提升汽車涂裝內板噴涂自動化的方法

李明，鐘明強，鄧俊杰，郭江華，張寶林

廣汽乘用車有限公司宜昌分公司，湖北 宜昌 443007

涂裝作為一種汽車板處理工藝，廣泛應用于汽車制造行業。隨著涂裝技術的不斷發展，汽車內板噴涂逐步由工業機器人噴涂取代人工使用噴槍噴涂。涂裝工業機器人主要由機器人本體和霧化器組成，機器人本體負責空間軌跡運動，霧化器負責涂料供給與霧化[1]。工業機器人噴涂的優點如下[2]：霧化器上的旋杯把涂料切割成細絲，通過空氣霧化，利用“靜電吸附”原理，涂裝效率高，涂料粒子分布均勻，外觀品質好；機器人噴涂作業穩定性高，產品一致性好；工業機器人取代人工作業，提升了汽車制造的自動化程度，避免人員直接接觸有害物質。

21 世紀隨著國內汽車制造業興起，汽車涂裝自動化程度不斷提高，車身內、外板均實現了工業機器人全自動化噴涂[3]。汽車噴涂按車身區域分為外板和內板，汽車處于關閉狀態時目視所能看見的區域為外板，汽車打開車門和前、后蓋后才能看見的區域為內板。目前行業中內板主流的噴涂工藝有兩種[4]：一種是“走停式”噴涂，即車身到達指定位置后，噴涂機器人根據設定的空間運行軌跡對內板進行靜態噴涂[5]；另一種是“跟蹤式”噴涂，即噴涂機器人根據脈沖計數跟蹤車身位置，根據跟蹤式空間運行軌跡進行動態噴涂[6]。但是汽車內板噴涂由于作業空間干涉、作業節拍限制，成為了困擾機器人噴涂品質提升的行業普遍難題。

本文主要闡述汽車內板跟蹤式噴涂，在不影響噴涂節拍的前提下，探究了噴涂參數設定，噴涂軌跡開、關槍設置，以及機器人噴涂軌跡邏輯，對內板噴涂工藝問題的解決過程進行總結，為同行提升汽車內板噴涂自動化率提供參考。

1 汽車內板涂裝工藝現狀

1.1 內板噴涂設備選型與布局

本公司色漆內板采用FAUNC P250ib 噴涂機器人，噴涂系統為VBⅢ霧化器，旋杯直徑65 mm，最高轉速不超過80 000 r/min，成形空氣環為單排直、斜孔相間排布，最大空氣流量均不超過600 L/min(標準狀態，下同)。內板噴涂機器人采用壁掛式和座式兩種安裝方式，設計節拍40 JPH。其中噴涂機器人P1-P4、開蓋機器人H1和H2 使用壁掛式安裝，噴涂機器人P5 和P6 使用座式安裝，且開蓋機器人H1 與噴涂機器人P5，開蓋機器人H2 與噴涂機器人P6 的安裝原點在垂直方向上共線。BC2 內板噴涂機器人布局如圖1 所示。

圖1 BC2 內板噴涂機器人布局俯視(a)和側視圖(b)Figure 1 Top view (a) and side view (b) of the robot layout of BC2 inner spray station

1.2 內板免中涂噴涂工藝的設計

采用免中涂噴涂工藝的情況下，內板只噴涂色漆層和清漆層，噴涂區域見圖2，分區如下：P1-P4 機器人完成四門內板(藍色區域)及車架門洞(綠色區域)的噴涂，P5 和P6 機器人完成機、尾蓋內板(橙色區域)的噴涂。P1 和P2 機器人集成開門工裝，負責前后門的開啟與后門內板及車架后門洞的噴涂，P3 和P4 機器人集成關門工裝，負責前后門的關閉與前門內板及車架前門洞的噴涂，P5 和P6 機器人在H1 和H2 的輔助下負責前、后蓋內板的噴涂。通過6 臺噴涂機器人和2 臺開蓋機器人協作，便能完成整車內板單個涂層的噴涂。

圖2 汽車內板噴涂區域示意圖Figure 2 Sketch showing the areas needing to be sprayed on inner surface of a car body

2 內板噴涂設備與材料匹配性檢證

2.1 試驗材料

選取湖南湘江關西涂料有限公司的工業級珍珠白CB(WBC720G)和珍珠白MB(WBC721G)，其成分見表1。QX-V 水性清洗溶劑原液(工業級)也由湖南湘江關西涂料有限公司提供，其主要成分為85%(質量分數，下同)乙二醇丁醚和15%二甲基乙醇胺。

表1 試驗涂料的組成Table 1 Compositions of the paints to be tested

2.2 材料特性對噴涂扇幅的影響

在保證噴涂霧化效果的前提下，測試了涂料固含量對扇幅的影響，以及在達成相同扇幅的前提下，考察涂料固含量與噴涂參數的關系。測試方法如下：使用現場噴涂機器人(FAUNC P250-IB)編輯一條直線噴涂軌跡程序，噴涂槍速650 mm/s，槍距250 mm，折距100 mm(與現場一致)，來回噴涂3 槍，取噴涂雙峰最大膜厚1/2 的點，測量它們之間距離，即為扇幅。

