提升汽車涂裝內(nèi)板噴涂自動(dòng)化的方法

李明，鐘明強(qiáng)，鄧俊杰，郭江華，張寶林

廣汽乘用車有限公司宜昌分公司，湖北 宜昌 443007

涂裝作為一種汽車板處理工藝，廣泛應(yīng)用于汽車制造行業(yè)。隨著涂裝技術(shù)的不斷發(fā)展，汽車內(nèi)板噴涂逐步由工業(yè)機(jī)器人噴涂取代人工使用噴槍噴涂。涂裝工業(yè)機(jī)器人主要由機(jī)器人本體和霧化器組成，機(jī)器人本體負(fù)責(zé)空間軌跡運(yùn)動(dòng)，霧化器負(fù)責(zé)涂料供給與霧化[1]。工業(yè)機(jī)器人噴涂的優(yōu)點(diǎn)如下[2]：霧化器上的旋杯把涂料切割成細(xì)絲，通過空氣霧化，利用“靜電吸附”原理，涂裝效率高，涂料粒子分布均勻，外觀品質(zhì)好；機(jī)器人噴涂作業(yè)穩(wěn)定性高，產(chǎn)品一致性好；工業(yè)機(jī)器人取代人工作業(yè)，提升了汽車制造的自動(dòng)化程度，避免人員直接接觸有害物質(zhì)。

21 世紀(jì)隨著國內(nèi)汽車制造業(yè)興起，汽車涂裝自動(dòng)化程度不斷提高，車身內(nèi)、外板均實(shí)現(xiàn)了工業(yè)機(jī)器人全自動(dòng)化噴涂[3]。汽車噴涂按車身區(qū)域分為外板和內(nèi)板，汽車處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)目視所能看見的區(qū)域?yàn)橥獍?，汽車打開車門和前、后蓋后才能看見的區(qū)域?yàn)閮?nèi)板。目前行業(yè)中內(nèi)板主流的噴涂工藝有兩種[4]：一種是“走停式”噴涂，即車身到達(dá)指定位置后，噴涂機(jī)器人根據(jù)設(shè)定的空間運(yùn)行軌跡對(duì)內(nèi)板進(jìn)行靜態(tài)噴涂[5]；另一種是“跟蹤式”噴涂，即噴涂機(jī)器人根據(jù)脈沖計(jì)數(shù)跟蹤車身位置，根據(jù)跟蹤式空間運(yùn)行軌跡進(jìn)行動(dòng)態(tài)噴涂[6]。但是汽車內(nèi)板噴涂由于作業(yè)空間干涉、作業(yè)節(jié)拍限制，成為了困擾機(jī)器人噴涂品質(zhì)提升的行業(yè)普遍難題。

本文主要闡述汽車內(nèi)板跟蹤式噴涂，在不影響噴涂節(jié)拍的前提下，探究了噴涂參數(shù)設(shè)定，噴涂軌跡開、關(guān)槍設(shè)置，以及機(jī)器人噴涂軌跡邏輯，對(duì)內(nèi)板噴涂工藝問題的解決過程進(jìn)行總結(jié)，為同行提升汽車內(nèi)板噴涂自動(dòng)化率提供參考。

1 汽車內(nèi)板涂裝工藝現(xiàn)狀

1.1 內(nèi)板噴涂設(shè)備選型與布局

本公司色漆內(nèi)板采用FAUNC P250ib 噴涂機(jī)器人，噴涂系統(tǒng)為VBⅢ霧化器，旋杯直徑65 mm，最高轉(zhuǎn)速不超過80 000 r/min，成形空氣環(huán)為單排直、斜孔相間排布，最大空氣流量均不超過600 L/min(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，下同)。內(nèi)板噴涂機(jī)器人采用壁掛式和座式兩種安裝方式，設(shè)計(jì)節(jié)拍40 JPH。其中噴涂機(jī)器人P1-P4、開蓋機(jī)器人H1和H2 使用壁掛式安裝，噴涂機(jī)器人P5 和P6 使用座式安裝，且開蓋機(jī)器人H1 與噴涂機(jī)器人P5，開蓋機(jī)器人H2 與噴涂機(jī)器人P6 的安裝原點(diǎn)在垂直方向上共線。BC2 內(nèi)板噴涂機(jī)器人布局如圖1 所示。

