何家健

(江蘇杰瑞科技集團(tuán)， 江蘇 連云港222000)

0 引 言

目前，自動(dòng)控制噴涂機(jī)器人在家電生產(chǎn)、汽車(chē)制造、鐵路、建材等行業(yè)已廣泛應(yīng)用，可代替人工在高危、有害等環(huán)境作業(yè)，把人員從噴涂現(xiàn)場(chǎng)惡劣的油漆環(huán)境中解放出來(lái)，是提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、降低人工及制造成本的有效途徑。在噴涂機(jī)器人作業(yè)過(guò)程中，噴漆質(zhì)量往往受較多因素影響，如噴涂流量、噴涂壓力、噴涂距離等[1]。本文結(jié)合噴漆的具體工藝，對(duì)工藝參數(shù)與噴漆質(zhì)量的關(guān)系進(jìn)行深入研究，以解決自動(dòng)噴涂機(jī)器人工藝參數(shù)調(diào)節(jié)困難的問(wèn)題。

1 噴漆工藝過(guò)程

1.1 噴漆工藝參數(shù)

在噴漆過(guò)程中，影響噴漆效果的工藝參數(shù)主要包括：油漆參數(shù)、產(chǎn)品參數(shù)、噴漆環(huán)境等幾個(gè)方面。油漆參數(shù)主要包括：油漆類(lèi)型、固體分配比、油漆黏度、油漆附著力、溶劑揮發(fā)特性等。產(chǎn)品參數(shù)主要包括：工件物理特性、工件厚度、工件表面粗糙度、工件與噴槍的相對(duì)位置關(guān)系、工件曲面特性等。噴漆環(huán)境主要包括：環(huán)境溫度、氣壓、環(huán)境濕度、氣體流動(dòng)方向、懸浮物指標(biāo)等。此外，在噴涂作業(yè)過(guò)程中，噴槍移動(dòng)速度、噴槍高度、噴幅搭接面積、流料時(shí)間等因素同樣對(duì)漆膜厚度和漆膜質(zhì)量產(chǎn)生影響。在以上屬性參數(shù)中，有些是主要因素，有些是次要因素，因此沒(méi)有必要把所有影響漆膜厚度和質(zhì)量的因素都考慮進(jìn)去，實(shí)際應(yīng)用中只考慮部分較常用和主要的工藝參數(shù)即可[2]。

除此之外，多種噴漆工藝參數(shù)之間存在相互關(guān)聯(lián)和影響。一般情況下按照人工示教及廠商要求，工人依靠技巧和經(jīng)驗(yàn)掌握噴幅搭接、噴槍距離、噴槍移動(dòng)速度、被噴涂工件的高度和位向進(jìn)行試噴[3]。本文選取若干關(guān)鍵噴涂工藝參數(shù)，通過(guò)噴漆機(jī)器人搭載高壓無(wú)氣噴涂一體機(jī)的方式進(jìn)行漆膜厚度的研究，指導(dǎo)噴漆機(jī)器人進(jìn)行自動(dòng)涂裝作業(yè)。

1.2 油漆霧化原理

油漆被空氣壓縮霧化成細(xì)小顆粒，細(xì)小顆粒在被噴涂工件表面沉積，最終形成連續(xù)的漆膜。影響漆膜質(zhì)量的3個(gè)關(guān)鍵零部件分別是閥門(mén)、噴嘴及空氣帽[2]。其中，空氣帽的作用是用來(lái)壓縮空氣孔所出氣流?？諝饪字饕譃椋簜?cè)空氣孔、中間氣孔和通風(fēng)氣孔。噴嘴的作用是用來(lái)引導(dǎo)壓縮空氣的流向。側(cè)空氣孔吸入空氣從而形成負(fù)壓，該負(fù)壓使油漆由中間氣孔噴射而出，噴射出來(lái)的油漆霧化成錐形區(qū)域，最終油漆顆粒沉積在工件表面形成漆膜。通風(fēng)氣孔的作用是用來(lái)排出壓縮空氣，促進(jìn)油漆的充分霧化。油漆在通過(guò)壓縮空氣被霧化并噴出后，除被噴涂工件邊緣的無(wú)效區(qū)外，在有效區(qū)內(nèi)最終形成1層薄膜[4]，如圖1所示。

圖1 漆膜剖面示例

1.3 影響漆膜厚度的因素

操作人員的技術(shù)水平和熟練程度直接影響空氣噴涂的漆膜質(zhì)量。一般情況下，噴漆距離、噴槍角度、油漆量和噴槍移動(dòng)速度等都會(huì)產(chǎn)生不同的漆膜效果，如圖2和圖3所示。

