郅學偉，和軍強

（宜賓凱翼汽車有限公司，四川 宜賓 644000）

目前國內(nèi)新建的汽車涂裝線多采用“內(nèi)外噴機器人+干式噴漆室+高比例循環(huán)風+噴漆廢氣凈化”的成套工藝。該工藝的關(guān)鍵是采用內(nèi)噴機器人徹底取代人工噴涂。一些原有生產(chǎn)線的環(huán)保改造也多通過增加內(nèi)噴機器人來凈化噴漆廢氣。本文基于筆者在改造和調(diào)試內(nèi)噴機器人方面的經(jīng)驗，探討了一些設(shè)計過程中需注意的因素。

1 噴涂效率

隨著機器人噴涂的推廣，其噴涂效率在設(shè)計時就得到了重視，稍微專業(yè)的都要做機器人的節(jié)拍時序圖。但早期規(guī)劃涂裝車間時還很少考慮機器人的效率問題，只是用軟件簡單計算或者憑經(jīng)驗來估算，比如節(jié)拍翻一倍，機器人數(shù)量也跟著多一倍。一般情況下生產(chǎn)線會有二三十秒的非噴涂時間造成固定效率損失，包括輸送切換、換色清洗、機器人準備撤退動作、噴涂過程中機器人動作切換等所需時間以及安全時間。假設(shè)一條面漆線每臺機器人非噴涂動作固定損失30 s，按100 s設(shè)計節(jié)拍計算，單個機器人效率就是70%，如果按2倍節(jié)拍50 s設(shè)計，那么單個機器人效率僅40%。如果僅僅比100 s節(jié)拍時增加一倍的機器人就可能無法很好地完成作業(yè)。前幾年有幾條涂裝線嘗試過面漆單線55 JPH(65 s節(jié)拍)左右的設(shè)計，結(jié)果產(chǎn)生了較多問題，就是因為沒有考慮到機器人效率，并未按照噴涂所需工藝時間來設(shè)計，而是直接按節(jié)拍比例增加機器人，所以最終項目失敗。

相比噴涂車身外表面，內(nèi)噴還受限于四門兩蓋的空間。布置內(nèi)噴機器人時更應關(guān)注噴涂時間窗口(指可以用來作業(yè)的時間)、有效噴涂時間等參數(shù)。充足的噴涂窗口時間是做好機器人內(nèi)噴項目最重要的基礎(chǔ)，它基本上決定了調(diào)試空間。根據(jù)筆者設(shè)計和應用經(jīng)驗，色漆內(nèi)噴以四門兩蓋總的噴涂窗口時間設(shè)計在350 ~ 400 s之內(nèi)為宜。緊湊工藝中，色漆四門部位的內(nèi)噴窗口保障尤為重要。

在一些采用色漆內(nèi)表面帶電噴涂的生產(chǎn)線上，或者在內(nèi)表面有中涂的情況下，可將色漆內(nèi)噴窗口總時間設(shè)置到300 ~ 350 s。實際上根據(jù)不同的情況，TCP(機器人噴涂移動速率)會有所變化，需要調(diào)試確定，一般希望新設(shè)計的線不超過900 s。

目前車身內(nèi)部噴涂主要分為兩大類，隨行式(line tracking)和走停式(stop & go)，配套的機器人有六軸和七軸。常規(guī)的七軸是在六軸基礎(chǔ)上增加軌道，現(xiàn)在杜爾(Dürr)、ABB等都發(fā)展出自身七軸的技術(shù)(見圖1)，已大大拓寬了內(nèi)噴的施工窗口。為了充分發(fā)揮設(shè)備效率，降低調(diào)試難度，追求施工穩(wěn)定性，以及兼顧部分降級功能，目前更多的新建涂裝線內(nèi)噴機器人傾向于設(shè)計成七軸stop & go。

圖1 主流自身七軸的機器人Figure 1 Common robots with integrated seven axes

有時也存在因規(guī)劃失誤或提產(chǎn)需求而要求用較短的噴涂時間窗口來完成作業(yè)，此時需要摸索每一款車型每一個顏色對應的調(diào)試策略。

某采用機器人內(nèi)噴的項目因規(guī)劃失誤，色漆的實際噴涂效率僅27%。該案例中的內(nèi)噴機器人采用六軸隨行式，噴涂車門內(nèi)表面時最大可達空間僅3 m(見圖2)，面漆線最初采用7 m的噴涂節(jié)距，機器人極限噴涂窗口時間僅為節(jié)拍的3/7。該車間面漆段節(jié)拍為78 s，因此噴涂窗口時間為78 × 3 ÷ 7 = 33 (s)，由于噴涂起止位置被限制，實際有效噴涂時間僅約21 s，很多段的噴涂TCP達到1 300 m/s，而且由于拐角鉸鏈等部位無法充分設(shè)置噴涂動作，少漆部位達17 ~ 20處。另外，噴涂速率快還需要加大油漆吐出量，導致油漆反彈，在霧化器外表面附著大量水性漆霧，容易形成導電通路，頻繁觸發(fā)報警。

