霍志磊，朱學(xué)軍*

（寧夏大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021）

自動(dòng)導(dǎo)引車(chē)(Automated Guided Vehicle，簡(jiǎn)稱(chēng)AGV)用于代替人工作業(yè)，不僅是智能倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)中重要的移動(dòng)設(shè)備，在智能倉(cāng)儲(chǔ)自動(dòng)化控制上得到了大力發(fā)展，而且被廣泛應(yīng)用于制造業(yè)、危險(xiǎn)場(chǎng)所和特種行業(yè)[1]。電池殼體是AGV單元的重要承載體，對(duì)電池的安全和防護(hù)起著至關(guān)重要的作用，要求形狀簡(jiǎn)單，美觀(guān)，且穩(wěn)定可靠。然而電池殼體一般多由鋼板焊接而成，易因腐蝕生銹而引起電路短路。為了讓電池殼體在長(zhǎng)期的工作環(huán)境中具有良好的防腐、防水和防塵的效果，需要對(duì)其表面進(jìn)行涂裝。表面噴涂是電池殼體生產(chǎn)制造過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)之一，但大多以傳統(tǒng)手工噴涂為主，效率較低。

隨著工業(yè)機(jī)器人規(guī)模不斷擴(kuò)大，噴涂機(jī)器人已經(jīng)從傳統(tǒng)的工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用到家具、儀表、家電、建筑等各行各業(yè)，且廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、飛機(jī)和航空產(chǎn)品的涂裝生產(chǎn)線(xiàn)[2]。機(jī)器人噴涂技術(shù)在涂裝生產(chǎn)線(xiàn)中的地位越來(lái)越重要。與傳統(tǒng)的電泳和人工噴涂方式相比，機(jī)器人噴涂具有漆膜表面厚度均一的特點(diǎn)，避免了操作者因自身不確定因素而造成的產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題，也保護(hù)了操作工人的身體健康。本文主要探討噴涂機(jī)器人在A(yíng)GV車(chē)用電池殼體噴涂中的應(yīng)用。

1 機(jī)器人噴涂系統(tǒng)的組成和噴涂原理

1. 1 機(jī)器人噴涂系統(tǒng)的組成

機(jī)器人噴涂工作站如圖1所示，有1條自動(dòng)化噴涂生產(chǎn)線(xiàn)，包括2個(gè)噴漆房(含水簾)，各噴漆房分別配有MOTOMAN-EPX2050噴涂機(jī)器人(1臺(tái))、NX100控制柜、HAIMA/A-90高壓靜電噴槍(1支)、雙組分供料系統(tǒng)、工件懸掛鏈和烘干房。該工作站主要對(duì)焊接好的 AGV車(chē)用電池殼體進(jìn)行表面噴涂，使操作者只在遠(yuǎn)距離觀(guān)察，并且實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化噴涂作業(yè)。

1. 2 靜電空氣噴涂的原理

常用的噴涂方法按照油漆霧化方式的不同，主要分空氣噴涂、高壓無(wú)氣噴涂、混氣噴涂、常壓靜電噴涂、高壓靜電噴涂、靜電空氣噴涂等。針對(duì)噴涂機(jī)器人在 AGV車(chē)用電池殼體上的應(yīng)用，本文采用了靜電空氣噴涂法。油漆和空氣各自經(jīng)過(guò)管路進(jìn)入噴槍?zhuān)諝鈮嚎s后在噴槍的末端與油漆混合。噴槍末端的霧化器將油漆顆粒霧化，使其在離開(kāi)噴嘴時(shí)分散為微小液滴。在噴嘴的中心一般有靜電極針與高壓發(fā)生裝置相連。在高壓發(fā)生裝置的作用下，靜電極針附近的空間中形成高壓靜電場(chǎng)，通過(guò)噴嘴讓霧化的油漆帶上負(fù)電荷，油漆顆粒被接地的殼體所吸引而附著在殼體表面，最后形成一層均勻的漆膜[3]。