圖2 槍距示例

圖3 噴槍角度對(duì)漆膜成型的影響

較多因素會(huì)影響噴漆霧化過(guò)程，其中最主要的因素是油漆質(zhì)量。油漆黏度直接對(duì)霧化效果造成影響，使得霧化顆粒的體積不均勻，進(jìn)而降低漆膜質(zhì)量。噴涂時(shí)不同涂層所使用的涂料不相容或產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)都會(huì)造成漆膜在干燥過(guò)程中形成浮皺或膨脹[2]。

漆膜太厚、太濕或受漆面干燥不均勻的影響，漆膜表面均會(huì)出現(xiàn)皺縮現(xiàn)象；由于涂料不能均勻附著在工件表面，致使漆膜不平或抽縮露底進(jìn)而形成縮孔。噴涂時(shí)保證被噴涂工件表面光滑、無(wú)其他異物，并確保油漆和壓縮空氣純凈，可有效避免漆膜缺陷的產(chǎn)生。

流掛現(xiàn)象在噴涂過(guò)程中出現(xiàn)的原因有很多，如漆膜過(guò)于干燥、噴槍距被噴涂工件表面過(guò)近、空氣壓力過(guò)低、噴槍移動(dòng)速度過(guò)慢等。解決方法是：有效控制油漆與稀釋劑的比例，噴槍移動(dòng)過(guò)程中速度穩(wěn)定、不出現(xiàn)頓挫，控制好被噴涂工件與噴槍的距離，避免重復(fù)噴涂。在前一次軌跡漆料干燥10 min后進(jìn)行相鄰軌跡疊加及覆蓋。

由于溶劑揮發(fā)速度較快，在噴涂過(guò)程中，濕膜黏度隨之增加，致使流平困難，進(jìn)而漆膜產(chǎn)生橘皮現(xiàn)象。另外，如果被噴涂工件表面溫度過(guò)高，致使溶劑瞬時(shí)揮發(fā)，濕膜也會(huì)無(wú)法流平從而造成橘皮現(xiàn)象。避免橘皮缺陷產(chǎn)生的方法是：根據(jù)溫度使用適合的稀釋劑，提升冷卻階段的冷卻效果，降低涂料輸出量并提升壓縮空氣流量，提高噴涂清潔度，減少表面顆粒。

1.4 成膜過(guò)程

漆膜成型主要分為以下幾個(gè)步驟：漆料均勻分布、手指觸碰干燥、不沾灰塵干燥、硬化干燥和完全干燥。漆料均勻分布是指形成均勻且潮濕的薄膜；手指觸碰干燥是指手指輕觸涂層涂料并滑動(dòng)不粘手指；不沾灰塵干燥是指如果漆膜沾上灰塵不會(huì)影響漆膜質(zhì)量；硬化干燥是漆膜在烘烤后所達(dá)到的干燥狀態(tài)，這時(shí)可在漆膜上粘貼膠紙或打磨以進(jìn)入下一工序，硬化干燥后在常溫條件下經(jīng)過(guò)24 h后就可進(jìn)行拋光打蠟。

2 噴漆工藝研究的系統(tǒng)組成

某客戶(hù)船廠在噴涂領(lǐng)域基本處于半機(jī)械化狀態(tài)，噴涂工藝落后已成為影響該廠船舶建造整體施工進(jìn)度的主要問(wèn)題。因此，提高造船涂裝作業(yè)效率、減少人工參與、改善作業(yè)環(huán)境是該廠亟需解決的重大課題。本文以江蘇杰瑞科技集團(tuán)在某客戶(hù)船廠智能涂裝車(chē)間的項(xiàng)目為背景，開(kāi)展漆膜厚度與噴涂工藝參數(shù)的相關(guān)性研究。機(jī)器人噴涂系統(tǒng)總體構(gòu)成如圖4所示。

圖4 機(jī)器人噴涂系統(tǒng)總體構(gòu)成

2.1 噴漆機(jī)器人的硬件組成

典型的自動(dòng)噴漆系統(tǒng)主要由噴涂機(jī)器人和被噴涂工件2部分組成，不同生產(chǎn)廠家的噴涂機(jī)器人在功能方面并不相同。某客戶(hù)船廠采用了江蘇杰瑞科技集團(tuán)研發(fā)的噴漆機(jī)器人作為自動(dòng)化噴漆工具，如圖5所示。該噴漆機(jī)器人主要由3個(gè)部分組成：機(jī)械手、示教器和控制器。

