簡述噴涂機器人新車型調(diào)試過程

丁太節(jié)

摘 要：按照噴涂機器人導(dǎo)入新車型需要做的步驟，對離線軌跡、噴幅測試及仿形示教進行了詳細介紹，同時也對調(diào)試過程中會遇到的色差、橘皮等問題進行了分析，并提出了相應(yīng)的解決措施。

關(guān)鍵詞：噴涂機器人;離線軌跡;坐標(biāo)系;工藝調(diào)試

中圖分類號：TP242.2 ?文獻標(biāo)識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）14-162-04

Abstract： According to the steps required for the introduction of spraying robot into the new model， the off-line track， spraying amplitude test and copying instruction are introduced in detail. Meanwhile， the color difference， orange peel and other problems encountered in the debugging process are analyzed， and the corresponding solutions are put forward.

Keywords： Spraying robot; Off-line track; Coordinate system; Process debugging

CLC NO.： TP242.2 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）14-162-04

引言

目前各品牌的汽車制造企業(yè)對于機器人的投用越來越多，這極大程度的解放了各種高危、高風(fēng)險領(lǐng)域的人工勞動力，尤其在噴涂領(lǐng)域，噴涂機器人不僅提高了生產(chǎn)效率和油漆利用率，還保證了良好穩(wěn)定的品質(zhì)輸出，為工廠和環(huán)境帶來極大利益。那么如何調(diào)試機器人，使機器人適應(yīng)不同的現(xiàn)場呢？通常新車型進入涂裝，主要經(jīng)歷以下幾個環(huán)節(jié)：涂布理論計算、噴涂軌跡設(shè)計、開關(guān)槍設(shè)計、姿態(tài)示教調(diào)整、干仿示教、參數(shù)分配、濕膜調(diào)試、固化及小批量生產(chǎn)，最終進入量產(chǎn)階段。下面以ABB噴涂機器人為例，淺談一些關(guān)于新車型項目的工藝調(diào)試過程。

1 調(diào)試過程—干調(diào)

1.1 離線軌跡設(shè)計

編輯離線程序前應(yīng)先考慮節(jié)拍以及走槍方式，單車節(jié)拍由前后車之間距離、滑橇長度以及鏈速決定，設(shè)計程序的運行時間應(yīng)小于單車節(jié)拍，因為要預(yù)留機器人空槍以及清洗換色的時間。外表面走槍方式可分為兩種，平行與輸送方向為橫噴，適用于低鏈速、空間大的環(huán)境，有利于表面質(zhì)量的控制;垂直與輸送方向的為豎噴，適用于高鏈速、噴房較緊湊的環(huán)境。

1.2 離線軌跡制作

離線軌跡的制作主要從三方面入手，即軌跡規(guī)劃、路徑規(guī)劃和姿態(tài)規(guī)劃：

a）軌跡規(guī)劃需根據(jù)工件結(jié)構(gòu)、面積或單件任務(wù)需求等將任務(wù)分為若干自程序，并分配給各機器人。

b）路徑規(guī)劃，首先要保證噴涂重疊率，一般軌跡間距設(shè)定100mm-150mm，噴涂距離200mm-300mm，噴涂速度視實際情況而定，外表噴涂一般不超過800mm/s，另外還要考慮走槍邏輯，方便各自程序之間的銜接，以及工件某些需要特殊關(guān)注的部位要提前考慮進去。

c）姿態(tài)規(guī)劃，為了漆膜的均勻和質(zhì)量，一般來講噴涂方向要與被噴涂面垂直，所以實際在一些過渡點、轉(zhuǎn)角等位置容易出現(xiàn)機器人前后兩點間姿態(tài)變化過大的情況，這不僅會磨損硬件，也可能掉落漆渣等雜質(zhì)，所以在離線軌跡制作過程中要盡量調(diào)整好各種過渡點的姿態(tài)轉(zhuǎn)換，尤其注意要避免出現(xiàn)奇異點或者與之相近的姿態(tài)，否則會導(dǎo)致機器人死軸。