圖1 機(jī)器人噴涂工作站Figure 1 Robot spraying workstation

2 噴涂機(jī)器人的路徑規(guī)劃

2. 1 涂層累積速率模型的確定

涂層累積速率決定了被噴涂工件表面涂層厚度的分布，而且在噴涂作業(yè)過(guò)程中除了受?chē)娡烤嚯x、噴槍角度、殼體表面曲率等主要因素影響之外，還與油漆流量、空氣壓力、空氣消耗量等外界因素有關(guān)。因此，在路徑規(guī)劃前都需要先確定合適的涂層累積速率模型。常用的有β分布模型、無(wú)限范圍模型、有限范圍模型等。本文采用有限范圍模型，如圖2所示。

圖2 有限范圍模型示意圖Figure 2 Schematic diagram of finite range model

在建立模型之前，作如下假設(shè)[4]：

(1) 油漆沿噴槍末端的噴嘴噴出后形成了一個(gè)圓錐形，定義張角φ是噴涂圓錐張角φ的一半，且φ＜ 90°。

(2) 在噴涂過(guò)程中，只要被噴工件表面上的點(diǎn)不在噴槍張角的范圍內(nèi)，涂層累積速率都為零，則被噴表面上的一點(diǎn)s的涂層厚度為：

其中，θ表示該點(diǎn)與噴槍中心的連線(xiàn)與噴槍軸線(xiàn)的夾角，與該點(diǎn)的坐標(biāo)(x, y, z)、噴槍的位置 p (t)和方向o(t)有關(guān)，而噴涂距離

(3) 若待噴涂工件表面為曲面，則該曲面上的點(diǎn)s的涂層累積速率與該點(diǎn)的單位法向量 n (s)和噴槍與該點(diǎn)間的單位方向矢量 d(p(t),s)的內(nèi)積成正比。

其中，i、j、k分別表示X、Y、Z軸正方向上的單位矢量。

根據(jù)以上假設(shè)，得出點(diǎn)s的涂層累積速率函數(shù)為：

則：

2. 2 噴涂模型的確定

確定合適的噴涂模型是進(jìn)行噴涂路徑規(guī)劃的重要一步[5]。AGV車(chē)用電池殼體采用Q235鑄造鋼板焊接而成，按照立體小型工件的噴涂方法來(lái)處理，將其近似看作長(zhǎng)方體，建立如圖3所示的噴涂模型，長(zhǎng)284 mm、寬180 mm、高150 mm。

圖3 電池殼體噴涂模型Figure 3 Spray model of battery case

2. 3 噴涂機(jī)器人的路徑規(guī)劃

噴涂機(jī)器人的軌跡包含2個(gè)參數(shù)──路徑和速率。在噴涂過(guò)程中，要保持噴槍始終垂直于殼體表面。當(dāng)確定了相鄰2個(gè)噴涂軌跡的涂層重疊區(qū)域?qū)挾群?，即可得到噴槍的運(yùn)動(dòng)路徑。因此，要確定一條噴涂機(jī)器人的軌跡，只需確定噴槍速率和相鄰兩個(gè)噴涂軌跡的涂層重疊區(qū)域的寬度[6]。在機(jī)器人噴涂作業(yè)過(guò)程中，殼體表面會(huì)因形狀不規(guī)則而導(dǎo)致涂層厚度不一致。為了盡可能獲得較好的涂層質(zhì)量，噴槍要以恒定的速率移動(dòng)，噴槍的軸線(xiàn)需要始終保持與殼體表面垂直，且與殼體表面的距離保持恒定不變。

在實(shí)際噴涂作業(yè)中，由于待噴涂殼體表面存在結(jié)構(gòu)、曲率、形狀、大小等性質(zhì)的差異，因此噴涂軌跡規(guī)劃研究較為復(fù)雜，需要針對(duì)電池殼體表面進(jìn)行精確的軌跡規(guī)劃，化繁為簡(jiǎn)。

