汽车顶盖喷涂轨迹的优化

狄东洪

摘 要：在经济迅速发展和消费者对汽车品质需求日益提高的整体环境下，市场对汽车的喷涂质量也日益重视。随着我国综合国力的提升和技术水平的提高，汽车喷涂水平迅速提高，汽车行业的各类先进工艺技术得到了广泛应用，喷涂质量也在不断改善。然而，由于汽车喷涂工艺过程的复杂性和特殊性，汽车喷涂质量始终是值得研究的课题。为了提升喷涂质量，降低喷涂过程中人为因素引起的喷涂误差，手工作业逐渐被机器喷涂所替代。

关键词：汽车顶盖;喷涂;轨迹优化

1 相邻轨迹间涂层重叠距离计算

汽车表面进行喷涂时，由于每次喷涂的直径有限，因此需要进行多次往复循环喷涂才能完成整体平面的喷涂工艺过程。在汽车喷涂过程中，涂料经过高速旋杯式静电雾化器到达汽车顶盖时，在离心作用和静电作用下，涂料分子在各个方向上的运动速率不同，因此在喷涂表面涂层的厚度分布是不均匀的。在循环喷涂时，为了最大程度上实现整体涂层厚度的均匀性，需要将相邻喷涂轨迹进行重叠化。通过确定雾化器中心轨迹之间的距离，即可确定涂层重叠轨迹。

图1 涂层厚度叠加俯视图

图2 喷涂轨迹剖视图

直角坐标系中表示的涂层厚度叠加俯视图，如图1所示，O为雾化器中心点在工件表面的垂直投影，雾化器运动方向与x轴平行，v为雾化器移动速度方向，R为涂料经雾化器在工件表面所形成喷涂轨迹的半径值，d为2次喷涂轨迹之间的重叠距离。根据β分布模型，得到喷涂轨迹剖视图，如图2，f（r）为涂层厚度，涂层1表示雾化器沿x轴正方向运动时得到的涂层模型，涂层2表示雾化器与第一次喷涂轨迹重叠距离为d时沿x轴负方向运动时得到的涂层模型，涂层1与涂层2相交部分形成重叠轨迹，涂层厚度为涂层1厚度与涂层2厚度的叠加。

由于往复喷涂过程中，相邻喷涂轨迹之间的重叠距离均与涂层1和涂层2的叠加规律相同，因此只需对涂层1和涂层2中心点之间的涂层厚度进行研究即可。当喷涂过程中往复运动速度均匀时，对涂层叠加后才能使涂层的均匀度达到更高，因此将喷涂过程中雾化器的移动速度设置为定常数。

2 汽车表面喷涂轨迹优化模型的建立和求解

2.1 设计变量

喷涂质量由喷涂轨迹与涂层厚度决定。喷涂轨迹与喷涂路径、喷涂方向相关，涂层厚度与喷涂半径、喷涂轨迹间的重叠距离、雾化器移动速率相关。当涂料体积一定时，喷涂半径与涂层厚度成反比;喷涂轨迹间的重叠距离与涂层厚度成正比，喷枪移动速率与涂层厚度成反比。为了获得最优涂层厚度，需选择合适的喷涂半径、喷涂轨迹间的重叠距离和雾化器移动速率。

影响涂层厚度的因素是喷涂半径R、喷涂轨迹间的重叠距离d、雾化器移动速率v，当喷涂半径R和雾化器移动速率v确定后，只需优化喷涂轨迹间的重叠距离d，因此优化变量可确定为：

X={d} （1）

2.2 目标函数

保证涂层厚度合理的情况下，要求涂层厚度尽可能均匀，若以实际喷涂涂层厚度与理想喷涂涂层厚度的差值为目标函数，则存在正负差值相互抵消的情况，因此，在满足实际情况需要且尽量减少计算复杂性的基础上，取实际喷涂涂层最大厚度与最小厚度的差值进行优化，其中qmax（d）表示最大涂层厚度，qmin（d）表示最小涂层厚度，待优化的目标函数为：

（2）

2.3 约束条件

从实际角度出发，当喷涂轨迹间的重叠距离大于R，为了达到更高的涂层厚度可以通过调整喷涂半径R和喷枪移动速率v，因此喷涂轨迹间的重叠距离在完全不重叠与重叠半径为喷涂半径R之间。

2.4 计算最优重叠距离

采用单次冒泡法计算相邻轨跡间的最优重叠距离，涂层厚度与s点到雾化器中心点的距离y、重叠距离d相关。

假设雾化器与车体表面的距离为250 mm，雾化器喷涂形成的锥形涂层在车体表面形成的涂层半径R=40 cm，根据β型涂层沉积速率得：

f（d）=18（R2−d2）f（d）=18（R2-d2） （3）

在对喷涂轨迹之间的重叠距离进行优化时，先将喷涂重叠距离d的初始值设置为0，计算出各点处的涂层厚度和该喷涂重叠距离d下最大涂层厚度与最小涂层厚度差值，若喷涂重叠距离d的值不大于雾化器喷涂形成的涂层半径R，则将喷涂重叠距离d的值增加一个单位值（增加的单位值越小，计算出的最大最小涂层厚度差值越精确，选择的最优喷涂距离d的值越接近实际值），为了便于分析，选取1作为每次重叠距离d的递增值，并继续计算该喷涂重叠距离d下的各点的涂层厚度和最大涂层厚度与最小涂层厚度差值，依次对d的值进行递增和循环计算，直至喷涂重叠距离d的值大于雾化器喷涂形成的涂层半径R，此时，基于冒泡排序法的原理，采用单次冒泡排序法对以上各喷涂重叠距离下得到的最大涂层厚度与最小涂层厚度差进行比较，将各相邻涂层厚度差值进行比较，较小者存放在后者位置，第一轮比较完毕，则最小值存放在末位置。末位置的涂层厚度差为最小涂层厚度差，该情况下得到的涂层即为最优涂层，且此时的喷涂重叠距离d为最优喷涂重叠距离。

2.5 重叠距离结果分析

根据对喷涂轨迹重叠距离的优化计算，得出当涂层半径为40.0 cm时，相邻轨迹间的重叠距离最优解为24.0 cm，此时涂层最大厚度与最小厚度的差值最小，涂层均匀度最高，汽车表面喷涂质量最好。

3 结论

（1）选取β分布函数，对涂层沉积厚度模型进行研究，计算出相邻轨迹间的最优重叠距离，最大程度上实现了汽车喷涂过程中涂层厚度的均匀性。

（2）以汽车顶盖为例，获取复杂曲面的喷涂轨迹，并完成对喷涂轨迹的规划，为进一步实现对复杂曲面的喷涂轨迹优化提供了理论基础和实践指导。

参考文献：

[1]韩鸿志.高品质汽车涂装工艺及装备关键技术研究[D].天津：天津大学，2014.

[2]汤宇洋.涂装机器人喷涂模型与离线编程关键技术研究[D].镇江：江苏大学，2016.

[3]李发忠.静电喷涂机器人变量喷涂轨迹优化关键技术研究[D].镇江：江苏大学，2012.