噴涂機器人系統新型停止閥應用研究

張文群， 魏紅亮， 王芝建

(1.合肥通用職業技術學院， 安徽 合肥 230031;2.安徽江淮汽車集團股份有限公司， 安徽 合肥 230601)

?

噴涂機器人系統新型停止閥應用研究

張文群1， 魏紅亮2， 王芝建2

(1.合肥通用職業技術學院， 安徽 合肥 230031;2.安徽江淮汽車集團股份有限公司， 安徽 合肥 230601)

利用流體密度與縫隙壓力差的流體關系設計了停止閥閥門的三種狀態：一種由流體密度決定的自由狀態，兩種控制系統產生的強制狀態。自由狀態的停止閥容許溶劑及脈沖空氣的通過而阻止油漆涂料通過，實現了涂料的充分利用。

回流停止閥； 控制空氣； 清洗； 預注； 噴涂

0 引 言

隨著汽車市場的激烈競爭，為降低生產成本，提升工藝質量，噴涂機器人在汽車制造行業應用越來越多[1-2]。噴涂機器人工藝系統在自動切換不同顏色涂料準備噴涂前，都要自動清洗工藝管路及閥組，然后預注涂料，以便及時噴涂。噴涂機器人傳統的自動預注油漆涂料技術是：清洗完成后,控制系統控制相應閥組延時關閉，多排放點油漆涂料，以確保相關閥組及管路中不殘留溶劑而充滿油漆(殘留溶劑會破壞車身噴涂質量)。對于年產10萬臺以上整車的汽車制造廠而言，噴涂工藝系統在每臺車上的一點點涂料浪費，長期下來浪費的質量成本也是不可估算的。文中所述回流停止閥技術在噴涂機器人工藝系統中的應用,減少了涂料浪費，保證了工藝質量，近幾年在安徽江淮汽車集團股份有限公司幾個整車項目上得以應用，效果非常好。

1 噴涂機器人工藝系統原理

噴涂機器人工藝系統主要由換色閥、涂料調壓器、計量泵、霧化器等總成構成，如圖1所示。

1.換色閥； 2.涂料調壓器； 3.計量泵； 4.霧化器

圖中部件按涂料工藝走向示意分布[3],不同顏色的涂料從車間輸調漆系統供給機器人噴涂系統的換色閥，機器人控制系統通過控制空氣控制換色閥某一通道顏色涂料接通；該涂料流經涂料調壓器，并被機器人工藝控制系統自動調壓到工藝給定壓力；經過調壓的涂料被輸送給計量泵，控制系統控制計量泵的涂料流量，使之符合受噴面的涂料流量工藝參數要求；最后，涂料流入機器人末端的霧化器總成。

霧化器總成[3]是噴涂機器人工藝系統里最關鍵的總成，主要包含閥組、空氣馬達及能高速旋轉的旋杯等，結構示意圖如圖2所示。

1.主針閥； 2.回流停止閥； 3.空氣馬達； 4.主針及漆液管

閥組主要包含主針閥、清洗閥及停止閥等，其主要功能是控制涂料、清洗溶劑或清洗脈沖空氣的二位通斷或半通斷；空氣馬達的作用主要是帶動旋杯高速旋轉；旋杯主要功能是產生錐狀漆霧。

2 新型回流停止閥結構原理

文中所述停止閥主要包含閥本體、活塞復位彈簧、清洗控制彈簧、預注涂料彈簧、停止閥活塞、閥膜片、錐狀閥門及閥門座等，結構原理示意圖如圖3所示。

1.活塞； 2.活塞復位彈簧； 3.預注涂料彈簧； 4.清洗控制彈簧；5.停止閥主出口； 6.閥膜片； 7.錐狀閥門； 8.清洗位控制空氣；9.噴涂位控制空氣； 10.停止閥主入口