離線程序制作完成后，需要導(dǎo)入Robot Studio軟件中進行仿真模擬，解決模擬時出現(xiàn)的報錯，或者優(yōu)化一些不良姿態(tài)。

1.3 坐標(biāo)系介紹

ABB噴涂機器人涉及的坐標(biāo)系共有五種，分別為：大地坐標(biāo)系、機器人基坐標(biāo)系、工具坐標(biāo)系、工件坐標(biāo)系和用戶坐標(biāo)系。

a）大地坐標(biāo)系World Frame，作為其他坐標(biāo)系參考的全局基準(zhǔn)，是系統(tǒng)中的自定義位置和方向，必須由操作員決定其位置。

b）機器人基坐標(biāo)Robot Base Frame，確定了相對于大地坐標(biāo)的機器人位置和方向。基坐標(biāo)零點位于機器人底座的底面中心點。

c）工具坐標(biāo)系Tool Center Point Frame，將工具中心點設(shè)為零位，它會由此定義工具的位置和方向。所有機器人手腕處都有一個預(yù)定義的工具坐標(biāo)系，在六軸法蘭中心點，該坐標(biāo)系被稱為tool0，這樣就能將一個或多個新工具坐標(biāo)定義為tool0的偏移。

d）用戶坐標(biāo)系與工件坐標(biāo)系User Frame and Object Frame，這兩個坐標(biāo)系共同決定了工件的位置。用戶坐標(biāo)大地坐標(biāo)相關(guān)聯(lián)，工件坐標(biāo)與用戶坐標(biāo)相關(guān)聯(lián)，最終決定了工件的位置。

1.4 坐標(biāo)系標(biāo)定

下面介紹兩種常用坐標(biāo)系創(chuàng)建，也是軌跡編輯的基礎(chǔ)，即工具坐標(biāo)系與工件坐標(biāo)系。對于涂裝機器人而言，工具就是霧化器或者噴槍，這類標(biāo)準(zhǔn)工具，廠家提供工具參數(shù)可以直接寫入，但對于其他非標(biāo)的工具，就需要自行建立;對于工件坐標(biāo)，在每次新車型導(dǎo)入時，都需要對新的工件創(chuàng)建工件坐標(biāo)。

a）創(chuàng)建工具坐標(biāo)

工具坐標(biāo)的創(chuàng)建就是在tool0的基礎(chǔ)上變換，方法有三種：TCP（默認方向）、TCP & Z 和TCP & Z，X。三種方法適應(yīng)不同的需求，下面以TCP&Z為例，介紹工具坐標(biāo)的建立。

1）先將機器人調(diào)到手動模式，依次選擇示教器菜單>>工具>>New>>TCP（默認方向），點數(shù)選擇4點。然后選取一個固定點，操控機器人從不同角度指向該點并保存位置，各點角度差盡量拉大，以獲取最高精度，如圖2上所示。

2）全部點位置保存后，將顯示計算得出的工具數(shù)據(jù)，如圖2下所示，然后給新的工具輸入重量（mass）、重心（cog x，y，z）數(shù)據(jù)，如果必要，還可以輸入力矩軸方向（aom q1，q2，q3，q4）。

b）創(chuàng)建工件坐標(biāo)

工件坐標(biāo)零點表示工件相對于大地或者其他坐標(biāo)的位置，對機器人編程就是在工件坐標(biāo)中創(chuàng)建目標(biāo)點，在對象平面上，只要三個點就可以建立一個工件坐標(biāo)，X1點確定工件坐標(biāo)原點，X1、X2點確定X軸正方向，Y1點確定Y軸正方向，工件坐標(biāo)符合右手定則，Z軸的正方向由右手定則得出，具體步驟入下：

1）在手動操作模式下，選擇工件坐標(biāo)，新建并設(shè)定坐標(biāo)數(shù)據(jù)屬性，如圖3所示。

2）確定后，在編輯菜單中定義新工件，選擇3點法，然后操縱機器人使TCP靠近X1，接著在待定義的工件坐標(biāo)中分別使TCP靠近X2和Y1并保存，最后生成工件坐標(biāo)。

1.5 仿形示教

這一步主要是針對內(nèi)噴程序或者手搖程序，內(nèi)噴涉及治具及門蓋的開度等，尤其對鉸鏈、窗框、門邊等位置的缺陷，都需要頻繁的對點優(yōu)化。對于外噴而言，離線仿真沒有問題后，基本可以直接用機器人做線上空模擬甚至加刷子噴涂。當(dāng)然外噴也需要精調(diào)，將程序適應(yīng)窗口盡量做大，后面濕膜調(diào)試盡量不對程序做大動作調(diào)整。下面列舉一些仿形示教的常用做法和目的，內(nèi)外噴機器人都可以選擇進行：

a）姿態(tài)調(diào)整：這一步主要依據(jù)質(zhì)量結(jié)果和工件外形來優(yōu)化噴涂姿態(tài)，前提是不能出現(xiàn)前后姿態(tài)變換過大（尤其4/5/6軸），或者有干涉碰撞風(fēng)險的點。

