汽车喷涂机器人工艺规划及作业分区研究

王海平

（1.浙江大学工程师学院，浙江 杭州 310015；2.亚欧汽车制造(台州)有限公司，浙江 台州 318057）

随着设备智能化的推进，制造业对新工厂设备柔性化生产的要求越来越高，汽车涂装生产工艺采用灵活的机器人进行喷涂已成为主流。提高机器人喷涂车身品质，并发挥好机器人喷涂的柔性，已成为汽车制造涂装车间的一个关键课题，即如何在新工厂或更新改造工厂设计规划阶段将机器人喷涂柔性与高质量的要求考虑进去，从源头上提升机器人喷涂品质和生产的柔性化。本文以某年产 25万辆[即 72 JPH(即每小时生产72辆车)]的新建工厂涂装工艺为例，研究水性B1B2涂装喷涂全自动化生产线的机器人工艺布置，结合现有的数据资源和管理经验，通过建立一套数学模型，用于估算、分析和评估现有技术方案，计算柔性化喷涂生产线需要的机器人数量，并确定最终机器人的工艺布局和每个工作站中机器人喷涂车身的工艺分区。

1 B1B2涂装机器人喷涂工艺流程

B1B2工艺，即免中涂工艺，取消了传统3C2B工艺中的中涂，主要采用具有中涂漆功能的色漆底漆来代替，使整个涂装喷涂工艺更加环保和节约成本。该新建工厂的B1B2工艺整条生产线共计8个工作站，其中机器人有5个工作站，每个工作站的机器人都是按照编好的程序自动完成喷涂作业任务，工艺流程见图1。

图1 B1B2工艺机器人喷涂流程Figure 1 Robotic B1B2 spraying process

2 机器人工艺布置估算模型

2.1 机器人工艺布置研究流程

机器人估算数学模型的建立需要结合生产中机器人喷涂管理经验，对模型进行验证、优化后才能确定，具体步骤如下：

(1) 根据数据统计原理对车身喷涂膜厚与对应的机器人喷涂参数和不同颜色涂料参数等进行统计，主要参数包括生产线设计产能、车身喷涂面积、车身膜厚、涂料固体分、喷涂TCP(工具中心点)速率、喷涂流量、喷涂重叠率、喷幅、喷涂作业效率、上漆率等。

(2) 对统计的各工艺参数相互之间的关系进行分析，通过实验、调整及验证，找出各工艺参数的对应关系，建立机器人喷涂TCP速率与对应工艺参数的数据模型和机器人喷涂流量与对应工艺参数的数据模型。

(3) 结合在实际生产过程中对喷涂机器人的管理经验，对数学模型进行优化和调整，形成一套关于机器人工艺布置估算的数学模型。

喷涂机器人工艺方案研究流程如图2所示。

图2 喷涂机器人工艺方案研究流程Figure 2 Process flow for studying the robotic spraying scheme

2.2 机器人喷涂方式的确定

机器人喷涂主要有两种方式，一种是连续式，即机器人按照既定节拍时间做动作，整个过程中车身处于连续匀速运行状态，机器人同步跟踪车身完成喷涂作业；另一种是走停式，即车身进入机器人工作区域后停止，由机器人完成车身喷涂，整个过程中车身处于静止状态，机器人处于运动状态。这两种喷涂方式的对比见表1。

表1 连续式与走停式喷涂方式对比Table 1 Comparison between continuous spraying and stop-and-go spraying

2.3 机器人工艺布置估算数学模型

2.3.1 规划工艺参数

工厂的设计产能确定后，生产线设计产能和节拍时间就会确定，在估算机器人工艺布置时需要确定车身的最大喷涂面积(内、外部)和涂料体积固体分参数。在设计喷涂机器人布置方案时，考虑到后期产能的提升，一般预留5% ～ 10%的提升空间。车身喷涂膜厚主要分为车身内部漆膜厚度和车身外部漆膜厚度，车身内外板膜厚参数有一个区间范围。在设备选型时，不同的膜厚对设备选型会产生不同的影响，一般以喷涂车身膜厚上限作为机器人选型计算的标准和依据。

与机器人工艺布置相关的主要参数见表2。

表2 机器人喷涂工艺规划参数Table 2 Parameters for planning robotic spraying process

2.3.2 机器人工艺布置估算数学模型

建立机器人喷涂数学模型是分析机器人布置方案的基础，不同型号和品牌的机器人涉及到的相应参数会有些许不同，但整体相差不大。

对于本例而言，机器人喷涂TCP速率[1]和机器人喷涂流量估算模型[2]分别如式(1)和式(2)所示。

式中v为机器人喷涂TCP速率(单位：mm/s)，A为喷涂车身面积(单位：m2)，f为喷幅重叠次数，W为机器人喷幅的宽度(单位：mm)，T为生产线节拍时间(单位：s)，t为机器人清洗换色时间(单位：s)，n为机器人数量，η为有效作业率(单位：%)，P为喷涂的涂料流量(单位：mL/min)，δ为干膜厚度(单位：μm)，M为涂料体积固体分(单位：%)，R为涂料上漆率(单位：%)。