該停止閥閥門有3種位置狀態，一種由流體密度間接決定的自由狀態，兩種由噴涂機器人控制系統產生的強制狀態。在自由狀態下，清洗控制彈簧的彈力大于活塞復位彈簧彈力，但該彈簧屬于活塞總成，故在復位彈簧作用下，活塞組件向閥體主入口方向移動直達閥體限制位。自由狀態下，若流經的流體由于密度不夠大，導致流體對閥門的壓力不夠大，活塞組件中的閥門在預注涂料彈簧作用下，錐狀閥門與閥門座分離產生錐形環狀縫隙。

3 新型回流停止閥數學模型

圖3停止閥的錐狀閥門受力示意圖如圖4所示。

圖4 停止閥閥門受力示意圖

由于錐狀閥門部件比較小，采用輕質材料，其重力在力的分析中可忽略不計；為進一步簡化研究對象的受力分析，不考慮活動部件的摩擦力及制造誤差對數學模型的影響[4]。通常機器人噴涂系統溶劑密度為0.8×103kg/m3左右，油漆密度在1.0×103kg/m3以上[5]。

流體在停止閥錐狀環形縫隙作連續流動，有流量連續性方程[6]：

q=vA=v1A1=v2A2=常數

式中： q----流量，m3/s；

v，v1，v2----流速，m/s；

A----通流截面面積，m2；

A1----停止閥圖2所示的閥門主入口側的圓盤面積，m2；

A2----最小環狀縫隙面積，m2。

由圖可知，A1>A2。故

由實際流體的伯努利方程[6]

式中: p1,p2----壓力，Pa；

v1,v2----流速，m/s；

g----重力加速度，m/s2；

ρ----密度，kg/m3；

h1,h2----液位高度(m),由于停止閥的h1，h2基本處于同一高度，故取值為0；

α1,α2----動能修正系數，停止閥閥門結構決定了流體為紊流狀態，故取值為1；

hw----能耗折算高度。

即有

由式(2)和式(4)可知，p1>p2，故有

式中:Δp----壓力差，Pa。

根據局部壓力損失公式

式中: ξ----局部阻力系數；

Amin----錐狀環形縫隙的最小截面積，m2。

式(6)表明,在閥體結構確定的情況下，流量q一定時，Δp與ρ近似成正比。又因為錐狀閥門右端的空腔通過回流管路與回收裝置直通(見圖2)，可以近似地認為p2為0。根據式(5)和式(6)，有

對圖2的閥門進行水平方向受力分析,若閥門處于半開預注平衡狀態，可近似地認為[7]

式中:F----預注涂料彈簧彈力，N。

根據式(7)和式(8)，錐狀閥門在運動方向上的受力數學模型如下：

當流體密度比較大時，有

根據式(10)，圖2的錐狀閥門會向右移動，直到閥門錐面與停止閥錐狀閥座接觸，閥門達到一個新的受力平衡狀態，同時實現自動關閉閥門間隙的作用。

4 新型回流停止閥應用

停止閥安裝在霧化器總成的主針閥回流管路中，故又叫回流閥。通過回流閥，清洗溶劑、脈沖空氣或油漆涂料在噴涂機器人霧化器系統中的涂料供給管路、涂料漆液管及回流管路中形成前向通路(見圖4)。在清洗相關管路時，不再需要的漆液和溶劑將通過回流管排出或回收。回流停止閥的應用有3種工作模式：溶劑清洗吹干模式、預注涂料模式及噴涂模式。溶劑清洗吹干模式如圖5所示。

圖5 溶劑清洗吹干模式

在圖5清洗模式下，噴涂機器人控制系統控制機器人閥島，0.6MPa的清洗控制空氣注入停止閥。在清洗控制空氣壓力作用下，停止閥的活塞向下運動，帶動停止閥的錐狀閥門強制打開，錐狀閥門與錐狀間的間隙最大，清洗溶劑或脈沖空氣便能通過圖4所示的漆液管流入停止閥，并通過停止閥得以排放或回收，從而實現霧化器總成工藝管路的清洗。

清洗模式完成后，若噴涂機器人繼續噴涂，下一步便是涂料預注模式。在該模式下，噴涂機器人控制系統不產生控制空氣，停止閥的活塞在活塞復位彈簧及清洗控制彈簧的共同作用下自行進入復位狀態。在油漆涂料沒有充分作用到停止閥的閥門并產生足夠壓力時，停止閥的閥門受力可根據式(9)計算，其錐狀閥面與錐狀閥座間有約2mm的間隙，這為油漆涂料的預注開辟了回流通路，如圖6所示。