圖1 BC2 內(nèi)板噴涂機(jī)器人布局俯視(a)和側(cè)視圖(b)Figure 1 Top view (a) and side view (b) of the robot layout of BC2 inner spray station

1.2 內(nèi)板免中涂噴涂工藝的設(shè)計(jì)

采用免中涂噴涂工藝的情況下，內(nèi)板只噴涂色漆層和清漆層，噴涂區(qū)域見圖2，分區(qū)如下：P1-P4 機(jī)器人完成四門內(nèi)板(藍(lán)色區(qū)域)及車架門洞(綠色區(qū)域)的噴涂，P5 和P6 機(jī)器人完成機(jī)、尾蓋內(nèi)板(橙色區(qū)域)的噴涂。P1 和P2 機(jī)器人集成開門工裝，負(fù)責(zé)前后門的開啟與后門內(nèi)板及車架后門洞的噴涂，P3 和P4 機(jī)器人集成關(guān)門工裝，負(fù)責(zé)前后門的關(guān)閉與前門內(nèi)板及車架前門洞的噴涂，P5 和P6 機(jī)器人在H1 和H2 的輔助下負(fù)責(zé)前、后蓋內(nèi)板的噴涂。通過6 臺(tái)噴涂機(jī)器人和2 臺(tái)開蓋機(jī)器人協(xié)作，便能完成整車內(nèi)板單個(gè)涂層的噴涂。

圖2 汽車內(nèi)板噴涂區(qū)域示意圖Figure 2 Sketch showing the areas needing to be sprayed on inner surface of a car body

2 內(nèi)板噴涂設(shè)備與材料匹配性檢證

2.1 試驗(yàn)材料

選取湖南湘江關(guān)西涂料有限公司的工業(yè)級(jí)珍珠白CB(WBC720G)和珍珠白MB(WBC721G)，其成分見表1。QX-V 水性清洗溶劑原液(工業(yè)級(jí))也由湖南湘江關(guān)西涂料有限公司提供，其主要成分為85%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)乙二醇丁醚和15%二甲基乙醇胺。

表1 試驗(yàn)涂料的組成Table 1 Compositions of the paints to be tested

2.2 材料特性對(duì)噴涂扇幅的影響

在保證噴涂霧化效果的前提下，測試了涂料固含量對(duì)扇幅的影響，以及在達(dá)成相同扇幅的前提下，考察涂料固含量與噴涂參數(shù)的關(guān)系。測試方法如下：使用現(xiàn)場噴涂機(jī)器人(FAUNC P250-IB)編輯一條直線噴涂軌跡程序，噴涂槍速650 mm/s，槍距250 mm，折距100 mm(與現(xiàn)場一致)，來回噴涂3 槍，取噴涂雙峰最大膜厚1/2 的點(diǎn)，測量它們之間距離，即為扇幅。

由表2 可知，在噴涂參數(shù)設(shè)定一致的前提下，珍珠白CB 噴涂產(chǎn)生的扇幅大于珍珠白MB，且噴涂過程中存在漆霧掉落現(xiàn)象。此外，珍珠白CB 加熱后殘分遠(yuǎn)高于珍珠白MB。由此可知，相同吐出量的珍珠白CB 和MB 經(jīng)過旋杯轉(zhuǎn)速切割后，珍珠白CB 被切割成細(xì)絲的質(zhì)量大于珍珠白MB，產(chǎn)生的橫向離心力也更大，成形空氣對(duì)細(xì)絲霧化后形成的縱向控制力無法收緊漆霧，因此珍珠白CB 噴涂時(shí)出現(xiàn)漆霧掉落。

