职称论文
摘 要： 介绍目前国内客车行业应用机器人喷涂双组份涂料遇到的问题及解决方案，以提高客车涂装工艺和自动化水平。
关键词 : 客车涂装;喷涂机器人;双组份涂料;
Abstract： This paper introduces the problems and solutions encountered in applying robots spraying two-component coatings in domestic bus industry nowadays,in order to improve the level of technology and automation for the bus painting.
Keyword： bus painting; spraying robot; two-component coating;
近年来，随着客户和国家对客车防腐性能、涂层质量要求的提高，整车阴极电泳、喷涂机器人、低VOC涂料(高固、水性)等涂装新工艺、新设备、新材料逐步在客车企业得到推广应用[1,2,3]。本文对客车用双组份水性涂料实施机器人喷涂的工艺实践进行相关技术的总结[4]。
1 、喷涂机器人特点及国内客车行业应用现状
机器人喷涂的涂层质量稳定，大大减少人为因素的影响，降低了对喷漆工的技能要求，涂装质量可大幅提升，其特点主要表现在以下几个方面[5,6]:
1)采用高压静电(20 000～90 000 V，可调)喷涂。其吸附原理可使涂料利用率由手工压缩空气喷枪的30%～40%提高到60%～75%，能大幅节约涂料成本。
2)采用高速旋杯(20 000～80 000 r/min，可调)喷涂。涂料的雾化效果更好，更易得到光滑如镜的涂层外观。
3)漆膜厚度和外观还可通过调整涂料粘度、喷涂流量、喷速、扇面搭接、喷幅大小等参数进行控制，可稳定达到涂层标准。
4)生产效率更高。12 m长度客车可在20 min内完成喷涂，远远低于手工喷涂的40～60 min。提高工效的同时还可降低喷漆室的能耗费用。
5)所要求的喷漆室环境风速更低(0.3 m/s，手工喷涂至少0.4 m/s)，可进一步降低喷漆室的能耗费用。
客车所用涂料大都属于低温固化双组份涂料(电泳底漆和金属漆除外)，可以自干也可以低温(80℃及以下)烘干。目前国内已有数家客车企业采用了机器人喷涂这种涂料，有关情况如下:A公司，采用20套杜尔机器人喷涂溶剂型双组份中涂、面漆和清漆;B公司，采用2套ABB机器人喷涂溶剂型双组份中涂、面漆和清漆;C公司，采用1套发那科机器人喷涂溶剂型双组份中涂;D公司，采用1套安川机器人喷涂溶剂型双组份中涂;E公司，采用2套发那科机器人各喷涂溶剂型双组份底漆和中涂、面漆和清漆。
与乘用车相比，由于客车生产的车型多、体积大、各车型左右侧围定位精准性差，所以客车使用喷涂机器人喷涂一般有以下特点:喷涂施工环境大都不具备恒温恒湿条件，所用的涂料体系有别于单组份OEM涂料，而是低温烘干的双组份涂料，需要添加固化剂，每条生产线上的面漆颜色多，需要多方面调整施工工艺参数。
2 、机器人喷涂客车应用难点
机器人喷涂在客车上的应用难点主要表现在以下几个方面:
1)客车用涂料的选用。乘用车用的是单组份OEM涂料，主剂只需要加稀释剂调整施工粘度，靠烘干高温交联固化(不可自干，烘干温度120℃～140℃)。而客车因体积、质量大而吸热多且蒙皮高温易变形，不能高温烘干，故只能选用可自干或60℃～80℃低温烘干的双组份涂料(如双组份环氧底漆、双组份丙烯酸聚氨酯中涂、面漆和清漆等)。对于双组份涂料除了涂料主剂需要加稀释剂调整施工粘度外，还需另外添加一定比例的固化剂。中涂、面漆和清漆所用固化剂是异氰酸酯，特点是遇水汽会固化，并且涂料主剂与固化剂混合后可用时间短，只有2～3 h，超过可用时间后也会固化。随着国家环保政策日趋严格，双组份水性涂料和双组份高固体份涂料也逐步在客车上应用。
