吳智慧， 沈忠民

(1.南京林業(yè)大學家居與工業(yè)設(shè)計學院，江蘇 南京 210037；2.昆山市白玉蘭家具有限公司，江蘇 昆山 215345)

噴涂是通過噴槍或碟式霧化器，借助于壓力或離心力，使液體涂料分散霧化成均勻而微細的霧滴，噴射到被涂物表面形成涂層的涂裝方法[1]。噴涂作業(yè)生產(chǎn)效率高，是現(xiàn)今應(yīng)用最普遍的一種涂裝方式，廣泛應(yīng)用于木家具、木地板、木門、木飾面、木樓梯等家居木制品行業(yè)。噴涂作業(yè)要求環(huán)境應(yīng)是無塵車間，噴涂設(shè)備有噴槍、噴涂室、干燥固化室、工件輸送裝置、消霧及廢水廢氣處理設(shè)備等。噴涂的主要問題是高度分散的漆霧和揮發(fā)出來的溶劑，既污染環(huán)境，又不利于人體健康[2]。隨著近年來國家環(huán)保政策的實施和企業(yè)環(huán)保意識的增強，機械自動噴涂和機械智能噴涂的涂裝技術(shù)及設(shè)備得到了逐步應(yīng)用，替代傳統(tǒng)的人工手動噴涂。目前，按照涂料霧化的原理不同可分為空氣噴涂、無氣噴涂、靜電噴涂等；按照涂裝自動化程度不同可分為人工手動噴涂、機械自動噴涂、機械智能噴涂等。

1 人工手動噴涂

手動噴涂是通過操作人員手持噴槍，借助于空氣壓力將涂料分散成均勻而微細的霧滴后涂施于被涂物表面的一種方法。

噴槍按涂料供給方式可分為吸上式、自流式和壓送式三種，如圖1所示。重力自流式噴槍多適用于試驗室及小批量的噴涂作業(yè)；吸上式噴槍適用面較廣，但它要求涂料有較長的使用期；壓送式噴槍則適用于較大規(guī)模的生產(chǎn)企業(yè)。

噴涂室又稱噴漆室，是手動噴涂的專用場所，其主要作用是及時排除和過濾噴涂過程中產(chǎn)生的漆霧，保證工作環(huán)境具有一定安全和衛(wèi)生的條件。噴涂室的種類很多，圖2所示為干式噴漆室和濕式噴漆室(水簾柜)。

在無防護情況下進行噴涂(又稱噴漆)，尤其是采用溶劑型涂料時，作業(yè)場所空氣中苯、二甲苯等有機揮發(fā)物濃度相當高，對噴涂工的危害極大。因此，在傳統(tǒng)人工手動噴涂時必須配備防護裝置，同時限制工作時間，而且工作地點要有良好的通風條件。

圖2 噴漆室

2 機械自動噴涂

機械自動噴涂是采用機械設(shè)備或機械手，以自動噴涂的方式來代替人工噴涂的工藝。目前主要有固定機械手自動噴涂、水平往復機自動噴涂、垂直往復機自動噴涂、自動旋杯噴涂等形式，可組成不同的自動噴涂生產(chǎn)線，其特點是速度快、效率高，而且噴涂均勻、品質(zhì)好，適于代替人工進行大批量產(chǎn)品(或工件)的噴涂。

2.1 固定機械手(噴槍)自動噴涂

此種技術(shù)是將多個機械手或噴槍分別固定在機架不同位置上，對產(chǎn)品進行定點噴涂，適于批量大、外形一致產(chǎn)品(如木線條、地板、木門、木質(zhì)工藝品等)的表面涂飾，并與地臺、懸掛、輥筒、皮帶等組成連續(xù)式自動噴涂生產(chǎn)線。圖3(a)所示為用于木質(zhì)工藝品的地臺式側(cè)置固定機械手自動噴涂線(側(cè)置式)；圖3(b)所示為用于木線條的輥筒(或皮帶)式上置固定機械手自動噴涂線(上置式)。

