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浅谈机器人仿型制作及其对喷涂工艺的影响

摘要：随着自动化涂装生产线的引进，喷涂机器人在大中型企业的广泛应用。喷涂机器人能够提高经济效益，减少对环境的污染、提高能源的利用率、提升生产效率。国外已经使用出现了大量工艺先进、自动化程度高的大型生产线，涂装机器人在汽车工业发展迅速。涂装机器人多数采用自动静电喷涂系统，具备智能化，涂装线对机器人要求严格，机器人仿型制作时考虑对喷涂漆膜的影响，合理的制作仿型能够减少喷涂缺陷的发生。一套完整机器人仿型涉及的工艺要求，机器人仿型问题提上日程。
关键词：机器人仿型 静电高压值 旋杯转速
1 引言
国内涂装装备向自动化方向发展，在喷涂设备方面处于国际领先水平的是德国杜尔公司设计的静电喷涂系统。本文以杜尔公司涂装机器人在现场的应用，展开机器人仿型制作及其对漆膜影响的探讨。
2 机器人的型号
杜尔公司喷涂机器人应用较多的有三种，分别是EcoRP6F型、 EcoRP E型、EcoRP L型机器人。 EcoRP6型采用固定的底座喷涂，在同等条件下，EcoRP E33型喷涂更为灵活，在喷涂较大面积的车型时优势明显。EcoRP E32与EcoRP E33主要区别是：喷涂时机器人可选用不同的手腕，单机手腕安装2个运动轴的用于EcoRP E32，单机手腕安装带3个运动轴的用于EcoRP E33。内径为75mm的手腕适用于旋转雾化器或空气喷枪，90°的环氧材料手腕专用于旋转雾化器。EcoRPL涂装机器人具有7个可以活动的转向轴，可以根据零部件的涂装设计灵活移动，可以独立固定、自由移动或者在轨道运行。

EcoRP6 F140型 EcoRP E32型
机器人内部装置了油漆管线，此管线制约着机器人运动的动作幅度，掌握机器人的运动特性后对仿型制作有参考意义。下面是EcoRP6 F140轴机器人参考数据。
轴数
6
驱动装置
不带电刷的AC伺服电动机
轴的自由度
轴线 1
±115°
轴线 2
+65°/-80°
轴线 3
±80°
轴线 4 - 6
Σ. ± 540 °（机械无限大）
最大转速
轴线 1
100 °/s
轴线 2
115 °/s
轴线 3
115 °/s
轴线 4
540 °/s
轴线 5
540 °/s
轴线 6
700 °/s
最大路径速度
2000 mm/s
最大加速度
8000 mm/s²
手动轴线的承载能力
15 kg
机臂1和机臂2的有效负荷
每个机臂上15 kg
防爆保护
ATEX no. ISSeP 01 ATEX 031 X
手动轴线内径
75 mm
质量
大约750 kg

