家居木制品表面机械自动与智能喷涂技术设备分析

吴智慧， 沈忠民

(1.南京林业大学家居与工业设计学院，江苏 南京 210037；2.昆山市白玉兰家具有限公司，江苏 昆山 215345)

喷涂是通过喷枪或碟式雾化器，借助于压力或离心力，使液体涂料分散雾化成均匀而微细的雾滴，喷射到被涂物表面形成涂层的涂装方法[1]。喷涂作业生产效率高，是现今应用最普遍的一种涂装方式，广泛应用于木家具、木地板、木门、木饰面、木楼梯等家居木制品行业。喷涂作业要求环境应是无尘车间，喷涂设备有喷枪、喷涂室、干燥固化室、工件输送装置、消雾及废水废气处理设备等。喷涂的主要问题是高度分散的漆雾和挥发出来的溶剂，既污染环境，又不利于人体健康[2]。随着近年来国家环保政策的实施和企业环保意识的增强，机械自动喷涂和机械智能喷涂的涂装技术及设备得到了逐步应用，替代传统的人工手动喷涂。目前，按照涂料雾化的原理不同可分为空气喷涂、无气喷涂、静电喷涂等；按照涂装自动化程度不同可分为人工手动喷涂、机械自动喷涂、机械智能喷涂等。

1 人工手动喷涂

手动喷涂是通过操作人员手持喷枪，借助于空气压力将涂料分散成均匀而微细的雾滴后涂施于被涂物表面的一种方法。

喷枪按涂料供给方式可分为吸上式、自流式和压送式三种，如图1所示。重力自流式喷枪多适用于试验室及小批量的喷涂作业；吸上式喷枪适用面较广，但它要求涂料有较长的使用期；压送式喷枪则适用于较大规模的生产企业。

喷涂室又称喷漆室，是手动喷涂的专用场所，其主要作用是及时排除和过滤喷涂过程中产生的漆雾，保证工作环境具有一定安全和卫生的条件。喷涂室的种类很多，图2所示为干式喷漆室和湿式喷漆室(水帘柜)。

在无防护情况下进行喷涂(又称喷漆)，尤其是采用溶剂型涂料时，作业场所空气中苯、二甲苯等有机挥发物浓度相当高，对喷涂工的危害极大。因此，在传统人工手动喷涂时必须配备防护装置，同时限制工作时间，而且工作地点要有良好的通风条件。

图2 喷漆室

2 机械自动喷涂

机械自动喷涂是采用机械设备或机械手，以自动喷涂的方式来代替人工喷涂的工艺。目前主要有固定机械手自动喷涂、水平往复机自动喷涂、垂直往复机自动喷涂、自动旋杯喷涂等形式，可组成不同的自动喷涂生产线，其特点是速度快、效率高，而且喷涂均匀、品质好，适于代替人工进行大批量产品(或工件)的喷涂。

2.1 固定机械手(喷枪)自动喷涂

此种技术是将多个机械手或喷枪分别固定在机架不同位置上，对产品进行定点喷涂，适于批量大、外形一致产品(如木线条、地板、木门、木质工艺品等)的表面涂饰，并与地台、悬挂、辊筒、皮带等组成连续式自动喷涂生产线。图3(a)所示为用于木质工艺品的地台式侧置固定机械手自动喷涂线(侧置式)；图3(b)所示为用于木线条的辊筒(或皮带)式上置固定机械手自动喷涂线(上置式)。

图3 固定机械手(喷枪)自动喷涂线

2.2 水平往复机自动喷涂

此种技术是将一个或多个机械手喷枪安装在一个机头上，通过机头沿着机架上横梁做水平往复运动对产品进行喷涂，适于批量大、表面近似平面产品(如家具板件、地板、木门等)的表面涂饰，如图4所示。其中，有些设备的横梁固定，仅依靠机头沿横梁水平往复运动实现喷涂作业，适于固定式或通过式工作台的喷涂，如图4(a)；有些设备的横梁可沿机架进行水平往复运动(Y向)，与机头沿横梁进行水平往复运动(X向)协同实现喷涂作业，多用于固定式工作台的喷涂，如图4(b)；有些设备配置多个横梁和机头，适于复杂表面的涂饰，如图4(c)。有些设备还带有自动扫描装置，可对被涂产品(或工件)进行外形尺寸的识别，以调节机头往复运动幅度、喷枪离被涂工件的表面距离，减少无效喷涂，确保喷涂效率与效果；有些设备还可与前置宽带砂光机、后置的干燥机以及地台、辊筒、皮带等组成连续式自动喷涂生产线，如图5所示。

2.3 垂直往复机自动喷涂

此种技术是将一个或多个机械手喷枪安装在一个侧置的垂直机架上，通过机械手喷枪分别沿着侧置垂直机架作上下往复运动，实现对产品进行侧向喷涂，通常与悬挂吊线组成自动喷涂线，有单侧置或双侧置两种形式，如图6、图7所示。该技术适于批量大、可悬挂的产品(如家具板件、实木零部件、实木框架、木门等)的表面涂饰。有些设备还带有自动扫描装置，可对被涂产品(或工件)进行外形尺寸的识别，以调节机械手喷枪上下往复运动幅度、喷枪离被涂工件表面的距离，减少无效喷涂，确保喷涂效率与效果。

