噴涂機器人涂裝系統及涂裝缺陷分析

趙天宇，趙時璐，張 震，任雙超

（1.沈陽大學 機械工程學院，遼寧 沈陽 110044；2.華晨寶馬汽車有限公司涂裝車間，遼寧 沈陽 110143）

1 引言

汽車行業發展迅速，人們對汽車的需求不僅僅是結實耐用，涂裝質量也成為非常重要的影響因素，高質量的漆膜狀態也可以顯示出車企對質量的控制。手工噴涂的時代已經遠遠不能滿足工業化的進程，工業涂裝技術發展迅速，絕大多數涂裝車間利用噴涂機器人提高工作效率，同時機器噴涂也易于涂裝質量的管控，提高了油漆的使用率，減少缺陷降低油漆對涂裝工作人員的危害。涂裝質量決定了汽車的防腐性能、防水性能、以及良好的目視性。涂裝車間不僅僅是對油漆進行噴涂，還需要將噴涂后有缺陷的車身進行檢查打磨修復，從而達到優良的狀態。對于車身漆膜質量起決定性作用的噴涂環節對涂裝質量有最直接的影響。靜電噴涂所噴涂出的漆膜具有附著性良好，漆膜厚度均勻，目視效果良好的特性。靜電噴涂對于環保、節約能源方面也有積極的作用，靜電噴涂涂料的利用率高，霧化的車漆附著上強靜電，在電場力的作用下帶有強靜電的車漆粒子吸附在車身表面并且放電沉積，涂料的利用率可以高達85%以上，而一般的空氣噴涂涂料的利用率僅為（30～60）%[1]。提高涂料的上漆率對于環境保護，節約成本有至關重要的意義。就噴涂機器人的旋杯霧化的系統結構做詳細闡述，根據統計過程控制理論建立漆膜厚度分析系統，宏觀分析漆膜厚度的變化趨勢并且在此基礎上優化了噴涂工藝參數，解決生產中批量的漆膜缺陷問題。

2 漆膜膜厚檢測分析系統

汽車對于噴涂質量評價的主要指標之一就是漆膜厚度，厚度評估包括每層漆膜的厚度和各個漆膜厚度的總和兩部分。漆膜厚度對于汽車的耐腐蝕性和耐候性有著重要意義。標準的漆膜厚度是保證漆膜性能的前提，且大多數缺陷是由于漆膜厚度引起的，所以良好的漆膜厚度是汽車涂裝性能的基礎。

2.1 防止膜厚不當造成涂裝缺陷

涂裝車間生產過程中由于漆膜厚度不穩定而造成的缺陷占總缺陷很大的一部分。比如色漆噴涂過薄會造成色差并且影響耐候性，清漆噴涂過薄表面目視效果不佳，橘皮不符合標準，清漆噴涂過厚會造成流漆等缺陷。

2.2 實現成本控制

由于涂裝車身上有缺陷就需要手工打磨或者進行點修補，如果精準控制噴涂膜厚避免由于膜涂后厚產生的缺陷將會節約很大一部分生產成本。

本車間將噴涂的車輛按照噴涂計劃進行噴涂并且在進行噴涂的車輛中按照噴涂車型以及噴涂顏色抽樣進行膜厚檢測，抽取樣品數達到產量的百分之十五，通過檢測抽取樣品的質量反應某段時間內所有產品的質量。清漆膜厚監控系統的建立可以系統的分析清漆膜厚變化趨勢的原因從而解決批量漆膜過厚造成流漆，浪費材料或者漆膜過薄造成的色差問題，耐腐蝕性差的問題。系統根據統計過程控制理論進行設計。統計過程控制是利用數學統計的方式對生產過程進行控制的工具，通過對生產數據的分析，及時發現險兆信息進而采取行動讓整個過程只受到隨機性因素的影響。這樣才能使質量處于平穩的狀態。統計過程控制認為當生產過程只在隨機因素的影響下生產過程是受控狀態稱為統計控制狀態；當生產過程中有系統因素干擾時則處于失控狀態。過程波動具有統計規律性，過程受控時過程曲線是穩定的隨機分布的；不受控時曲線將發生變化。過程管理控制正是利用生產過程的波動對其進行監控，它強調從整體，全過程進行解決問題[2]。

將漆膜數據整理后利用正態分布進行統計，計算出控制圖的中心線CL—central line 上控制界限UCL—upper control limit下控制界限LCL—lower control limit。再根據車間標準整合上下控制界限從而完成控制圖的設計。根據3σ原理如果樣品沒有受到系統誤差影響時出現在區間[μ-3σ，μ+3σ]內的概率為99.73%，如果樣品不在區間范圍內則認為生產處于統計失控狀態，過程中存在系統因素的影響。系統界面，如圖1所示?？梢愿鶕€的變化宏觀分析清漆膜厚變化的原因。并且根據統計過程控制理論我們可以將特殊的線型作為預警信息提前采取行動減少損失。

