涂料檢測用機器人漆膜制備系統(tǒng)設(shè)計與工藝研究

劉仲義， 吳清鋒， 陳紀文， 陳滿英， 王海霞

（廣東產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗研究院， 佛山 廣東 528300）

0 引言

涂料檢測是涂料行業(yè)的健康發(fā)展的技術(shù)保障， 也是著力提升產(chǎn)品質(zhì)量水平重要支撐。 漆膜制備是檢測的關(guān)鍵前處理過程，直接關(guān)系著涂料性能的質(zhì)量檢測結(jié)果。人工漆膜制備勞動強度大、對人體傷害大、效率低、人員操作的不穩(wěn)定性帶來的質(zhì)量差和不均勻性等； 機器人漆膜制備實現(xiàn)柔性化生產(chǎn)、涂層質(zhì)量高、油漆耗量低、節(jié)能環(huán)保、工作效率高、降低成本，同時能滿足檢測需求，解決小批量、涂料種類眾多、底材各樣的問題。

機器人進行漆膜制備是由汽車工業(yè)發(fā)展的新興技術(shù)，其在汽車領(lǐng)域應(yīng)用技術(shù)基本成熟。 譚里民等[1]論述汽車制造工業(yè)中機器人在面漆自動噴涂技術(shù)中的應(yīng)用。 孟凡彬等以噴漆機器人為例， 簡述了汽車新車型新顏色涂裝噴涂機器人的調(diào)試過程，提升了漆膜外觀品質(zhì)[2]。聶剛[3]基于工業(yè)機器人提出一種自動噴涂系統(tǒng)設(shè)計方案， 通過實驗與仿真得出適合轉(zhuǎn)向架噴涂的工藝參數(shù)。 從以上研究發(fā)現(xiàn)，噴涂壓力、噴涂距離、噴涂流量、噴涂速度等對漆膜的質(zhì)量均由較大影響。 將機器人引入質(zhì)量檢測檢驗行業(yè)起步較晚，大多是戶外或惡劣環(huán)境。

本文基于ABB IRB120，搭建了機器人涂料檢測漆膜制備系統(tǒng)，在前期研究基礎(chǔ)上[4，5]分析制備工藝對漆膜表面質(zhì)量、漆膜厚度及厚度均勻性的影響，旨在指導(dǎo)涂料檢測過程中， 利用機器人系統(tǒng)實時調(diào)節(jié)制備工藝控制漆膜質(zhì)量和漆膜厚度。

1 系統(tǒng)及實驗設(shè)計

1.1 機器人漆膜制備系統(tǒng)

為解決人工噴涂存在的問題，實現(xiàn)自動化漆膜制備，需完成樣板的自動化上下料，小用量涂料的供給和更換。本系統(tǒng)主要有六大模板組成：上料模塊、噴涂模塊、下料模塊、供氣模塊、監(jiān)控模塊和控制模塊。

選用重復(fù)定位精度為±0.01mm 的ABB IRB 120 六自由度機器人，采用注射器式噴頭結(jié)構(gòu)，通過滑動平臺式上底材結(jié)構(gòu)、升降式上涂料/取樣板機構(gòu)，基于ARM Cortex-A7 四核CPU 架構(gòu)的工業(yè)電腦加載10 寸電容觸摸屏，對外圍所有設(shè)備進行控制與監(jiān)控， 負責(zé)對各硬件機構(gòu)實現(xiàn)自動化噴涂工作，并對他們進行工作的分配與協(xié)調(diào)、各自反饋信息接收、數(shù)據(jù)分析處理、工藝流程、動作實時監(jiān)控及控制，系統(tǒng)實物圖如圖1 所示。

圖1 機器人漆膜制備系統(tǒng)實物圖Fig.1 Robot paint film preparation system physical map

對系統(tǒng)進行調(diào)試和試驗驗證，噴涂效果如圖2，由圖可知，人工噴涂質(zhì)量較差，使用機器人涂料檢測漆膜制備系統(tǒng)后，噴涂質(zhì)量得到明顯改善，驗證了系統(tǒng)的合理性。

圖2 人工噴涂和機器人漆膜制備系統(tǒng)比對圖Fig.2 Comparison of manual spray coating and robotic paint film preparation systems