2.4 自动旋杯喷涂

此种技术是采用高速旋杯式喷枪对产品或工件进行喷涂的工艺，如图8所示。目前，无论是从提高产品质量和生产效率的角度，还是从节省涂料和减少环境污染等角度，高速旋杯式静电喷涂工艺已成为现代涂装的主要手段之一，广泛应用于各工业领域。

高速旋杯式静电喷涂工艺是将被涂工件接地，静电喷枪(或静电旋杯)接上正或负高压电，在被涂工件与静电喷枪(旋杯)之间产生高压静电场，旋杯采用空气透平驱动，可实现高速旋转。当涂料被送到高速旋转的旋杯上时，由于旋杯旋转运动产生离心作用，涂料在旋杯内表面伸展成为薄膜，并获得巨大的加速度向旋杯边缘运动，在离心力及强电场的双重作用下，通过离心雾化和静电雾化的两者相互作用，迅速破碎分裂成为极细且带电的雾滴，向极性相反的被涂工件运动，沉积于被涂工件表面，形成均匀、平整、光滑、丰满的涂膜。

使用自动旋杯喷涂可达到节省人力、厚度均匀、质量稳定、节省涂料的涂装效果。旋杯投入运行后，可节省大量的人力，中涂喷涂线基本上可实现无人操作，面漆喷涂线只需安排底色漆和清漆的内表面喷涂人员即可。旋杯喷涂厚度均匀，质量稳定，能明显改善产品的外观装饰性。手工空气喷涂的涂料利用率一般为30%～40%，而旋杯喷涂的涂料利用率一般在90%以上，节省涂料。

图4 水平往复机自动喷涂线(一)

图5 水平往复机自动喷涂线(二)

图6 垂直往复机自动喷涂线(单侧置)

图7 垂直往复机自动喷涂线(双侧置)

图8 自动旋杯静电喷涂线(悬挂吊线通过式)

3 机器人智能喷涂

机器人智能喷涂是采用喷涂机器人(又称为喷漆机器人，Spray painting robot)模仿人手和臂的某些动作功能，按固定程序对产品或工件进行自动喷漆或喷涂，如图9～12所示。

图9 机器人智能喷涂线示意图

图10 机器人智能喷涂线(非通过式)

图11 机器人智能喷涂线(地台通过式)

图12 机器人智能喷涂线(悬挂吊线通过式)

喷涂机器人属于工业机器人(或工业机械手)，主要由机器人本体、计算机和相应的控制系统组成，主要有液压、气动、电动、机械等驱动方式[3]。喷涂机器人一般采用液压驱动，其液压驱动的喷涂机器人还包括液压油源，如油泵、油箱和电机等，具有动作速度快、防爆性能好等特点[4-7]。机械手多采用5或6个自由度关节式结构，机械手臂有较大的运动空间，并可做复杂的轨迹运动，其腕部一般有2～3个自由度，可灵活运动。较先进的喷涂机器人腕部采用柔性手腕，既可向各个方向弯曲，又可转动，其动作类似人的手腕，能方便地通过较小的孔伸入工件内部，喷涂其内表面。喷涂机器人主要包括气喷涂机器人、无气喷涂机器人两种类型。

喷涂机器人将广泛用于家具和木制品生产制造的涂装工艺中。采用机器人智能喷涂的主要优点如下：

(1)喷涂机器人的机械手臂运动空间柔性和工作范围较大，可实现外表面及内表面的喷涂以及多种不同产品的混线生产。

(2)喷涂机器人可通过离线编程进行控制，或通过手把手示教或点位示数来实现示教喷涂，大大地缩短现场调试时间，易于操作和维护，生产效率高。

(3)喷涂机器人可带有前置或侧置的3D激光扫描系统+AI智能软件算法，对被涂产品(或工件)进行外形尺寸和图像的识别分析，给出涂饰方案，自动调节机械手喷枪运动幅度、喷枪离被涂工件表面距离，减少无效喷涂，确保喷涂效率与效果。

(4)喷涂机器人可与地台、支架、悬挂吊线、网带、皮带、辊筒等组成周期式(非通过式)或连续式(通过式)自动喷涂生产线，可单侧配置或双侧配置。

(5)喷涂机器人仿形喷涂轨迹精确，可保证涂膜的均匀性等，降低过喷涂量和清洗溶剂的用量，提高喷涂质量和材料使用率。

(6)喷涂机器人适合于不同类型、外形复杂或批量大产品的表面涂饰，其设备利用率高，一般可达90%～95%，而往复式自动喷涂机的利用率一般仅为40%～60%。

4 小结

喷涂是现今应用最普遍的一种涂装方式，其生产效率高，适用于手工作业及工业自动化生产。传统喷涂作业存在的主要问题是高度分散的漆雾和挥发出来的溶剂，既污染环境，又不利于人体健康。目前，随着我国环保政策的实施和企业环保意识的增强，在国内实木家具、实木整体厨柜、实木定制衣柜、实木地板、实木门等生产企业[8]，已开始采用机械设备或机械手进行自动喷涂，以及采用喷涂机器人模仿人工进行智能喷涂等方式来替代传统人工手动喷涂。随着我国家具及木制品行业智能制造和转型升级的不断推进[9-10]，机械自动喷涂和机械智能喷涂的涂装技术及设备生产线将得到广泛的应用。