喷涂机器人涂装系统及涂装缺陷分析

赵天宇，赵时璐，张 震，任双超

（1.沈阳大学 机械工程学院，辽宁 沈阳 110044；2.华晨宝马汽车有限公司涂装车间，辽宁 沈阳 110143）

1 引言

汽车行业发展迅速，人们对汽车的需求不仅仅是结实耐用，涂装质量也成为非常重要的影响因素，高质量的漆膜状态也可以显示出车企对质量的控制。手工喷涂的时代已经远远不能满足工业化的进程，工业涂装技术发展迅速，绝大多数涂装车间利用喷涂机器人提高工作效率，同时机器喷涂也易于涂装质量的管控，提高了油漆的使用率，减少缺陷降低油漆对涂装工作人员的危害。涂装质量决定了汽车的防腐性能、防水性能、以及良好的目视性。涂装车间不仅仅是对油漆进行喷涂，还需要将喷涂后有缺陷的车身进行检查打磨修复，从而达到优良的状态。对于车身漆膜质量起决定性作用的喷涂环节对涂装质量有最直接的影响。静电喷涂所喷涂出的漆膜具有附着性良好，漆膜厚度均匀，目视效果良好的特性。静电喷涂对于环保、节约能源方面也有积极的作用，静电喷涂涂料的利用率高，雾化的车漆附着上强静电，在电场力的作用下带有强静电的车漆粒子吸附在车身表面并且放电沉积，涂料的利用率可以高达85%以上，而一般的空气喷涂涂料的利用率仅为（30～60）%[1]。提高涂料的上漆率对于环境保护，节约成本有至关重要的意义。就喷涂机器人的旋杯雾化的系统结构做详细阐述，根据统计过程控制理论建立漆膜厚度分析系统，宏观分析漆膜厚度的变化趋势并且在此基础上优化了喷涂工艺参数，解决生产中批量的漆膜缺陷问题。

2 漆膜膜厚检测分析系统

汽车对于喷涂质量评价的主要指标之一就是漆膜厚度，厚度评估包括每层漆膜的厚度和各个漆膜厚度的总和两部分。漆膜厚度对于汽车的耐腐蚀性和耐候性有着重要意义。标准的漆膜厚度是保证漆膜性能的前提，且大多数缺陷是由于漆膜厚度引起的，所以良好的漆膜厚度是汽车涂装性能的基础。

2.1 防止膜厚不当造成涂装缺陷

涂装车间生产过程中由于漆膜厚度不稳定而造成的缺陷占总缺陷很大的一部分。比如色漆喷涂过薄会造成色差并且影响耐候性，清漆喷涂过薄表面目视效果不佳，橘皮不符合标准，清漆喷涂过厚会造成流漆等缺陷。

2.2 实现成本控制

由于涂装车身上有缺陷就需要手工打磨或者进行点修补，如果精准控制喷涂膜厚避免由于膜涂后厚产生的缺陷将会节约很大一部分生产成本。

本车间将喷涂的车辆按照喷涂计划进行喷涂并且在进行喷涂的车辆中按照喷涂车型以及喷涂颜色抽样进行膜厚检测，抽取样品数达到产量的百分之十五，通过检测抽取样品的质量反应某段时间内所有产品的质量。清漆膜厚监控系统的建立可以系统的分析清漆膜厚变化趋势的原因从而解决批量漆膜过厚造成流漆，浪费材料或者漆膜过薄造成的色差问题，耐腐蚀性差的问题。系统根据统计过程控制理论进行设计。统计过程控制是利用数学统计的方式对生产过程进行控制的工具，通过对生产数据的分析，及时发现险兆信息进而采取行动让整个过程只受到随机性因素的影响。这样才能使质量处于平稳的状态。统计过程控制认为当生产过程只在随机因素的影响下生产过程是受控状态称为统计控制状态；当生产过程中有系统因素干扰时则处于失控状态。过程波动具有统计规律性，过程受控时过程曲线是稳定的随机分布的；不受控时曲线将发生变化。过程管理控制正是利用生产过程的波动对其进行监控，它强调从整体，全过程进行解决问题[2]。