圖3 固定機械手(噴槍)自動噴涂線

2.2 水平往復機自動噴涂

此種技術(shù)是將一個或多個機械手噴槍安裝在一個機頭上，通過機頭沿著機架上橫梁做水平往復運動對產(chǎn)品進行噴涂，適于批量大、表面近似平面產(chǎn)品(如家具板件、地板、木門等)的表面涂飾，如圖4所示。其中，有些設(shè)備的橫梁固定，僅依靠機頭沿橫梁水平往復運動實現(xiàn)噴涂作業(yè)，適于固定式或通過式工作臺的噴涂，如圖4(a)；有些設(shè)備的橫梁可沿機架進行水平往復運動(Y向)，與機頭沿橫梁進行水平往復運動(X向)協(xié)同實現(xiàn)噴涂作業(yè)，多用于固定式工作臺的噴涂，如圖4(b)；有些設(shè)備配置多個橫梁和機頭，適于復雜表面的涂飾，如圖4(c)。有些設(shè)備還帶有自動掃描裝置，可對被涂產(chǎn)品(或工件)進行外形尺寸的識別，以調(diào)節(jié)機頭往復運動幅度、噴槍離被涂工件的表面距離，減少無效噴涂，確保噴涂效率與效果；有些設(shè)備還可與前置寬帶砂光機、后置的干燥機以及地臺、輥筒、皮帶等組成連續(xù)式自動噴涂生產(chǎn)線，如圖5所示。

2.3 垂直往復機自動噴涂

此種技術(shù)是將一個或多個機械手噴槍安裝在一個側(cè)置的垂直機架上，通過機械手噴槍分別沿著側(cè)置垂直機架作上下往復運動，實現(xiàn)對產(chǎn)品進行側(cè)向噴涂，通常與懸掛吊線組成自動噴涂線，有單側(cè)置或雙側(cè)置兩種形式，如圖6、圖7所示。該技術(shù)適于批量大、可懸掛的產(chǎn)品(如家具板件、實木零部件、實木框架、木門等)的表面涂飾。有些設(shè)備還帶有自動掃描裝置，可對被涂產(chǎn)品(或工件)進行外形尺寸的識別，以調(diào)節(jié)機械手噴槍上下往復運動幅度、噴槍離被涂工件表面的距離，減少無效噴涂，確保噴涂效率與效果。

2.4 自動旋杯噴涂

此種技術(shù)是采用高速旋杯式噴槍對產(chǎn)品或工件進行噴涂的工藝，如圖8所示。目前，無論是從提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的角度，還是從節(jié)省涂料和減少環(huán)境污染等角度，高速旋杯式靜電噴涂工藝已成為現(xiàn)代涂裝的主要手段之一，廣泛應(yīng)用于各工業(yè)領(lǐng)域。

高速旋杯式靜電噴涂工藝是將被涂工件接地，靜電噴槍(或靜電旋杯)接上正或負高壓電，在被涂工件與靜電噴槍(旋杯)之間產(chǎn)生高壓靜電場，旋杯采用空氣透平驅(qū)動，可實現(xiàn)高速旋轉(zhuǎn)。當涂料被送到高速旋轉(zhuǎn)的旋杯上時，由于旋杯旋轉(zhuǎn)運動產(chǎn)生離心作用，涂料在旋杯內(nèi)表面伸展成為薄膜，并獲得巨大的加速度向旋杯邊緣運動，在離心力及強電場的雙重作用下，通過離心霧化和靜電霧化的兩者相互作用，迅速破碎分裂成為極細且?guī)щ姷撵F滴，向極性相反的被涂工件運動，沉積于被涂工件表面，形成均勻、平整、光滑、豐滿的涂膜。

使用自動旋杯噴涂可達到節(jié)省人力、厚度均勻、質(zhì)量穩(wěn)定、節(jié)省涂料的涂裝效果。旋杯投入運行后，可節(jié)省大量的人力，中涂噴涂線基本上可實現(xiàn)無人操作，面漆噴涂線只需安排底色漆和清漆的內(nèi)表面噴涂人員即可。旋杯噴涂厚度均勻，質(zhì)量穩(wěn)定，能明顯改善產(chǎn)品的外觀裝飾性。手工空氣噴涂的涂料利用率一般為30%～40%，而旋杯噴涂的涂料利用率一般在90%以上，節(jié)省涂料。

圖4 水平往復機自動噴涂線(一)

圖5 水平往復機自動噴涂線(二)

圖6 垂直往復機自動噴涂線(單側(cè)置)

圖7 垂直往復機自動噴涂線(雙側(cè)置)

圖8 自動旋杯靜電噴涂線(懸掛吊線通過式)

