文/夏研，王柯，徐达，秦跃，张佳玮
一汽丰田汽车有限公司，天津300457
摘要：高压静电喷涂机器人广泛应用于汽车喷涂作业中，判定其性能的核心技术指标之一是喷涂时的涂着效率，目前保险杠树脂件的喷涂受树脂材料导电率低、形状不规则等因素影响，涂料附着率低，造成树脂件喷涂过程涂料浪费。从工厂实际改善及应用出发，介绍了树脂件静电喷涂中涂着效率的定义与测定方法，对汽车行业使用的前沿静电喷涂技术及关键技术参数进行研究，明确提高涂着效率的关键技术及优化方法，为建设资源节约型、环境友好型社会献计献策。
关键词：高压静电喷涂 涂着效率 保险杠树脂件
Research on Optimization of Robot Electrostatic Spraying Equipment and Key Technical ParametersXIA Yan,WANG Ke,XU Da,QIN Yue,ZHANG Jiawei(FAW Toyota Motor Co.,Ltd,Tianjin 300457,China)
Abstract: High voltage electrostatic spraying robot is widely used in automobile spraying industry,its core technical index is spraying coating efficiency.At present,due to the low conductivity of resin materials,iregular shape and other reasons, the spraying efficiency of bumper resin parts is low,resulting in the cost waste in spraying resin parts.This paper introduces the definition and measurement method of coating eficiency in electrostatic spraying of resin parts,studies the cutting-edge electrostatic spraying technology and key technical parameters used in the automotive industry,clarifies the key technologies and optimization methods to improve coating efficiency,and provides suggestions for building a resource saving andenvironmentally friendly society.
Key words: high voltage electrostatic spraying; spraying coating efficiency; bumper resin parts00
引 言
机器人是中国制造2025确定的重点发展领域。在涂装行业中，静电喷涂机器人和一般喷涂设备比较，由于能够有效削减涂料使用量、降低废弃物排放、减少生产成本而逐步发展为工业生产尤其是汽车生产行业中应用最广泛的工业机器人之一[1]。
01、静电旋杯喷涂方法
机器人静电喷涂是利用电荷同性相斥、异性相吸的基本特性设计的一种高效喷涂方法。一般被涂装工件接地作为阳极，喷枪口为负高压，当涂料微粒通过喷枪带上电荷时成为带电粒子，在高压静电场的作用下向极性相反的被涂工件运动，并附着于工件表面，从而形成均匀涂层，见图1。
02、静电旋杯喷涂原理及设备构成
为确保汽车表面的光泽感和提高涂着效率，汽车喷涂行业近年已成功开发出通用型的新型静电旋杯喷涂机器人，其通过喷涂过程中关键参数控制来兼顾实现高装饰性和高涂着效率，高速旋转力使涂料微粒化，静电力使涂料微粒附着在被涂装物品表面，与空气喷涂的方式相比，能够大幅提高涂着效率。静电旋杯喷涂机器人主要有使涂料微粒化的旋转雾化头(杯钟)、高速旋转轴承(空气马达)、涂料喷嘴(供料管)、控制喷涂幅度的空气单元、高压发生装置等，如图2所示。喷涂动作一般通过六轴机器人进行精准控制，可适用各种大型、复杂形状的工件喷涂[2]。
2.1 涂料粒子带电方法
要使涂装粒子带电的方法大致分为2种：一是从电极施加高电压，在涂装机的前端制造离子化区域，使通过的涂料粒子带电的离子化区域带电；二是直接接触带电，即在涂料通过的钟罩上施加高压，在涂料从涂装机中喷射出来之前使涂料带电。
2.1.1 离子化区域带电
从高压发生装置向涂装机前端的电极施加高压。由于针状电极的关系，所以该外加电极附近的电场明显不均。空气是强离子化的状态，针状电极的前端由于空气的绝缘局部被破坏，导致发生了非常稳定的光晕持续放电。通常这种电晕放电是非常小的蓝紫色光点，这个发光的范围被称为离子化区域。通过该离子化区域的涂料粒子与负离子发生碰撞，带负电，沿着针状电极和被涂物之间构成的电场方向飞行并附着在被涂物上。
2.1.2 直接接触带电
随着钟杯旋转而产生的离心力使薄胶卷状的涂料到达钟的边缘，在此期间，涂料在外加高压电的电铃上直接接触带电。因为边缘和被涂物之间构成了非常强的电场，所以带电的涂料从这个边缘喷射的时候，从薄膜变成丝、丝变成雾。这种喷射的涂料粒子在高电压作用下带负离子。带电的涂料粒子表面张力减少，并且带有同符号(-)的电荷而相互排斥进而微粒化，这种现象被称为静电微粒化现象，这些粒子沿着杯钟和被涂物之间构成的电场方向飞行并附着在被涂物上
2.2 铃杯式喷漆机的原理
