采用機(jī)器人控制車身噴涂質(zhì)量

1引言

　　隨著國內(nèi)乘用車工業(yè)的發(fā)展，越來越多的機(jī)械噴涂取代了手工作業(yè)。在這種趨勢中，機(jī)器人噴涂所占的比例也越來越大。如原先在車身噴涂中普遍使用的6杯站或 9杯站系統(tǒng)，也有被機(jī)器人噴涂替代的趨勢。汽車車身外覆件也大量使用機(jī)器人噴涂，如國內(nèi)轎車保險杠噴涂中超過一半的產(chǎn)量使用了機(jī)器人。機(jī)器人噴涂既保持了手工噴對復(fù)雜形面的適應(yīng)，又具精確性和重復(fù)性。本文將討論機(jī)器人施工時影響最終涂膜厚度的各種因素，為生產(chǎn)中對膜的控制調(diào)整提供 一 些思路。

2膜厚控制的意義

對于涂裝施工而言，涂膜厚度是涂裝工藝中最重要的控制因素，其意義在于：

（1）防止因膜厚不適當(dāng)導(dǎo)致的涂層缺陷。根據(jù)筆者經(jīng)驗，現(xiàn)場生產(chǎn)中涂層的外觀缺陷有超過一半以上是因為漆層膜厚控制不當(dāng)造成的。一些常見的涂裝缺陷如流掛、漆層薄、露底色等直接與膜厚控制失控有關(guān)， 還有一些缺陷也間接同這有關(guān)。譬如，保險杠噴涂的第一層助黏底漆膜厚不夠，會導(dǎo)致整個涂層附著力下降，同時底漆的膜厚達(dá)不到要求時其導(dǎo)電效果也會下 降，這會引起第一道色漆使用靜電噴涂時涂料的轉(zhuǎn)移率下降，最后導(dǎo)致色漆不足。

（2）幫助外觀指標(biāo)的調(diào)整。常見的漆膜外觀指標(biāo)如 光澤、色差、桔皮、DOI 等都需要以膜厚控制作為基 礎(chǔ)。上述指標(biāo)都明顯受到膜厚，特別是面漆膜厚的影響，因此，在整個涂裝質(zhì)量控制中，把膜厚作為最重要的控制因素是必須的。

（3）成本的控制。除了膜厚控制對涂裝質(zhì)量影響體現(xiàn)的質(zhì)量成本外，涂裝的主要成本中約有一半被涂料所占據(jù)。精確的膜厚控制不僅有助于涂裝質(zhì)量的穩(wěn)定，還有利于涂料的節(jié)約。統(tǒng)計顯示，采用同樣設(shè)備噴涂時，是否精確控制膜厚其所消耗的涂料相差25%以上。

　　目前在國內(nèi)使用的機(jī)器人噴涂主要有日本巖田或三菱機(jī)器人，這些設(shè)備引進(jìn)較早，控制精度較差；新的涂裝線普遍采用ABB、 FANUC、 MOTOMAN、DURR 等多軸機(jī)器人，在本文中主要是以ABB機(jī)器人為基礎(chǔ)進(jìn)行討論。

3影響漆膜厚度的因素

在機(jī)器人噴涂施工中，涂層膜厚可以按如下公式計算：

干膜厚度=（流量×涂料體積固體含量×涂料轉(zhuǎn)移率）/（走槍速度×噴幅寬度）

（1）流量，即噴涂時單位時間從噴槍口流出的涂料 體積。在機(jī)器人噴涂中，這個數(shù)據(jù)直接在BRUSH（刷子）參數(shù)表中確定。一些老式的機(jī)器人噴涂中，流量控 制沒有和機(jī)器人系統(tǒng)建立聯(lián)系，無法在一個噴涂程序 中間隨時更改流量。而大部分新機(jī)器人的流量控制系統(tǒng)直接由機(jī)器人的IPS系統(tǒng)控制，使流量控制更加精 確和便捷。如在ABB機(jī)器人噴涂的流量控制中，根據(jù)流量控制是否閉環(huán)分兩類。