由表2 可知，在噴涂參數設定一致的前提下，珍珠白CB 噴涂產生的扇幅大于珍珠白MB，且噴涂過程中存在漆霧掉落現象。此外，珍珠白CB 加熱后殘分遠高于珍珠白MB。由此可知，相同吐出量的珍珠白CB 和MB 經過旋杯轉速切割后，珍珠白CB 被切割成細絲的質量大于珍珠白MB，產生的橫向離心力也更大，成形空氣對細絲霧化后形成的縱向控制力無法收緊漆霧，因此珍珠白CB 噴涂時出現漆霧掉落。

2.3 設備參數設定對噴涂膜厚均一性的影響

涂料噴涂時，機器人旋杯轉速、外成形空氣流量及內成形空氣流量三者之間存在最佳平衡[7]。采用正交法設計試驗，選取上述3 個因素的3 個水平，按L9(34)正交表共進行9 組試驗，通過直尺和Fischer 膜厚儀分別測量扇幅和膜厚，評價膜厚均一性，結果匯于表3。

表3 設備噴涂參數對扇幅與膜厚影響的正交試驗結果Table 3 Orthogonal test result for studying the effects of spraying parameters on spray fan size and coating thickness

從表3 中不難發現，當旋杯轉速不變時，成形空氣流量越大，扇幅越小。對比2、6、7 號試驗可知，當成形空氣流量一定(共750 L/min)時，旋杯轉速對扇幅無明顯影響，但是轉速越高，膜厚分布越寬；對比1、4、7 號試驗，2、5、8 號試驗和3、6、9 號試驗可知，內成形空氣流量越大，扇幅越小。從扇幅和膜厚均一性兩個方面綜合考量，5 號試驗的噴涂參數效果最優。

2.4 噴涂材料對噴涂機器人清洗程序的影響

按1∶9 的體積比用QX-V 水性清洗溶劑原液和純水配制清洗液，用于清洗涂料管路和噴涂機器人旋杯，探究噴涂材料對噴涂機器人清洗效果的影響，清洗步驟如下：單臺噴涂機器人計量泵填充珍珠白水性色漆300 mL，然后由霧化器將涂料噴出；涂料噴完后采用清洗溶劑沖洗，直至目視管路和旋杯上的涂料清洗干凈，且干燥后無殘留，才停止溶劑沖洗。上述步驟共重復3 次，用容器盛放清洗管路產生的溶劑廢液，靜置10 min，取上層清液用量杯測量清洗溶劑用量，噴涂機器人清洗不同特性涂料的溶劑耗量見表4。

表4 單臺噴涂機器人清洗不同涂料時的溶劑耗量Table 4 Solvent consumption for cleaning out the paint in a single robot

由表4 可知，涂料中顏料含量越高，清洗所消耗的溶劑量就越大，噴涂完成后執行清洗程序的耗時就越長。這可能是由于顏料粘附在機器人管路和旋杯后，需要更多溶劑來降低界面張力，才能使其脫離下來。

3 噴涂仿形編輯匹配性驗證

噴涂仿形編輯是實現機器人自動噴涂至關重要的一個環節，可以歸納為三要素──噴涂槍速、槍距和折距。噴涂速率是指噴槍移動速率，槍距即霧化器旋杯與工件的距離，折距則代表兩段平行軌跡間的距離。

3.1 噴涂槍速對軌跡開、關槍設置的影響

由于內板噴涂工件表面結構存在不規整造型，噴涂槍速相對較快，為了避免局部噴涂過厚或過薄，需對噴涂軌跡進行關槍或開槍設置，以保證膜厚均一性。以車身后門洞上邊噴涂為例，噴涂材料為珍珠白CB。如圖3 所示設定噴涂軌跡：圓點為噴涂起始點，箭頭所指為噴涂結束點。在噴涂工藝參數不變的前提下改變起始噴涂開槍點和結束噴涂關槍點的位置，通過測量圈點和箭頭位置膜厚的情況(噴涂3 次取膜厚平均值)，得出噴涂槍速和開、關槍設置的關系。

圖3 噴涂開、關槍驗證方案示意圖Figure 3 Sketch for setting the start- and end-points of spray trajectory

由表5 可知，在保證漆面膜厚達成工程遮蓋膜厚13 ～ 15 μm 的情況下，通過驗證不同噴涂槍速，得出與噴涂槍速600 mm/s 匹配的提前開槍距離為3 cm，與噴涂槍速1 000 mm/s 匹配的提前關槍距離為5 cm。由此計算，噴涂機器人開、關槍動作耗時50 ms。因此內板噴涂開關槍提前量的設定取決于開、關槍閥組動作所需時間和噴涂槍速的選擇。

