霍志磊，朱學軍*

（寧夏大學機械工程學院，寧夏 銀川 750021）

自動導引車(Automated Guided Vehicle，簡稱AGV)用于代替人工作業(yè)，不僅是智能倉儲系統(tǒng)中重要的移動設(shè)備，在智能倉儲自動化控制上得到了大力發(fā)展，而且被廣泛應用于制造業(yè)、危險場所和特種行業(yè)[1]。電池殼體是AGV單元的重要承載體，對電池的安全和防護起著至關(guān)重要的作用，要求形狀簡單，美觀，且穩(wěn)定可靠。然而電池殼體一般多由鋼板焊接而成，易因腐蝕生銹而引起電路短路。為了讓電池殼體在長期的工作環(huán)境中具有良好的防腐、防水和防塵的效果，需要對其表面進行涂裝。表面噴涂是電池殼體生產(chǎn)制造過程中的重要環(huán)節(jié)之一，但大多以傳統(tǒng)手工噴涂為主，效率較低。

隨著工業(yè)機器人規(guī)模不斷擴大，噴涂機器人已經(jīng)從傳統(tǒng)的工業(yè)領(lǐng)域應用到家具、儀表、家電、建筑等各行各業(yè)，且廣泛應用于汽車、飛機和航空產(chǎn)品的涂裝生產(chǎn)線[2]。機器人噴涂技術(shù)在涂裝生產(chǎn)線中的地位越來越重要。與傳統(tǒng)的電泳和人工噴涂方式相比，機器人噴涂具有漆膜表面厚度均一的特點，避免了操作者因自身不確定因素而造成的產(chǎn)品質(zhì)量問題，也保護了操作工人的身體健康。本文主要探討噴涂機器人在AGV車用電池殼體噴涂中的應用。

1 機器人噴涂系統(tǒng)的組成和噴涂原理

1. 1 機器人噴涂系統(tǒng)的組成

機器人噴涂工作站如圖1所示，有1條自動化噴涂生產(chǎn)線，包括2個噴漆房(含水簾)，各噴漆房分別配有MOTOMAN-EPX2050噴涂機器人(1臺)、NX100控制柜、HAIMA/A-90高壓靜電噴槍(1支)、雙組分供料系統(tǒng)、工件懸掛鏈和烘干房。該工作站主要對焊接好的 AGV車用電池殼體進行表面噴涂，使操作者只在遠距離觀察，并且實現(xiàn)自動化噴涂作業(yè)。

1. 2 靜電空氣噴涂的原理

常用的噴涂方法按照油漆霧化方式的不同，主要分空氣噴涂、高壓無氣噴涂、混氣噴涂、常壓靜電噴涂、高壓靜電噴涂、靜電空氣噴涂等。針對噴涂機器人在 AGV車用電池殼體上的應用，本文采用了靜電空氣噴涂法。油漆和空氣各自經(jīng)過管路進入噴槍，空氣壓縮后在噴槍的末端與油漆混合。噴槍末端的霧化器將油漆顆粒霧化，使其在離開噴嘴時分散為微小液滴。在噴嘴的中心一般有靜電極針與高壓發(fā)生裝置相連。在高壓發(fā)生裝置的作用下，靜電極針附近的空間中形成高壓靜電場，通過噴嘴讓霧化的油漆帶上負電荷，油漆顆粒被接地的殼體所吸引而附著在殼體表面，最后形成一層均勻的漆膜[3]。

圖1 機器人噴涂工作站Figure 1 Robot spraying workstation

2 噴涂機器人的路徑規(guī)劃

2. 1 涂層累積速率模型的確定

涂層累積速率決定了被噴涂工件表面涂層厚度的分布，而且在噴涂作業(yè)過程中除了受噴涂距離、噴槍角度、殼體表面曲率等主要因素影響之外，還與油漆流量、空氣壓力、空氣消耗量等外界因素有關(guān)。因此，在路徑規(guī)劃前都需要先確定合適的涂層累積速率模型。常用的有β分布模型、無限范圍模型、有限范圍模型等。本文采用有限范圍模型，如圖2所示。

