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浅谈机器人喷涂的膜厚控制

信息来源:paintkey.com  时间:2008-03-25  浏览次数:169

  张明(延锋伟世通汽车饰件系统有限公司,上海201805)
??  摘要:讨论了机器人喷涂涂料时,漆膜厚度控制的意义、影响漆膜厚度的因素以及相应参数的调整方法。
  关键词:机器人喷涂;漆膜厚度;厚度控制
1 引言
  随着国内乘用车工业的发展,越来越多的机械喷涂取代了手工作业。在这种趋势中,机器人喷涂所占的比例也越来越大。如原先在车身喷涂中普遍使用的6杯站或 9杯站系统,也有被机器人喷涂替代的趋势。汽车车身外覆件也大量使用机器人喷涂,如国内轿车保险杠喷涂中超过一半的产量使用了机器人。机器人喷涂既保持了手工喷对复杂形面的适应,又具精确性和重复性。本文将讨论机器人施工时影响最终涂膜厚度的各种因素,为生产中对膜的控制调整提供 一 些思路。
2 膜厚控制的意义
  对于涂装施工而言,涂膜厚度是涂装工艺中最重要的控制因素,其意义在于:
(1)防止因膜厚不适当导致的涂层缺陷。根据笔者经验,现场生产中涂层的外观缺陷有超过一半以上是因为漆层膜厚控制不当造成的。一些常见的涂装缺陷如流挂、漆层薄、露底色等直接与膜厚控制失控有关, 还有一些缺陷也间接同这有关。譬如,保险杠喷涂的第一层助黏底漆膜厚不够,会导致整个涂层附着力下降,同时底漆的膜厚达不到要求时其导电效果也会下 降,这会引起第一道色漆使用静电喷涂时涂料的转移率下降,最后导致色漆不足。
(2)帮助外观指标的调整。常见的漆膜外观指标如 光泽、色差、桔皮、DOI 等都需要以膜厚控制作为基 础。上述指标都明显受到膜厚,特别是面漆膜厚的影响,因此,在整个涂装质量控制中,把膜厚作为最重要的控制因素是必须的。
(3)成本的控制。除了膜厚控制对涂装质量影响体现的质量成本外,涂装的主要成本中约有一半被涂料所占据。精确的膜厚控制不仅有助于涂装质量的稳定,还有利于涂料的节约。统计显示,采用同样设备喷涂时,是否精确控制膜厚其所消耗的涂料相差25%以上。
  目前在国内使用的机器人喷涂主要有日本岩田或三菱机器人,这些设备引进较早,控制精度较差;新的涂装线普遍采用ABB、 FANUC、 MOTOMAN、DURR 等多轴机器人,在本文中主要是以ABB机器人为基础进行讨论。
3 影响漆膜厚度的因素
  在机器人喷涂施工中,涂层膜厚可以按如下公式计算:
  干膜厚度=(流量×涂料体积固体含量×涂料转移率)/(走枪速度×喷幅宽度)
  (1)流量,即喷涂时单位时间从喷枪口流出的涂料 体积。在机器人喷涂中,这个数据直接在BRUSH(刷子)参数表中确定。一些老式的机器人喷涂中,流量控 制没有和机器人系统建立联系,无法在一个喷涂程序 中间随时更改流量。而大部分新机器人的流量控制系统直接由机器人的IPS系统控制,使流量控制更加精 确和便捷。如在ABB机器人喷涂的流量控制中,根据流量控制是否闭环分两类。
  一是对流量精度高的设备采用闭环控制,在闭环控制中,常用的设备配置有两种:
  一是使用计量齿轮泵,即泵每转一圈所获得的体积 数是恒定的,机器人1PS系统控制计量泵的转速来达 到定量供漆,在这类系统中,涂料的动力来自齿轮泵产生的压力。