圖1 清漆膜厚監控系統Fig.1 Clear Coat Thickness Monitor System

某車型三月份到六月份的膜厚的變化趨勢，如圖2所示。漆膜厚度總體呈現變高的趨勢那么此時出現流漆或者桔皮不規整缺陷的概率大大增加，出現的這種現象是由環境溫度的升高造成車漆粘度下降噴涂流量增大導致的，如果不經過大數據膜厚系統的分析單純的減小噴涂流量只能在某段時間內控制膜厚問題，環境溫度一旦變化漆膜厚度引起的問題就會反復出現，影響生產節拍或者造成生產成本的增加。所以在大數據的前提下分析才能有效的解決問題。同時利用膜厚分析系統可以對比膜厚數據與桔皮狀態數據分析出最佳漆膜狀態的膜厚數值。

圖2 膜厚變化曲線Fig.2 Film Thickness Curve

3 旋杯霧化系統介紹與工藝參數的設定

旋杯式霧化系統主要由：高速旋杯式霧化器、流量控制單元、高壓單元、成形空氣單元、換色單元等幾個部分組成[3]。自動化噴涂機器人廣泛應用于各大汽車廠，為了減少浪費提高效率，靜電噴涂機器人成為涂裝車間的主要設備，旋杯霧化系統是靜電噴涂設備的主要組成部分。穩定的工藝參數是保證產品質量的前提，在漆膜膜厚檢測分析系統建立之前因為不能總體的分析膜厚變化的原因，因此工藝參數時常需要變更，造成了缺陷反復出現質量不穩定的問題。以下是環境因素穩定的條件下涂裝機器人的主要噴涂工藝參數。

3.1 噴涂流量

流量控制單元直接控制噴涂在汽車表面的膜厚，齒輪定量泵旋轉的圈數決定了涂料流量。齒輪流量泵每旋轉一圈產生的涂料量和單位旋轉圈數是固定的，所以通過齒輪定量泵的圈數即可控制涂料流量。流量泵將涂料通向旋杯進行霧化，旋杯單位時間內噴涂的涂料量為噴涂機器人的噴涂流量，噴涂流量是影響漆膜厚度的最主要因素，噴涂平面和立面時的參數也不盡相同，汽車噴涂機器人對于每個部件的噴涂參數都各不相同。汽車前后門，引擎蓋，后備箱蓋，車頂等大部件噴涂流量較大，而車身立柱，轉角處的流量較小，在環境因素穩定在28℃前提下，立面噴涂流量為（260～290）ml/min。

3.2 整型空氣

整型空氣主要影響了噴涂時的噴涂幅度，減少細小顆粒的飛濺，也可以防止油漆回流污染槍嘴，提高了材料的利用率。成形空氣的壓力與噴涂幅度成反比的關系，成型空氣壓力越大形成的噴涂幅度越小。整形空氣將霧化的涂料顆粒運送車身表面，并且可以調整噴涂的幅度。噴幅影響色漆的顏色效果，整形空氣流量不足還會影響上漆率，在環境因素穩定在28℃前提下，立面整形空氣流量（260～300）L/min。

3.3 旋杯轉速

旋杯通過高速旋轉形成巨大的離心力，促使涂料霧化形成小液滴。靜電噴涂時在高壓電場的作用下，經過旋杯霧化后的涂料顆粒分成更細小的顆粒，這就是靜電霧化的過程。漆膜的平滑度，光澤度，以及橘皮的目視效果都與旋杯的霧化的效果有關。轉速的設定與油漆的種類也有關系，噴涂色漆時轉速較小一些，噴涂清漆時轉速較高。旋杯轉速與油漆的流量也要緊密匹配，流量大轉速相對也要高，但是旋杯轉速也有上限值，過高會導致油漆干燥橘皮效果不佳也容易損壞旋杯，在環境因素穩定在28℃前提下，立面旋杯轉速為50000r/min。