圖2 有限范圍模型示意圖Figure 2 Schematic diagram of finite range model

在建立模型之前，作如下假設(shè)[4]：

(1) 油漆沿噴槍末端的噴嘴噴出后形成了一個圓錐形，定義張角φ是噴涂圓錐張角φ的一半，且φ＜ 90°。

(2) 在噴涂過程中，只要被噴工件表面上的點不在噴槍張角的范圍內(nèi)，涂層累積速率都為零，則被噴表面上的一點s的涂層厚度為：

其中，θ表示該點與噴槍中心的連線與噴槍軸線的夾角，與該點的坐標(x, y, z)、噴槍的位置 p (t)和方向o(t)有關(guān)，而噴涂距離

(3) 若待噴涂工件表面為曲面，則該曲面上的點s的涂層累積速率與該點的單位法向量 n (s)和噴槍與該點間的單位方向矢量 d(p(t),s)的內(nèi)積成正比。

其中，i、j、k分別表示X、Y、Z軸正方向上的單位矢量。

根據(jù)以上假設(shè)，得出點s的涂層累積速率函數(shù)為：

則：

2. 2 噴涂模型的確定

確定合適的噴涂模型是進行噴涂路徑規(guī)劃的重要一步[5]。AGV車用電池殼體采用Q235鑄造鋼板焊接而成，按照立體小型工件的噴涂方法來處理，將其近似看作長方體，建立如圖3所示的噴涂模型，長284 mm、寬180 mm、高150 mm。

圖3 電池殼體噴涂模型Figure 3 Spray model of battery case

2. 3 噴涂機器人的路徑規(guī)劃

噴涂機器人的軌跡包含2個參數(shù)──路徑和速率。在噴涂過程中，要保持噴槍始終垂直于殼體表面。當確定了相鄰2個噴涂軌跡的涂層重疊區(qū)域?qū)挾群?，即可得到噴槍的運動路徑。因此，要確定一條噴涂機器人的軌跡，只需確定噴槍速率和相鄰兩個噴涂軌跡的涂層重疊區(qū)域的寬度[6]。在機器人噴涂作業(yè)過程中，殼體表面會因形狀不規(guī)則而導致涂層厚度不一致。為了盡可能獲得較好的涂層質(zhì)量，噴槍要以恒定的速率移動，噴槍的軸線需要始終保持與殼體表面垂直，且與殼體表面的距離保持恒定不變。

在實際噴涂作業(yè)中，由于待噴涂殼體表面存在結(jié)構(gòu)、曲率、形狀、大小等性質(zhì)的差異，因此噴涂軌跡規(guī)劃研究較為復雜，需要針對電池殼體表面進行精確的軌跡規(guī)劃，化繁為簡。

2. 3. 1 基于MotoSimEG-VRC的虛擬仿真

以某品牌AGV車用電池殼體為噴涂對象，使用具有防爆性能好、柔性大、噴涂利用率高的YASKAWA牌MOTOMAN-EPX2050(Lemma型)噴涂機器人進行噴涂作業(yè)。為了更好地對機器人噴涂工藝進行研究，在安川工業(yè)機器人提供的MotoSimEG-VRC仿真軟件中進行虛擬分析。

通常內(nèi)角為直角或者鈍角的多邊形被認為是簡單、規(guī)則的平面，近似于直角多邊形的平面，機器人的路徑規(guī)劃及運動控制效果比較好；而對于內(nèi)角為銳角的多邊形，由于存在一些較小的邊角，因此機器人的運動控制實現(xiàn)起來比較困難[7]。通常情況下，在噴涂路徑的轉(zhuǎn)折點處，噴涂機器人的運動控制難度較大，從而導致噴涂效果變差。在噴涂轉(zhuǎn)折點處，機器人必須經(jīng)過減速和加速過程才能穩(wěn)定作業(yè)，這使得噴涂時間變長，噴涂效率降低。因此，應盡可能減少噴涂轉(zhuǎn)折點，沿著圖4中的噴涂路徑進行軌跡規(guī)劃才能獲得最佳的噴涂效果。

在MotoSimEG-VRC環(huán)境下使用CAD模型創(chuàng)建一個噴涂作業(yè)工作站，導入噴涂機器人三維模型、AGV車用電池殼體三維模型和噴槍三維模型，并設(shè)置環(huán)境背景和坐標系，完成后如圖5所示。進行噴涂仿真示教實驗時，按圖6所示設(shè)置噴槍模型的參數(shù)。