2. 3. 1 基于MotoSimEG-VRC的虛擬仿真

以某品牌AGV車(chē)用電池殼體為噴涂對(duì)象，使用具有防爆性能好、柔性大、噴涂利用率高的YASKAWA牌MOTOMAN-EPX2050(Lemma型)噴涂機(jī)器人進(jìn)行噴涂作業(yè)。為了更好地對(duì)機(jī)器人噴涂工藝進(jìn)行研究，在安川工業(yè)機(jī)器人提供的MotoSimEG-VRC仿真軟件中進(jìn)行虛擬分析。

通常內(nèi)角為直角或者鈍角的多邊形被認(rèn)為是簡(jiǎn)單、規(guī)則的平面，近似于直角多邊形的平面，機(jī)器人的路徑規(guī)劃及運(yùn)動(dòng)控制效果比較好；而對(duì)于內(nèi)角為銳角的多邊形，由于存在一些較小的邊角，因此機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較困難[7]。通常情況下，在噴涂路徑的轉(zhuǎn)折點(diǎn)處，噴涂機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制難度較大，從而導(dǎo)致噴涂效果變差。在噴涂轉(zhuǎn)折點(diǎn)處，機(jī)器人必須經(jīng)過(guò)減速和加速過(guò)程才能穩(wěn)定作業(yè)，這使得噴涂時(shí)間變長(zhǎng)，噴涂效率降低。因此，應(yīng)盡可能減少?lài)娡哭D(zhuǎn)折點(diǎn)，沿著圖4中的噴涂路徑進(jìn)行軌跡規(guī)劃才能獲得最佳的噴涂效果。

在MotoSimEG-VRC環(huán)境下使用CAD模型創(chuàng)建一個(gè)噴涂作業(yè)工作站，導(dǎo)入噴涂機(jī)器人三維模型、AGV車(chē)用電池殼體三維模型和噴槍三維模型，并設(shè)置環(huán)境背景和坐標(biāo)系，完成后如圖5所示。進(jìn)行噴涂仿真示教實(shí)驗(yàn)時(shí)，按圖6所示設(shè)置噴槍模型的參數(shù)。

圖4 平面噴涂軌跡Figure 4 Trajectory for spraying on plane

圖5 噴涂作業(yè)工作站模型Figure 5 Model of spray workstation

圖6 噴槍模型參數(shù)設(shè)置Figure 6 Setting of parameters of spray gun model

根據(jù)電池殼體噴涂工作面的特點(diǎn)，在虛擬仿真示教器界面下添加噴涂作業(yè)指令，完成噴涂作業(yè)，獲得如圖7所示的噴涂運(yùn)動(dòng)軌跡。

圖7 噴涂運(yùn)動(dòng)軌跡Figure 7 Motion path of spray gun

2. 3. 2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

將殼體表面分成兩部分進(jìn)行噴涂作業(yè)，每部分的噴涂機(jī)器人型號(hào)和噴涂色漆組分相同。

如圖8所示，噴涂工藝路線(xiàn)為：上料→水性色漆(1#噴涂機(jī)器人)→水性色漆(2#噴涂機(jī)器人)→烘干(固化爐)→下料→晾干→清槍。噴涂過(guò)程中，1#和2#噴涂機(jī)器人共需噴涂10個(gè)漆面：1#噴涂機(jī)器人只噴涂工件6個(gè)漆面，即殼體左側(cè)內(nèi)表面、殼體右側(cè)內(nèi)表面、殼體后側(cè)內(nèi)表面、殼體下底內(nèi)表面、殼體前側(cè)內(nèi)表面和殼體前側(cè)外表面；2#噴涂機(jī)器人只噴涂4個(gè)漆面，即殼體左側(cè)外表面、殼體后側(cè)外表面、殼體下底外表面和殼體右側(cè)外表面。

