牛 壯，霍 平

(華北理工大學 機械工程學院，河北 唐山 063210)

0 引言

為了不斷適應社會需求和滿足新的施釉噴涂作業(yè)標準，實現(xiàn)噴涂的高效率和低成本的生產(chǎn)目標，越來越多的研究工作者開始將目光匯聚到噴涂機器人噴槍參數(shù)的優(yōu)化仿真方面[1-2]。本文對施釉機器人噴槍在噴槍參數(shù)確定的情況下進行噴涂仿真和實驗研究，通過實驗對仿真結果進行驗證。

1 施釉機器人噴槍參數(shù)仿真及實驗研究的方案設計

本研究主要是探究噴槍參數(shù)對噴涂質(zhì)量的影響，只在噴槍垂直于噴涂平面的情況下進行研究分析。施釉機器人噴槍參數(shù)優(yōu)化仿真及實驗研究主要包括5個方面，如圖1所示。

圖1 方案設計流程圖

2 噴槍數(shù)學模型的建立

2.1 噴涂質(zhì)量影響因素分析

釉料涂層厚度的形成過程是一個較為復雜的物理過程，因此影響釉料涂層厚度的因素多種多樣?？傮w來說影響釉料涂層厚度的因素可以分為4類[3]，如表1所示。

第一類和第二類影響因素分別是噴涂裝置加工制造和外部環(huán)境，對于實際的施釉來說這兩部分是不易控制的，因此其對于噴涂質(zhì)量的影響可以不進行分析。第三類和第四類影響因素對于涂層釉面質(zhì)量影響較大的主要有霧化壓力、噴幅壓力、噴涂壓力、噴涂張角、噴槍的移動速度和噴涂距離，這些參數(shù)在具體的實驗中可以通過儀器和儀表進行控制和觀察，因此在噴涂實驗過程中可以通過控制這6個參數(shù)進行穩(wěn)定的噴涂實驗。

2.2 噴槍數(shù)學模型的理論分析和求解

在平面上進行噴涂仿真時，噴槍的數(shù)學模型根據(jù)涂層的釉料分布情況主要有拋物線分布模型、β分布模型和橢圓雙β分布模型[4]。

表1 影響噴槍噴涂厚度的因素

按照實驗要求并與工廠實際施釉情況相結合，搭建施釉機器人噴槍參數(shù)仿真及實驗研究的實驗平臺。該實驗平臺主要由三坐標機器人、噴槍及管路與儀器儀表等組成，如圖2所示。

圖2 噴涂實驗平臺結構框圖

實驗平臺搭建完畢后進行定點噴涂，根據(jù)噴涂涂層的形狀分布和厚度分布情況可知，該實驗平臺的噴槍噴涂模型符合雙β分布模型。涂層區(qū)域內(nèi)任意一點單位時間內(nèi)的涂層厚度計算公式為：

(1)

為了方便計算將式(1)中的參數(shù)βx-1和βy-1，用參數(shù)β1和β2代替，則雙β分布的數(shù)學模型變?yōu)椋?/p>

(2)

要想確定具體的噴槍模型需要求解β1和β2分布指數(shù)，這就需要通過對點噴涂的區(qū)域測量其長、短半軸的長度。表2為橢圓形涂層的長、短半軸長度測量信息。

表2 橢圓形涂層長、短半軸測量結果 mm

由表2可知：5次測量結果取平均值后得到噴涂的橢圓形區(qū)域長、短半軸的長度分別為259 mm和125.6 mm。通過利用三坐標測量儀對噴涂涂層幾個特殊的點進行厚度測量得到的數(shù)據(jù)，以及測量涂層得到的長短半軸的值可以求解出分布指數(shù)為β1=2.995、β2=2.103，因此噴槍的基礎數(shù)學模型得到了確立。

3 噴涂實驗及仿真實驗對比分析

3.1 噴定點噴涂實驗

將各項參數(shù)設置到合理的噴涂范圍內(nèi)進行噴涂實驗，確?？梢缘玫较鄬σ?guī)整的涂層區(qū)域，圖3為進行4次點噴涂實驗所得到的橢圓形涂層。

為了準確測量噴涂區(qū)域內(nèi)涂層的厚度，選擇噴涂形狀較為規(guī)整的區(qū)域進行測量，即選擇涂層2作為測量的涂層區(qū)域。首先利用三坐標測量儀掃描涂層2得到點云數(shù)據(jù)，然后將其導入MATLAB軟件形成平面涂層，并對形成的平面涂層按照x方向和y方向5 mm×2 mm的網(wǎng)格進行劃分得到測量點，如圖4所示。為了減少測量的次數(shù)，只對x軸和y軸上的測量點進行涂層厚度測量。

圖3 點涂實驗噴涂效果 圖4 涂層2測量點分布情況

對測量點進行厚度測量，每個測量點進行5次的厚度測量后取平均值，以確保測量的準確性，計算得到涂層每個測量點的真實厚度，如圖5所示。

3.2 噴定點噴涂仿真實驗

按照相同的參數(shù)設置在MATLAB軟件中進行仿真實驗，仿真結果如圖6所示。

3.3 對比分析

為了更加直觀地觀察仿真模型預測得到的厚度與真實噴涂實驗得到的涂層厚度之間的關系，將圖5和圖6在同一個坐標系下進行表示，如圖7所示。

由圖7可以發(fā)現(xiàn)：仿真分析得到的涂層厚度與實驗測量得到的涂層厚度相吻合，證明了噴槍基礎模型的正確性，利用該模型能夠預測定點噴涂區(qū)域內(nèi)任意一點的釉料涂層厚度。

圖5 x軸和y軸方向涂層測量點厚度分布情況

圖6 x軸和y軸方向仿真涂層厚度分布情況

圖7 仿真和實驗涂層厚度分布情況對比

4 總結

本文采用MATLAB軟件進行了施釉機器人噴槍參數(shù)仿真及實驗研究。首先確定了噴槍的數(shù)學模型，進而進行了平面內(nèi)的噴涂仿真實驗。通過對噴涂實驗和仿真實驗結果進行對比分析，驗證了噴槍數(shù)學模型的正確性，這對于后續(xù)的噴槍變參數(shù)的仿真和實驗研究具有一定的參考價值。