噴涂仿真在飛機(jī)部件自動(dòng)化噴涂中的應(yīng)用

摘 要：本文基于飛機(jī)典型部件進(jìn)行噴涂仿真研究，結(jié)合虛擬噴涂仿真軟件和機(jī)器人運(yùn)動(dòng)仿真軟件進(jìn)行噴涂過(guò)程耦合仿真模擬，直觀顯示產(chǎn)品外表的仿真膜厚，評(píng)估產(chǎn)品外表的膜厚均勻性，優(yōu)化噴涂路徑以及噴涂參數(shù)。根據(jù)實(shí)物的仿形模型進(jìn)行噴涂驗(yàn)證，結(jié)果表明噴涂仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)值偏差小于5%，仿真結(jié)果的置信度較高，能有效減少噴涂工藝在調(diào)試過(guò)程中反復(fù)迭代的次數(shù)，縮短調(diào)試周期，提高待噴涂產(chǎn)品外表的膜厚均勻性。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人；噴涂；仿真；膜厚均勻性

中圖分類號(hào)：TH 242" " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

機(jī)器人噴涂能提高生產(chǎn)效率、生產(chǎn)過(guò)程穩(wěn)定性以及油漆利用率，降低產(chǎn)品返修率[1]。由于飛機(jī)表面部分區(qū)域?qū)ν苛闲阅芤蟾?，外觀復(fù)雜，傳統(tǒng)噴涂調(diào)試工藝需要進(jìn)行大量樣機(jī)試驗(yàn)，試錯(cuò)成本高，調(diào)試周期長(zhǎng)，噴涂質(zhì)量穩(wěn)定性差，因此已無(wú)法滿足產(chǎn)品生產(chǎn)需求。虛擬噴涂仿真克服了上述缺點(diǎn)，具有成本低、周期短和能夠靈活調(diào)整的特點(diǎn)。經(jīng)過(guò)仿真分析，得到樣件各層漆膜的厚度情況，根據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量要求優(yōu)化噴涂參數(shù)以及機(jī)器人軌跡，結(jié)合機(jī)器人運(yùn)動(dòng)行為、耦合沉積工藝以及目標(biāo)優(yōu)化算法[2]，定位產(chǎn)品表面膜厚不均以及缺陷處，減少噴涂程序，使方案設(shè)計(jì)更有針對(duì)性，節(jié)省樣機(jī)、人力和材料成本，有效提高調(diào)試工作效率和產(chǎn)品外表噴涂質(zhì)量。

1 噴涂工藝參數(shù)變化對(duì)膜厚分布的影響

根據(jù)涂層厚度評(píng)價(jià)噴涂性能以及外觀效果，試驗(yàn)分析不同工藝參數(shù)對(duì)膜厚分布的影響并總結(jié)規(guī)律，提供當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)在固有條件下提高噴涂質(zhì)量的可行方案。

1.1 試驗(yàn)噴板

根據(jù)噴板試驗(yàn)結(jié)果獲取噴涂參數(shù)以及膜厚分布情況（噴板試驗(yàn)如圖1所示），設(shè)定不同的試驗(yàn)噴涂參數(shù)，測(cè)量烘干后的涂層厚度，在垂直噴涂方向板的中心線上每隔1 cm測(cè)量膜厚值，得到膜厚分布曲線，分析噴涂工藝參數(shù)的變化對(duì)膜厚的影響，噴板試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表1。

1.2 工藝參數(shù)對(duì)膜厚的影響

1.2.1 評(píng)估方法

噴槍霧化后的膜厚分布形狀成“山”形，擬定3個(gè)指標(biāo)用于數(shù)值規(guī)律分析，評(píng)估方法如圖2所示。1）最高膜厚。霧幅分布曲線中的膜厚最大值。2）霧幅寬度。噴涂至物體表面的有效寬度，假設(shè)最高膜厚值為m，霧幅寬度為膜厚值高于1/2×m的橫坐標(biāo)范圍。3）涂層截面積。其可以統(tǒng)計(jì)噴涂后涂層在垂直于噴涂方向的截面面積，假設(shè)10 mm內(nèi)的膜厚值相等，計(jì)算截面面積=10·a+10·b+10·c...，a、b和c為每10 mm的膜厚值，反映物體表面涂層的疊加效率。