3 機器人智能噴涂

機器人智能噴涂是采用噴涂機器人(又稱為噴漆機器人，Spray painting robot)模仿人手和臂的某些動作功能，按固定程序?qū)Ξa(chǎn)品或工件進行自動噴漆或噴涂，如圖9～12所示。

圖9 機器人智能噴涂線示意圖

圖10 機器人智能噴涂線(非通過式)

圖11 機器人智能噴涂線(地臺通過式)

圖12 機器人智能噴涂線(懸掛吊線通過式)

噴涂機器人屬于工業(yè)機器人(或工業(yè)機械手)，主要由機器人本體、計算機和相應(yīng)的控制系統(tǒng)組成，主要有液壓、氣動、電動、機械等驅(qū)動方式[3]。噴涂機器人一般采用液壓驅(qū)動，其液壓驅(qū)動的噴涂機器人還包括液壓油源，如油泵、油箱和電機等，具有動作速度快、防爆性能好等特點[4-7]。機械手多采用5或6個自由度關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)，機械手臂有較大的運動空間，并可做復雜的軌跡運動，其腕部一般有2～3個自由度，可靈活運動。較先進的噴涂機器人腕部采用柔性手腕，既可向各個方向彎曲，又可轉(zhuǎn)動，其動作類似人的手腕，能方便地通過較小的孔伸入工件內(nèi)部，噴涂其內(nèi)表面。噴涂機器人主要包括氣噴涂機器人、無氣噴涂機器人兩種類型。

噴涂機器人將廣泛用于家具和木制品生產(chǎn)制造的涂裝工藝中。采用機器人智能噴涂的主要優(yōu)點如下：

(1)噴涂機器人的機械手臂運動空間柔性和工作范圍較大，可實現(xiàn)外表面及內(nèi)表面的噴涂以及多種不同產(chǎn)品的混線生產(chǎn)。

(2)噴涂機器人可通過離線編程進行控制，或通過手把手示教或點位示數(shù)來實現(xiàn)示教噴涂，大大地縮短現(xiàn)場調(diào)試時間，易于操作和維護，生產(chǎn)效率高。

(3)噴涂機器人可帶有前置或側(cè)置的3D激光掃描系統(tǒng)+AI智能軟件算法，對被涂產(chǎn)品(或工件)進行外形尺寸和圖像的識別分析，給出涂飾方案，自動調(diào)節(jié)機械手噴槍運動幅度、噴槍離被涂工件表面距離，減少無效噴涂，確保噴涂效率與效果。

(4)噴涂機器人可與地臺、支架、懸掛吊線、網(wǎng)帶、皮帶、輥筒等組成周期式(非通過式)或連續(xù)式(通過式)自動噴涂生產(chǎn)線，可單側(cè)配置或雙側(cè)配置。

(5)噴涂機器人仿形噴涂軌跡精確，可保證涂膜的均勻性等，降低過噴涂量和清洗溶劑的用量，提高噴涂質(zhì)量和材料使用率。

(6)噴涂機器人適合于不同類型、外形復雜或批量大產(chǎn)品的表面涂飾，其設(shè)備利用率高，一般可達90%～95%，而往復式自動噴涂機的利用率一般僅為40%～60%。

4 小結(jié)

噴涂是現(xiàn)今應(yīng)用最普遍的一種涂裝方式，其生產(chǎn)效率高，適用于手工作業(yè)及工業(yè)自動化生產(chǎn)。傳統(tǒng)噴涂作業(yè)存在的主要問題是高度分散的漆霧和揮發(fā)出來的溶劑，既污染環(huán)境，又不利于人體健康。目前，隨著我國環(huán)保政策的實施和企業(yè)環(huán)保意識的增強，在國內(nèi)實木家具、實木整體廚柜、實木定制衣柜、實木地板、實木門等生產(chǎn)企業(yè)[8]，已開始采用機械設(shè)備或機械手進行自動噴涂，以及采用噴涂機器人模仿人工進行智能噴涂等方式來替代傳統(tǒng)人工手動噴涂。隨著我國家具及木制品行業(yè)智能制造和轉(zhuǎn)型升級的不斷推進[9-10]，機械自動噴涂和機械智能噴涂的涂裝技術(shù)及設(shè)備生產(chǎn)線將得到廣泛的應(yīng)用。