2)喷涂机器人清洗。鉴于客车用双组份涂料混合后都会发生固化反应，因此客车用喷涂机器人使用后需要用清洗溶剂对输调漆管路、机器人旋杯和雾化器里的涂料及固化剂进行清洗。根据相似相溶原理，喷涂水性涂料的机器人要用水性清洗溶剂清洗，喷涂溶剂型涂料的机器人要用溶剂型清洗溶剂清洗。由于水性清洗溶剂主要成分是水，而喷涂机器人水性涂料输调漆系统特别是固化剂那部分系统，因固化剂主要成分异氰酸酯极易与水性清洗溶剂里的水反应导致输送管路固化堵住，是清洗中的难点;而溶剂型清洗溶剂不含水，与固化剂一般不会发生反应。为了有良好的清洗效果，需提前对所用清洗溶剂与所用固化剂进行混溶测试，以二者能相溶且不发生固化结块为准。
3)车身定位。喷涂机器人对工件进入喷漆室的前后左右位置要求是偏差≤10 mm。由于客车车型多且大，而且是手动控制输送链，不像乘用车采用全自动化输送系统，所以客车车身进入喷漆室的位置满足喷涂机器人要求的难度比较大，并且车身长短、宽窄不一，应采取光电+机械限位等措施来精准定位，避免造成涂层外观质量缺陷，以及降低旋杯与车体相撞的风险。
4)涂层施工工艺参数。影响客车涂层的施工工艺参数较多，如施工电压、旋杯转速、涂料施工固体份含量、施工粘度、喷涂流量、喷涂压力及成形压力、喷枪移动速度、扇面搭接大小、喷幅大小、加入稀释剂后的涂料主剂与固化剂的精确配比等，需要做大量的试喷样板实验，以找出合适的施工工艺参数组合。由于客车喷漆室大都不是恒温恒湿，因此要根据环境温湿度变化调整相关工艺参数。
5)喷涂程序复杂。采用高压静电喷涂，溶剂型涂料和水性涂料加电方式不同。为确保安全，对涂料的电阻值有一定的要求(0.5～2 MΩ)。水性涂料由于导电性好不能像溶剂型涂料直接加电(即内加电)，而只能在涂料从旋杯离开后方可加电，否则会高压报警，因此喷涂水性涂料的机器人旋杯外像“八爪鱼”一样装有外加电极(即外加电)，并且两旋杯之间的安全距离需要更大。因此同一车型的喷涂程序在使用不同涂料时不能直接简单拷贝互用，需要重新进行轨迹对点优化。另外，由于客车车型多，编写喷涂程序、轨迹对点优化程序的工作量也非常大。
3、 机器人喷涂客车应用实践
3.1、 机器人喷涂涂料的选取
客车大都选择机器人喷涂颜色单一、喷涂量大的中涂和清漆[7,8,9,10]。本文方案为1套机器人(外加电旋杯)喷涂水性双组份丙烯酸聚氨酯中涂和1套机器人(内加电旋杯)喷涂溶剂型双组份丙烯酸聚氨酯清漆。其中喷涂清漆机器人还用于喷涂三种溶剂型双组份丙烯酸聚氨酯实色面漆(目前是SZ-白006、白002和黄001，后续可根据订单更换)以提高喷涂清漆机器人的利用率。由于喷涂机器人采用高压静电喷涂，故对所喷涂涂料的电阻有要求，而水性涂料的电阻远远小于溶剂型涂料，因此这两种涂料目前所用旋杯不一样，不可互换使用。
3.2 、喷涂机器人用清洗溶剂测试及选择
衡量喷涂机器人用清洗溶剂优劣主要有两个指标:清洗能力以及混溶性能。通过洗去样板表面相同涂层，如果所用清洗剂的滴数越少、测试样板涂膜扩散的宽度越宽，表明清洗能力越强，反之清洗能力越弱;判定混溶性能主要是以清洗溶剂与涂料中的固化剂能混溶且不出现结块为好。
1)清洗能力对比测试。测试结果表明，A公司的溶剂型清洗溶剂(主要成分是醋酸丁酯、正丁醇和助剂)和水性清洗溶剂(主要成分是水、乙二醇丁醚、正丁醇和助剂)的清洗能力，明显优于目前在用的可清洗干净目前所用涂料的B公司清洗溶剂(主要成分是甲苯、二甲苯、丁醇、丙二醇甲醚醋酸酯和助剂)。
2)混溶性能测试。双组份涂料的固化剂主要成分是异氰酸酯，具有遇湿固化的特点。为测试清洗溶剂与固化剂混溶情况，用三支带磨砂瓶盖的试管都装上所用水性涂料固化剂，然后分别加入不同比例的清洗溶剂。混溶时仅观察到水性清洗溶剂加入后浑浊、1 h后分层、24 h固化的现象，见图1中左侧两支试管，而图1中右侧试管加入溶剂型清洗溶剂的水性漆固化剂无异常。同样，对于溶剂型涂料固化剂，加入溶剂型清洗溶剂无异常，且所有添加清洗溶剂时未固化的试管(包括图1中右侧的一支试管)跟踪70天后仍无异常。
图1 水性涂料固化剂+不同清洗溶剂
3)清洗溶剂选择。根据上述对比测试，为确保在输漆管路不堵管的前提下清洗干净，选定:(1)采用A公司溶剂型清洗溶剂对溶剂性清漆及面漆机器人系统进行清洗;(2)对于水性中涂机器人系统清洗:先用A公司的溶剂型和水性清洗溶剂分别清洗涂料用的固化剂管路和水性中涂管路，然后再用A公司溶剂型清洗溶剂充满混合阀后端的管路(直至下次用时再放掉)。
