhì)量要求的提高,加之國家對揮發(fā)性有機物污染防治要求的提高,使企業(yè)的涂裝瓶頸問題暴露得較為明顯,存在如下條件差距。

1)現(xiàn)有噴涂條件對于大型復(fù)雜裝備的大面積噴涂存在作業(yè)效率低、勞動強度大的問題,難以適應(yīng)多品種、多批次、質(zhì)量高、生產(chǎn)周期短的狀況。

2)噴涂工房為適應(yīng)噴涂生產(chǎn)需求對原裝配工房進行適應(yīng)性改建,噴涂工位不足,準備區(qū)未配置或配置起重機不足,無法滿足大型結(jié)構(gòu)件的上、下件需求。

3)噴涂工房受區(qū)域條件限制,大型復(fù)雜裝備噴涂時無法形成有效的物流,在噴烤漆房完成噴烤作業(yè)時需按原路線返回準備區(qū),交叉作業(yè)效率低。

4)噴涂工房未配備符合安全環(huán)保條件的廢氣處理設(shè)備。

噴涂工房條件及空間有限,無法滿足安全、環(huán)保及生產(chǎn)的需求,從提升產(chǎn)能、配備高效治理設(shè)施、便于管理的角度出發(fā),急需新建噴涂生產(chǎn)線,配置滿足安全、環(huán)保、職業(yè)衛(wèi)生要求的噴涂設(shè)備設(shè)施。同時通過應(yīng)用替代人工操作的自動化、智能化技術(shù)及設(shè)備,實現(xiàn)噴涂工藝升級,提高噴涂質(zhì)量、生產(chǎn)效率、自動化程度和涂料利用率,實現(xiàn)“機械化換人,自動化減人”,從而有效提升噴涂生產(chǎn)環(huán)節(jié)的本質(zhì)安全。

噴涂生產(chǎn)線在客車、軌道交通等行業(yè)已得到廣泛應(yīng)用。近年來,國內(nèi)大型零部件制造企業(yè)開始應(yīng)用柔性噴涂生產(chǎn)線,實現(xiàn)了航天產(chǎn)品、特種車輛、大型電力方艙等大型零部件的柔性噴涂[2-4]。本文基于所研制生產(chǎn)的大型復(fù)雜裝備的工藝特點及噴涂要求,設(shè)計柔性噴涂生產(chǎn)線并成功應(yīng)用于產(chǎn)品噴涂中。

2 產(chǎn)品及噴涂工藝特點

大型復(fù)雜裝備產(chǎn)品及噴涂工藝特點如下。

1)多品種,小批量。大型復(fù)雜裝備涉及產(chǎn)品品種多,批量自幾臺至幾十臺數(shù)量不等。

2)產(chǎn)品尺寸大,結(jié)構(gòu)復(fù)雜。大型復(fù)雜裝備具有外形尺寸大、重量大、特征繁多且結(jié)構(gòu)不規(guī)則、存在一定的個體差異等特點。在組織生產(chǎn)時,不同產(chǎn)品之間以及同種產(chǎn)品不同個體之間,涂裝各工序工作量差異較大,很難做到協(xié)調(diào)統(tǒng)一[5]。

3)漆料種類多,噴涂工藝復(fù)雜。以某產(chǎn)品為例,噴涂環(huán)氧底漆、環(huán)氧硝基面漆、環(huán)氧清漆等,噴涂漆種及次數(shù)較多,且各涂層間附著力及外觀質(zhì)量要求高。人工采用膠帶紙或模板遮蔽噴涂,遮蔽過程繁復(fù)。

4)噴涂質(zhì)量要求高,涂層厚度達到40～60 μm,涂層綜合附著力優(yōu)于2級。

3 噴涂生產(chǎn)線總體布局方案

1)推進安全、環(huán)保技術(shù)創(chuàng)新,推動“機械化減人、自動化換人”在危險工藝環(huán)節(jié)的應(yīng)用,提升產(chǎn)品表面噴涂質(zhì)量及噴涂效率,同時結(jié)合公司噴涂生產(chǎn)實際及未來發(fā)展,設(shè)計柔性噴涂生產(chǎn)線。