1.2 漆膜制備工藝

基于涂料檢測的需求，通過實驗摸索， 參數(shù)如表1。

1.3 漆膜性能測試

漆膜表面質(zhì)量 （平整度、 流掛現(xiàn)象、 表面效果等）視檢。

采用超聲波測厚儀和涂層測厚儀測量樣板的漆膜厚度， 每塊板材測量9個點， 計算厚度標準差作為均勻性的考核指標。

表1 制備工藝參數(shù)表Tab.1 Table of preparation process parameters

2 結(jié)果分析與討論

2.1 噴涂流量對漆膜性能的影響

設(shè)置試驗：對白櫸貼面膠合板，噴涂流量為0.4ml/s、0.5 ml/s、0.6 ml/s。 對磷化鋼板，噴涂流量為0.2ml/s、0.3 ml/s、0.4ml/s，分別對表面質(zhì)量、漆膜厚度和均勻性進行分析。

2.1.1 噴涂流量對表面質(zhì)量的影響

對白櫸貼面膠合板效果如圖3。 由圖1 可知，噴涂系統(tǒng)制備的漆膜表面質(zhì)量均較好， 平整度和表面效果較理想，無明顯流掛現(xiàn)象，該系統(tǒng)搭建合理。 隨著噴涂流量的增加，漆膜表面不存在顆?，F(xiàn)象，漆膜覆蓋更好，從圖3（a）可知，當流量為0.4ml/s 時，表面有輕微的失光現(xiàn)象。當噴涂流量較低時，一次成膜過薄，表面質(zhì)量溶劑揮發(fā)性會增大，流平性差，表面易出現(xiàn)桔皮、失光等漆膜缺陷。 隨著噴涂流量的增加，表面缺陷減少，但過厚容流掛等缺陷。磷化鋼板效果如圖4 所示。

圖3 不同噴涂流量的白櫸貼面膠合板噴涂效果圖Fig.3 Spray effect map ofwhite beech veneer plywood with different spraying flows

圖4 不同噴涂流量的磷化鋼板噴涂效果圖Fig.4 Spray effect map of phosphating steel plate with different spraying flows

圖4 也驗證了機器人噴涂系統(tǒng)的合理性，表面質(zhì)量良好。 隨著噴涂流量的增加， 當流量達到0.4ml/s 時，表面出現(xiàn)不明顯的流掛現(xiàn)象， 這是因為隨著噴涂流量的增加，一次成膜厚度會增加，過厚易出現(xiàn)流掛、發(fā)花等漆膜異?，F(xiàn)象。

2.1.2 噴涂流量對漆膜厚度和均勻性影響

噴涂厚度和標準差如表2，變化見圖5。

在設(shè)置好噴漆壓力、距離、速度和次數(shù)后，噴涂流量是影響漆膜厚度的最重要原因。從表2、圖5 明顯可知，隨著噴涂流量的增加，漆膜厚度增加。 由圖中可看出，不同漆膜的噴涂流量與漆膜厚度的關(guān)系不同， 對于磷化鋼板來說，噴涂流量和漆膜厚度呈線性關(guān)系；有研究表明[6]，噴涂流量和漆膜厚度呈線性關(guān)系， 白櫸貼面膠合板未呈線性關(guān)系，可能與所用底材的質(zhì)量有關(guān)。這種直觀的線性關(guān)系，能較好地指導(dǎo)后續(xù)進行漆膜制備。

表2 噴涂流量對漆膜厚度和均勻性的影響Tab.2 Influence of spray flow on film thickness and uniformity

圖5 噴涂流量對噴涂厚度的影響Fig.5 Effect of spray flow on spray thickness

從表2 還可知， 隨著噴涂流量的增加， 漆膜厚度增加，厚度標準差均不大，表明噴涂質(zhì)量較好。 從厚度標準差可知，值均先減小后增大，說明漆膜均勻性隨著噴涂流量的增加先變好后變差，這與圖3、圖4 的表面質(zhì)量結(jié)果一致。當噴涂流量較低和噴涂流量較高時，均會出現(xiàn)一定程度的缺陷，導(dǎo)致了漆膜厚度均勻性變差，從而在表面質(zhì)量上體現(xiàn)出來。

2.2 不同底材和涂料對漆膜性能的影響

一般來說，涂料根據(jù)使用性能的不同，所對應(yīng)的底材也不同，因均選用水性漆進行漆膜制備，降低涂料對工藝的研究，分析不同底材對漆膜性能的影響。設(shè)置試驗：對白櫸貼面膠合板、磷化鋼板、馬口鐵板分別進行噴涂，噴涂流量為0.4ml/s，對表面質(zhì)量、漆膜厚度和均勻性進行分析。