喷涂机器人投入使用实际运行8个多月未出现输调漆管路堵管现象。
3.3、 机器人喷漆室车身定位
1)长度方向定位。客车生产过程中车身运输我司采用“工艺小车+垂直地面链”的输送方式。由于车型多样，无法通过机械限位来定位。经研讨采用2道光栅(第一道减速、第二道停止，与垂直地面链连锁)+红外线测距校正方法来实现车身进入机器人喷漆室在长度方向的精准定位(±10 mm)。
2)宽度方向定位。为了满足喷涂机器人臂及旋杯的喷涂角度，要求车身裙边最低离地高度500 mm。因此，我司对于车身裙边较高的公路客车和车身裙边较低的城市客车，分别采用车身底骨架加装定位方管、车身底骨架加装定位支座的方式进行宽度定位。
3.4、 缩孔测试
涂层缩孔影响涂层外观效果，引发的原因可能有涂料本身、压缩空气的洁净度、样件的洁净度、输调漆系统和机器人管路的清洗程度。缩孔测试是决定输调漆系统能否投入涂料前的一个重要步骤。
首先把仓库中的涂料用机器人的压缩空气手工喷涂样板，如有缩孔则应采取措施直至喷涂样板涂层表面无缩孔。再用输调漆系统清洗溶剂与涂料混合后用机器人的压缩空气手工喷涂样板直至无缩孔。经机器人厂家、输调漆厂家、涂料厂家的相关人员共同查验缩孔测试喷涂样板，一致认为没有问题后输调漆系统方可投漆进行调试。然后把输调漆罐里的涂料用机器人的压缩空气手工喷涂样板直至无缩孔;再用机器人试喷样板直至无缩孔，方可通过采用机器人喷涂的缩孔测试程序。
3.5、 喷涂施工工艺参数及试喷质量
需通过机器人喷涂大量样板，测量喷幅和涂层厚度来确定喷涂工艺参数。本文机器人喷涂施工工艺参数如下:旋杯距离车身表面250 mm、喷涂轨迹折距90 mm、喷涂轨迹移动速度500 mm/s、旋杯转速30 000 r/min、施工电压60 k V、内成型空气流量100slpm;加入稀释剂的涂料主剂与配套固化剂的体积配比根据稀释率进行相应调整设置;溶剂型涂料、水性涂料外成型空气流量分别为400 slpm、500 slpm，它们的出漆量根据涂料类别和要求的漆膜厚度及涂料粘度在300～400 ml/min范围调整设定。
在工艺参数确定后，喷涂各种涂料的测试样板，观察涂层外观有无流挂、漏喷、露底等缺陷，测量涂层厚度及均匀性，测量面漆及清漆的光泽、长短波及DOI，测量涂层的附着力。这些参数需全部满足公司客车涂层质量企业标准。
3.6、 喷涂程序编制、轨迹对点及试喷优化
客车车型种类较多，涉及到几百个车型的编程与仿型，必须考虑到同款车型车身高度不同、乘客门和安全门位置不同、轴距不同等各种因素，尽可能整合并减少程序的编制数量。机器人的离线编程需要车型数模，因客车的开发周期短的特点，各车型的数模并不齐全，所以多数车型编程只能借助已有的、尺寸相近的车型数模进行程序编制，而且在电脑离线编程后，只能使用现场实车示教对点方法，反复在仿真软件中修改完善程序。
3.7、 喷涂机器人实施效果
经过半年多的应用，已完成喷涂机器人喷涂溶剂型面漆/清漆16个车型，喷涂机器人喷涂水性中涂27个车型。
1)涂层外观方面:(1)涂面漆和清漆观测量数据，无论光泽度、长短波和鲜映性都有明显提高，甚至部分车辆面漆的长短波和鲜映性数值达到或者优于乘用车;(2)中涂漆膜无论是手摸平滑度还是涂层厚度均匀性、达标性(平均膜厚40～60μm)，都明显优于手工喷涂(平均膜厚25～40μm)。
2)涂料成本方面:机器人喷涂的87辆批量12 m公路客车比手工喷涂节约中涂约20%～25%、白色面漆约25%～30%和二次罩光清漆约35%～40%,1 600辆批量9.5 m公路客车比手工喷涂节约中涂约25%、黄色面漆约40%，这2批车总共节约涂料成本约96.5万元。
4 、结束语
本文实现了客车用溶剂型面漆/罩光清漆和水性中涂漆机器人喷涂的目标，特别是针对机器人喷涂双组份水性涂料的难点进行清洗溶剂和清洗方案的多轮测试，解决了水性清洗溶剂与水性涂料固化剂混合后固化堵塞输调漆管路问题，实现了机器人喷涂低温烘干双组份水性涂料的工艺，可为同行提供参考。
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