2.3 設(shè)備參數(shù)設(shè)定對(duì)噴涂膜厚均一性的影響

涂料噴涂時(shí)，機(jī)器人旋杯轉(zhuǎn)速、外成形空氣流量及內(nèi)成形空氣流量三者之間存在最佳平衡[7]。采用正交法設(shè)計(jì)試驗(yàn)，選取上述3 個(gè)因素的3 個(gè)水平，按L9(34)正交表共進(jìn)行9 組試驗(yàn)，通過直尺和Fischer 膜厚儀分別測量扇幅和膜厚，評(píng)價(jià)膜厚均一性，結(jié)果匯于表3。

表3 設(shè)備噴涂參數(shù)對(duì)扇幅與膜厚影響的正交試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Orthogonal test result for studying the effects of spraying parameters on spray fan size and coating thickness

從表3 中不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)旋杯轉(zhuǎn)速不變時(shí)，成形空氣流量越大，扇幅越小。對(duì)比2、6、7 號(hào)試驗(yàn)可知，當(dāng)成形空氣流量一定(共750 L/min)時(shí)，旋杯轉(zhuǎn)速對(duì)扇幅無明顯影響，但是轉(zhuǎn)速越高，膜厚分布越寬；對(duì)比1、4、7 號(hào)試驗(yàn)，2、5、8 號(hào)試驗(yàn)和3、6、9 號(hào)試驗(yàn)可知，內(nèi)成形空氣流量越大，扇幅越小。從扇幅和膜厚均一性兩個(gè)方面綜合考量，5 號(hào)試驗(yàn)的噴涂參數(shù)效果最優(yōu)。

2.4 噴涂材料對(duì)噴涂機(jī)器人清洗程序的影響

按1∶9 的體積比用QX-V 水性清洗溶劑原液和純水配制清洗液，用于清洗涂料管路和噴涂機(jī)器人旋杯，探究噴涂材料對(duì)噴涂機(jī)器人清洗效果的影響，清洗步驟如下：單臺(tái)噴涂機(jī)器人計(jì)量泵填充珍珠白水性色漆300 mL，然后由霧化器將涂料噴出；涂料噴完后采用清洗溶劑沖洗，直至目視管路和旋杯上的涂料清洗干凈，且干燥后無殘留，才停止溶劑沖洗。上述步驟共重復(fù)3 次，用容器盛放清洗管路產(chǎn)生的溶劑廢液，靜置10 min，取上層清液用量杯測量清洗溶劑用量，噴涂機(jī)器人清洗不同特性涂料的溶劑耗量見表4。

表4 單臺(tái)噴涂機(jī)器人清洗不同涂料時(shí)的溶劑耗量Table 4 Solvent consumption for cleaning out the paint in a single robot

由表4 可知，涂料中顏料含量越高，清洗所消耗的溶劑量就越大，噴涂完成后執(zhí)行清洗程序的耗時(shí)就越長。這可能是由于顏料粘附在機(jī)器人管路和旋杯后，需要更多溶劑來降低界面張力，才能使其脫離下來。

3 噴涂仿形編輯匹配性驗(yàn)證

噴涂仿形編輯是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自動(dòng)噴涂至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，可以歸納為三要素──噴涂槍速、槍距和折距。噴涂速率是指噴槍移動(dòng)速率，槍距即霧化器旋杯與工件的距離，折距則代表兩段平行軌跡間的距離。