圖4 平面噴涂軌跡Figure 4 Trajectory for spraying on plane

圖5 噴涂作業(yè)工作站模型Figure 5 Model of spray workstation

圖6 噴槍模型參數(shù)設(shè)置Figure 6 Setting of parameters of spray gun model

根據(jù)電池殼體噴涂工作面的特點，在虛擬仿真示教器界面下添加噴涂作業(yè)指令，完成噴涂作業(yè)，獲得如圖7所示的噴涂運動軌跡。

圖7 噴涂運動軌跡Figure 7 Motion path of spray gun

2. 3. 2 實驗驗證

將殼體表面分成兩部分進行噴涂作業(yè)，每部分的噴涂機器人型號和噴涂色漆組分相同。

如圖8所示，噴涂工藝路線為：上料→水性色漆(1#噴涂機器人)→水性色漆(2#噴涂機器人)→烘干(固化爐)→下料→晾干→清槍。噴涂過程中，1#和2#噴涂機器人共需噴涂10個漆面：1#噴涂機器人只噴涂工件6個漆面，即殼體左側(cè)內(nèi)表面、殼體右側(cè)內(nèi)表面、殼體后側(cè)內(nèi)表面、殼體下底內(nèi)表面、殼體前側(cè)內(nèi)表面和殼體前側(cè)外表面；2#噴涂機器人只噴涂4個漆面，即殼體左側(cè)外表面、殼體后側(cè)外表面、殼體下底外表面和殼體右側(cè)外表面。

圖8 噴涂工藝路線Figure 8 Spraying route

本文采用“示教器示教的方法”[8]進行實驗。利用示教器上的控制按鈕發(fā)出各種運動指令，機器人將自動記錄下每一步運動的軌跡，并保存在程序中，形成機器人運動的軌跡和動作，使得機器人能獨立地沿給定的軌跡運動。如圖9所示，實驗結(jié)果驗證了機器人噴涂軌跡與MotoSimEG-VRC虛擬仿真環(huán)境中獲得的軌跡的一致性，二者相結(jié)合的方式更能提高噴涂軌跡的準確性。通過示教器示教的方法更容易實現(xiàn)噴涂作業(yè)，操作簡單。

圖9 噴涂后的電池殼體Figure 9 Sprayed battery case

3 常見的涂層缺陷及其解決方法

機器人噴涂常見的缺陷主要集中在表面涂層上，包括表面顆粒狀、流痕、氣泡、橘皮、縮孔等[9]，它們會影響電池殼體的美觀和整體質(zhì)量。在實驗中發(fā)現(xiàn)電池殼體表面主要有如圖10所示的5種涂層缺陷。

圖10 幾種常見的漆膜缺陷Figure 10 Several common coating defects

3. 1 顆粒狀

表面顆粒狀現(xiàn)象一般出現(xiàn)在烘干后的電池殼體漆膜表面，在漆膜表面會有手感粗糙的(或肉眼可見的)較硬的顆粒。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因有：(1)焊接時飛濺或表面沒有磨平，表面清理不完全；(2)油漆調(diào)配好后沒有進行密封，使灰塵或雜質(zhì)混入其中；(3)長時間放置調(diào)配好的油漆，使其與固化劑產(chǎn)生交聯(lián)微粒，油漆有結(jié)塊的現(xiàn)象；(4)噴槍的出漆量太小，壓力較大，導致噴槍的霧化效率較低。

解決方法：(1)在噴涂之前，對殼體表面不平整的部位進行打磨，確保表面光整；(2)油漆使用后，蓋好油漆桶的桶蓋；(3)調(diào)配好的油漆不要放置超過2 h，否則會有空氣進入，導致油漆變硬；(4)定期清洗噴槍、噴嘴及油漆管道，保證它們的清潔度。

3. 2 流痕

流痕一般產(chǎn)生在電池殼體的棱角、邊緣等位置，使漆膜表面明顯呈流動狀，形成流掛或垂幕，且表面明顯變厚。產(chǎn)生流痕現(xiàn)象的主要原因如下：(1)一次性噴涂過多的油漆導致出漆量偏大且不均勻；(2)懸掛鏈運行太慢；(3)噴槍距離待噴涂電池殼體的表面較近；(4)稀釋劑過量導致油漆黏度太低。