  二是通过流量计和节流阀组成的闭路系统来控制,在这类系统中,涂料的压力来源于供漆系统,流量计获得的流量信号传到机器人IPS系统与已标定的值作比较,当流量有偏差时,信号返馈给节流阀,通过改变节流阀开闭度来调节。使用第二种方案控制时对供漆压力的稳定性要求高。机器人喷涂系统提供了多级修正流量偏差的方法。如在ABBTR5002喷涂机 器人上,对于系统的偏差有两种途径可以调整。一是可 以通过机器人设鼍中的ROBOT PARAMETRE 中的涂 料特性设置,这种情况下允许对于每种涂料系统进行 不同的设置,如可以修正流量受到涂料的黏度和相对密度的影响。二是可以通过TEACHPADENT 中的BRUSH设置。如当BRUSH中设置是200而实际测量得到的流量是220时,可以设置BRUSH比例为200/220=91%,这样实际的喷涂流量成为200。需要注意的是这种设置重新开机后参数自动恢复到100%。喷涂中流量范围的选用主要受到两个环节的影响:计量泵和雾化器。这两个设备的瓶颈决定了最后可以获取的流量范围。如当使用6cc计量泵时,因为泵的受控转速范围是0~150r/min,因此它的额定流量在0~900mL/min。同时,雾化器也存在不同的流量上限。如ABB机器人旋杯ROBOBEL625的上限为 400mL/min,所以在这种设备配置中,最高流量只能是  400mL/min。同样,过低的流量在使用计量泵时泵的转速过慢,无法达到应有的精度。另一个需要关注的因素是,在空气喷涂时,流量的大小影响到涂料雾化效果。根据机器人喷涂保险杠的经验,空气喷枪选用许可流量的20%~70%较为合适,旋杯选用20%~100%流量。
  (2)涂料转移率,指最终附着在产品表面的涂料占涂料从喷枪中喷出的总流量的比例,也称作上漆率。事实上整个涂装设备的发展历史也可以看作是一部提高涂料转移率的历史,因为它与涂装制造成本和环境保护这两个主题密切相关。影响转移率的主要参数包括:雾化器种类、静电高低、喷涂参数、导电性等。使用怎样的喷涂设备是决定转移率的第一因素,因为不同的设备转移率有着明显的差别。一些主要雾化器转移率从小到大为:普通空气喷枪,静电空气喷枪,旋杯。它们在喷涂金属或者塑料零件时的涂料转移率见图1、图2。静电是影响涂料转移率的第二大因素,有无 静电和静电高低的差别在施工中表现得非常明 显。由于静电喷涂时,涂料粒子带电导致涂料向工件吸附,因此需要先到达工件表面的带电颗粒快速转移电荷,维持工件表面和喷枪之间的电压 差,确保两者之 间的空间电场强度对于涂料转移率非常关键。这就又增加了一个因素,即工件的接地状态直接影响了涂料的转移率。这一因素在喷涂导电性不好的工件时尤其明显,如塑料保险杠。试验表明,在使用ROBOBEL喷涂色漆时,一般接地和良好接地的产品转移率相差10%~20%。如ROBOBEL625在喷涂使用金属夹接地 的SVW2000门槛条的实测转移率为70%左右,而接地不良的情况下只有50%左右。对于空气喷枪来说,雾化空气压力对转移率影响也是较大的,雾化压力过大会造成空气喷到被喷涂面后反弹气流增加,阻止后续小漆粒到达被喷涂面,导致转移率下降。
  (3)固体含量。固体含量参数通常有体积百分比和质量百分比两种,计算膜厚时使用的是体积百分比。在涂装施工中,常常会忽视这一因素变化带来的不稳定,由于机器人喷涂中其他因素的精确控制,这一因素的影响比起在手工喷涂中显得更为突出。下面的几个因 素可能引起施工时涂料固体含量的不稳定:
  ①不同批次涂料固体含量的变化。作为原漆控制指标的固体含量造成的偏差一般在±2%,这种偏差的影响有时是很大的。例如一种遮盖力为11μm的色漆,原漆的固体含量在27%±2%之间,这样高低极限的偏差在(29~25)/25=16%。如果原来使用29%喷涂的膜厚在12μm,现在25%的只能喷到12/29×25=10.3μm,显然膜厚不够了。这种情况下,就需要对涂料原料的固体 含量指标严格监控,并要求供应商对于敏感的涂料给 出更小的范围。
②原漆存放时间过长导致的偏差。一般涂料的黏度随着存放时间的延长会上升,而在调配涂料时常是以涂料黏度作为控制指标的。这就出现了原漆存放前后所调配的涂料固体含量的变化。比如。一种涂料在存放6个月后黏度上升了10%(这一幅度是比较正常的,如存放环境温度高,黏度上升幅度还要大),在调整到同样的黏度时需要加入的稀释剂较6个月前增加,这就减少了调配好的涂料的固体含量,其他喷涂因素不变的情况下,涂料膜厚会降低。