在抛锚式教学中，教师为帮助学生完成自主学习的任务解决实际问题，会给学生提供相应的线索或者辅助材料，以此来培养学生自主学习的能力，而不是直截了当的告诉学生应该如何解决所面临的问题。在数学概念课中，学生自主学习主要是通过已知的线索去收集信息、整理信息、分析信息，从而找到解决问题的方法去解决问题。

3 机器人工艺规划及喷涂作业分区

3.1 机器人喷涂工艺设计参数

年产25万辆相当于设计产能为72 JPH，生产节拍为50 s。考虑到机器人喷涂的柔性及可靠性，同时追求车身更好的外观质量，色漆和清漆会喷涂两遍。采用双线生产，每条生产线的节拍为设计节拍的一半，即每条喷涂生产线的设计产能为36 JPH，生产线节拍为100 s，要求每台机器人的喷涂循环时间在100 s内。考虑到机器人喷涂不同颜色涂料一般需要15 s的清洗换色时间，因此机器人实际的喷涂作业时间需要控制在85 s以内。若采用走停式喷涂，还需要考虑实际车身输送时间，一般从喷涂的车身进入喷房入口开始计时，移动进入机器人喷涂区域后停止，直至用固定夹具夹紧，整个输送过程为15 ～ 20 s。

在确定机器人喷涂工艺设计参数时，鉴于涂料体积固体分越高，涂料的遮盖能力越强，因此一般以涂料固体分的下限值进行计算，而机器人喷涂的车身膜厚一般选择上限值作为计算标准。具体的机器人喷涂工艺参数见表3。

表3 机器人喷涂工艺设计参数Table 3 Designed parameters of robotic spraying process

3.2 机器人工艺方案规划

3.2.1 机器人数量的确定

目前大多数机器人在喷涂过程中的最大TCP速率可达1 000 mm/s以上，但在采用静电旋杯喷涂时，一般喷涂TCP速率控制在600 mm/s以内，TCP速率超过600 mm/s会导致上漆率降低(传输效率会变差)，造成单车涂料消耗量增高以及膜厚提升困难。大多数机器人在喷涂过程中的喷涂流量最高可达900 mL/min，但在实际采用静电旋杯喷涂的过程中，一般会控制在500 mL/min以内，超过500 mL/min会令雾化效果降低，污染会变得严重，甚至会影响车身喷涂品质。

考虑到机器人喷涂品质的波动和后期产能的提升空间，一般机器人的TCP速率和喷涂流量会预留10%调整量，因此要求v＜ 600 × 0.9 = 540 (mm/s)，P＜ 500 × 0.9 = 450 (mL/min)。

将机器人喷涂工艺方案涉及到的工艺参数代入机器人喷涂工艺数据模型进行求解，结果见表4。

表4 每个工作站机器人数量的估算Table 4 Estimation of the number of robots per workstation

每个色漆和清漆内喷工作站需要配备4台开门机器人和2台开盖机器人，而机器人喷涂流量和TCP速率还需要在现场喷涂调试中进行验证，其理论值见表5。

表5 机器人台数、喷涂流量和TCP速率的理论值Table 5 Theoretical values of robot amount, paint flow rate, and TCP moving speed

3.2.2 机器人喷涂工艺方案

图3 B1B2水性涂装工艺机器人喷涂方案Figure 3 Scheme of B1B2 robotic spraying process with waterborne paint

3.3 机器人喷涂作业分区

按照机器人喷涂的最大车身面积，在离线仿真软件上进行作业分区，经模拟验证后确定各工作站机器人喷涂车身的作业分区。BC0外部底漆工作站4台机器人的作业分区见表6。

表6 机器人喷涂BC0外部底漆作业分区Table 6 Work zone division of robots for spraying primer BC0 externally

BC1内部色漆工作站5台喷涂机器人和6台开门开盖机器人的作业分区见表7。

表7 机器人喷涂BC1内部色漆作业分区Table 7 Work zone division of robots for spraying color paint BC1 internally

BC2外部底漆工作站8台机器人的作业分区见表8。

表8 机器人喷涂BC2外部色漆作业分区Table 8 Work zone division of robots for spraying color paint BC2 externally

CC1内部色漆工作站5台喷涂机器人和6台开门开盖机器人的作业分区见表9。

表9 机器人喷涂CC1内部清漆作业分区Table 9 Work zone division of robots for spraying color paint CC1 internally

CC2外部清漆工作站6台机器人的作业分区见表10。

表10 机器人喷涂CC2外部清漆作业分区Table 10 Work zone division of robots for spraying color paint CC2 externally

4 结语

目前新能源汽车快速发展，加上智能化装备新技术快速推进，使整个汽车制造行业不断转型升级。面对未来设备智能化发展，机器人技术已经得到了广泛的应用。对于车身喷涂工艺来说，新技术、新工艺和新材料的变化势必带动机器人技术的发展，涂装工艺中灵活的、柔性化的机器人喷涂技术日益受到重视，如何让机器人喷涂技术发挥更大作用，需要对机器人喷涂技术的应用不断进行研究和探索，为保证喷涂工艺稳定和喷涂品质打下坚实基础。