一是對流量精度高的設(shè)備采用閉環(huán)控制，在閉環(huán)控制中，常用的設(shè)備配置有兩種：

　　一是使用計量齒輪泵，即泵每轉(zhuǎn)一圈所獲得的體積 數(shù)是恒定的，機(jī)器人1PS系統(tǒng)控制計量泵的轉(zhuǎn)速來達(dá) 到定量供漆，在這類系統(tǒng)中，涂料的動力來自齒輪泵產(chǎn)生的壓力。

　　二是通過流量計和節(jié)流閥組成的閉路系統(tǒng)來控制，在這類系統(tǒng)中，涂料的壓力來源于供漆系統(tǒng)，流量計獲得的流量信號傳到機(jī)器人IPS系統(tǒng)與已標(biāo)定的值作比較，當(dāng)流量有偏差時，信號返饋給節(jié)流閥，通過改變節(jié)流閥開閉度來調(diào)節(jié)。使用第二種方案控制時對供漆壓力的穩(wěn)定性要求高。機(jī)器人噴涂系統(tǒng)提供了多級修正流量偏差的方法。如在ABBTR5002噴涂機(jī) 器人上，對于系統(tǒng)的偏差有兩種途徑可以調(diào)整。一是可 以通過機(jī)器人設(shè)鼉中的ROBOT PARAMETRE 中的涂 料特性設(shè)置，這種情況下允許對于每種涂料系統(tǒng)進(jìn)行 不同的設(shè)置，如可以修正流量受到涂料的黏度和相對密度的影響。二是可以通過TEACHPADENT 中的BRUSH設(shè)置。如當(dāng)BRUSH中設(shè)置是200而實際測量得到的流量是220時，可以設(shè)置BRUSH比例為200/220=91%，這樣實際的噴涂流量成為200。需要注意的是這種設(shè)置重新開機(jī)后參數(shù)自動恢復(fù)到100%。噴涂中流量范圍的選用主要受到兩個環(huán)節(jié)的影響：計量泵和霧化器。這兩個設(shè)備的瓶頸決定了最后可以獲取的流量范圍。如當(dāng)使用6cc計量泵時，因為泵的受控轉(zhuǎn)速范圍是0～150r/min，因此它的額定流量在0～900mL/min。同時，霧化器也存在不同的流量上限。如ABB機(jī)器人旋杯ROBOBEL625的上限為 400mL/min，所以在這種設(shè)備配置中，最高流量只能是 400mL/min。同樣，過低的流量在使用計量泵時泵的轉(zhuǎn)速過慢，無法達(dá)到應(yīng)有的精度。另一個需要關(guān)注的因素是，在空氣噴涂時，流量的大小影響到涂料霧化效果。根據(jù)機(jī)器人噴涂保險杠的經(jīng)驗，空氣噴槍選用許可流量的20%～70%較為合適，旋杯選用20%～100%流量。

（2）涂料轉(zhuǎn)移率，指最終附著在產(chǎn)品表面的涂料占涂料從噴槍中噴出的總流量的比例，也稱作上漆率。事實上整個涂裝設(shè)備的發(fā)展歷史也可以看作是一部提高涂料轉(zhuǎn)移率的歷史，因為它與涂裝制造成本和環(huán)境保護(hù)這兩個主題密切相關(guān)。影響轉(zhuǎn)移率的主要參數(shù)包括：霧化器種類、靜電高低、噴涂參數(shù)、導(dǎo)電性等。使用怎樣的噴涂設(shè)備是決定轉(zhuǎn)移率的第一因素，因為不同的設(shè)備轉(zhuǎn)移率有著明顯的差別。一些主要霧化器轉(zhuǎn)移率從小到大為：普通空氣噴槍，靜電空氣噴槍，旋杯。它們在噴涂金屬或者塑料零件時的涂料轉(zhuǎn)移率見圖1、圖2。靜電是影響涂料轉(zhuǎn)移率的第二大因素，有無 靜電和靜電高低的差別在施工中表現(xiàn)得非常明 顯。由于靜電噴涂時，涂料粒子帶電導(dǎo)致涂料向工件吸附，因此需要先到達(dá)工件表面的帶電顆粒快速轉(zhuǎn)移電荷，維持工件表面和噴槍之間的電壓 差，確保兩者之 間的空間電場強(qiáng)度對于涂料轉(zhuǎn)移率非常關(guān)鍵。這就又增加了一個因素，即工件的接地狀態(tài)直接影響了涂料的轉(zhuǎn)移率。這一因素在噴涂導(dǎo)電性不好的工件時尤其明顯，如塑料保險杠。試驗表明，在使用ROBOBEL噴涂色漆時，一般接地和良好接地的產(chǎn)品轉(zhuǎn)移率相差10%～20%。如ROBOBEL625在噴涂使用金屬夾接地 的SVW2000門檻條的實測轉(zhuǎn)移率為70%左右，而接地不良的情況下只有50%左右。對于空氣噴槍來說，霧化空氣壓力對轉(zhuǎn)移率影響也是較大的，霧化壓力過大會造成空氣噴到被噴涂面后反彈氣流增加，阻止后續(xù)小漆粒到達(dá)被噴涂面，導(dǎo)致轉(zhuǎn)移率下降。