1.2.2 不同流量工藝參數(shù)對(duì)膜厚分布的影響

將不同流量的膜厚進(jìn)行對(duì)比（如圖3所示），隨著流量增加，最高膜厚以及截面積增加，當(dāng)噴槍在一定的空氣壓力下，隨著流量增加，霧幅寬度增加，即噴涂范圍增大；如果流量超過(guò)控制能力，那么霧幅形狀可能發(fā)生較大變化，不同流量膜厚對(duì)比見(jiàn)表2。

由表2可知，流量超過(guò)成型空氣的控制極限，寬度降低，截面積明顯增加，說(shuō)明涂層往邊緣離散。霧幅波動(dòng)較大會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)過(guò)程不穩(wěn)定，出現(xiàn)漆膜缺陷。

1.2.3 不同噴涂距離對(duì)膜厚分布的影響

在噴涂過(guò)程中，工程師不僅要考慮機(jī)器人的噴涂距離，還要調(diào)節(jié)機(jī)器人噴槍到工件的距離來(lái)控制可噴涂范圍以及上漆效果，不同槍距膜厚對(duì)比見(jiàn)表3。

由表3可知，噴涂距離越小，膜厚越大，霧幅寬度越小；對(duì)比截面積可知，噴涂距離越短，噴涂扇幅面積越大，噴涂上膜效率提升。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，在能保證噴涂效率和噴涂重疊率的情況下，降低噴涂距離能提升涂料利用率以及上膜效率。如果某區(qū)域正常噴涂膜厚偏低，就采用該方法提升質(zhì)量，例如汽車內(nèi)表面常使用比外表面更短的噴涂距離。

1.2.4 不同噴涂速度對(duì)膜厚分布的影響

測(cè)試不同槍速的膜厚分布狀態(tài)，不同槍速膜厚對(duì)比見(jiàn)表4。

由表4可知，當(dāng)機(jī)器人噴涂速度增加時(shí)，噴涂霧幅寬度無(wú)明顯變化，噴涂膜厚降低。例如當(dāng)噴涂速度分別為400 mm/s、500 mm/s和600 mm/s時(shí)，每s層膜體積分別為712.8 mm3、708.5 mm3、619.2 mm3，有效上漆量和利用率降低。

2 噴涂仿真

試驗(yàn)基于某型飛機(jī)部件進(jìn)行噴涂仿真研究，對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路徑[3-4]進(jìn)行設(shè)計(jì)，分析機(jī)器人運(yùn)動(dòng)可行性，使用虛擬噴涂仿真軟件模擬空氣噴槍在產(chǎn)品外表的噴涂過(guò)程，調(diào)試虛擬膜厚參數(shù)，驗(yàn)證仿真膜厚與實(shí)際噴涂膜厚的匹配度，提升膜厚均勻度和產(chǎn)品質(zhì)量。

2.1 需求確認(rèn)

以飛機(jī)部件的仿形模型為噴涂仿真研究對(duì)象，選定噴涂覆蓋區(qū)域，噴涂涂層的干膜厚度為40 μm～60 μm。

2.2 建立噴涂仿真數(shù)據(jù)庫(kù)

在基礎(chǔ)模型的基礎(chǔ)上導(dǎo)入試驗(yàn)噴板膜厚曲線，進(jìn)行噴板仿真模擬，如圖4（a）所示，復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)噴板的噴涂效果，調(diào)整軟件中內(nèi)置的粒徑分布、氣流速度、漆滴運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)角度等參數(shù)，調(diào)節(jié)霧幅以及仿真膜厚值，與實(shí)測(cè)膜厚值進(jìn)行對(duì)比，如圖4（b）所示，直至仿真的膜厚曲線與實(shí)測(cè)值吻合，生成對(duì)應(yīng)參數(shù)的噴涂仿真虛擬刷子表。

2.3 機(jī)器人噴涂軌跡設(shè)計(jì)