3 机器人仿型制作
在新车型投入车间准备生产时，将新车型数模导入3Donsite软件中，根据导入数模可离线制作仿型。在没有数模的情况下，选用在线制作仿型，离线和在线制作仿型各有特点，离线制作需要对喷房的距离，接近开关的位置、触发点的位置熟悉。在线制作可减少调试时出现的计算偏差，制作出的仿型更接近于实际喷涂状态。机器人仿型制作应考虑因素：机器人安装位置、输送链速度、等待时间、开关枪位置、机器人运行速度加速度、机器人轨迹坐标、喷涂参数等。下面介绍汽车涂装线机器人车型仿形及参数设定。
3.1主程序设定
在3Donsite软件中，新建定义一个新车型， 主程序包括工具设定、跟踪范围、喷涂区域、等待喷涂距离等。
STARTPROG( "MAIN") 主程序开始
SELECT( "R11") 选择R11机器人
SETTOOL( ECOBELL2_200) 设定喷涂工具
SETOBJECT( H13) 选择喷涂车身
CALL"R11WP"() 调用等待点
SET_TRACKINGWINDOW( 0.0 8000.0) 设定喷涂空间
WAIT_CONVEYOR( 1515) 等待输送运动距离
TRACKING( On) 跟踪开始
CALL"H13TV"() 调用第一个喷涂区进行喷涂
WAIT_PAINTPOSITION( 700) 等待700mm
CALL"H13SE1"() 调用第二个喷涂区进行喷涂
WAIT_PAINTPOSITION( 1600) 等待1600mm
…
TRACKING( Off) 跟踪关
TRACKING( Finished) 跟踪结束
CALL"HOME"() 调用回家位置
RELEASE( "R11") 释放R11
ENDPROG( "MAIN") 结束主程序
RETURN 返回主程序开始位置
确定好等待点R11WP坐标，该点坐标主要根据经验来判定。通常选用离喷涂车身较近的点，及时到达第一个喷涂区域。避免喷涂过程中产生振动或限位。
3.2子程序设定
子程序模块即各个喷涂区域的模块，第一个喷涂区域是H13TV，所有的子程序模块必须在主程序中调用才有效。
STARTPROG( "H13TV") 子程序开始
SELECT( "R11") 选择R11机器人
SETTOOL( ECOBELL2_200) 设置喷涂工具
SETOBJECT( H13)
SETTRIGGERPAR( G50) 设置开枪点选择喷涂车身
LOADBRUSHFILE() 装载喷涂参数
MOVE( "H13TV") 运行TV模块
VEL( V450) 运行速度
ACC( A3500) 运行加速度
OVERLAP( NODEC50)
VEL( V450)
LIN( P1) 第一个喷涂区域H13TV模块第一个轨迹点
SETBRUSH( Gun1 1 P2 TR1) 设置喷涂参数
GUN( Gun1 GunOn P3 TR2) 设置开枪点
VEL( V450)
LIN( P1)
…
LIN( P20)
--GUN( Gun1 GunOff P21 TR3) --虚线表示程序忽略
SETBRUSH( Gun1 2 PO1 TRG1)
LIN( P22)
LIN( P23)
GUN( Gun1 GunOn P24 TR4)
LIN( P25)
…
LIN( P35)
--GUN( Gun1 GunOff P36 TR5)
--SETBRUSH( Gun1 2 P37 TR6)
VEL( V450)
--SETBRUSH( Gun1 8 PO2 TRG2)
SETBRUSH( Gun1 8 PO3 TRG3)
LIN( P38)
VEL( V450)
LIN( P39)
GUN( Gun1 GunOn P40 TR7)
LIN( P41)
LIN( P42)
LIN( P43)
SETBRUSH( Gun1 3 P44 TR8)
LIN( P45)
LIN( P46)
SETBRUSH( Gun1 4 P47 TR9)
LIN( P48)
…
LIN( P64)
GUN( Gun1 GunOff P65 TR10) 关枪
LIN( P66)
ENDMOVE( "H13TV") 结束第一个喷涂区域
RELEASE( "R11") 释放R11
ENDPROG( "H13TV") 结束TV程序
RETURN 返回主程序、准备下一个模块的动作
每个LIN点之间的运行，机器人程序默认为直线移动。每个LIN点都是由机器人的“WORLD”坐标系（X，Y，Z）组成。

3.3 机器人坐标系
机器人仿型制作过程中通常采用在世界坐标系空间，在坐标点的设定上，坐标值的连贯可延长机器人使用寿命。该坐标系有以下2个特性：X，Y，Z轴互成直角；输送链的前进方向对准＋X方向。

世界坐标系模型
各坐标系代表的含义如下：
＋X：输送链前进方向；
－X：与输送链前进相反的方向；
＋Y：沿输送链进行左侧方向；
－Y：沿输送链进行右侧方向；
＋Z：喷漆室的顶部方向；
－Z：喷漆室的地板（格栅）方向。

各坐标系的含义 机器人坐标系示意图
机器人分布情况通常左右两边采用对称的方式，在链速和喷涂面积允许情况下顶盖喷涂位置可采用单台机器人完成。
3.4 机器仿形程序设置
下面以4台机器人组合的面漆站喷涂为例，阐述机器人的仿形程序设置。4台机器人分左右两边布置，左侧机器人为R11、R12，右侧机器人为R21、R22。车身采用对称喷涂，对称喷涂在仿型制作时只要做好一面直接镜像即可完成仿型制作。不对称喷涂可减少机器人轨迹转折的次数，减少机械冲击，适用于喷涂小车型的顶盖。

上图为R11机器人仿型，在后盖喷涂位置机器人有较大幅度的角度变化，在制作是应注意等待位置的设定，确保机器人能连续喷涂不报警。R11机器人仿型做好后，通过镜像即可获得R21机器人的仿型。R12和R22机器人仿型也按对称的方法制作。下面列举的是顶盖对称和不对称现场仿型图片。

