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喷涂机器人及其在工业中的应用

日期:2020-11-20 人气: 来源:www.zr-abb.com 作者:ABB机器人维修

简介:随着技术的发展和社会的进步,提高漆膜性能、提高喷涂效率和涂料利用率、降低VOC排放、提升涂装工人作业环境受到广泛关注,喷涂机器人作为一项重要技术保障成为争相研发及应用的热点。目前,一些对漆膜性能要求高、同种工件数量大、利润率高的行业已经广泛采……
  
  随着技术的发展和社会的进步,提高漆膜性能、提高喷涂效率和涂料利用率、降低VOC排放、提升涂装工人作业环境受到广泛关注,喷涂机器人作为一项重要技术保障成为争相研发及应用的热点。目前,一些对漆膜性能要求高、同种工件数量大、利润率高的行业已经广泛采用喷涂机器人替代人工进行喷涂作业,如汽车及其零部件、3C、家具等行业。然而,在市场更加广阔的一般工业中喷涂机器人的普及率较低。本文总结了喷涂机器人技术特点,列举了几种典型结构喷涂机器人,并根据重点行业阐述了喷涂机器人在工业中的应用现状。
  当前,以智能制造为主导的第四次工业革命悄然而至,德国的工业4.0、美国的工业互联网以及中国制造2025均是针对这次工业革命的战略构思。中国制造2025是自动化和信息化两化融合的过程,工业机器人凭借其自动化、柔性化、智能化的生产特点,成为智能制造中不可或缺的重要部分。根据应用形式不同,工业机器人可分为搬运机器人、码垛机器人、焊接机器人、打磨抛光机器人、喷涂机器人等。
  涂装是产品制造的一个重要环节,关系着产品的外观质量,不仅赋予产品优良的防护、装饰性能,而且也是产品价值的重要构成因素。喷涂是涂装技术的重要工艺,喷涂房环境恶劣,涂料中的挥发性有机物、粉尘严重影响工人身体健康;同时,人工喷涂在漆膜性能、喷涂效率、涂料利用率方面的瓶颈日益显现。因此,采用喷涂机器人替代人工喷涂是必然趋势,喷涂机器人也成为了应用热点。
  目前,喷涂机器人已经广泛用于汽车整车及其零部件、电子产品、家具的自动喷涂。未来,以喷涂机器人为重要代表的新型设备与新型涂料、新工艺相互促进、相互发展所引发的涂装技术变革,将会更好的服务于国民经济各个行业。与此同时,喷涂机器人作为工业机器人中的一员,也会成为涂装领域自动化和信息化进程的重要推动力量。
  1 喷涂机器人研发现状
  1.1 喷涂机器人特点
  喷涂机器人有着独特的工作特点,除了具备机器人的共性功能外,还需具备如下特点方能满足工业化的应用需求。
  1)防爆功能
  涂料中的可挥发性有机物(丙酮、甲苯、二甲苯、乙醚等)在密闭的喷涂房中形成具有潜在爆炸的气体环境,喷漆区内爆炸性气体环境为1区危险区域,爆炸性粉尘环境为21危险区域,故喷涂机器人置于喷涂房中的执行部分(机器人本体)需要具有防爆功能。
  2)斜交/直线形非球型中空手腕(4、5、6轴)结构
  喷涂狭小空间或工件内表面时,斜交/直线形非球型中空手腕结构喷涂机器人运动学特性优于正交球型手腕结构机器人(焊接机器人采用的结构形式),喷枪姿态可快速灵活变换。另外,涂料管路置于中空手腕内部,避免了4、5、6轴运动过程中管路发生缠绕及位置干涉,同时也在某种程度上防止了涂料管破裂污染工件。
  3)喷涂设备集成度高
  喷涂方式体系多样,根据供料压力可划分为低压喷涂方式和中高压喷涂方式。空气(静电)喷涂、静电旋杯喷涂属于低压喷涂方式,涂料颗粒雾化效果好、装饰性好,广泛用于汽车及其零部件的涂装;混气/空气辅助(静电)喷涂、无气喷涂属于中高压喷涂方式,涂料流量大,一次成膜厚度大,涂装效率高,广泛用于一般工业的涂装。