3.1 噴涂槍速對(duì)軌跡開、關(guān)槍設(shè)置的影響

由于內(nèi)板噴涂工件表面結(jié)構(gòu)存在不規(guī)整造型，噴涂槍速相對(duì)較快，為了避免局部噴涂過厚或過薄，需對(duì)噴涂軌跡進(jìn)行關(guān)槍或開槍設(shè)置，以保證膜厚均一性。以車身后門洞上邊噴涂為例，噴涂材料為珍珠白CB。如圖3 所示設(shè)定噴涂軌跡：圓點(diǎn)為噴涂起始點(diǎn)，箭頭所指為噴涂結(jié)束點(diǎn)。在噴涂工藝參數(shù)不變的前提下改變起始噴涂開槍點(diǎn)和結(jié)束噴涂關(guān)槍點(diǎn)的位置，通過測量圈點(diǎn)和箭頭位置膜厚的情況(噴涂3 次取膜厚平均值)，得出噴涂槍速和開、關(guān)槍設(shè)置的關(guān)系。

圖3 噴涂開、關(guān)槍驗(yàn)證方案示意圖Figure 3 Sketch for setting the start- and end-points of spray trajectory

由表5 可知，在保證漆面膜厚達(dá)成工程遮蓋膜厚13 ～ 15 μm 的情況下，通過驗(yàn)證不同噴涂槍速，得出與噴涂槍速600 mm/s 匹配的提前開槍距離為3 cm，與噴涂槍速1 000 mm/s 匹配的提前關(guān)槍距離為5 cm。由此計(jì)算，噴涂機(jī)器人開、關(guān)槍動(dòng)作耗時(shí)50 ms。因此內(nèi)板噴涂開關(guān)槍提前量的設(shè)定取決于開、關(guān)槍閥組動(dòng)作所需時(shí)間和噴涂槍速的選擇。

表5 噴涂槍速與開、關(guān)槍設(shè)置的驗(yàn)證結(jié)果Table 5 Effect of spray gun moving speed on setting of gun state

3.2 噴涂槍距對(duì)漆膜厚度的影響

選用珍珠白CB 為噴涂材料，采用一種簡易噴涂驗(yàn)證方法，探究了噴涂槍距對(duì)膜厚的影響。任意選用一臺(tái)色漆內(nèi)板噴涂機(jī)器人編輯噴涂軌跡程序，如圖4 所示。分別在不同槍距下噴涂馬可貼板，板放置的位置見圖4中的虛線框。噴涂工藝參數(shù)如下：吐出量300 mL/min，旋杯轉(zhuǎn)速40 000 r/min，外成形空氣流量200 L/min，內(nèi)成形空氣流量650 L/min。噴涂軌跡參數(shù)為：噴涂槍速550 mm/s，折距100 mm(與現(xiàn)場一致)。噴涂完成后烘干，然后使用Fischer 膜厚儀進(jìn)行漆膜厚度測量，結(jié)果見圖5。

圖4 驗(yàn)證噴涂槍距對(duì)漆膜厚度影響的方法Figure 4 Method for testing the effect of spraying distance on coating thickness

圖5 噴涂槍距對(duì)膜厚的影響Figure 5 Effect of spraying distance on coating thickness

由圖5 可知，隨著噴涂槍距的減小，膜厚呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，且槍距在200 ～ 250 mm 范圍內(nèi)膜厚最優(yōu)，涂裝效率最高。這是因?yàn)閲娡繕尵嗵螅犰F到達(dá)板材時(shí)分散稀疏，槍距太近則成形空氣對(duì)板材沖擊力大，使得漆霧反彈，有效附著在板材上的漆霧變少。

3.3 內(nèi)板噴涂軌跡程序的邏輯設(shè)計(jì)

在保證生產(chǎn)節(jié)拍滿足40 JPH 的前提下，探究了跟蹤式噴涂過程中，噴涂作業(yè)工時(shí)與軌跡邏輯設(shè)計(jì)之間的關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)在保證設(shè)備與車身不干涉的情況下最大程度地利用噴涂作業(yè)時(shí)間。通過不同噴涂順序組合進(jìn)行模擬仿真運(yùn)行，統(tǒng)計(jì)噴涂作業(yè)工時(shí)，然后得出表6 中的最佳噴涂邏輯順序。

表6 噴涂機(jī)器人噴涂邏輯優(yōu)化的驗(yàn)證結(jié)果Table 6 Verification result of logic optimization for robot spray trajectory