2)柔性噴涂生產(chǎn)線具備機器人噴涂及人工噴涂功能,以更好適應(yīng)產(chǎn)品類別和批量生產(chǎn)的變化,完成多品種、小批量的生產(chǎn)。機器人可用于規(guī)則產(chǎn)品的噴涂或產(chǎn)品多色噴涂,同時預(yù)留機器人未來發(fā)展能力。

3)基于“上件→噴漆前準備→機器人/人工噴涂→烘干→下件”的噴涂工藝流程進行論證,實現(xiàn)噴、烘工位分離,并通過地面軌道實現(xiàn)零部件在準備、噴涂、烘干工序間的流轉(zhuǎn)。

4)通過對產(chǎn)品分類及噴涂節(jié)拍測算,柔性噴涂生產(chǎn)線設(shè)計為1條機器人噴涂生產(chǎn)線、1條整車噴涂生產(chǎn)線(預(yù)留機器人)、2條大型成套產(chǎn)品噴涂生產(chǎn)線。每條噴涂生產(chǎn)線按生產(chǎn)工藝流程分為3個工藝區(qū)域:準備區(qū)(除塵、清潔)、噴涂區(qū)(噴漆室)和烘干區(qū)(烘干室)。整體平面布局示意圖如圖1所示。

圖1 整體平面布局示意圖

5)每個工藝段采用一定的間隔距離,防止有害氣體相互串流,實現(xiàn)防爆區(qū)與非防爆區(qū)安全隔離,同時留出橫向和縱向的逃生通道。

6)為節(jié)約占地,整體與周圍建筑協(xié)調(diào)統(tǒng)一,噴漆室和烘干室的風(fēng)機及廢氣處理設(shè)備等布置于噴涂區(qū)及烘干區(qū)室頂空間。整體側(cè)面布局示意圖如圖2所示。

圖2 整體側(cè)面布局示意圖

4 生產(chǎn)線設(shè)計方案

4.1 準備區(qū)

準備區(qū)主要用于產(chǎn)品噴漆前準備,主要由雙小車雙梁起重機、移動工作臺、地溝、格柵、照明系統(tǒng)、電器控制柜等組成,頂部和側(cè)部安裝隔爆型照明燈箱,方便操作施工。同時配備壓縮空氣供氣管路及供水管。

雙小車雙梁起重機將產(chǎn)品吊裝至準備區(qū)工位,操作人員采用移動工作臺對大型復(fù)雜裝備進行噴涂前處理作業(yè),去除工件表面油污、灰塵等,保證工件表面潔凈度,提高漆膜附著力。

4.2 噴漆室

噴漆室主要用于產(chǎn)品機器人或人工噴涂大型復(fù)雜裝備,為配備噴涂機器人或人工噴漆作業(yè)而設(shè)置的全封閉的噴漆室,具有噴漆、流平功能,噴漆時具備通風(fēng)、空氣凈化、漆霧處理功能。噴漆室含機器人噴漆室1套、整車噴漆室1套、大型成套產(chǎn)品噴漆室2套。機器人噴漆室配備噴涂機器人系統(tǒng),并能夠較方便地進行人工補漆作業(yè);在生產(chǎn)線建設(shè)規(guī)劃中,根據(jù)投資規(guī)劃可以一次建成,但是通常在考慮分步實施和分期投資的情況下,可以在滿足現(xiàn)有產(chǎn)品和工藝的前提下進行工藝設(shè)備預(yù)留[6],整車噴漆室預(yù)留了機器人安裝接口及空間,滿足在未配備機器人前的人工噴漆作業(yè)條件及在安裝噴涂機器人系統(tǒng)后能夠較方便地進行作業(yè)。噴漆室布置示意圖如圖3所示。

