特種車輛機器人迷彩噴涂技術應用研究

杜建國 朱志強 張緒忠 王 敏 李 建 宋一樂 李 瑋 孫宇超

特種車輛機器人迷彩噴涂技術應用研究

杜建國1朱志強2張緒忠1王 敏1李 建1宋一樂1李 瑋1孫宇超1

（1. 山西航天清華裝備有限責任公司，長治 046012；2. 火箭軍裝備部駐長治地區軍事代表室，長治 046012）

分析了特種車輛的特點及人工三色變形迷彩噴涂的工藝難點，設計了集綠色化和智能化于一體的機器人迷彩噴涂系統，并通過試驗驗證了設計方案的可行性，獲得了較高質量的三色迷彩圖案，實現了特種車輛機器人迷彩噴涂技術的成功應用。

特種車輛；機器人；迷彩噴涂

1 引言

特種車輛為保證良好的偽裝性及防腐性，目前廣泛采用在車輛表面進行迷彩噴涂的表面處理方法。傳統的人工繪制迷彩圖案及人工噴涂的迷彩涂裝作業方式，需多名操作人員配以三維小車、工作梯、遮蔽工裝等協作完成，存在噴涂質量不一致、自動化程度低、工作量大、生產效率低、安全性差、環境性差等不足。

機器人噴涂在國外航空、航天行業已得到廣泛應用。洛克希德·馬丁公司大型飛機機器人噴涂系統已用于F-22、F-35等戰斗機機身表面作業[1]；外軍在迷彩噴涂作業方法上也朝著自動化噴涂方向發展，研究及裝備了機器人迷彩噴涂作業站，提高迷彩作業效率和偽裝效果[2]。近年來，國內航空、航天企業開始應用機器人噴涂，實現了發動機、飛機翼板、筒段等規則零部件的單色自動化噴涂。北京機械工業自動化研究所將ABB IRB5500機器人自動噴涂系統應用于航天固體發動機表面噴涂，大大提高了噴涂質量和生產效率[3]；清華大學與上海航天設備制造廠共同設計了龍門式三維正交的噴涂機器人，能高精度完成航天大零部件的噴涂作業[4]；天津航天長征火箭制造有限公司將IRB 580-12型立式噴涂機器人應用于航天行業用筒段產品，優化制造質量，提升制造效率[5]。但機器人噴涂尚未應用于特種車輛噴涂，特別是三色變形迷彩噴涂。

本文基于所研制生產的特種車輛的特點及三色變形迷彩噴涂要求，設計機器人迷彩噴涂系統并成功應用于產品噴涂中。

2 產品特點及現有工藝難點

2.1 產品特點

特種車輛具有外形尺寸大、重量重、車身凸出、外掛特征繁多且結構不規則的特點。特種車輛之間存在一定的個體差異，噴涂時車輛駛入位置定位精確性差。噴涂質量要求高，具體要求如下：