（3）固體含量。固體含量參數(shù)通常有體積百分比和質(zhì)量百分比兩種，計算膜厚時使用的是體積百分比。在涂裝施工中，常常會忽視這一因素變化帶來的不穩(wěn)定，由于機(jī)器人噴涂中其他因素的精確控制，這一因素的影響比起在手工噴涂中顯得更為突出。下面的幾個因 素可能引起施工時涂料固體含量的不穩(wěn)定：

①不同批次涂料固體含量的變化。

作為原漆控制指標(biāo)的固體含量造成的偏差一般在±2%，這種偏差的影響有時是很大的。例如一種遮蓋力為11μm的色漆，原漆的固體含量在27%±2%之間，這樣高低極限的偏差在（29～25）/25=16%。如果原來使用29%噴涂的膜厚在12μm，現(xiàn)在25%的只能噴到12/29×25=10.3μm，顯然膜厚不夠了。這種情況下，就需要對涂料原料的固體 含量指標(biāo)嚴(yán)格監(jiān)控，并要求供應(yīng)商對于敏感的涂料給 出更小的范圍。

②原漆存放時間過長導(dǎo)致的偏差。

一般涂料的黏度隨著存放時間的延長會上升，而在調(diào)配涂料時常是以涂料黏度作為控制指標(biāo)的。這就出現(xiàn)了原漆存放前后所調(diào)配的涂料固體含量的變化。比如。一種涂料在存放6個月后黏度上升了10%（這一幅度是比較正常的，如存放環(huán)境溫度高，黏度上升幅度還要大），在調(diào)整到同樣的黏度時需要加入的稀釋劑較6個月前增加，這就減少了調(diào)配好的涂料的固體含量，其他噴涂因素不變的情況下，涂料膜厚會降低。

③不規(guī)范的調(diào)漆操作和存放方式會導(dǎo)致固體含量減少。

如原漆在包裝桶中沒有得到充分?jǐn)嚢瑁�固體含量高的成分留在桶中，這樣間接地降低了涂料的固體含量。還有，調(diào)配好的涂料放置時間過長而密封不好導(dǎo)致溶劑揮發(fā)后，固體含量會增加。

（4）走槍速度。以ABBTR5002噴涂機(jī)器人為例，槍速范圍為：0～3000mm/s。生產(chǎn)中，一般旋杯選用速度為600～1000mm/s，空氣噴槍選用速度為800～1500mm/s之間。理論上噴涂速度同膜厚成反比關(guān)系，但實際上，由于不同速度選用的噴涂參數(shù)會間接影響到轉(zhuǎn)移率，所以在滿足噴涂節(jié)拍的前提下，優(yōu)先選用較低的槍速。關(guān)于槍速對于轉(zhuǎn)移率的影響，可以這樣解釋：槍速慢，獲得同樣膜厚使用的涂料流量低，相應(yīng)的霧化空氣也小，對于提高轉(zhuǎn)移率有利。對于旋杯也 是如此，這可能與電荷轉(zhuǎn)移需要的時間有關(guān)。測試表 明，在同樣條件下噴涂產(chǎn)品，使用旋杯速度在500mm/s時比速度為700mm/s時轉(zhuǎn)移率提高5%。

