机器人喷涂水性漆时滴漆问题的解决

刘国锋*，杨光董峰，倪顺煌王瑞东

（1.杭州长江汽车有限公司，浙江 杭州 311100；2.内蒙古第一机械集团有限公司第六分公司，内蒙古 包头 014030）

涂装车间是汽车制造环节中的耗能及污染大户，能耗占60%，VOC(挥发性有机化合物)排放占95%，CO2排放占60%[1]。随着消费者对汽车外观质量要求的提高和国家环保法规的日益完善，高效的机器人涂装结合水性漆的应用无疑成为各汽车品牌的最佳选择，既满足了快速更换产品外观、个性化的要求，又有利于达到“节能降耗，绿色环保”的目的。近年来，不仅新建的汽车涂装线基本都采用机器人水性涂装工艺，而且一些老式的溶剂型涂装线也在加紧进行水性改造。

水性涂料代替溶剂型涂料已是大势所趋，但其对喷涂参数的要求较为苛刻。在静电旋杯的选择中，理论上直接(内部)带电方式和间接(外部)带电方式的旋杯都可以用来喷涂水性涂料，但考虑到生产中的安全性和成本，通常选用技术较为成熟的后者。然而在现场施工中，中涂和色漆常常存在滴漆现象。首先是旋杯静电发生器(也被称为手指)侧针处开始积漆，很快扩展到静电发生器头部靠近雾化器的一侧，随着积漆越来越多，它们会在机器人运动中掉在被喷涂物的表面，形成水滴状漆滴。因色漆在闪蒸后漆膜并未完全干燥，故无法处理该缺陷。随后在喷涂罩光清漆及干燥后，色漆层会出现水滴状弊病，且很难消除，一般情况下都需要返工。本文针对上述滴漆问题进行了讨论，并给出了解决该问题的有效措施。

1 问题描述

在发生问题的现场，整条生产线按照高级商务车的要求进行设计，采用较为流行的3C2B(3涂2烘)工艺；中涂和色漆采用PPG专供水性漆，罩光采用PPG双组分高温清漆；中涂和色漆的喷涂分别采用4台和8台安川EXP2700喷漆机器人，配备外加电的SAMES PPH707型双放电针形式旋杯静电发生器(如图1所示)，端针为雾化的涂料荷电，侧针形成一个小电场来避免成型罩受污染(即防止积漆)。但在实际使用中，每次电极的积漆却都是从侧针处开始，然后扩大，最终形成旋杯滴漆。

在油漆供应商的协调下，对多个乘用车主机厂类似的涂装线进行了调研，具体情况见表 1。相比于采用类似外加电旋杯的水性机器人喷涂现场，虽然都存在滴漆问题，但是本现场的滴漆及旋杯维护频次更高，尤其在喷漆室湿度高于65%时，尽管温度符合规定(21 ～ 25 °C)，滴漆现象却更加明显，严重影响到产品的涂装质量及生产进度。

表1 机器人喷涂水性漆的现场要求与实际情况Table 1 On-site requirements and actual situation of robotic water-based paint spraying in the investigated plant

2 原因分析

2. 1 所用旋杯类型

与溶剂型涂料相比，水性涂料的电阻较小，采用传统的静电内加方式会漏电，因此目前普遍采用外加电旋杯。机器人旋杯在高压空气的推动下高速旋转，涂料被送到高速旋转的旋杯上时，由于高速旋转产生的离心作用，涂料在旋杯的表面被伸展成薄膜，并获得巨大的加速度，向旋杯边缘运动，然后被旋杯扩口边的锯齿切割成微小的漆滴，从而雾化。内加电旋杯喷出的涂料本身就已带有负电荷，在成型空气的推动和电场作用下直接吸附到接地的被涂物上。而从外加电旋杯甩出的雾化漆滴并不带电，当经过外静电发生器形成的电场时才荷电，继而在成型空气和电场力的作用下吸附到接地的被涂物上。因为是间接荷电，所以只有一部分漆滴荷电，而没有荷电的漆滴在成型空气的作用下更容易附着在电极和雾化器上，从而形成积漆。积漆一旦开始，就会不断加快，积累到一定程度时便会形成漆滴。因此积漆是使用外加电旋杯喷涂水性漆时不可避免的。机器人内加电和外加电旋杯的原理及优缺点比较见表2。