圖5 噴漆機(jī)器人的基本組成

機(jī)械手是噴漆機(jī)器人的執(zhí)行器件，根據(jù)伺服驅(qū)動(dòng)器的輸出執(zhí)行預(yù)先設(shè)定運(yùn)動(dòng)軌跡，噴射出預(yù)先設(shè)定厚度的漆膜。

示教器是噴漆機(jī)器人的人機(jī)交互設(shè)備，面板上集成的多種按鍵用于操作人員進(jìn)行單元示教、編輯調(diào)試程序和運(yùn)動(dòng)控制，并具有噴漆參數(shù)設(shè)置等功能。通過(guò)對(duì)示教器相關(guān)功能進(jìn)行設(shè)置，機(jī)器人噴槍的速度和運(yùn)動(dòng)軌跡可實(shí)時(shí)記錄，并在完成示教后獨(dú)立重復(fù)預(yù)先示教好的運(yùn)動(dòng)軌跡[5]。

連接示教器和噴漆機(jī)器人的關(guān)鍵部件是控制器，控制器主要由計(jì)算機(jī)、電源、伺服驅(qū)動(dòng)器等組成?？刂破髯钪饕墓δ苁墙邮帐窘唐鞯母鞣N動(dòng)作命令并通過(guò)控制伺服驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)噴漆機(jī)器人的控制。

2.2 噴涂機(jī)器人示教過(guò)程

在接通電源且機(jī)器人穩(wěn)定后，按如下過(guò)程進(jìn)行噴漆機(jī)器人的示教。

(1) 新建項(xiàng)目后點(diǎn)擊“變量管理”，選中新建項(xiàng)目，點(diǎn)擊示教器左下方的“變量”并選擇“新建”。打開(kāi)坐標(biāo)系統(tǒng)和工具，選擇CARTREFSYS并點(diǎn)擊確認(rèn)。

(2) 點(diǎn)擊“變量管理”選擇對(duì)象坐標(biāo)，之后在“設(shè)置”中選擇3點(diǎn)(無(wú)原點(diǎn))法。將機(jī)械手運(yùn)動(dòng)到所需示教的平面，分別在平面上選取3個(gè)點(diǎn)，選定后即可生成所需平面的坐標(biāo)系。

(3) 點(diǎn)擊“項(xiàng)目管理”，新建程序并加載。然后選擇所建的平面，并將連續(xù)運(yùn)行改成單步運(yùn)行。

(4) 將機(jī)器人設(shè)置到手動(dòng)模式，移動(dòng)機(jī)器人到相應(yīng)位置并記錄當(dāng)前點(diǎn)。

(5) 重復(fù)步驟(4)并建立所有點(diǎn)。

2.3 高壓無(wú)氣噴涂一體機(jī)

噴涂設(shè)備采用QPT7037高壓無(wú)氣噴涂一體機(jī)，該高壓無(wú)氣噴涂機(jī)具有霧化壓力高、霧化均勻、涂料利用率高、附著力強(qiáng)、溶劑使用量少等優(yōu)點(diǎn)，輕松應(yīng)對(duì)防腐周期長(zhǎng)的重防腐涂料和所有常規(guī)涂料的噴涂工作，廣泛用于船舶、汽車(chē)、集裝箱、港口設(shè)施等場(chǎng)合。

高壓無(wú)氣噴涂一體機(jī)的工作原理如圖6所示。其工作過(guò)程為：氣動(dòng)電機(jī)D接入氣源H1后，通過(guò)變速箱B、偏心軸P帶動(dòng)活塞桿Q穩(wěn)定連續(xù)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。氣動(dòng)電機(jī)D力矩轉(zhuǎn)換后作用于涂料缸中的柱塞閥F2使涂料增壓。液壓狀態(tài)的涂料，從涂料柱塞閥F2輸出，經(jīng)涂料過(guò)濾器G2、高壓軟管N、自動(dòng)噴槍C，最后從無(wú)氣噴嘴T高速?lài)姵觯瑖娤虮煌课锉砻?，形成涂膜層。?dāng)打開(kāi)放泄閥A1時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)無(wú)壓力循環(huán)。自動(dòng)噴槍C控制氣體由氣源H2提供，通過(guò)電磁閥信號(hào)輸入端X控制二位三通電磁閥M的換向動(dòng)作即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)噴槍的開(kāi)啟或關(guān)閉。壓力控制器Y用于調(diào)節(jié)噴涂機(jī)輸出壓力，輸出壓力一般大于涂料自身的霧化壓力。