  ③不规范的调漆操作和存放方式会导致固体含量减少。如原漆在包装桶中没有得到充分搅拌,固体含量高的成分留在桶中,这样间接地降低了涂料的固体含量。还有,调配好的涂料放置时间过长而密封不好导致溶剂挥发后,固体含量会增加。
  (4)走枪速度。以ABBTR5002喷涂机器人为例,枪速范围为:0~3000mm/s。生产中,一般旋杯选用速度为600~1000mm/s,空气喷枪选用速度为800~1500mm/s之间。理论上喷涂速度同膜厚成反比关系,但实际上,由于不同速度选用的喷涂参数会间接影响到转移率,所以在满足喷涂节拍的前提下,优先选用较低的枪速。关于枪速对于转移率的影响,可以这样解释:枪速慢,获得同样膜厚使用的涂料流量低,相应的雾化空气也小,对于提高转移率有利。对于旋杯也 是如此,这可能与电荷转移需要的时间有关。测试表 明,在同样条件下喷涂产品,使用旋杯速度在500mm/s时比速度为700mm/s时转移率提高5%。
  (5)喷幅宽度。指雾化器喷出的涂料在被喷涂面覆盖的宽度。喷幅宽度受到下述参数的影响:喷枪离被喷涂表面距离、雾化和扇面参数(空气喷枪)或者整形空气(旋杯)。单头空气喷枪的喷涂形状是椭圆形的,旋杯的雾形是圆形的,双头喷枪根据两个喷头的夹角,形状有所不同,但是基本也呈椭圆形。从空间角度看,它们的雾形是都是圆锥形或者椭圆锥形的。因此当喷涂距离变短时,喷幅宽度成比例地缩小。对于空气喷枪来说,雾化空气压力与扇面空气压力的比值对喷幅宽度呈线性影响。所以当在修改相应的喷涂流量时,需要考虑因为调整雾化和扇面空气值间接影响到的喷幅宽度。
4 膜厚的控制
  对于机器人涂装施工而言,确保生产工艺的稳定是需要优先控制的。上述5个影响膜厚的因素可以采用不同的方式控制和调整。
(1)为保证涂料固体含量参数稳定,推荐下列措施:
①监控不同批次的原漆固体含量,尤其是对于膜厚敏感的涂料,如遮盖力高的色漆;
②缩短原漆的存放时间,尽可能使用新鲜的涂料;
③避免涂料存放环境温度过高;
④规范调漆操作;
⑤不同季节所用的稀释剂配方不同,可以通过机器人IPS设置参数调整,避免流量的更改。
(2)喷涂速度在喷涂轨迹程序编制过程中调整,一旦确定之后就基本不再变动,只有在一些特定的情况下进行调整,如喷涂遮盖力特别差的色漆而喷枪流量接近上限时采用调低速度的方法较为有效。
(3)喷幅宽度主要在程序编制时确定,后期的调整主要是针对一些特殊平面,如对于窄平面使用小的幅宽能有效节约涂料。调整中需要关注因为喷幅变化带来的其他影响喷涂质量的情况,如当通过喷涂距离调整幅宽时,涂料到达被喷涂面的溶剂含量同时发生变化,可能发生相应的流挂或者干喷;当通过雾化扇面压力调整时,可能会影响到涂料的雾化效果。
(4)涂料转移率一般不作为生产中调整的因素,在生产中需要关注的是因为转移率变化导致的喷涂质量事故。一般多发生在因为转移率下降导致的漆层变薄。如静电喷枪因设备故障导致电压下降引起转移率的降低。
(5)流量的调整是生产中最频繁用于调整的参数。需要注意的是,调整空气喷枪的流量时,一同调整的气体的雾化和扇面压力的值会随之发生变化,这会同时 影响到转移率,最后影响到膜厚。
5 结语
  漆膜厚度虽然只受到上述讨论的5个因素的影响,机器人喷涂又使我们对于这些因素的控制能力得到加强,但因为这中间的每个因素又受到整个涂装系统的多个因素的影响,因此在实际生产线施工中,需要根据实际情况,设计出有效的施工参数的监控体系,确保膜厚可控可调。
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