  在汽车工业应用中,为了提高喷涂节拍,减少清洗管路的时间和溶剂消耗量,在低压喷涂系统引入了换色模块、双组份在线精确配比模块,并且由于低压供料的特点,各种模块体积小、集成度高,通过气体控制阀芯通断,可安装在喷涂机器人小臂内部或机器人附近区域,成为与喷涂机器人集成度最高的喷涂设备。
  4)喷涂工艺软件
  针对集成度较高的喷涂设备,喷涂机器人可通过喷涂工艺软件进行喷涂点工艺参数(涂料流量、雾化空气压力、扇幅空气压力等,包括开关量和模拟量)的快速控制及喷涂过程(清洗、换色)的快速控制。
  5)智能跟随
  为了提高生产节拍,喷涂过程中悬挂链(或其他输送设备)不停止,喷涂机器人需跟随悬挂链进行自动喷涂。因此,喷涂机器人需具备智能跟随的功能,即采用静态表面喷涂轨迹的示教或离线编程,在自动喷涂作业时,在工件移动方向给出一个速度值,机器人根据该速度自动规划出新的喷涂轨迹。
  6)离线编程工作站
  喷涂作为一种表面处理工艺,需要喷涂机器人对工件表面进行整体喷漆。在有些应用中,示教工作是非常复杂甚至不可能实现的。采用离线编程工作站将工件表面点离散,然后生成喷涂机器人的运动轨迹,不但提高了喷涂机器人运动轨迹生成效率,也提高了项目的可实施性。
  1.2 喷涂机器人优势
  1.2.1 技术性优势
  喷涂机器人凭借其优异的运动学控制和喷涂工艺参数的快速精确控制,具备如下技术性优势:
  1)漆膜性能好:通过涂料流量、雾化空气压力、扇形空气压力、机器人行走速度的协同控制,保证了漆膜的性能及均匀一致性;
  2)涂料利用率高:机器人行走轨迹精度高、速度均匀,扇形叠加量一致,有效避免了过喷、漏喷及无效喷涂现象,提高了涂料利用率;
  3)喷涂效率高:可24小时无间断工作,大大提高了生产效率。
  1.2.2 机器属性优势
  喷涂环境非常恶劣,喷涂作业十分枯燥,喷涂机器人作为一种智能化的机器,相比于喷涂工人具有如下属性优势:
  1)不需要培训就成为熟练工,直接上岗;
  2)不会出现因疲劳作业导致产品合格率下降;
  3)使用机器人代替人工,更容易安排生产计划;
  4)不在乎工作是否单调重复还是复杂难干,服从指挥,没有怨言。
  1.3 喷涂机器人发展现状
  按照机器人手腕(4、5、6轴)结构形式的不同(1、2、3轴结构与焊接机器人无本质差别),喷涂机器人可分为正交球型手腕喷涂机器人、直线形非球型中空手腕喷涂机器人、斜交非球型中空手腕喷涂机器人。
  1.3.1 正交球型手腕喷涂机器人
  正交球型手腕结构喷涂机器人除了具备防爆功能外,其手腕结构与通用六轴关节型工业机器人相同,4、5、6轴为正交球型结构,即一个摆动轴、2个旋转轴,三个轴线相交于一点且两相邻关节的轴线垂直,具有代表性的国外产品有ABB公司的IRB52喷涂机器人,国内产品有新松公司的SR35A喷涂机器人。
  1.3.2 直线形非球型中空手腕喷涂机器人
  直线形非球型中空手腕结构喷涂机器人4、5、6轴为三个回转轴,且三个回转轴可重合为一条直线,具有代表性的为ABB公司开发的IRB5400、IRB5500喷涂机器人。
  1.3.3 斜交非球型中空手腕喷涂机器人
  斜交非球型中空手腕结构喷涂机器人4、5、6轴为三个回转轴,且三个回转轴相交于两点的形式,具有代表性的为国外YASKAWA、KAWASAKI、FUNAC公司开发的喷涂机器人。
  2 喷涂机器人在工业中的应用
  2.1 汽车行业
  汽车工业凭借其产量大、节拍快、利润率高等特点,成为喷涂机器人应用最广泛的行业,汽车整车、保险杠的自动喷涂率几乎100%。石雨磊等的应用表明,喷涂机器人在汽车涂装中的应用会大大降低流挂、虚喷等涂膜缺陷,漆面的平整度和表面效果等外观性能得到明显提升。同时,受汽车工业应用需求的驱动,喷涂工艺软件包和离线编程工作站得到了较为完善的开发,并发挥出了重大作用。