圖6 高壓無(wú)氣噴涂機(jī)工作原理

3 噴漆工藝參數(shù)與漆膜厚度試驗(yàn)

根據(jù)江蘇杰瑞科技集團(tuán)的杰瑞機(jī)器人噴漆系統(tǒng)，在設(shè)置好噴漆路徑、速度、噴角后，噴漆壓力與噴漆流量同樣是影響漆膜厚度的重要因素。因此，本節(jié)對(duì)噴漆壓力、噴漆流量與漆膜厚度的關(guān)系進(jìn)行工藝性試驗(yàn)，以找出工藝參數(shù)與漆膜厚度的關(guān)系。

3.1 噴漆流量-漆膜厚度試驗(yàn)

試驗(yàn)過(guò)程中首先選擇較小的平面工件，不斷改變噴槍設(shè)置及噴漆過(guò)程中的具體參數(shù)，測(cè)量工件表面若干點(diǎn)的漆膜厚度，得到多組工件表面漆膜厚度的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得的漆膜厚度和噴漆流量的關(guān)系如表1所示。

表1 噴漆流量與漆膜厚度的關(guān)系

通過(guò)MATLAB工具對(duì)上述得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行三次方擬合，得到如圖7所示的流量和漆膜厚度的擬合曲線，數(shù)據(jù)1～4分別為4次試驗(yàn)結(jié)果的擬合曲線。由圖7可以看出：噴漆流量與漆膜厚度基本呈線性關(guān)系。

圖7 流量和漆膜厚度的擬合曲線

3.2 噴漆壓力-漆膜厚度試驗(yàn)

在噴漆過(guò)程中，噴漆流量可通過(guò)流量泵進(jìn)行設(shè)置。此時(shí)，影響漆膜厚度的最關(guān)鍵因素為噴漆壓力。由于油漆霧化的動(dòng)力是壓縮空氣，因此空氣清潔度和空氣壓力對(duì)噴漆質(zhì)量的影響十分明顯。壓縮空氣含水、含油超標(biāo)或清潔度較差，均會(huì)對(duì)漆膜質(zhì)量造成直接影響，形成針孔、縮孔等漆膜缺陷。若壓縮空氣壓力較高，油漆雖霧化程度較細(xì)，但涂料分散程度嚴(yán)重，造成較大的損失。當(dāng)壓縮空氣壓力過(guò)低時(shí)，油漆霧化程度變粗，造成針孔缺陷和橘皮。因此，建立噴漆壓力和漆膜厚度的對(duì)應(yīng)關(guān)系至關(guān)重要，通過(guò)設(shè)置噴漆壓力和相應(yīng)的噴漆路徑得到相應(yīng)的噴漆效果。

通過(guò)試驗(yàn)，得到噴漆壓力和漆膜的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2所示。從表2數(shù)據(jù)可以看出：噴漆壓力與漆膜厚度呈近似的線性關(guān)系，所以這里用線性方程進(jìn)行擬合。利用MATLAB進(jìn)行數(shù)值擬合后曲線如圖8所示。

表2 噴漆壓力與漆膜厚度關(guān)系

4 結(jié) 論

圖8 漆膜厚度與噴漆壓力的擬合曲線

對(duì)對(duì)漆膜厚度影響較大的因素噴漆流量和噴漆壓力進(jìn)行了噴漆試驗(yàn)，將噴漆試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行了曲線擬合，得到漆膜厚度與上述工藝參數(shù)的關(guān)系：在其他影響漆膜厚度的因素相同的條件下，漆膜厚度與噴漆壓力、噴漆流量基本為線性關(guān)系，因此在進(jìn)行工業(yè)六軸機(jī)器人噴漆系統(tǒng)集成時(shí)，可根據(jù)實(shí)際工藝需求通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)噴漆壓力與噴漆流量來(lái)控制漆膜厚度和漆膜質(zhì)量。漆膜厚度不僅受到上述討論的2個(gè)因素的影響，在涂裝過(guò)程中的每個(gè)因素又受到整個(gè)涂裝系統(tǒng)的多個(gè)因素的影響，因此在實(shí)際涂裝作業(yè)過(guò)程中，需要根據(jù)實(shí)際情況并結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的設(shè)置，確保膜厚可控可調(diào)。