涂層厚度達到40～60μm；涂層綜合附著力優于2級；各顏色所占比例的變化量在±5%以內；迷彩斑點周圍的漆霧過渡區寬度≤20mm。

2.2 現有工藝難點

三色變形迷彩是由與背景相似的三種顏色的不規則斑點構成的迷彩，能夠達到歪曲目標外形輪廓的目的[6]。

國內特種車輛迷彩噴涂主要為人工采用膠帶紙或模板遮蔽噴涂，人工噴涂主要的工藝流程如圖1所示。

圖1 迷彩噴涂工藝流程

人工噴涂作業方式存在以下難點：

a. 迷彩圖案繪制難以滿足“空間混色”要求

整車尺寸大、外形復雜，按照網格進行迷彩圖案繪制無法有效整合產品各立體面，難以有效保證圖案位置偏移量、立體平面間過渡自然要求，各立體平面為各自相對獨立的噴涂面；

b. 遮蔽過程繁復

采用膠帶紙或模板遮蔽，需制作模板或貼繪圖案，且需在三種油漆噴涂過程中多人協作完成。采用膠帶紙遮蔽，圖案邊框粘貼時間過長貼膠脫落粘于產品表面，影響噴涂質量；

c. 對噴涂操作人員技能要求高，受人為因素影響大，手工噴涂質量不一致

噴涂過程需操作人員憑借長期積累的經驗和精心操作才能完成，對噴涂操作人員技能要求較高，受人為因素影響大，手工噴涂質量不一致；

d. 噴涂設備及工藝裝備自動化程度低，安全性及環保性差

操作人員配以三維小車、工作梯等使用手工噴槍進行噴涂，噴涂過程會產生大量的漆霧和廢氣，對人員的健康造成一定的危害。

3 機器人迷彩噴涂系統設計

設計機器人迷彩噴涂系統并應用于產品噴涂，機器人可以按照設定的指令直接噴涂指定的形狀、顏色，通過機器人涂覆設備及噴涂工藝升級代替人工噴涂，可減少迷彩圖案勾畫、遮蔽工序，提高生產效率，保證噴涂質量。

3.1 綠色化和智能化

機器人迷彩噴涂系統布置于全封閉噴漆室內，如圖2所示，新鮮空氣通過送風機組送入室體頂部動壓室，均壓后再進入靜壓室，從頂部均勻地送入室體內，飛散的廢漆霧被壓入室體下部的干式紙盒漆霧處理系統，廢氣在排風機作用下進入廢氣處理設備進行凈化后將潔凈空氣排出。通過機械化換人、自動化減人，達到噴涂過程中的綠色化和智能化。

圖2 機器人噴漆室布置示意圖

3.2 機器人布置形式選擇

噴涂機器人選擇6軸工業防爆機器人，具備雙機協同噴涂功能，布置形式選擇圖2所示側軌模式，相較地軌布置形式，具有以下優勢：

a. 側軌采用一個外部軸，結構簡單，維護方便，故障率更少；

b. 占用空間少，節省噴漆室空間，在固定范圍內達到更大可達率；

c. 側軌受噴漆及施工影響小，安全系數高。

3.3 機器人噴槍及支架

機器人噴槍為專用定制噴槍，通過減少兩種油漆間搭接面飛濺確保迷彩斑點周圍漆霧過渡區域寬度技術要求。

機器人末端法蘭盤安裝加長可折疊噴槍支架，如圖3所示，拓展機器人臂展，增加機器人噴涂系統冗余性，解決部分特種車體內部凹槽和底部可達性問題。

圖3 噴槍及支架示意圖

3.4 噴涂仿真

通過數字化仿真系統構建、干涉檢查及驗證優化進行噴涂系統仿真。采用虛擬現實靜態工藝布局仿真驗證，搭建與實物1∶1比例的虛擬場景，對機器人、工藝裝備、物流設備等工藝資源進行布局仿真驗證。

圖4 車身噴涂仿真

通過仿真軟件對機器人迷彩噴涂系統的物流路徑、設備干涉、機器人工作空間及噴涂可達性等進行驗證與仿真分析，以路徑最優、設備運行過程無碰撞為原則，優化調整設計方案，通過圖4所示工件軌跡模擬，產品噴涂覆蓋率可達95%以上。

3.5 車體定位

為滿足機器人噴涂對工件的位置精度要求，設計兩側導引裝置及前進方向擋車器保證噴涂時工件相對機器人位置的一致性。駕駛者按照噴涂室內導引裝置緩慢行駛，在擋車器位置將車輛停止。機器人自動噴涂前，對工件進行掃描，得到工件偏移量后進行機器人軌跡校正，最終實現機器人與工件的相對位置。

3.6 噴涂輸調漆

特種車輛使用雙組份涂料，使用時需要將雙組份油漆混合后熟化，因此選擇末端供漆方式。每臺機器人配1套輸調漆裝置，安裝在室體兩側，每側的輸調漆裝置為本側機器人上的噴槍供漆。油漆輸送裝置具有油漆過濾、調壓、穩壓、流量控制、溫度控制等功能，換色閥安裝在機器人工藝臂內，具備管路短、換色快、節省涂料的特點。清洗時將供漆桶換成溶劑桶將油漆從油漆輸送泵入口到噴槍出口用稀料沖洗，將管路中的油漆排放到廢液桶內。

