汽車涂裝生產(chǎn)線快速換色技術(shù)應(yīng)用時遇到的問題及其解決

張艷芬，馬風(fēng)雪，李飛，孟慶芳，張方祥，賈金輝，李晨溪，鄭毅，王云飛

吉利汽車集團(tuán)有限公司，浙江 寧波 315000

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及大眾審美水平的日益提高，消費(fèi)者對汽車外觀的要求已呈現(xiàn)出多樣化、個性化的特點，傳統(tǒng)的黑白灰銀雖然還處于主流顏色的地位，但已經(jīng)不能滿足年輕一代的審美需求。要滿足汽車外觀不同顏色與同一顏色不同呈現(xiàn)效果(如閃爍、漸變等)的需求，不僅是材料開發(fā)，對汽車涂裝生產(chǎn)線輸調(diào)漆系統(tǒng)也提出了挑戰(zhàn)。

本文以汽車涂裝輸調(diào)漆系統(tǒng)現(xiàn)狀及面臨的多顏色快速切換技術(shù)挑戰(zhàn)為背景，通過分析快速換色系統(tǒng)工作流程、數(shù)據(jù)及設(shè)備組成，結(jié)合其在汽車生產(chǎn)線上應(yīng)用的案例數(shù)據(jù)分析，驗證快速換色系統(tǒng)在顏色切換的及時性與降低涂料及溶劑消耗的可行性。

1 汽車涂裝車間涂料輸送現(xiàn)狀

汽車涂裝目前主要采用輸調(diào)漆系統(tǒng)作為涂料的主要輸送方式。在黏性流體力學(xué)的理論基礎(chǔ)上開發(fā)出的輸調(diào)漆系統(tǒng)多年來已在行業(yè)內(nèi)成熟應(yīng)用，根據(jù)其循環(huán)管路布置方式，主要有三線循環(huán)、雙線循環(huán)、盲端循環(huán)等，需根據(jù)工藝要求及涂料特性進(jìn)行選擇。輸調(diào)漆系統(tǒng)主要由加料泵、循環(huán)泵、輸調(diào)漆管路及罐體、管中管系統(tǒng)等組成，其中加料泵、循環(huán)泵、罐體等布置在輸調(diào)漆間，涂料管路從輸調(diào)漆間引出至噴涂工位。其工作流程如圖1所示：加料泵1 從原料桶中將涂料導(dǎo)入加料罐2，經(jīng)攪拌均勻的涂料從加料罐2 中轉(zhuǎn)移至循環(huán)罐3，循環(huán)泵4負(fù)責(zé)將涂料輸送至使用點的同時，保證涂料在系統(tǒng)內(nèi)的循環(huán)。管中管系統(tǒng)5 保證了涂料正常施工所需的溫度。基于上述工作流程的輸調(diào)漆系統(tǒng)在輸出涂料的流量及壓力方面都穩(wěn)定，對外界環(huán)境溫度的抗干擾性強(qiáng)，對涂料黏度影響較小。但在顏色切換時，需采用大量的溶劑對系統(tǒng)管路、罐體等進(jìn)行充分清洗后重新注漆，此過程耗時長，溶劑消耗量大，產(chǎn)生的廢溶劑多。因此，一般輸調(diào)漆系統(tǒng)投罐后，非必要不做頻繁的顏色切換及清洗，以減少浪費(fèi)[1]。

圖1 典型的輸調(diào)漆系統(tǒng)流程圖Figure 1 Flowchart of a typical paint transfer system

2 快速換色系統(tǒng)介紹

隨著顏色定制化需求越來越多，生產(chǎn)需切換顏色的頻次逐步增高。如何在不影響生產(chǎn)的情況下快速切換顏色，應(yīng)對小批量、多顏色的輸漆需求，同時降低清洗溶劑消耗量，減少廢溶劑排放，成為了重點研究課題。在此背景下，快速換色系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。

相較于兩線循環(huán)輸調(diào)漆系統(tǒng)最快也要幾個小時才能完成清洗換色，快速換色系統(tǒng)采用盲端式涂料管路，從第一種涂料填充到退漆清洗完成，滿足第二種涂料的填充時間，基本在幾十分鐘以內(nèi)可以完成。

快速換色系統(tǒng)主要由輸漆站、氣控柜、電控柜、分配模塊、走珠終端、控制系統(tǒng)等組成。其中，輸漆站為系統(tǒng)執(zhí)行單元，配有定制的涂料桶、氣動桶蓋舉升裝置、攪拌器、液位計、各類傳感器、涂料輸送泵、清洗模塊、過濾模塊、走珠發(fā)射模塊、各式閥門、操作面板等。其工作流程[2]如圖2 所示：人員確認(rèn)好即將注漆的顏色及狀態(tài)后，位于涂料管內(nèi)走珠發(fā)射端的走珠被發(fā)射，進(jìn)入涂料管路，涂料開始加注，同時在涂料輸送泵的作用下，走珠最終移動至位于涂料軟管盲端的走珠接收模塊，走珠被位于終端的傳感器檢測到到達(dá)信號以后，表明管路內(nèi)涂料已注滿，輸漆泵停止注漆，于是系統(tǒng)進(jìn)入噴涂待命狀態(tài)。同時，系統(tǒng)對管路內(nèi)涂料壓力進(jìn)行實時監(jiān)測，以確保噴涂應(yīng)用的準(zhǔn)確執(zhí)行。噴涂完畢后，由系統(tǒng)控制，采用壓縮空氣推動走珠沿著主管路將涂料退回至涂料桶內(nèi)。之后，PLC(可編程邏輯控制器)啟動清洗功能，清洗模組對系統(tǒng)的不同分區(qū)進(jìn)行獨立清洗。