在預注模式階段，由于油漆密度比較大，根據停止閥的閥門受力數學模型公式(10)，油漆對閥門的壓力大于預注彈簧的彈力，停止閥的閥門會被觸發并自動關閉。停止閥的閥門關閉后就不會再有油漆涂料通過停止閥及回流管路排放，如圖7所示。

圖7 涂料預注模式過程二

在噴涂模式下，噴涂機器人控制系統控制閥島，0.6MPa的噴涂控制空氣進入停止閥，如圖8所示。

在噴涂控制空氣壓力作用下，停止閥的活塞向上運動，帶動停止閥的錐狀閥門強制關閉；隨后機器人噴涂控制系統打開主針閥，油漆涂料便流向高速旋轉的旋杯。這樣實現了溶劑或脈沖空氣與油漆涂料穩定隔離，保證了霧化器總成有效噴涂。

圖8 噴涂模式

在回流停止閥的應用中，清洗模式下強制打開閥門時，閥門間隙最大，增大通流面積，降低閥門回油背壓；預注模式下，錐狀環形間隙比較小，通流面積梯度比較小，可以改善錐形閥門的微控性能[8]，直到閥門縫隙穩定地關閉；噴涂模式下，控制空氣強化閥門的關閉，從而確保溶劑與油漆涂料的安全隔離。

5 結 語

新型回流停止閥設計非常巧妙、經濟實用，利用流體密度特性自動關閉回流通道，其在噴涂機器人系統霧化器回流工藝管路中的應用是一種新型的噴涂機器人工藝技術。該工藝技術最近幾年才研究出來，對噴涂工藝來說意義重大，能減少油漆涂料排放導致的環境污染和油漆涂料的浪費，在噴涂機器人系統值得推廣應用，甚至可以推廣到其它噴涂系統或流體控制系統。

[1] 喬新義，陳冬雪.噴涂機器人及其在工業中的應用[J].現代涂料與涂裝，2016(8)：53-55.

[2] 王錫春.汽車涂裝工藝技術[M].北京：化學工業出版社，2005：96-98.

[3] 杜爾公司.EcoBell2/EcoBell2M/EcoBell2HD操作手冊[M].德國:杜爾公司,2015.

[4] 周海強，周志強.特殊功能平衡閥及平衡回路設計[J].流體傳動與控制，2015(1):37-41.

[5] 葉揚祥，潘肇基.涂裝技術實用手冊[M].北京：機械工業出版社，2003.

[6] 馮錦春.液壓與氣壓傳動技術[M].2版.北京：人民郵電出版社，2014：12-22.

[7] 宋鴻堯,丁忠堯.液壓閥設計與計算[M].北京：機械工業出版社，1982.

[8] 李宗.挖掘機鏟斗閥芯優化設計[J].液壓與氣動,2015(4):118-121.

New style stop-valve application research in painting robot system

ZHANG Wenqun1， WEI Hongliang2， WANG Zhijian2

(1.Hefei Institute of General Professional Technology, Hefei 230031， China;2.Anhui Jianghuai Automobile Group Corp. Ltd., Hefei 230601, China)

By applying relationship between fluid density and gap-pressure difference in hydrodynamics, we design three states for the stop-valve. One is the free state decided by fluid density, and the other two are the forced states. In the free status, solvent &pulse-air can pass through the stop-valve but paint materials are blocked. So, the paint materials are economically used.

backflow stop-valve; control air; cleaning; preloading; painting.

2017-02-15

安徽省質量工程項目(2013tszy078， 2014jxtd082)

張文群(1973-)，女，漢族，安徽霍邱人，合肥通用職業技術學院講師，碩士，主要從事機械制造及液壓方向研究,E-mail:374758184@qq.com.

10.15923/j.cnki.cn22-1382/t.2017.2.17

TH 137

A

1674-1374(2017)02-0194-04