铃杯涂装机具有使铃杯旋转的结构，对铃杯本身施加静电高电压，向旋转的铃杯内面供给涂料，涂料沿着杯内面做成液丝，用静电力量使液丝微粒化。
HV控制器是铃杯(内部升压方式静电涂装机)用级联型高压单元。由嵌入涂装机后方的级联、装有控制高压的微型计算机的高压控制器、连接级联和控制器的25m长的柔性低压电缆构成。
用光纤传感器读取旋转马达的标记，并作为1转1脉冲的旋转信号显示在计数器上。用CPU计算这个当前转速和指示转速之差，输出适当的电流。通过电控转换器控制铃杯的旋转。
2.3 T/R-C铃杯的概要
T/R-C铃杯是为搭载喷涂机器人而开发的电铃型自动静电喷涂装置，采用空气马达及多馈管，具备了使涂装机器人的涂装轨迹达到最佳的外观形状、保持理想的功能、对高电压安全等特性。该设置可同时用于固态和金属涂装，这也是它的优点之一。
2.4 杯钟涂装机
通过机械的高速旋转力使涂料微粒化，微粒化后的涂料带有电荷，是用静电力量涂在保险杠上的构造(静电涂装)。与利用高压空气的剪切力使涂料雾化的空气雾化方式相比，空气的流动较弱，溢出部分减少，因此，能够大幅提高涂着效率。主要构成有使涂料雾化(微粒化)的旋转雾化头(贝尔头)、支持高速旋转的轴承部、给予旋转的涡轮部、供给涂料的喷嘴(涂料馈油管)、形成雾化图案的整形空气。因为其旋转雾化头酷似钟形，所以被称为钟杯涂装机。
03、涂着效率
3.1 涂着效率测定方法
涂着效率是检测静电喷涂机器人性能的核心技术指标。涂着效率指的是实际附着在被涂物上的涂料与涂装所使用的涂料之比。保险杠喷涂件涂着效率的测定方法受测定工具、环境等因素影响，不同环境下测定结果有较大的偏差。计算公式如下：
树脂件涂着效率在单次测定时可能存在偏差，一般会测定3～5次，最终选取计算结果的平均值来明确该产品的一般喷涂效率。
3.2 涂着效率现状
国内外先进汽车涂装车间，如奔驰、大众、长城、吉利，目前普遍采用ABB制RobotBe1951可变扇幅旋杯静电喷涂机器人。结合工厂实际生产，并通过实验室数据对旋杯式静电喷枪的涂着效率比较发现，相同的设备参数条件下，车身与塑料保险杠的涂着效率差别较大，如表1所示。
04、树脂保险杠涂着效率影响因素及改善方向
4.1 被涂物件接地状态
静电喷涂根据静电吸附的原理，即以接地的被涂物作为正极，油料雾化器(即喷杯或喷盘)接高压电作为负极。被涂物与接地的良否直接影响喷涂效率的高低，在工厂生产中经常发生由于接地不良造成喷涂品质表面感光度不良的现象。
由于接地不良对树脂保险杠的涂着效率有较大影响，所以在工艺生产过程中应综合考虑保险杠工件的接地情况，保证接地良好。一般通过导电夹子或导电片将塑料保险杠与治具连接，以提高塑料保险杠涂着效率，并且在生产中定期对导电夹或导电片状态进行监测，必要时通过进行电阻值测定来确保制品接地。在某些工厂，考虑到接地片导电夹作业不便的问题，目前也在采取自动化打钉机器人等一些自动化设备导入方式，其既保证制品接地，又能缩减人工作业，可在确保品质的同时提升工厂自动化水平。
4.2 关键技术参数
在喷涂参数优化中，关键点既要保证树脂件的喷涂外观，要求统一均匀的漆层膜厚值，又要兼顾生产节拍及涂着效率。静电旋杯喷涂影响涂着效率的关键参数主要有静电高压压力值、喷枪距离、喷枪速度、扇幅空气压力、吐出量、扇幅大小6项关键技术指标[3]，如图3所示。
为提高涂着率优化关键参数时，不能仅仅考虑单个参数的影响，而应该通过6个关键参数综合评价。如高压静电压力越大，涂着效率越高，但是树脂件保险杠由于接地导电率低而导致增大静电高压时，喷枪与树脂保险杠之间电流过大，容易出现放电造成危险，一般树脂保险杠高压静电压力值选取在-60kV左右。通过对6个参数喷涂条件的涂着率试验得出，提高涂着效率最有效的方法是在保证静电压力、速度及距离的前提下，优化扇幅大小、扇幅空气和吐出量3个关键参数。扇幅空气压力大，空气在保险杠制品面形成涡流，涂料微粒随着空气漩涡飞散在空气中，如图4所示，影响涂着效率，建议优先进行改善[4]。
4.3 边缘及开口部位轨迹优化
生产中现有的喷枪 模型仅适用于垂直喷涂，而对边界形状不规则的树脂件保险杠表面进行喷涂轨迹规划时，除需考虑喷涂倾角外，还应考虑喷枪喷涂高度、喷幅宽度和喷枪速率等多个可控参数。如果在轨迹设计中忽略曲面边界形状，则容易发生过喷涂问题。针对倾斜角的改善如图5所示，倾斜角及喷涂点位改善可以大幅提高开口区域的涂着效率，并能保证膜厚品质。倾斜角40°时，膜厚分布如图6所示[5-7]。
边缘位置喷涂时，需综合考虑喷枪开关延迟的影响。轨迹设计时，应综合考虑喷枪的喷涂范围，尽可能避免喷枪频繁开启关闭，以减少作业延迟的影响，从而提高涂着效率。
4.4 涂料导电性
生产中发现，不同涂料的导电性对喷涂效率和涂装品质也有较大的影响，涂料导电性和涂料自身的干膜电导率及底漆干膜涂层厚度有较大关系。涂层喷涂越厚，导电性越强，静电喷涂时的效率越高；但是底漆涂层越厚，相应的生产成本越高，流挂不良越高，所以如何在生产效益与品质之间找到良品喷涂条件比较关键[8-9]。
05、结 语
在汽车行业高速发展的时代，既要考虑产品涂面美观及要求膜厚，又要考虑生产成本，提高喷涂的涂着效率是实现省资源、降低成本、减少危废排放量、环保达标等的最有效的技术手段之一。以年产能10万套塑料喷涂制品的生产线为例，在涂料费用基本占70%、单件制品在300元/套的情况下，如果涂着效率提高20%,则仅涂料成本将节省600万元/年，这还不包括VOC排放处理费用，对于降本增效意义重大。
参考文献
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本文转载自《天津科技》2023年11月第50卷增刊
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