圖2 內(nèi)噴六軸隨行式布局的噴涂窗口制約Figure 2 Restriction of spray window for ling-tracking interior painting line with 6-axis robots

拓展噴涂時間窗口最簡單直接的措施就是降節(jié)拍，但生產(chǎn)節(jié)拍對工廠產(chǎn)出和成本至關(guān)重要。結(jié)合該項目內(nèi)噴帶電的設(shè)計以及自動變節(jié)距的功能，將最大節(jié)拍定為90 s，小型車噴涂段節(jié)距調(diào)整為6.6 m，令噴涂時間窗口達到90 × 3 ÷ 6.6 = 41 (s)，提升了24%。在增加噴涂窗口的基礎(chǔ)上優(yōu)化仿形，TCP降到850 ~1 100 m/s，從而降低噴涂流量，進一步提高上漆率，再通過優(yōu)化動作令噴涂可達性提高。對于遮蓋力較差的白色，在內(nèi)表面單獨采用固含量更高的原漆，同樣遮蓋力的流量比之前減少20%，基本解決了內(nèi)噴窗口瓶頸導致的嚴重少漆和漆霧污染問題。對于較大的車型，可通過機器人接力設(shè)計重新分配噴涂次序、更換行程更大的開蓋機器人、拉大節(jié)距等措施完成色漆內(nèi)噴作業(yè)。

2 霧化器是否帶電

由于水性漆導電導致帶電霧化器的結(jié)構(gòu)相對復雜、形狀較大，水性涂裝線的內(nèi)表面機器人多不帶電。無論是SAMES的EVO內(nèi)加電還是杜爾的隱藏極針外加電，霧化器都會增大，應用在內(nèi)表面噴涂的話，存在設(shè)備成本高、故障率高、可達性差的問題，容易造成肥邊等質(zhì)量缺陷，且鉸鏈和凹陷部位難以噴涂，水性色漆內(nèi)表面帶電也容易導致跳高壓停線。雖然水性色漆內(nèi)表機器人帶電噴涂尚存在諸多難題，但對上漆率提升的渴望還吸引行業(yè)不斷研究優(yōu)化，圖3所示便是一種不錯的解決方案。

圖3 FANUC尼龍罐Canister水性漆絕緣噴涂系統(tǒng)示意圖Figure 3 Schematic diagram of FANUC’s isolation spraying system with nylon canister for waterborne paint

3 機器人污染車身

內(nèi)噴機器人本體有線路完全內(nèi)置、部分內(nèi)置和全部外置幾種，考慮到內(nèi)噴的操作空間，以及減少線路摩擦掉臟的概率，應盡量選用管路內(nèi)置的機器人。

某車間內(nèi)噴機器人采用外置管路，其中色漆外置空氣管路和電纜，清漆外置空氣管路、電纜和涂料溶劑管路，外置管路均用波紋管包覆。外置管路很容易與機器人本體等摩擦，從而掉落臟污。如圖4所示，將管路與機器人本體固定，并用“連體服”將管路和機器人本體包在一起，機器人前端也帶上“袖套”之后，基本解決了掉臟問題。

圖4 色漆內(nèi)噴波紋管的改造方案Figure 4 Reformation of corrugated tube for basecoat spryer

4 開門裝置

內(nèi)腔噴涂有噴涂機器人自帶開關(guān)門的設(shè)計，但多用噴涂機器人和開門機器人進行配合來噴涂內(nèi)腔。目前行業(yè)多用傳統(tǒng)的插針式開門器，通過接觸門板上沿的車窗來抓取工件，機器人在下壓過程中插針的機械位移觸發(fā)傳感器，以此來判斷是否抓取成功。過噴的油漆不可避免地有一部分掉落到開門機器人的抓手上面，反復噴涂后就形成積漆，如不及時清理，積漆就有可能滴落到車身表面而造成返工，因此一般需要一兩個小時清理一次。