  此外,喷涂机器人在客车及重卡驾驶室喷涂也有一定的应用。比如李抗战等人将喷涂机器人用于喷涂重卡驾驶室中涂漆、面漆及罩光漆。应用表明,采用喷涂机器人提高了涂装的外观质量,油漆及辅料消耗量减少了40%以上,大大降低了涂装的生产成本。吉学刚等研究了喷涂机器人在客车涂装中的经济效益,研究表明,若单体喷漆室机器人投资700万元,预计2年左右即可完全收回总投资。
  2.2 3C行业
  3C行业涉及电脑(Computer)、通讯(Communication)和消费电子(Consumer Electronic)三大产品领域,要求喷涂机器人体积小、动作灵活。桌面型喷涂机器人在笔记本电脑、手机等产品外壳喷涂发挥出了重要作用,有效缓解了企业招工难等问题。
  2.3 家具行业
  随着人们对绿色生活的追求,木器家具广泛使用水性涂料。形状较规则的桌板、门板已广泛采用水性漆滚涂线生产,而对于形状不规则的桌腿等工件,喷涂机器人成得到了一定程度的应用,图4所示的为喷涂机器人用于桌腿棕色颜料的自动喷涂。
  2.4 卫浴行业
  卫浴产品主要包括陶瓷卫浴产品和亚克力卫浴产品。陶瓷卫浴产品由陶瓷瓷土烧结而成,外表面制备陶瓷釉面;亚克力卫浴产品是指玻璃纤维增强塑料卫浴产品,其表层材料是甲基丙甲酯,反面覆上玻璃纤维增强专用树脂涂层。
  目前,陶瓷卫浴产品表面釉料的喷涂已广泛采用机器人喷涂;亚克力卫浴产品表面玻璃纤维增强树脂材料的喷涂也有一些企业在研究采用喷涂机器人。随着玻璃纤维增强塑料复合材料在卫浴、汽车、航空航天、游艇等的广泛应用,喷涂机器人将会发挥出更大的作用。
  2.5 一般工业
  一般工业涵盖了机械制造、航空航天、特种装备等工业领域,其工件形状复杂、尺寸多变、同种工件数量少,喷涂机器人的应用比较困难。但随着技术的进步,这一领域有着巨大的市场应用空间。
  目前,喷涂机器人在该行也开展了小范围的应用。杨大芳等采用喷涂机器人进行拖拉机底盘的自动涂装,应用表明,喷涂机器人大幅提高了拖拉机底盘面漆的喷涂质量,改善了拖拉机的品质。刘亚威等在文献中报道了喷涂机器人在美国第五代隐身战机F-35表面制备涂层的应用。应用表明,喷涂机器人喷涂的涂层效果极好,厚度变化范围远小于人工喷涂的涂层。
  3 展望
  喷涂机器人已广泛用于汽车、3C、家具等行业,取得了良好的经济效益和社会效益。展望未来,喷涂机器人会在如下方面引领涂装技术的变革和推动涂装行业自动化和信息化进程。
  1)喷涂机器人应用由传统汽车工业向新能源汽车、轨道客车及一般工业过度。近年来,新能源汽车及高铁工业发展迅速,喷涂机器人凭借汽车行业的技术积累,同时因地制宜的配套涂料和设备,能够很快的进入该领域;一般工业有着巨大的发展空间,漆膜要求比较厚但装饰性要求会相应降低,喷涂机器人结合空气辅助/混气静电喷涂方式有望在该领域发挥重要作用。另外,特种装备的涂装由于其独特性也会成为喷涂机器人的重要应用方向。
  2)喷涂机器人由传统机械臂向“人”概念的过度。目前喷涂机器人大多仅仅作为机械臂使用,在高柔性化、高智能化领域的应用较少。未来,喷涂机器人技术与视觉识别、在线检测等先进技术融合,对涂装线工件进行型号识别、位置偏差补偿、3D建模、漆膜性能在线检测,真正由机器进入“人”的阶段。
  3)喷涂机器人由国外垄断向国产化的过度。喷涂机器人的高准入门槛导致国外喷涂机器人处于垄断地位,机器人价格较高,售后服务成本高。未来,一系列的国产喷涂机器人凭借其独特的优点定会在国内市场上赢得先机,让自主品牌喷涂机器人见证我国涂装产业的巨大变革。