表5 噴涂槍速與開、關槍設置的驗證結果Table 5 Effect of spray gun moving speed on setting of gun state

3.2 噴涂槍距對漆膜厚度的影響

選用珍珠白CB 為噴涂材料，采用一種簡易噴涂驗證方法，探究了噴涂槍距對膜厚的影響。任意選用一臺色漆內板噴涂機器人編輯噴涂軌跡程序，如圖4 所示。分別在不同槍距下噴涂馬可貼板，板放置的位置見圖4中的虛線框。噴涂工藝參數如下：吐出量300 mL/min，旋杯轉速40 000 r/min，外成形空氣流量200 L/min，內成形空氣流量650 L/min。噴涂軌跡參數為：噴涂槍速550 mm/s，折距100 mm(與現場一致)。噴涂完成后烘干，然后使用Fischer 膜厚儀進行漆膜厚度測量，結果見圖5。

圖4 驗證噴涂槍距對漆膜厚度影響的方法Figure 4 Method for testing the effect of spraying distance on coating thickness

圖5 噴涂槍距對膜厚的影響Figure 5 Effect of spraying distance on coating thickness

由圖5 可知，隨著噴涂槍距的減小，膜厚呈現先上升后下降的趨勢，且槍距在200 ～ 250 mm 范圍內膜厚最優，涂裝效率最高。這是因為噴涂槍距太大，漆霧到達板材時分散稀疏，槍距太近則成形空氣對板材沖擊力大，使得漆霧反彈，有效附著在板材上的漆霧變少。

3.3 內板噴涂軌跡程序的邏輯設計

在保證生產節拍滿足40 JPH 的前提下，探究了跟蹤式噴涂過程中，噴涂作業工時與軌跡邏輯設計之間的關系，以實現在保證設備與車身不干涉的情況下最大程度地利用噴涂作業時間。通過不同噴涂順序組合進行模擬仿真運行，統計噴涂作業工時，然后得出表6 中的最佳噴涂邏輯順序。

表6 噴涂機器人噴涂邏輯優化的驗證結果Table 6 Verification result of logic optimization for robot spray trajectory

由表6 可知，在對噴涂軌跡邏輯順序優化后，P3、P4 噴涂機器人的作業工時比P1、P2 多3 s，主要是因為它們增加了一道噴涂前、后門窗框軌跡。P5、P6 的噴涂時間主要受限于機蓋內板噴涂完成后尾蓋內板未到達噴涂區域，存在等待過程，此時機、尾蓋開蓋機器人對開蓋掛鉤進行擦拭，避免積漆滴落而造成品質不良。噴涂機器人的作業工時均能滿足40 JPH 生產節拍的要求。

3.4 內板造型面噴涂方法

車身門內板存在很多工藝孔和窄邊區域，對噴涂要求高，主要是這些造型、凹槽部位易積漆或者無法覆蓋，從而產生流掛或少漆缺陷。針對內板難噴涂部位，通過探索噴涂軌跡與車身造型的匹配性，可以得出不規整部位的噴涂方法。結合現場噴涂應用，舉如圖6 所示的3 個例子：

圖6 內板不規則造型面噴涂軌跡示意圖Figure 6 Robot trajectories for spraying some inner surfaces with irregular profiles

1) 車門外下角凹凸面，采用“V”型噴涂軌跡可在保證造型面漆面達成遮蓋底色的情況下不產生流掛。

2) 四門鎖扣位存在凹孔和斷口面，采用“W”型噴涂軌跡可在保證斷口面不流掛的情況下凹孔面不少漆。

3) 門洞角位存在窄邊與凹凸造型面，采用噴涂軌跡“關槍”方式可在保證窄邊不少漆的情況下凹凸面不流掛。

4 總結

本文基于珍珠白色漆內板噴涂調試過程，梳理出一套提升汽車內板噴涂自動化程度的方法，總結如下：

1) 涂料應與扇幅匹配。在噴涂參數一定的情況下，涂料加熱固體殘分越大，噴涂產生的扇幅越大，且存在漆霧掉落現象。

2) 噴涂參數應與膜厚匹配。當旋杯轉速不變時，成形空氣流量越大，扇幅控制范圍越??；當成形空氣流量一定時，旋杯轉速對扇幅無明顯影響，但是轉速越高，膜厚分布越寬。

3) 涂料應與清洗程序匹配。涂料中顏料含量越高，清洗所消耗的溶劑越多，執行清洗程序的時間越長。

4) 噴涂軌跡開、關槍存在延時，主要是閥組動作時間，需進行測算，令開關槍位置與噴涂槍速匹配。

5) 隨著噴涂槍距的減小，膜厚呈現先上升后下降的趨勢，槍距在200 ～ 250 mm 范圍內膜厚最優，涂裝效率最高。

6) 噴涂軌跡需結合輸送方式來編輯，優化噴涂邏輯，充分利用噴涂作業工時。

7) 針對內板的造型特點來設計噴涂軌跡，才能提升噴涂工藝的穩定性。