3.4 高壓

靜電電壓是影響上漆率的主要因素，相比于普通的噴涂方式靜電噴涂的上漆率可以提高20%。高壓單元是靜電旋杯式霧化系統的重要組成部分。主要由高壓控制器和高壓線圈組成，分為間接加壓和直接加壓兩種。通過高壓靜電發成器（俗稱“手指”）產生了高壓電，將正極連接到車身并且接地，負極連接到噴槍的槍頭處[4]。在噴涂過程中電壓的提高可以提升電場力對涂料顆粒的靜電作用，也可以增加涂料顆粒的荷質比。提高涂料顆粒在工件上的沉積，減少涂料飄散到工件以外的概率。保持噴涂流量和噴涂間距固定時，涂料的上漆率和靜電電壓的關系，如圖3所示。擬合得到噴涂轉移率[5]，電壓越高轉移率越高。

圖3 靜電電壓與轉移率的關系Fig.3 Relationship Between Electrostatic Voltage and Transfer Rate

電壓越大上漆率越高，漆膜越均勻。在生產中噴涂流量，旋杯轉速，整形空氣，靜電電壓是直接影響漆膜質量的工藝參數，四個參數要互相協調根據油漆的特性進行相應的調整才能獲得最佳質量的漆膜，在環境因素穩定在28℃前提下，立面噴涂電壓為70kV。噴涂參數，如表1所示。

表1 噴涂工藝參數Tab.1 Spraying Process Parameters

4 生產案例分析

涂裝缺陷中“桔皮”就是漆膜產生桔子皮似的塊狀效果。清漆膜橘皮，如圖4所示。桔皮狀態不佳會導致目視效果差。在噴涂作業后漆膜內的液態材料在表面張力、重力和粘滯力的作用下引起流動，多數漆膜缺陷也是由此所致。漆膜干燥過程會有規律性的流動，溶劑揮發導致漆膜表面張力變大，溫度降低漆膜粘度變大，造成了漆膜內層與表層之間存在溫度、表面張力和黏度梯度。內層表面張力小，外層表面張力大，致使涂料從內層向外層移動。表面溶劑含量低，較多溶劑的內層向外流動。涂料密度較大向下沉積，這種向上散開和向下沉積的運動反復進行，直到涂料粘度達到可以阻止這種運動為止[6]。在濕涂膜上形成許多漩渦狀小格，待干燥后留下不均勻的網紋或條紋就形成了桔皮[7]。桔皮狀態是涂裝質量較為重要的參考指標之一，桔皮較差的漆面會較容易觀察到較大的顆粒狀類似桔子皮表面狀態的漆面，會嚴重影響漆面的鮮映性。鮮映性是圖像清晰度的指標[8]。橘皮狀態好漆面清晰光亮，橘皮狀態差容易觀察到較大的顆粒狀斑點。所以控制桔皮的狀態對提高涂裝質量具有重要的意義。為了模擬人眼的分辨率，本車間將測量的數值分成兩部分N1，N3。N1代表人距離車一米所呈現的漆膜狀態，標準1為N1的上限，N1數值越小表示漆膜狀態越好；N3代表人距離車三米所呈現的漆膜狀態，標準3為N3的上限，N3數值越小表示漆膜狀態越好。某涂裝車間桔皮管理標準，如表2 所示。某車型某段時間內橘皮變化狀態，如圖5所示。

圖4 桔皮圖Fig.4 Orange Peel

表2 桔皮管理標準Tab.2 Orange Peel Management Standard

圖5 橘皮狀態變化曲線Fig.5 Orange Peel State Change Curve

由圖片可以看出N1，N3在一段時間內數值高于標準，那么此段時間內的車輛橘皮狀態有待提高。由于是批量車有橘皮較差的狀態，采用增加噴涂流量以及增加成形空氣流量的方法觀測一段時間后發現桔皮問題反復出現，不能使涂裝質量維持在穩定的狀態。之后通過對漆膜膜厚系統的曲線分析發現可能出現此種狀態的原因是烘干溫度過高導造成漆膜干燥快導致桔皮狀態差。通過降低烘干溫度加長烘干時間使漆膜干燥時上下的往復流動更加均勻從而使問題得到解決。如圖所示N1，N3數值持續下降，橘皮狀態得到改善。

5 結論

對旋杯霧化系統中的高速旋杯式霧化器、流量控制單元、高壓單元、成形空氣單元，換色單元的工作原理以及對涂裝質量的影響做出總結，當噴涂立面時噴涂流量為（260～290）ml/min、整形空氣流量為（260～300）L/min、旋杯轉速為50000r/min、噴涂電壓為70kV可以獲得質量優良的漆膜。分析漆膜膜厚曲線發生變化的根本原因，膜厚會受到溫度的影響，溫度升高漆膜粘度降低噴涂流量增大造成膜厚升高。利用數學方法對漆膜厚度的狀態進行分析，對比漆膜厚度與桔皮狀態得出當漆膜厚度小于45μm時漆膜狀態較差。