在解決流痕現(xiàn)象時，應事先確認已按照噴涂工藝要求對噴涂機器人進行了正確的設(shè)置，排除是噴涂參數(shù)設(shè)置錯誤的原因而導致殼體漆膜表面質(zhì)量變差。解決方法：(1)降低漆面噴涂厚度，或是調(diào)節(jié)流量控制閥的壓力，使出漆量減少并控制在一定的范圍之內(nèi)；(2)設(shè)置懸掛鏈跟蹤速度及機器人噴涂速度，使其均保持在10 mm/s；(3)調(diào)整噴槍口距殼體表面的距離為15 ～ 20 cm；(4)按生產(chǎn)要求調(diào)整油漆配方。

3. 3 氣泡

氣泡現(xiàn)象是指在電池殼體經(jīng)過干燥后，漆膜表面局部涂層呈現(xiàn)出一個個大小不一的氣泡向上鼓起。其產(chǎn)生的主要原因有以下幾點：(1)可能是壓縮空氣管路內(nèi)含有水滴或油滴，它們隨油漆一起噴涂到了殼體表面；(2)漆膜表面烘干溫度偏高，油漆干得較快；(3)室內(nèi)空氣相對濕度達到90%以上。

解決方法：(1)噴涂前對壓縮空氣進行檢測，或是調(diào)整壓縮空氣管路中的油水分離器，進行排水、除油；(2)調(diào)低干燥箱的烘干溫度，使實際測量值與設(shè)定值(80 °C)保持一致；(3)采用抽風機、轉(zhuǎn)頁扇、工業(yè)除濕機等換氣裝備進行除濕，令室內(nèi)相對濕度不高于90%。

3. 4 橘皮

橘皮是一種常見的涂層缺陷，通常表現(xiàn)為殼體表面局部有像橘皮一樣不平整、不光滑的褶皺涂層。產(chǎn)生橘皮的原因主要有：(1)油漆自身特性(黏度)所致；(2)噴涂的漆膜過薄，或是油漆管道壓力過高而造成油漆霧化顆粒過小，使得溶劑的揮發(fā)較快；(3)噴嘴磨損造成霧化不良，使得漆膜厚度梯度較大，或是噴嘴堵塞，噴涂壓力不足，導致涂層過?。?4)流平時間太短。

解決方法：(1)選擇黏度高的油漆進行噴涂；(2)漆膜厚度應控制在標準差范圍內(nèi)，避免過薄，或是將噴涂管道清洗干凈，避免造成管道堵塞，也可調(diào)低油漆管道壓力；(3)降低吐漆量并提高空氣壓力，以改善噴槍的霧化效果，或是及時清除噴嘴內(nèi)的結(jié)垢；(4)應延長流平時間，以得到光整的漆膜涂層。

3. 5 縮孔

縮孔主要是指漆膜表面形成一個個中心凹陷的孔洞?？s孔集中出現(xiàn)在殼體表面容易導致其生銹，而且影響美觀。產(chǎn)生縮孔的主要原因有以下幾點：(1)在噴涂第2道油漆前，第1道油漆偏厚或未干透；(2)油漆本身有低表面張力液滴的存在，或是被噴涂殼體表面被油漬污染而存在低表面張力區(qū)，造成漆膜表面張力不均勻，油漆在表面張力差的作用下，由低表面張力處流向高表面張力處。

解決方法：(1)降低第1道漆的噴涂厚度，提高第1道漆的烘干溫度；(2)選擇低表面力助劑來降低表面張力差，或是在噴涂前增加除油處理工序，即用油漆溶劑油(俗稱溶劑汽油)對電池殼體進行浸泡，以去除殼體表面殘留的雜質(zhì)。

4 結(jié)語

在MotoSimEG-VRC虛擬仿真環(huán)境下對AGV車用電池殼體進行噴涂軌跡規(guī)劃，隨后在機器人噴涂工作站中驗證了其準確性，獲得了厚度均勻的漆膜表面，縮短了實驗周期。噴涂機器人的成功應用明顯提高了噴涂質(zhì)量和作業(yè)效率。文中總結(jié)的漆膜表面缺陷原因和解決措施可供類似應用參考。