圖8 噴涂工藝路線(xiàn)Figure 8 Spraying route

本文采用“示教器示教的方法”[8]進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。利用示教器上的控制按鈕發(fā)出各種運(yùn)動(dòng)指令，機(jī)器人將自動(dòng)記錄下每一步運(yùn)動(dòng)的軌跡，并保存在程序中，形成機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的軌跡和動(dòng)作，使得機(jī)器人能獨(dú)立地沿給定的軌跡運(yùn)動(dòng)。如圖9所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了機(jī)器人噴涂軌跡與MotoSimEG-VRC虛擬仿真環(huán)境中獲得的軌跡的一致性，二者相結(jié)合的方式更能提高噴涂軌跡的準(zhǔn)確性。通過(guò)示教器示教的方法更容易實(shí)現(xiàn)噴涂作業(yè)，操作簡(jiǎn)單。

圖9 噴涂后的電池殼體Figure 9 Sprayed battery case

3 常見(jiàn)的涂層缺陷及其解決方法

機(jī)器人噴涂常見(jiàn)的缺陷主要集中在表面涂層上，包括表面顆粒狀、流痕、氣泡、橘皮、縮孔等[9]，它們會(huì)影響電池殼體的美觀(guān)和整體質(zhì)量。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)電池殼體表面主要有如圖10所示的5種涂層缺陷。

圖10 幾種常見(jiàn)的漆膜缺陷Figure 10 Several common coating defects

3. 1 顆粒狀

表面顆粒狀現(xiàn)象一般出現(xiàn)在烘干后的電池殼體漆膜表面，在漆膜表面會(huì)有手感粗糙的(或肉眼可見(jiàn)的)較硬的顆粒。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因有：(1)焊接時(shí)飛濺或表面沒(méi)有磨平，表面清理不完全；(2)油漆調(diào)配好后沒(méi)有進(jìn)行密封，使灰塵或雜質(zhì)混入其中；(3)長(zhǎng)時(shí)間放置調(diào)配好的油漆，使其與固化劑產(chǎn)生交聯(lián)微粒，油漆有結(jié)塊的現(xiàn)象；(4)噴槍的出漆量太小，壓力較大，導(dǎo)致噴槍的霧化效率較低。

解決方法：(1)在噴涂之前，對(duì)殼體表面不平整的部位進(jìn)行打磨，確保表面光整；(2)油漆使用后，蓋好油漆桶的桶蓋；(3)調(diào)配好的油漆不要放置超過(guò)2 h，否則會(huì)有空氣進(jìn)入，導(dǎo)致油漆變硬；(4)定期清洗噴槍、噴嘴及油漆管道，保證它們的清潔度。

3. 2 流痕

流痕一般產(chǎn)生在電池殼體的棱角、邊緣等位置，使漆膜表面明顯呈流動(dòng)狀，形成流掛或垂幕，且表面明顯變厚。產(chǎn)生流痕現(xiàn)象的主要原因如下：(1)一次性噴涂過(guò)多的油漆導(dǎo)致出漆量偏大且不均勻；(2)懸掛鏈運(yùn)行太慢；(3)噴槍距離待噴涂電池殼體的表面較近；(4)稀釋劑過(guò)量導(dǎo)致油漆黏度太低。

在解決流痕現(xiàn)象時(shí)，應(yīng)事先確認(rèn)已按照噴涂工藝要求對(duì)噴涂機(jī)器人進(jìn)行了正確的設(shè)置，排除是噴涂參數(shù)設(shè)置錯(cuò)誤的原因而導(dǎo)致殼體漆膜表面質(zhì)量變差。解決方法：(1)降低漆面噴涂厚度，或是調(diào)節(jié)流量控制閥的壓力，使出漆量減少并控制在一定的范圍之內(nèi)；(2)設(shè)置懸掛鏈跟蹤速度及機(jī)器人噴涂速度，使其均保持在10 mm/s；(3)調(diào)整噴槍口距殼體表面的距離為15 ～ 20 cm；(4)按生產(chǎn)要求調(diào)整油漆配方。