b）超限驗證：超限就是機器人達不到目標(biāo)點，例如噴涂觸發(fā)點剛觸發(fā)就發(fā)生外部停線，而機器人繼續(xù)工作就可能超限。我們可以提前手動模擬這種外部停線，然后找到剛被出發(fā)的程序手動繼續(xù)運行，觀察是否有超限。這種超限可能是機器人達不到，也可能是某些點過渡有問題，視情況解決。

c）偷停驗證：偷停的表現(xiàn)就是輸送鏈突然卡頓，時間很短，原因之一就是機器人沒有在規(guī)定節(jié)拍內(nèi)完成任務(wù)，輸送鏈自動停止等待任務(wù)完成，這種問題可以先做初步判斷，記錄每個子程序運行時間，然后與噴涂距離和鏈速作對比，但最好用機器人自動模式模擬觀察。如果存在偷停，可以從下面幾個方面優(yōu)化：

1）減少程序中的空槍運行或者將空槍加速，并適當(dāng)提前噴涂觸發(fā)點。

2）優(yōu)化清洗程序（前提是清洗效果足夠好），也能節(jié)省溶劑成本。

3）重新分配噴涂任務(wù)，將偷停部分的程序分配給其他機器人。

d）添加刷子：在程序調(diào)整完成后，可以開始添加刷子及開關(guān)槍點，一般情況下大面噴涂不換刷子，在邊緣、尖角、顏色匹配點等位置會設(shè)立單獨的刷子。

2 調(diào)試過程—濕調(diào)

2.1 工藝參數(shù)標(biāo)定

對于機器人工藝參數(shù)的標(biāo)定，主要是針對出漆量、旋杯轉(zhuǎn)速、高壓、壓縮空氣及開關(guān)槍的延時補償，現(xiàn)場若想得到穩(wěn)定可控的質(zhì)量結(jié)果，都免不了對以上參數(shù)進行定期測量。

a）流量、轉(zhuǎn)速等參數(shù)，都有現(xiàn)成的儀器輔助測量，對于結(jié)果的允差每個現(xiàn)場有不同的要求，一般都控制在5%以內(nèi)。

b）開關(guān)槍的補償，首先將牛皮紙固定在噴涂區(qū)，操縱機器人在紙上標(biāo)記出測試程序的開關(guān)槍點位置，然后拆掉旋杯，設(shè)定適當(dāng)流量，無需高壓空氣等參數(shù)，自動運行并觀察油漆痕跡，理想狀態(tài)下開關(guān)槍是準(zhǔn)確無誤的，但實際很可能會出現(xiàn)開、關(guān)槍提前或延后的情況，如圖4所示，這樣就需要設(shè)定一些補償時間，抵消誤差。

2.2 噴幅測試

噴幅的大小決定了扇面重疊率的高低，保證足夠的重疊率噴出的漆面更為均勻平滑，這對于外觀調(diào)試尤為重要，重疊率=噴幅與軌跡間距的差值除以噴幅。比如測得一組噴幅為430mm，軌跡間距設(shè)定為100mm，那么重疊率為76.7%，一般現(xiàn)場常用66%或者75%的重疊率。噴幅的測量規(guī)則一般是每10mm取一個測量點，將大于等于二分之一最高膜厚值的點全部視為在噴幅內(nèi)。測定噴幅前需要預(yù)先選定一些參數(shù)，建議提前準(zhǔn)備好參數(shù)矩陣，合理有序的進行噴涂，如圖5所示。

2.3 膜厚調(diào)試

根據(jù)各顏色的噴幅結(jié)果，選擇合適參數(shù)進行膜厚調(diào)試，膜厚根據(jù)現(xiàn)場條件，可以直接選擇用電泳車加膠帶條的方式。也可以選擇調(diào)試車貼板形式，一般中涂、色漆和清漆要分開調(diào)整，待每層合格率都達標(biāo)后進行全涂層噴涂。也可以在測量點區(qū)域做3道遮蔽，每噴完一層去掉一道遮蔽，最后做差值得出每層膜厚。

中涂膜厚一般20-40μm之間，各現(xiàn)場標(biāo)準(zhǔn)不同，但都需要良好的填充電泳層結(jié)構(gòu)，提高中涂表面平整程度，為橘皮調(diào)整做好基礎(chǔ)。色漆膜厚一般10-15μm，珠光和素色更高，色漆膜厚需要在滿足均勻性的同時保證顏色匹配。清漆膜厚一般在40-55μm，清漆層是保證性能和外觀的重要基礎(chǔ)，經(jīng)常會出現(xiàn)流掛、橘皮、失光等表面問題。