圖3 噴漆室布置示意圖

噴漆室主要由室體、照明系統(tǒng)、送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)、漆霧過濾系統(tǒng)、室體兩側(cè)三維工作平臺等組成,大型復(fù)雜裝備運送至噴漆室后,開啟機器人或人工輔以三維工作平臺噴涂環(huán)氧底漆、環(huán)氧硝基面漆、環(huán)氧清漆等作業(yè),新鮮空氣通過送風(fēng)機組送入室體頂部動壓室,均壓后再進入靜壓室,經(jīng)過濾層過濾后的空氣,從頂部以一定的層面風(fēng)速均勻送入室體內(nèi),自上而下,將工件置入具有一定風(fēng)速的均流層中,使飛散的廢漆霧壓入室體下部的漆霧處理系統(tǒng),確保噴涂室噴涂過程無漆霧,保障操作人員身體健康。

漆霧收集系統(tǒng)采用干式紙盒進行收集,并設(shè)置有相應(yīng)的檢測裝置能夠顯示、檢測漆霧收集系統(tǒng)是否飽和,并能夠?qū)崿F(xiàn)在飽和之后有聲光報警及可視化顯示。干式紙盒采用非助燃材料,并能夠承受一定的濕度而不發(fā)生變形。

4.3 烘干室

烘干室主要用于大型復(fù)雜裝備噴漆后的烘干,確保獲得高品質(zhì)的涂膜質(zhì)量,烘漆狀態(tài)下具有升溫、保溫、恒溫定時功能。烘干室在保證大型復(fù)雜裝備受熱的同時,縮短烘干室的長度,減少熱量輸送距離和傳熱損失,節(jié)省占地面積,降低能耗,實現(xiàn)降本增效[7]。烘干室主要分為本體及加熱箱兩部分,加熱箱采用間接換熱的方式為本體提供熱源,換熱器置于加熱箱中部并在檢修時可整體抽出。爐體為熱風(fēng)循環(huán)加熱,便于節(jié)能。燃燒器采用低氮燃燒機,循環(huán)風(fēng)機采用耐高溫的插入式風(fēng)機,并配有耐高溫過濾器。烘干室布置示意圖如圖4所示。

4.4 廢氣處理系統(tǒng)

廢氣處理工藝流程示意圖如圖5所示。廢氣處理系統(tǒng)采用活性炭吸附處理有機廢氣,活性炭吸附飽和后對其進行脫附,之后采用燃燒裝置對廢氣進行凈化。該法結(jié)合了吸附法和催化燃燒法的優(yōu)點,是目前國內(nèi)治理有機廢氣的成熟、實用方法之一[8]。有機廢氣治理工藝流程主要包括3部分:廢氣預(yù)處理、吸附氣體流程、脫附氣體流程。產(chǎn)生的有機廢氣先經(jīng)過過濾預(yù)處理裝置過濾;然后采用活性炭床吸附有機廢氣,吸附后的氣體可直接排到大氣;活性炭床吸附飽和以后采用熱氣流將有機物從活性炭上脫附下來,脫附后采用催化燃燒裝置對高溫廢氣進行凈化?；钚蕴济摳綖樵诰€脫附,也可以安排在非工作時間(夜間)脫附,提高設(shè)備冗余性。

圖5 廢氣處理工藝流程示意圖

4.5 機器人噴涂系統(tǒng)

機器人噴涂系統(tǒng)布置示意圖如圖6所示。將機器人技術(shù)與噴涂工藝相結(jié)合,進一步實現(xiàn)產(chǎn)品的柔性化生產(chǎn),同時預(yù)留了未來機器人噴涂系統(tǒng)擴展空間。機器人噴涂系統(tǒng)配置六軸工業(yè)防爆機器人,具備雙機器人協(xié)同噴涂功能,配備涂料供給系統(tǒng),具備自動換色清洗功能。機器人由6個伺服電機軸進行控制,且具有中空手腕,因此可將供料和供氣管置于機器人手臂內(nèi)[9]。機器人監(jiān)控室設(shè)置于機器人噴漆室和整車噴漆室之間,通過設(shè)置于該室內(nèi)的監(jiān)控設(shè)備,可就近觀察機器人的運行狀態(tài),并可對機器人進行操作或人工干預(yù)。