4 機器人迷彩噴涂技術應用

通過模擬機器人軌跡得出最佳軌跡，并進行噴涂工藝試驗及整車噴涂聯調聯試，調整扇幅、壓力和流量等工藝參數，獲得最大覆蓋率和最佳噴涂效果。

4.1 噴涂工藝試驗

影響機器人噴涂的工藝參數較多，通過機器人噴涂平面試板及圖5所示垂直面和圓弧面試件，不斷優化扇幅、壓力、流量和時間等工藝參數，觀察涂層外觀有無流掛、漏噴、露底等缺陷，并測量涂層厚度、均勻性、光澤、附著力等參數，最終確定工藝參數。通過機器人程序設定噴漆點的扇幅、壓力、流量和時間等參數，精確控制噴涂面邊界，減少了遮蔽工作。

圖5 垂直面和圓弧試件示意圖

4.2 整車噴涂聯調聯試

通過實車自動噴涂對機器人迷彩噴涂技術進行系統實體集成性功能實施與驗證，包括對產品樣件的結構化識別分析、三維模型建模、噴涂路徑智能規劃以及實施動態監測等，同步驗證噴涂質量和工作效率，圖6所示為采用機器人噴涂某產品整車。

圖6 整車噴涂試驗示意圖

4.3 機器人迷彩噴涂實施效果

經過對特種車輛迷彩噴涂驗證，機器人迷彩噴涂涂層厚度45～55μm，涂層綜合附著力1級，各顏色所占比例變化率在±5%以內，漆霧過渡區域寬度小于20mm，符合設計指標要求，同時大大降低了流掛等漆膜缺陷，涂層厚度均勻性、達標性等都明顯優于手工噴涂。機器人噴涂涂料相較手工噴涂涂料節約25%～35%。

5 結束語

基于特種車輛產品特點及三色變形迷彩噴涂要求，設計了集綠色化和智能化于一體的機器人迷彩噴涂系統，該系統能夠滿足特種車輛三色變形迷彩噴涂需求，經實際應用驗證，實現了機械化換人、自動化減人，滿足產品使用要求。本文論述的是特種車輛機器人迷彩噴涂技術，對于航空、航天、工程機械等類似特種裝備的機器人迷彩噴涂應用也具有重要的推廣價值。

1 王國磊，王寧濤，陳懇. 面向整機的機器人噴涂系統回顧與展望[J]. 航空制造技術，2016，59(16)：76～80

2 馮海潮，李勇，張則言，等. 淺談迷彩作業裝備及技術展望[J]. 中國設備工程，2021(4)：181～182

3 李慧，高云萌，孫德奎. ABB IRB5500機器人自動噴涂系統在航天領域中的應用[J]. 制造業自動化，2013(16)：142～143

4 趙景山，羅宏圖，王立平，等. 航空制造涂裝機器人研究進展[J]. 航空制造技術，2018(4)：47～54

5 劉會彬，尚洪帥，秦佳，等. 航天行業筒段產品表面涂層的自動噴涂工藝[J]. 電鍍與涂飾，2020(8)：504～508

6 QJ 20568—2016 三色變形迷彩漆涂裝工藝要求[S]

Research on Application of Robot Camouflage Spraying Technology for Special Vehicles

Du Jianguo1Zhu Zhiqiang2Zhang Xuzhong1Wang Min1LiJian1Song Yile1Li Wei1Sun Yuchao1

(1. Shanxi Aerospace Qinghua Equipment Co., Ltd., Changzhi 046012; 2. Military Representative Office of PLA Rocket Force Stationed in Changzhi Region, Changzhi 046012)

This paper analyzes the characteristics of special vehicles and the technical difficulties of artificial deformation camouflage spraying, designs the integrating green and intelligence robot camouflage spraying system, and verifies the feasibility of the design scheme through experiments, obtains high quality tricolor camouflage patterns, and realizes the successful application of special vehicle robot camouflage spraying technology.

special vehicles；robot；camouflage spraying

TP242

A

杜建國（1983），高級工程師，材料加工工程專業；研究方向：先進制造技術。

2023-03-28