要解決開門器滴漆的問題，可以優(yōu)化噴涂角度以及開門器位置，也可以在開門器的設(shè)計上下功夫，一般開門器的爪子越小就越不容易滴漆。有的工廠設(shè)置氣吹裝置，利用開門器工作間隙，在固定位置用壓縮空氣吹掉開門器爪子上面的油漆。

現(xiàn)在也有磁錘式開門器，它通過磁錘吸住門板內(nèi)側(cè)來抓取工件。磁錘吸住工件后會通過光纖來感知磁錘位置的變化，以此來判斷是否抓取成功。釋放工件時利用壓縮空氣令磁鐵與工件表面脫離。磁錘式開門器不與工件主動接觸，也不容易滴漆，但應用在非鐵制件的門上不太方便。

配合機器人內(nèi)噴的四門工裝有一次性卡扣(多為 3D打印的耐高溫樹脂材料，可以循環(huán)利用幾次)、磁力工裝和鉸鏈等形式。對于鐵質(zhì)車門，采用磁力工裝是相對經(jīng)濟實用的選擇，但因與車身接觸的地方容易出現(xiàn)顆粒、流掛等缺陷，故其推廣受到了限制，一般通過加強清洗或者粘貼膠帶紙來減少缺陷。經(jīng)過摸索，筆者團隊找到了更好的解決磁力工裝掉臟流掛的方案──減少接觸面積，尤其是減少與可噴涂到的部位接觸。該方案的思路是將以前的磁頭外圈凸起接觸車門改為中間點接觸車身(如圖5a所示)，這樣油漆就不容易噴涂到中間點接觸的部位而導致積漆，不會流掛或?qū)е陆佑|面上的油漆干結(jié)后因碰撞而掉臟，在接觸車門的部位只有一個小點(如圖5b所示)。

圖5 中凸接觸的磁力工裝(a)及其在車門上造成的印痕(b)Figure 5 Magnetic door-opening tool (a) with a central contact and the mark (b) produced thereby on the door

5 車身溫度

采用機器人內(nèi)噴后可以大幅提高質(zhì)量的穩(wěn)定性，但前提是相關(guān)條件也比較穩(wěn)定，比如進入噴漆室時車身的溫度最好能與噴房溫度比較一致，否則低溫車身進入噴房后，空氣中的水氣會附著到車身上(如圖6所示)。因為沒有外表面那樣更好的漆膜均勻性以及有中涂打底，溫度過低很容易在內(nèi)表面首先出現(xiàn)流掛吹花等缺陷。現(xiàn)在一般采用面漆前儲存區(qū)增加空調(diào)控溫的方法來解決，建議在設(shè)計生產(chǎn)線時噴漆擦凈前預留三四個工位做車身恒溫段，將車身溫度和噴漆室環(huán)境溫度的差異控制在4 °C之內(nèi)。

圖6 低溫車身進入噴房時發(fā)生結(jié)露的情形Figure 6 Occurrence of condensation when low-temperature car body enters the spray booth

6 故障應對的設(shè)計

色漆內(nèi)噴段機器人往往具有比外噴機器人更高的故障率，因此對“降級模式”的需求比外表面自動噴涂更為迫切。沒有“降級模式”的生產(chǎn)線最好設(shè)計單臺機器人的退出功能，以保證在出現(xiàn)故障時能通過后續(xù)少量補噴來完成作業(yè)。在將前蓋內(nèi)噴設(shè)計為單獨機器人的前提下，在四門內(nèi)噴機器人出現(xiàn)故障且暫時難以修復的情況下，可以臨時用前蓋機器人部件替換以保證生產(chǎn)。

7 智能制造──數(shù)據(jù)采集與處理

以往采用人工噴涂車身內(nèi)部時，很難統(tǒng)計油漆和溶劑的精確消耗，帶來定額管理的難題，只能通過長期數(shù)據(jù)的積累來比較。采用內(nèi)噴機器人后，精確采集噴涂數(shù)據(jù)就有了更全面的基礎(chǔ)，設(shè)計上要考慮單耗采集、匯總、比較等功能。全自動噴涂加上生產(chǎn)管理系統(tǒng)，以及現(xiàn)在的智能電動泵系統(tǒng)，也可以實現(xiàn)油漆的休眠模式、待機模式和工作模式的精確切換，這對降低涂料剪切、節(jié)約運行能耗都有好處。

8 結(jié)語

涉及色漆內(nèi)噴的課題還有很多，需要不斷總結(jié)經(jīng)驗教訓，形成理論和實踐的相互提升，才能不斷完善汽車色漆內(nèi)噴機器人系統(tǒng)的設(shè)計和應用。