圖2 快速換色系統(tǒng)流程圖Figure 2 Flowchart of quick color change system

走珠是由含氟橡膠制成的小球，與涂料管道內(nèi)壁保持良好的密封。走珠移動的動力來源于泵及壓縮空氣。通過走珠的移動來推動管路內(nèi)部涂料的不同走向。走珠內(nèi)部含有磁粉，可以通過磁性傳感器檢測其位置，監(jiān)測注漆情況。

根據(jù)走珠路線及配置，快速換色系統(tǒng)可分為主管走珠及支管走珠。只在涂料主管上設(shè)置走珠及其發(fā)射端與接收端模塊，走珠只在主管路中移動，為主管走珠；不僅在涂料主管上設(shè)置，還在涂料支管上設(shè)置走珠及其發(fā)射端與接收端模塊，走珠既在主管移動，也在各支管移動，為支管走珠。主管走珠系統(tǒng)的涂料回收率大于90%，支管走珠系統(tǒng)的涂料回收率則高達(dá)95%以上。

3 快速換色應(yīng)用實例

某汽車涂裝生產(chǎn)線根據(jù)原規(guī)劃及顏色需求，其輸調(diào)漆系統(tǒng)共計有8 組色漆循環(huán)系統(tǒng)，可以滿足涂裝主流顏色的需求。但隨著導(dǎo)入車型及顏色需求的增多，顏色切換頻次提高，溶劑消耗量及操作人員工作量大幅度增加，造成了日常運(yùn)營成本的增加，現(xiàn)有色漆系統(tǒng)已無法滿足生產(chǎn)需求[3]。

基于此，公司規(guī)劃部門考慮增加快速換色系統(tǒng)，以應(yīng)對此問題。經(jīng)過對顏色數(shù)量、顏色切換頻次的梳理，以及預(yù)估未來導(dǎo)入車型的工作量，選用兩套快速換色系統(tǒng)作為解決方案。為了減少浪費(fèi)，采用“雙泵站 + 單清洗站”的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，每套泵站負(fù)責(zé)為一套系統(tǒng)供應(yīng)涂料，兩套系統(tǒng)共用一套清洗站進(jìn)行桶蓋清洗，采用原料桶供應(yīng)涂料，泵站布局如圖3 所示。

圖3 快速換色系統(tǒng)布局示意圖Figure 3 Layout of quick color change system

系統(tǒng)直接采用200 L 涂料桶加漆，配備氣動舉升裝置、氣動攪拌器、液位計、雙走珠發(fā)射模塊、清漆模塊、防爆操作盒、桶蓋清洗機(jī)等。

為了提高涂料回收率，系統(tǒng)采用支管走珠模式，在機(jī)器人手臂中設(shè)置了支管走珠發(fā)射端及接收端。此外還有支管路清洗模組，用于清洗支管路及走珠發(fā)射和接收模組。

現(xiàn)系統(tǒng)已調(diào)試完成，正在試運(yùn)行階段。經(jīng)過對運(yùn)行數(shù)據(jù)的整理，計算涂料回收率，見表1。

表1 快速換色系統(tǒng)的涂料填充量及損耗量Table 1 Paint filling quantity and paint loss of a quick color change system

經(jīng)計算，系統(tǒng)總注漆量為56.48 L，系統(tǒng)可回收總量為54.28 L，系統(tǒng)涂料總回收率為：54.28 ÷ 56.48 ×100% = 96.1%。

溶劑消耗量統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表2。

表2 快速換色系統(tǒng)清洗溶劑消耗量Table 2 Solvent consumption of a quick color change system

經(jīng)計算，總的清洗溶劑消耗量為41.8 L，相較于原輸調(diào)漆系統(tǒng)的溶劑消耗量168 L 而言大幅下降。

4 快速換色系統(tǒng)應(yīng)用時遇到的問題及其優(yōu)化

快速換色系統(tǒng)在初期應(yīng)用過程中，出現(xiàn)機(jī)器人噴涂顏色出錯：計劃噴涂顏色A，實際噴涂為顏色B。經(jīng)現(xiàn)場排查，發(fā)現(xiàn)其原因有兩個：一是由于顏色A 和顏色B 本身較為接近，對于不熟悉顏色的操作人員來說，一時難以辨別，誤將兩種顏色混淆；二是快速換色系統(tǒng)與機(jī)器人無聯(lián)鎖防錯機(jī)制，導(dǎo)致機(jī)器人端顏色出錯也未及時報警停機(jī)。