2.4 色差調(diào)試

顏色可以用L、C、H或者L、a、b來定義，兩種方式用于表示不同飽和度的顏色。目前大多使用L、a、b來表示樣板與標(biāo)準(zhǔn)色板的差異，相對于車身而言，色差關(guān)注部位主要是外飾件搭接和各部件交接區(qū)域，單色漆遮蓋力較差，對色差影響最明顯的就是膜厚，測量時也只關(guān)注45°角L、a、b的值;而金屬或珠光漆的色差，不僅受膜厚影響，更取決于噴涂時的環(huán)境和參數(shù)，以及材料粒徑形狀、大小，同時還需要檢測5個角度L、a、b值。以下是一些影響色差的因素：

a）膜厚：濕膜薄的，溶劑揮發(fā)后鋁粉傾向于平行漆膜排列，相對較亮;反之濕膜厚的，L值會降低。

b）閃干時間的不同：會造成鋁粉在漆膜表面堆積會沉降底部，影響L值。

c）施工參數(shù)影響：噴涂距離、空氣、轉(zhuǎn)速和流量。

d）供漆系統(tǒng)：循環(huán)過久導(dǎo)致鋁粉變形，或流速太低鋁粉在管路中出現(xiàn)沉降，對明度產(chǎn)生影響。

e）材料批次差異

下面是根據(jù)使用靜電旋杯的現(xiàn)場，通過變化參數(shù)，歸納出一些L值的變化趨勢，如表1所示，當(dāng)然施工參數(shù)的改變對a、b值也會產(chǎn)生影響，不同顏色影響程度和趨勢不盡相同，需要結(jié)合現(xiàn)場觀察。

2.5 外觀調(diào)試

外觀的質(zhì)量及目視效果主要取決于長短波，通常結(jié)構(gòu)尺寸在0.6mm以下的稱為短波桔皮，結(jié)構(gòu)尺寸在0.6mm以上的稱為長波桔皮。從原理上看桔皮的形成主要有兩種因素，一方面是底材不平整，另一方面是在溶劑揮發(fā)過程中表面張力。長波與被涂物是否水平有明顯關(guān)系，而對短波影響不大。另外，長短波還與施工環(huán)境、施工參數(shù)密切相關(guān)。對于影響長短波的因素大致歸納如下：

a）長波過大原因：1.清漆膜厚不足;2.清漆稀釋劑揮發(fā)太快;3.清漆施工粘度過高，影響流平性能;4.底材不平整。

b）短波過大原因：1.清漆稀釋率高，烘烤后收縮嚴重;2.色漆太干，導(dǎo)致漆霧融合不良;3.清漆溶劑溶解力太強，出現(xiàn)回滲;4.底材平滑性不夠。

因此，從原理上看，桔皮的解決辦法也就分為兩方面，一是提高流平性能，二是提高底材平整度。對于流平性的提高，可以在不流掛的情況下提高膜厚，或者添加助劑（流平劑、和稀釋劑等）。另外清漆兩遍成膜并合理分配噴涂比例，也會對桔皮有一定改善。底材調(diào)整可以優(yōu)化電泳參數(shù)，提高中涂膜厚和流平性，提高中涂材料固體份。

3 結(jié)束語

噴涂程序的設(shè)計及調(diào)試是保證量產(chǎn)后質(zhì)量穩(wěn)定、可控的重要條件，因此在調(diào)試過程前后，要盡可能保證油漆、噴房溫濕度、沉降風(fēng)速、烘干爐溫度等外部因素的一致性，這樣才能使調(diào)試結(jié)果準(zhǔn)確且有意義。一般情況在調(diào)試完成后，軌跡及刷子設(shè)置合理，正常生產(chǎn)期間出現(xiàn)的質(zhì)量問題首先不會從軌跡上做調(diào)整，而是通過尋找其他引起品質(zhì)偏差的變量，然后有針對性的調(diào)整一些施工參數(shù)，進而取得有效改善。

參考文獻

[1] 王錫春.汽車涂裝工藝技術(shù)[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[2] 孟凡彬，趙成林，陳登閣.淺談涂裝噴涂機器人工藝調(diào)試過程[J].現(xiàn)代涂料與涂裝， 2019（22）.

[3] 牛光昆.涂裝機器人系統(tǒng)工藝調(diào)試過程簡介[J].汽車工藝與材料， 2015，000（006）.