（5）噴幅寬度。指霧化器噴出的涂料在被噴涂面覆蓋的寬度。噴幅寬度受到下述參數(shù)的影響：噴槍離被噴涂表面距離、霧化和扇面參數(shù)（空氣噴槍）或者整形空氣（旋杯）。單頭空氣噴槍的噴涂形狀是橢圓形的，旋杯的霧形是圓形的，雙頭噴槍根據(jù)兩個噴頭的夾角，形狀有所不同，但是基本也呈橢圓形。從空間角度看，它們的霧形是都是圓錐形或者橢圓錐形的。因此當(dāng)噴涂距離變短時，噴幅寬度成比例地縮小。對于空氣噴槍來說，霧化空氣壓力與扇面空氣壓力的比值對噴幅寬度呈線性影響。所以當(dāng)在修改相應(yīng)的噴涂流量時，需要考慮因為調(diào)整霧化和扇面空氣值間接影響到的噴幅寬度。

4膜厚的控制

對于機(jī)器人涂裝施工而言，確保生產(chǎn)工藝的穩(wěn)定是需要優(yōu)先控制的。上述5個影響膜厚的因素可以采用不同的方式控制和調(diào)整。

（1）為保證涂料固體含量參數(shù)穩(wěn)定，推薦下列措施：

①監(jiān)控不同批次的原漆固體含量，尤其是對于膜厚敏感的涂料，如遮蓋力高的色漆；
②縮短原漆的存放時間，盡可能使用新鮮的涂料；
③避免涂料存放環(huán)境溫度過高；
④規(guī)范調(diào)漆操作；
⑤不同季節(jié)所用的稀釋劑配方不同，可以通過機(jī)器人IPS設(shè)置參數(shù)調(diào)整，避免流量的更改。

（2）噴涂速度在噴涂軌跡程序編制過程中調(diào)整，一旦確定之后就基本不再變動，只有在一些特定的情況下進(jìn)行調(diào)整，如噴涂遮蓋力特別差的色漆而噴槍流量接近上限時采用調(diào)低速度的方法較為有效。

（3）噴幅寬度主要在程序編制時確定，后期的調(diào)整主要是針對一些特殊平面，如對于窄平面使用小的幅寬能有效節(jié)約涂料。調(diào)整中需要關(guān)注因為噴幅變化帶來的其他影響噴涂質(zhì)量的情況，如當(dāng)通過噴涂距離調(diào)整幅寬時，涂料到達(dá)被噴涂面的溶劑含量同時發(fā)生變化，可能發(fā)生相應(yīng)的流掛或者干噴；當(dāng)通過霧化扇面壓力調(diào)整時，可能會影響到涂料的霧化效果。

（4）涂料轉(zhuǎn)移率一般不作為生產(chǎn)中調(diào)整的因素，在生產(chǎn)中需要關(guān)注的是因為轉(zhuǎn)移率變化導(dǎo)致的噴涂質(zhì)量事故。一般多發(fā)生在因為轉(zhuǎn)移率下降導(dǎo)致的漆層變薄。如靜電噴槍因設(shè)備故障導(dǎo)致電壓下降引起轉(zhuǎn)移率的降低。

（5）流量的調(diào)整是生產(chǎn)中最頻繁用于調(diào)整的參數(shù)。需要注意的是，調(diào)整空氣噴槍的流量時，一同調(diào)整的氣體的霧化和扇面壓力的值會隨之發(fā)生變化，這會同時 影響到轉(zhuǎn)移率，最后影響到膜厚。

5結(jié)語

　　漆膜厚度雖然只受到上述討論的5個因素的影響，機(jī)器人噴涂又使我們對于這些因素的控制能力得到加強(qiáng)，但因為這中間的每個因素又受到整個涂裝系統(tǒng)的多個因素的影響，因此在實際生產(chǎn)線施工中，需要根據(jù)實際情況，設(shè)計出有效的施工參數(shù)的監(jiān)控體系，確保膜厚可控可調(diào)。