圖6 機器人噴涂系統(tǒng)布置示意圖

機器人可以按照設(shè)定的指令直接噴涂指定的形狀、顏色,通過機器人涂覆設(shè)備及噴涂工藝升級代替人工噴涂,可減少圖案勾畫、遮蔽工序,提高生產(chǎn)效率,保證噴涂質(zhì)量。大型復(fù)雜裝備噴涂區(qū)域復(fù)雜,在某些機器人的極限位置,難免會出現(xiàn)漏噴或者其他質(zhì)量問題,對于這些噴涂缺陷,設(shè)置了三維工作臺進行人工修復(fù)[10]。

4.6 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖7所示?？刂葡到y(tǒng)采用工業(yè)計算機+PLC進行控制,具備手動和自動控制方式,自動控制狀態(tài)下由工業(yè)計算機+PLC+儀表通過程序進行集中控制;當需要單體設(shè)備運行時手動進行操作,可通過按鈕、旋鈕、指示燈、儀表進行操作。

圖7 控制系統(tǒng)架構(gòu)圖

各類室體、空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)、消防系統(tǒng)等進行集中控制和監(jiān)測。準備區(qū)、噴漆室、烘干室內(nèi)部設(shè)有控制器,操作人員通過該控制器對生產(chǎn)線完成相應(yīng)的控制。

噴涂過程參數(shù)動態(tài)實時顯示,并有歷史過程參數(shù)的存儲和分析、報表生成、打印功能,達到多套工藝設(shè)備的集中監(jiān)控與管理。

5 方案驗證

大型復(fù)雜裝備柔性噴涂生產(chǎn)線投入使用后,進行了方案驗證。大型復(fù)雜裝備進入噴涂生產(chǎn)線后,在準備區(qū)通過雙小車雙梁起重機輔助吊裝至移栽工裝小車上,人工完成噴漆前處理作業(yè);前處理作業(yè)完成后,通過移栽工裝小車將工件輸送至噴漆室,通過噴涂機器人或人工完成噴涂作業(yè);噴涂作業(yè)完成后,通過移栽工裝小車將工件輸送至烘干室,自動調(diào)用工件烘干程序完成烘干作業(yè);烘干作業(yè)完成后,通過移栽工裝小車將工件輸送至廠房外下件區(qū),通過起重機完成工件吊離。圖8所示為噴涂生產(chǎn)線前處理區(qū)及噴涂區(qū)。

通過對設(shè)計方案進行驗證可知,涂裝線工藝布局合理,物流流暢,運行平穩(wěn),各項性能指標達到了設(shè)計要求,詳見表1。

表1 性能指標

6 結(jié)語

通過大型復(fù)雜裝備柔性噴涂生產(chǎn)線的設(shè)計及應(yīng)用,實現(xiàn)了大型復(fù)雜裝備的綠色、安全、環(huán)保、柔性生產(chǎn),具體如下。

1)噴涂生產(chǎn)線規(guī)劃設(shè)計采用干式紙盒收集漆霧、活性炭吸附脫附+催化燃燒處理廢氣,符合綠色環(huán)保的理念及要求。

2)噴涂生產(chǎn)線配置機器人噴涂系統(tǒng),實現(xiàn)了大型復(fù)雜裝備的自動化噴涂,實現(xiàn)了機械化換人、自動化減人,實現(xiàn)了智能噴涂。

3)噴涂生產(chǎn)線滿足大型復(fù)雜裝備多品種、小批量的生產(chǎn),依據(jù)產(chǎn)品特點布置多條生產(chǎn)線,并預(yù)留未來發(fā)展能力,實現(xiàn)了柔性生產(chǎn)。

4)噴涂生產(chǎn)線經(jīng)方案驗證可知,達到了設(shè)計指標要求,廢氣排放符合國家和地方揮發(fā)性有機物排放要求,改善了員工的工作環(huán)境,保障了員工的身心健康,實現(xiàn)了安全環(huán)保生產(chǎn)。

大型復(fù)雜裝備噴涂生產(chǎn)線規(guī)劃設(shè)計及機器人自動噴涂技術(shù)可推廣應(yīng)用于航空、航天、工程機械等大型復(fù)雜裝備生產(chǎn)領(lǐng)域內(nèi),實現(xiàn)了大型復(fù)雜裝備的綠色、安全、環(huán)保、柔性生產(chǎn)。