由表6 可知，在對(duì)噴涂軌跡邏輯順序優(yōu)化后，P3、P4 噴涂機(jī)器人的作業(yè)工時(shí)比P1、P2 多3 s，主要是因?yàn)樗鼈冊(cè)黾恿艘坏绹娡壳?、后門窗框軌跡。P5、P6 的噴涂時(shí)間主要受限于機(jī)蓋內(nèi)板噴涂完成后尾蓋內(nèi)板未到達(dá)噴涂區(qū)域，存在等待過程，此時(shí)機(jī)、尾蓋開蓋機(jī)器人對(duì)開蓋掛鉤進(jìn)行擦拭，避免積漆滴落而造成品質(zhì)不良。噴涂機(jī)器人的作業(yè)工時(shí)均能滿足40 JPH 生產(chǎn)節(jié)拍的要求。

3.4 內(nèi)板造型面噴涂方法

車身門內(nèi)板存在很多工藝孔和窄邊區(qū)域，對(duì)噴涂要求高，主要是這些造型、凹槽部位易積漆或者無法覆蓋，從而產(chǎn)生流掛或少漆缺陷。針對(duì)內(nèi)板難噴涂部位，通過探索噴涂軌跡與車身造型的匹配性，可以得出不規(guī)整部位的噴涂方法。結(jié)合現(xiàn)場噴涂應(yīng)用，舉如圖6 所示的3 個(gè)例子：

圖6 內(nèi)板不規(guī)則造型面噴涂軌跡示意圖Figure 6 Robot trajectories for spraying some inner surfaces with irregular profiles

1) 車門外下角凹凸面，采用“V”型噴涂軌跡可在保證造型面漆面達(dá)成遮蓋底色的情況下不產(chǎn)生流掛。

2) 四門鎖扣位存在凹孔和斷口面，采用“W”型噴涂軌跡可在保證斷口面不流掛的情況下凹孔面不少漆。

3) 門洞角位存在窄邊與凹凸造型面，采用噴涂軌跡“關(guān)槍”方式可在保證窄邊不少漆的情況下凹凸面不流掛。

4 總結(jié)

本文基于珍珠白色漆內(nèi)板噴涂調(diào)試過程，梳理出一套提升汽車內(nèi)板噴涂自動(dòng)化程度的方法，總結(jié)如下：

1) 涂料應(yīng)與扇幅匹配。在噴涂參數(shù)一定的情況下，涂料加熱固體殘分越大，噴涂產(chǎn)生的扇幅越大，且存在漆霧掉落現(xiàn)象。

2) 噴涂參數(shù)應(yīng)與膜厚匹配。當(dāng)旋杯轉(zhuǎn)速不變時(shí)，成形空氣流量越大，扇幅控制范圍越?。划?dāng)成形空氣流量一定時(shí)，旋杯轉(zhuǎn)速對(duì)扇幅無明顯影響，但是轉(zhuǎn)速越高，膜厚分布越寬。

3) 涂料應(yīng)與清洗程序匹配。涂料中顏料含量越高，清洗所消耗的溶劑越多，執(zhí)行清洗程序的時(shí)間越長。

4) 噴涂軌跡開、關(guān)槍存在延時(shí)，主要是閥組動(dòng)作時(shí)間，需進(jìn)行測算，令開關(guān)槍位置與噴涂槍速匹配。

5) 隨著噴涂槍距的減小，膜厚呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，槍距在200 ～ 250 mm 范圍內(nèi)膜厚最優(yōu)，涂裝效率最高。

6) 噴涂軌跡需結(jié)合輸送方式來編輯，優(yōu)化噴涂邏輯，充分利用噴涂作業(yè)工時(shí)。

7) 針對(duì)內(nèi)板的造型特點(diǎn)來設(shè)計(jì)噴涂軌跡，才能提升噴涂工藝的穩(wěn)定性。