2. 2 喷漆环境

水性漆本身对施工的湿度比较敏感，在静电发生器已产生积漆后，湿度的微小变化会进一步令积漆加剧。但湿度在现场又不可能无限度地降低：首先，水性漆的最佳喷涂相对湿度为60% ～ 70%，湿度过低会增大涂料的黏度，导致漆膜光泽不良；其次，降低湿度在南方的夏天很难实现，若刻意为之，则须对空调系统进行改造，经济性和可行性都是问题。

另外，喷漆室的风速、风向若存在问题，风量便不均衡，就会存在乱流，容易将漆雾吹到旋杯上造成异常附着，污染旋杯。

表2 内加电旋杯和外加电旋杯的比较Table 2 Comparison between internally and externally charged rotary bells

2. 3 旋杯成型空气

机器人自动喷涂中，旋杯成型空气主要起到增强涂料雾化的效果，更好地调整雾幅(扇面)状态，以及在一定范围内防止漆雾乱飘的作用。若成型空气过大，由于压缩空气流较大，因此增加了被喷到被涂物表面时的漆雾反弹，一部分反弹的漆雾必然会附着在旋杯及静电发生器上，从而造成污染。

2. 4 机器人仿形

机器人在运行轨迹中有卡顿停滞现象或施工中旋杯与车身未时刻保持垂直，也会造成漆雾的异常附着及飘散。这主要是因为：卡顿停滞会使漆滴相对干得快，然后粘附于旋杯表面，这是造成旋杯污染的诱因；而旋杯的喷涂角度若与车身不垂直，倾斜的姿态会使飘散中的漆雾异常附着在静电发生器上的概率增大。一般情况下，机器人在卡顿停滞的情况下，控制系统都会发出报警，但在实际生产中，机器人的运行本身正常，从积漆到滴漆的过程中并未出现异常报警，因此可以排除这一点。

2. 5 维护保养情况

根据机器人维护要求，在清洗雾化器外表面、成型空气罩外表面和杯头外表面时，需用不脱毛的无纺布配合小毛刷蘸取与油漆配套的水性溶剂进行清洗。但水性溶剂挥发慢，相当于间接地使擦拭部位的相对湿度增大，在施工中更容易诱发漆雾的污染。

通过与机器人以及涂料的供货商合作，在现场测试机器人的性能，在不同环境下进行喷涂试验，调整机器人仿形，以及细化日常维护，最终确定滴漆的产生是采用外加电旋杯的必然结果，而喷漆室环境风紊乱以及日常维护存在误区加剧了其发生。

3 解决措施

3. 1 对外置静电发生器进行优化

将目前用的双针静电发生器逐渐更换为单针静电发生器，仍在使用的双针静电发生器用电工胶带对侧针进行绝缘屏蔽(见图 2)，并定期更换电工胶带，从而减少漆雾的异常吸附。同时定期用高压探测器检测机器人的电压，并适当调整，令其保持在标定值的±3 kV以内，从而保证静电效果(上漆率)。

3. 2 调整喷漆室的风速

喷漆室原来设定的垂直风速为0.26 m/s，水平风速为0.12 m/s，漆雾下降速度较慢。鉴于车身较大，将垂直风速调整为0.40 m/s，水平风速降至0.10 m/s以下，使喷漆室环境得到了改善，漆雾可以快速沉降。

图2 屏蔽侧针后的静电发生器的照片Figure 2 Photo of an electrostatic generator after shielding its side needles

3. 3 对成型空气进行调整

为减少漆雾在被涂物表面的反弹，令机器人的成型空气减少10 ～ 20 NL(标准升)。需要注意的是：在调整时一般以10个NL为一个节点，最大不超过10%；同时要根据调整后的喷涂效果，对出漆量进行相应的调整。

3. 4 对机器人仿形进行微调

在机器人厂家专业人员的帮助下，对几处旋杯与车身平面之间的角度有明显偏差的地方进行了调整，使旋杯的喷涂角度尽可能地与车身表面保持垂直。

3. 5 破除机器人日常维护中的误区，规范维护要求

将清洗用的水性溶剂更换为挥发快的油性溶剂，并在擦拭后用压缩空气加速其挥发。

4 结语

在现场实施以上措施后已生产了400多台车，未发生一起水性中涂或面漆的滴漆故障，并且在工艺规定的温度(21 ～ 25 °C)和相对湿度(65% ～ 70%)的范围内都可正常生产，旋杯的维护也做到了每班(8 h)一次，很好地解决了困扰现场生产已久的频繁滴漆问题。