針對此問題，從兩個方面來解決：一是從人員管理角度出發(fā)，加強(qiáng)操作人員對涂料的熟悉程度，使操作人員具備不看顏色標(biāo)簽也可以準(zhǔn)確目視識別現(xiàn)場所用涂料的能力；二是設(shè)置快速換色系統(tǒng)、機(jī)器人系統(tǒng)、輸送系統(tǒng)信息交互，機(jī)器人系統(tǒng)對比快速換色系統(tǒng)與車間輸送系統(tǒng)輸入的兩個顏色信息是否一致，如不一致，機(jī)器人報警，輸送系統(tǒng)及機(jī)器人均停機(jī)，避免噴涂錯誤。經(jīng)過上述信息交互邏輯(見圖4)的建立及人員的管理，實現(xiàn)了100%噴涂正確率。

圖4 信息交互邏輯圖Figure 4 Information interaction logic diagram

此外，優(yōu)秀的車間管理及生產(chǎn)排序可以將快速換色系統(tǒng)的優(yōu)勢發(fā)揮到最大。日常生產(chǎn)中，小顏色產(chǎn)品的噴涂需求集中排產(chǎn)，集中時間段內(nèi)連續(xù)過車，減少快速換色系統(tǒng)換色頻次，可以減少溶劑消耗及廢溶劑的產(chǎn)生。比如一個車間內(nèi)有兩條噴漆生產(chǎn)線，生產(chǎn)人員根據(jù)生產(chǎn)計劃選擇生產(chǎn)線，將當(dāng)日需要生產(chǎn)的小顏色噴涂需求的產(chǎn)品批次性地進(jìn)行生產(chǎn)編組及排產(chǎn)，可以使快速換色系統(tǒng)和輸調(diào)漆系統(tǒng)之間連續(xù)切換供應(yīng)涂料，保證生產(chǎn)線的連續(xù)生產(chǎn)。

快速換色系統(tǒng)中易損部件──走珠系統(tǒng)需要在日常維護(hù)保養(yǎng)中重點關(guān)注。設(shè)備工程師根據(jù)維護(hù)保養(yǎng)規(guī)范進(jìn)行設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)，對走珠磨損情況進(jìn)行定期檢查，及時更換磨損走珠，保證走珠與涂料管路的過盈配合，從而保證快速換色系統(tǒng)的涂料供應(yīng)能力及主管100%退漆的能力，規(guī)避走珠磨損引起的涂料浪費(fèi)等問題。

5 快速換色系統(tǒng)的應(yīng)用總結(jié)及展望

快速換色系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)輸調(diào)漆大系統(tǒng)，具有換色時間短、清洗溶劑使用量及廢溶劑排放量大幅度降低、節(jié)省涂料、操作過程簡單、靈活性強(qiáng)等特點。

但在應(yīng)用過程中，快速換色系統(tǒng)對外界環(huán)境要求更高。譬如：管路沒有保溫，對環(huán)境溫度敏感；快速換色系統(tǒng)換色時間有一定的間隔，換色時對生產(chǎn)排產(chǎn)及人員要求較高；人員作業(yè)量較傳統(tǒng)輸調(diào)漆系統(tǒng)略多。這些對生產(chǎn)線的生產(chǎn)管理提出了更高的要求。

經(jīng)實際應(yīng)用證明，單條生產(chǎn)線體配置兩套快速換色系統(tǒng)，可以滿足兩個小顏色的連續(xù)生產(chǎn)。對于小顏色需求較多的基地，合理的生產(chǎn)排序及生產(chǎn)組織，將大批量顏色與小顏色生產(chǎn)需求間隔排布，利用快速換色系統(tǒng)的退漆清洗時間，啟動輸調(diào)漆系統(tǒng)生產(chǎn)大批量顏色需求產(chǎn)品，可以有效發(fā)揮快速換色優(yōu)勢，提高涂料利用率，提高噴漆線利用率，降低溶劑消耗、車間能耗及涂料損失。

未來的涂裝車間輸調(diào)漆系統(tǒng)布局策略預(yù)計將會從單一的輸調(diào)漆系統(tǒng)改變?yōu)椤拜斦{(diào)漆 + 快速換色 + 線邊小系統(tǒng)”的組合方式。其中，輸調(diào)漆系統(tǒng)用于滿足大批量顏色產(chǎn)品的生產(chǎn)需求，快速換色系統(tǒng)用于每日連續(xù)10 ～ 50 臺車的顏色產(chǎn)品需求，線邊小系統(tǒng)用于調(diào)試車或者極少的顏色需求。此外，快速換色系統(tǒng)的連續(xù)加料及自動化程度提升也已經(jīng)在探索中，隨著定制化程度的提高，未來有望替代輸調(diào)漆系統(tǒng)，成為涂裝行業(yè)油漆輸送的主流配置。