3. 3 氣泡

氣泡現(xiàn)象是指在電池殼體經(jīng)過(guò)干燥后，漆膜表面局部涂層呈現(xiàn)出一個(gè)個(gè)大小不一的氣泡向上鼓起。其產(chǎn)生的主要原因有以下幾點(diǎn)：(1)可能是壓縮空氣管路內(nèi)含有水滴或油滴，它們隨油漆一起噴涂到了殼體表面；(2)漆膜表面烘干溫度偏高，油漆干得較快；(3)室內(nèi)空氣相對(duì)濕度達(dá)到90%以上。

解決方法：(1)噴涂前對(duì)壓縮空氣進(jìn)行檢測(cè)，或是調(diào)整壓縮空氣管路中的油水分離器，進(jìn)行排水、除油；(2)調(diào)低干燥箱的烘干溫度，使實(shí)際測(cè)量值與設(shè)定值(80 °C)保持一致；(3)采用抽風(fēng)機(jī)、轉(zhuǎn)頁(yè)扇、工業(yè)除濕機(jī)等換氣裝備進(jìn)行除濕，令室內(nèi)相對(duì)濕度不高于90%。

3. 4 橘皮

橘皮是一種常見(jiàn)的涂層缺陷，通常表現(xiàn)為殼體表面局部有像橘皮一樣不平整、不光滑的褶皺涂層。產(chǎn)生橘皮的原因主要有：(1)油漆自身特性(黏度)所致；(2)噴涂的漆膜過(guò)薄，或是油漆管道壓力過(guò)高而造成油漆霧化顆粒過(guò)小，使得溶劑的揮發(fā)較快；(3)噴嘴磨損造成霧化不良，使得漆膜厚度梯度較大，或是噴嘴堵塞，噴涂壓力不足，導(dǎo)致涂層過(guò)薄；(4)流平時(shí)間太短。

解決方法：(1)選擇黏度高的油漆進(jìn)行噴涂；(2)漆膜厚度應(yīng)控制在標(biāo)準(zhǔn)差范圍內(nèi)，避免過(guò)薄，或是將噴涂管道清洗干凈，避免造成管道堵塞，也可調(diào)低油漆管道壓力；(3)降低吐漆量并提高空氣壓力，以改善噴槍的霧化效果，或是及時(shí)清除噴嘴內(nèi)的結(jié)垢；(4)應(yīng)延長(zhǎng)流平時(shí)間，以得到光整的漆膜涂層。

3. 5 縮孔

縮孔主要是指漆膜表面形成一個(gè)個(gè)中心凹陷的孔洞。縮孔集中出現(xiàn)在殼體表面容易導(dǎo)致其生銹，而且影響美觀(guān)。產(chǎn)生縮孔的主要原因有以下幾點(diǎn)：(1)在噴涂第2道油漆前，第1道油漆偏厚或未干透；(2)油漆本身有低表面張力液滴的存在，或是被噴涂殼體表面被油漬污染而存在低表面張力區(qū)，造成漆膜表面張力不均勻，油漆在表面張力差的作用下，由低表面張力處流向高表面張力處。

解決方法：(1)降低第1道漆的噴涂厚度，提高第1道漆的烘干溫度；(2)選擇低表面力助劑來(lái)降低表面張力差，或是在噴涂前增加除油處理工序，即用油漆溶劑油(俗稱(chēng)溶劑汽油)對(duì)電池殼體進(jìn)行浸泡，以去除殼體表面殘留的雜質(zhì)。

4 結(jié)語(yǔ)

在MotoSimEG-VRC虛擬仿真環(huán)境下對(duì)AGV車(chē)用電池殼體進(jìn)行噴涂軌跡規(guī)劃，隨后在機(jī)器人噴涂工作站中驗(yàn)證了其準(zhǔn)確性，獲得了厚度均勻的漆膜表面，縮短了實(shí)驗(yàn)周期。噴涂機(jī)器人的成功應(yīng)用明顯提高了噴涂質(zhì)量和作業(yè)效率。文中總結(jié)的漆膜表面缺陷原因和解決措施可供類(lèi)似應(yīng)用參考。