2.2.1 底材對表面質(zhì)量的影響

白櫸貼面膠合板、磷化鋼板、馬口鐵板噴涂效果見圖6。由圖6 可知， 磷化鋼板和馬口鐵板較白櫸貼面膠合板的噴涂表面質(zhì)量效果好，經(jīng)過大量試驗表明，金屬底材（金屬漆）噴涂工藝更好控制，且規(guī)律較明顯，這與金屬底材本身表面質(zhì)量較好有很大關(guān)系。由圖6 也可知，磷化鋼板和馬口鐵板的表面光澤度好， 且缺陷較白櫸貼面膠合板少，木板底材表面木毛、木刺會造成噴涂填充困難；含水率也較金屬板高容易造成涂料濃度降低， 木板還較金屬底材易受環(huán)境溫濕度的影響，從而影響噴涂效果。

圖6 不同底材的噴涂效果圖Fig.6 Spray effect map of different substrates

2.2.2 不同底材和涂料對漆膜厚度和均勻性的影響

白櫸貼面膠合板、磷化鋼板、馬口鐵板漆膜厚度和標準差見表3。

使用同樣的噴涂流量、噴涂次數(shù)發(fā)現(xiàn)，不同底材噴出來的厚度是不同的，其中馬口鐵板的漆膜厚度最厚，金屬底材的漆膜厚度較木材的厚， 這與上述分析的木板表面質(zhì)量相對較差的原因一致， 表面含水量和易受環(huán)境溫濕度的影響，可能導(dǎo)致了噴涂厚度的下降，而表面毛刺等現(xiàn)象可能導(dǎo)致了均勻性較差。從表3 的厚度標準差可看出，白櫸貼面膠合板＜馬口鐵板＜磷化鋼板， 可知金屬底材的均勻性好于木底材，磷化鋼板最好，這與底材表面質(zhì)量有較大關(guān)系，木底材表面毛刺等現(xiàn)象導(dǎo)致了均勻性較差。

表3 底材對漆膜厚度和均勻性的影響Tab.3 Effect of substrate on film thickness and uniformity

為了進一步分析涂料對漆膜性能的影響， 選用油性漆和水性漆在白櫸貼面膠合板進行噴涂， 噴涂流量和噴涂次數(shù)一致，噴涂效果如圖7，厚度和漆膜均勻性見表4。

圖7 不同涂料的噴涂效果圖Fig.7 Spray effect of different coatings

從圖7 可知，油性漆噴涂的表面更加細膩光滑，光澤度更好，對于同一種底材（木材），水性漆表面豎狀條紋較多，而油性漆噴涂后較少。

表4 涂料對漆膜厚度和均勻性的影響Tab.4 Effect of coatings on film thickness and uniformity

由表4 可知，油性漆和水性漆在同一種底材、同一種噴涂流量、同一種噴涂次數(shù)下，漆膜厚度基本一致，說明油性漆和水性漆對漆膜厚度影響不大。 兩種漆料噴涂的厚度標準偏差油性漆大于水性漆， 水性漆噴涂的均勻性較油性漆噴涂更好。 這是因為水性漆的流平性較油性漆好，耐候性更好，故測得的漆膜厚度均勻性也較好。

3 結(jié)論

對漆膜厚度和性能影響較大的因素噴涂流量、底材、水/油性漆進行機器人漆膜制備，分析了對表面質(zhì)量和漆膜厚度和均勻性影響，得出結(jié)論如下：

在其他影響漆膜性能和厚度的因素相同的條件下，隨著噴涂流量的增加，漆膜厚度也增加，基本為線性遞增關(guān)系， 漆膜表面質(zhì)量和均勻性則是先隨著噴涂流量的增加而變好，當噴涂流量增加到一定時，則有下降的趨勢。

對于水性漆而言， 金屬底材的噴涂質(zhì)量較木底材的好； 其他工藝一致的情況下， 不同底材噴出來的厚度不同，金屬底材的漆膜厚度較木材厚。

油性漆和水性漆在其他工藝相同的情況下， 漆膜厚度基本一致，水性漆噴涂的均勻性較油性漆噴涂更好。