将漆膜数据整理后利用正态分布进行统计，计算出控制图的中心线CL—central line 上控制界限UCL—upper control limit下控制界限LCL—lower control limit。再根据车间标准整合上下控制界限从而完成控制图的设计。根据3σ原理如果样品没有受到系统误差影响时出现在区间[μ-3σ，μ+3σ]内的概率为99.73%，如果样品不在区间范围内则认为生产处于统计失控状态，过程中存在系统因素的影响。系统界面，如图1所示。可以根据曲线的变化宏观分析清漆膜厚变化的原因。并且根据统计过程控制理论我们可以将特殊的线型作为预警信息提前采取行动减少损失。

图1 清漆膜厚监控系统Fig.1 Clear Coat Thickness Monitor System

某车型三月份到六月份的膜厚的变化趋势，如图2所示。漆膜厚度总体呈现变高的趋势那么此时出现流漆或者桔皮不规整缺陷的概率大大增加，出现的这种现象是由环境温度的升高造成车漆粘度下降喷涂流量增大导致的，如果不经过大数据膜厚系统的分析单纯的减小喷涂流量只能在某段时间内控制膜厚问题，环境温度一旦变化漆膜厚度引起的问题就会反复出现，影响生产节拍或者造成生产成本的增加。所以在大数据的前提下分析才能有效的解决问题。同时利用膜厚分析系统可以对比膜厚数据与桔皮状态数据分析出最佳漆膜状态的膜厚数值。

图2 膜厚变化曲线Fig.2 Film Thickness Curve

3 旋杯雾化系统介绍与工艺参数的设定

旋杯式雾化系统主要由：高速旋杯式雾化器、流量控制单元、高压单元、成形空气单元、换色单元等几个部分组成[3]。自动化喷涂机器人广泛应用于各大汽车厂，为了减少浪费提高效率，静电喷涂机器人成为涂装车间的主要设备，旋杯雾化系统是静电喷涂设备的主要组成部分。稳定的工艺参数是保证产品质量的前提，在漆膜膜厚检测分析系统建立之前因为不能总体的分析膜厚变化的原因，因此工艺参数时常需要变更，造成了缺陷反复出现质量不稳定的问题。以下是环境因素稳定的条件下涂装机器人的主要喷涂工艺参数。

3.1 喷涂流量

流量控制单元直接控制喷涂在汽车表面的膜厚，齿轮定量泵旋转的圈数决定了涂料流量。齿轮流量泵每旋转一圈产生的涂料量和单位旋转圈数是固定的，所以通过齿轮定量泵的圈数即可控制涂料流量。流量泵将涂料通向旋杯进行雾化，旋杯单位时间内喷涂的涂料量为喷涂机器人的喷涂流量，喷涂流量是影响漆膜厚度的最主要因素，喷涂平面和立面时的参数也不尽相同，汽车喷涂机器人对于每个部件的喷涂参数都各不相同。汽车前后门，引擎盖，后备箱盖，车顶等大部件喷涂流量较大，而车身立柱，转角处的流量较小，在环境因素稳定在28℃前提下，立面喷涂流量为（260～290）ml/min。

3.2 整型空气

整型空气主要影响了喷涂时的喷涂幅度，减少细小颗粒的飞溅，也可以防止油漆回流污染枪嘴，提高了材料的利用率。成形空气的压力与喷涂幅度成反比的关系，成型空气压力越大形成的喷涂幅度越小。整形空气将雾化的涂料颗粒运送车身表面，并且可以调整喷涂的幅度。喷幅影响色漆的颜色效果，整形空气流量不足还会影响上漆率，在环境因素稳定在28℃前提下，立面整形空气流量（260～300）L/min。

3.3 旋杯转速

旋杯通过高速旋转形成巨大的离心力，促使涂料雾化形成小液滴。静电喷涂时在高压电场的作用下，经过旋杯雾化后的涂料颗粒分成更细小的颗粒，这就是静电雾化的过程。漆膜的平滑度，光泽度，以及橘皮的目视效果都与旋杯的雾化的效果有关。转速的设定与油漆的种类也有关系，喷涂色漆时转速较小一些，喷涂清漆时转速较高。旋杯转速与油漆的流量也要紧密匹配，流量大转速相对也要高，但是旋杯转速也有上限值，过高会导致油漆干燥橘皮效果不佳也容易损坏旋杯，在环境因素稳定在28℃前提下，立面旋杯转速为50000r/min。