对称顶盖仿型

不对称顶盖仿型
4 机器人工艺参数值设置
运动仿形程序设置完成后，需要对喷涂的参数进行加载。以下是机器人工艺参数值设置论述。
4.1.机器人雾化器的静电高压值
在喷涂中，环境对喷涂影响效果最大，当其电场强度超过4500V/cm时，易会产生放电，同时在车身的折角、边缘部位的锐角处，容易出现流挂、气泡和发花等油漆缺陷。当电压值过低时，会导致上漆率过低，易产生少漆、桔皮等问题。
轿车涂装中比较适应的静电高压值高电压参数范围为50～80kV，根据金属漆、中涂漆和清漆而有所不同。由于原漆的电阻值低、导电性好，金属漆静电高压值通常设置为50～70kV，中涂漆与清漆静电高压值设置为60～75kV。对于边角部位，为避免边角静电效应，通常设置为40～50kV。
4.2.机器人雾化器的成型空气量
成型空气有两个，分别是LL1和LL2，其中LL1常用大面积喷涂场合， LL2整形出来的扇面较小，适合喷涂较窄的区域，减少油漆的浪费。油漆流量和成型空气量成正比关系，油漆流量越大，成型空气量也相应增加。旋杯转速：和成型空气量成正比关系。成型空气量根据上述参数一般设置为100～350NL/min，当过低的时候，容易造成油漆的上漆率低，油漆利用率下降，同时也会造成旋杯的漆雾污染；过高的时候，由于压缩空气流较大，产生气流干扰，使油漆附在雾化器上，会导致漆膜表面的质量弊病，造成不利的影响。
4.3 机器人的油漆流量
在机器人旋杯系统中，75％的油漆从旋杯环形间隙喷出，25％的油漆从旋杯中心孔喷出。机器人静电喷涂的油漆流量一般在0～500 ml/min范围内可调，单位时间内，油漆流量参数设置越大，圆锥形喷射漆流的宽度增加，漆粒总数增多，漆粒流的密度增大导致漆膜厚度越大，反之越小。当涂料的油漆流量过大时，会影响旋杯的雾化效果，造成雾化难、漆粒粗，会产生滴漆、流挂和气泡等油漆缺陷。涂料的固体分越高，油漆的流量设定值越小。机械化链速的大小油漆流量成正比，当链速增加的时候，油漆流量也相应增加。涂层漆膜厚度的要求不同，如清漆要求为35～50μm，金属色漆要求为12～18μm，中涂漆要求为30～45μm，膜厚要求不同，根据各个站的油漆参数要求，在3Donsite软件中设定合理的油漆参数。
4.4 机器人的旋杯转速
旋杯转速每分钟高达25000～60000转的速度，对喷吐出的油漆进行雾化，使其达到一定的雾化细度。清漆转速度为35000～45000 r/min，这些值只是参考值，在金属漆喷涂场合，最高转速可达到55000 r/min，这主要是为了减少喷涂静电油漆粒子定向排列产生的发花问题。油漆流量越大，要求的旋杯转速也越高。
4.5.参数的过载百分比
过载百分比可以定义各参数如：输送链速度、油漆流量（P）、成形空气量（LL）和高电压值（HT）等参数的百分比数值。有时生产线为了提升节拍产量，提输送链速度，这时我们修改过载百分比，计算方法如下：
（V2－V1）／V1×100%求出过载百分比
其中原链速V1,现链速V2
此方法适用于批量调整，个别油漆参数发生变化不易适用此方法。
4.6 仿型造成的桔皮问题
通常是由于喷涂位置离车身太远造成，至少超过了300mm。如下图1所示.
图1 图2 图3
如果此仿型向车身靠近，从图2可以看出1号手臂易砸到车身。遇到这种大车型的特殊情况，我们采用分段喷涂，将后盖分为两次喷涂，让机器人不一次喷完后盖，再加上一段等待距离。分段喷涂后仿型如图3所示。
分为两段喷涂后，避免了机器人挤压车身，喷涂点也可以向车身靠近，喷涂距离可缩短为200-250mm
4.7 喷涂参数设定
原漆调好后，喷涂参数均在3Donsite软件中设定，工艺参数调整使用界面：

根据实际喷涂缺陷，对应调整此表中对应的参数，保存即可改变喷涂参数，在实际应用中根据现场实际情况进行调整。
5结语
以上论述了机器人仿型制作及其对喷涂的影响，机器人喷涂的影响只是喷涂工艺的一部分，在实际应用中对喷涂影响因素还有很多，因此在实际生产线施工中，需要根据实际情况，制定严格的管控体系，确保喷涂工艺参数可控可调。