當(dāng)設(shè)計(jì)噴涂軌跡時(shí)，須同時(shí)考慮機(jī)器人性能以及涂料噴涂效果[5-8]。機(jī)器人噴涂軌跡點(diǎn)信息如圖5所示，在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)可達(dá)范圍內(nèi)，結(jié)合試驗(yàn)噴板膜厚分布以及霧化效果等創(chuàng)建噴涂軌跡。1）根據(jù)噴槍的霧幅范圍和重疊需求設(shè)定合理的折返距離，通常為90 mm～110 mm。2）考慮噴涂上漆效果，將軌跡點(diǎn)的噴涂角度設(shè)置為垂直于表面。3）機(jī)器人按照噴涂軌跡運(yùn)動(dòng)，須評(píng)估機(jī)器人可達(dá)性、流暢性，無(wú)碰撞干涉，減少無(wú)效運(yùn)動(dòng)軌跡。4）根據(jù)生產(chǎn)線節(jié)拍要求，考慮在噴涂過(guò)程中涂料的切換和清洗時(shí)間，在允許范圍內(nèi)放慢噴涂速度，提高涂料利用率。5）根據(jù)軌跡重疊效果設(shè)計(jì)合理的刷子分區(qū)，對(duì)噴涂參數(shù)進(jìn)行細(xì)化，提高膜厚均一性，減少涂料消耗。

2.4 噴涂膜厚仿真

在噴涂仿真軟件中設(shè)置產(chǎn)品數(shù)模、噴涂軌跡和刷子表等邊界條件，進(jìn)行噴涂膜厚仿真，虛擬調(diào)試噴涂軌跡以及噴涂參數(shù)，由圖6可知，單次噴嘴膜厚約為25 μm，膜厚波動(dòng)低于1.5 μm，膜厚均一性較好，采用2次成膜的方式可實(shí)現(xiàn)40 μm～60 μm的涂層目標(biāo)。

2.5 仿真結(jié)果驗(yàn)證

2.5.1 機(jī)器人標(biāo)定

將仿真軌跡導(dǎo)入現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行機(jī)器人軌跡校點(diǎn)，保證噴涂軌跡與零件的相對(duì)位置一致，運(yùn)動(dòng)連貫，無(wú)過(guò)程奇異點(diǎn)。

2.5.2 試驗(yàn)噴涂驗(yàn)證

在對(duì)實(shí)際樣件進(jìn)行噴涂前，為驗(yàn)證膜厚均勻性以及仿真匹配度，在部件外表粘貼鋁片進(jìn)行膜厚測(cè)試（如圖7所示），采集實(shí)際噴涂膜厚數(shù)值。

由表5可知，膜厚實(shí)測(cè)值與仿真結(jié)果平均偏差約2 μm，仿真結(jié)果置信度較高。噴涂后的樣件涂層外觀色調(diào)一致，表面平整、均勻，無(wú)分層、流掛、皺紋、縮邊、氣孔和針孔等缺陷，整體膜厚均勻性較高，如圖8所示。

3 結(jié)論

本文結(jié)合虛擬仿真技術(shù)與噴涂自動(dòng)化，研究多維度、多角度的噴涂工藝并進(jìn)行多次試驗(yàn)，得到以下2個(gè)結(jié)論。1）仿真技術(shù)利用模型復(fù)現(xiàn)實(shí)際過(guò)程，規(guī)避傳統(tǒng)機(jī)器人噴涂調(diào)試的錯(cuò)誤方式，對(duì)噴涂方案的合理性、噴涂膜厚的均勻性提前進(jìn)行評(píng)估與優(yōu)化，降低了試錯(cuò)成本，解決了產(chǎn)品噴漆成膜質(zhì)量調(diào)控的問(wèn)題，提升產(chǎn)品外表的噴涂質(zhì)量。2）在部件外表粘貼鋁片進(jìn)行噴涂測(cè)試，膜厚實(shí)測(cè)值與仿真結(jié)果平均偏差為2 μm，仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)值偏差低于5%，仿真結(jié)果的置信度較高。3）噴涂仿真軟件利用數(shù)值化、可視化直觀展示產(chǎn)品外表的膜厚噴涂效果，避免當(dāng)前噴涂方案設(shè)計(jì)的盲目性，不再局限于對(duì)反復(fù)迭代的“測(cè)試驗(yàn)證-修改設(shè)計(jì)”串行進(jìn)行優(yōu)化，能顯著縮短機(jī)器人噴涂設(shè)備的調(diào)試周期。

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