3.4 高压

静电电压是影响上漆率的主要因素，相比于普通的喷涂方式静电喷涂的上漆率可以提高20%。高压单元是静电旋杯式雾化系统的重要组成部分。主要由高压控制器和高压线圈组成，分为间接加压和直接加压两种。通过高压静电发成器（俗称“手指”）产生了高压电，将正极连接到车身并且接地，负极连接到喷枪的枪头处[4]。在喷涂过程中电压的提高可以提升电场力对涂料颗粒的静电作用，也可以增加涂料颗粒的荷质比。提高涂料颗粒在工件上的沉积，减少涂料飘散到工件以外的概率。保持喷涂流量和喷涂间距固定时，涂料的上漆率和静电电压的关系，如图3所示。拟合得到喷涂转移率[5]，电压越高转移率越高。

图3 静电电压与转移率的关系Fig.3 Relationship Between Electrostatic Voltage and Transfer Rate

电压越大上漆率越高，漆膜越均匀。在生产中喷涂流量，旋杯转速，整形空气，静电电压是直接影响漆膜质量的工艺参数，四个参数要互相协调根据油漆的特性进行相应的调整才能获得最佳质量的漆膜，在环境因素稳定在28℃前提下，立面喷涂电压为70kV。喷涂参数，如表1所示。

表1 喷涂工艺参数Tab.1 Spraying Process Parameters

4 生产案例分析

涂装缺陷中“桔皮”就是漆膜产生桔子皮似的块状效果。清漆膜橘皮，如图4所示。桔皮状态不佳会导致目视效果差。在喷涂作业后漆膜内的液态材料在表面张力、重力和粘滞力的作用下引起流动，多数漆膜缺陷也是由此所致。漆膜干燥过程会有规律性的流动，溶剂挥发导致漆膜表面张力变大，温度降低漆膜粘度变大，造成了漆膜内层与表层之间存在温度、表面张力和黏度梯度。内层表面张力小，外层表面张力大，致使涂料从内层向外层移动。表面溶剂含量低，较多溶剂的内层向外流动。涂料密度较大向下沉积，这种向上散开和向下沉积的运动反复进行，直到涂料粘度达到可以阻止这种运动为止[6]。在湿涂膜上形成许多漩涡状小格，待干燥后留下不均匀的网纹或条纹就形成了桔皮[7]。桔皮状态是涂装质量较为重要的参考指标之一，桔皮较差的漆面会较容易观察到较大的颗粒状类似桔子皮表面状态的漆面，会严重影响漆面的鲜映性。鲜映性是图像清晰度的指标[8]。橘皮状态好漆面清晰光亮，橘皮状态差容易观察到较大的颗粒状斑点。所以控制桔皮的状态对提高涂装质量具有重要的意义。为了模拟人眼的分辨率，本车间将测量的数值分成两部分N1，N3。N1代表人距离车一米所呈现的漆膜状态，标准1为N1的上限，N1数值越小表示漆膜状态越好；N3代表人距离车三米所呈现的漆膜状态，标准3为N3的上限，N3数值越小表示漆膜状态越好。某涂装车间桔皮管理标准，如表2 所示。某车型某段时间内橘皮变化状态，如图5所示。

图4 桔皮图Fig.4 Orange Peel

表2 桔皮管理标准Tab.2 Orange Peel Management Standard

图5 橘皮状态变化曲线Fig.5 Orange Peel State Change Curve

由图片可以看出N1，N3在一段时间内数值高于标准，那么此段时间内的车辆橘皮状态有待提高。由于是批量车有橘皮较差的状态，采用增加喷涂流量以及增加成形空气流量的方法观测一段时间后发现桔皮问题反复出现，不能使涂装质量维持在稳定的状态。之后通过对漆膜膜厚系统的曲线分析发现可能出现此种状态的原因是烘干温度过高导造成漆膜干燥快导致桔皮状态差。通过降低烘干温度加长烘干时间使漆膜干燥时上下的往复流动更加均匀从而使问题得到解决。如图所示N1，N3数值持续下降，橘皮状态得到改善。

5 结论

对旋杯雾化系统中的高速旋杯式雾化器、流量控制单元、高压单元、成形空气单元，换色单元的工作原理以及对涂装质量的影响做出总结，当喷涂立面时喷涂流量为（260～290）ml/min、整形空气流量为（260～300）L/min、旋杯转速为50000r/min、喷涂电压为70kV可以获得质量优良的漆膜。分析漆膜膜厚曲线发生变化的根本原因，膜厚会受到温度的影响，温度升高漆膜粘度降低喷涂流量增大造成膜厚升高。利用数学方法对漆膜厚度的状态进行分析，对比漆膜厚度与桔皮状态得出当漆膜厚度小于45μm时漆膜状态较差。