王海平

（1.浙江大學工程師學院，浙江 杭州 310015；2.亞歐汽車制造(臺州)有限公司，浙江 臺州 318057）

隨著設備智能化的推進，制造業(yè)對新工廠設備柔性化生產的要求越來越高，汽車涂裝生產工藝采用靈活的機器人進行噴涂已成為主流。提高機器人噴涂車身品質，并發(fā)揮好機器人噴涂的柔性，已成為汽車制造涂裝車間的一個關鍵課題，即如何在新工廠或更新改造工廠設計規(guī)劃階段將機器人噴涂柔性與高質量的要求考慮進去，從源頭上提升機器人噴涂品質和生產的柔性化。本文以某年產 25萬輛[即 72 JPH(即每小時生產72輛車)]的新建工廠涂裝工藝為例，研究水性B1B2涂裝噴涂全自動化生產線的機器人工藝布置，結合現(xiàn)有的數據資源和管理經驗，通過建立一套數學模型，用于估算、分析和評估現(xiàn)有技術方案，計算柔性化噴涂生產線需要的機器人數量，并確定最終機器人的工藝布局和每個工作站中機器人噴涂車身的工藝分區(qū)。

1 B1B2涂裝機器人噴涂工藝流程

B1B2工藝，即免中涂工藝，取消了傳統(tǒng)3C2B工藝中的中涂，主要采用具有中涂漆功能的色漆底漆來代替，使整個涂裝噴涂工藝更加環(huán)保和節(jié)約成本。該新建工廠的B1B2工藝整條生產線共計8個工作站，其中機器人有5個工作站，每個工作站的機器人都是按照編好的程序自動完成噴涂作業(yè)任務，工藝流程見圖1。

圖1 B1B2工藝機器人噴涂流程Figure 1 Robotic B1B2 spraying process

2 機器人工藝布置估算模型

2.1 機器人工藝布置研究流程

機器人估算數學模型的建立需要結合生產中機器人噴涂管理經驗，對模型進行驗證、優(yōu)化后才能確定，具體步驟如下：

(1) 根據數據統(tǒng)計原理對車身噴涂膜厚與對應的機器人噴涂參數和不同顏色涂料參數等進行統(tǒng)計，主要參數包括生產線設計產能、車身噴涂面積、車身膜厚、涂料固體分、噴涂TCP(工具中心點)速率、噴涂流量、噴涂重疊率、噴幅、噴涂作業(yè)效率、上漆率等。

(2) 對統(tǒng)計的各工藝參數相互之間的關系進行分析，通過實驗、調整及驗證，找出各工藝參數的對應關系，建立機器人噴涂TCP速率與對應工藝參數的數據模型和機器人噴涂流量與對應工藝參數的數據模型。

(3) 結合在實際生產過程中對噴涂機器人的管理經驗，對數學模型進行優(yōu)化和調整，形成一套關于機器人工藝布置估算的數學模型。

噴涂機器人工藝方案研究流程如圖2所示。

圖2 噴涂機器人工藝方案研究流程Figure 2 Process flow for studying the robotic spraying scheme

2.2 機器人噴涂方式的確定

機器人噴涂主要有兩種方式，一種是連續(xù)式，即機器人按照既定節(jié)拍時間做動作，整個過程中車身處于連續(xù)勻速運行狀態(tài)，機器人同步跟蹤車身完成噴涂作業(yè)；另一種是走停式，即車身進入機器人工作區(qū)域后停止，由機器人完成車身噴涂，整個過程中車身處于靜止狀態(tài)，機器人處于運動狀態(tài)。這兩種噴涂方式的對比見表1。

表1 連續(xù)式與走停式噴涂方式對比Table 1 Comparison between continuous spraying and stop-and-go spraying

2.3 機器人工藝布置估算數學模型

2.3.1 規(guī)劃工藝參數

工廠的設計產能確定后，生產線設計產能和節(jié)拍時間就會確定，在估算機器人工藝布置時需要確定車身的最大噴涂面積(內、外部)和涂料體積固體分參數。在設計噴涂機器人布置方案時，考慮到后期產能的提升，一般預留5% ～ 10%的提升空間。車身噴涂膜厚主要分為車身內部漆膜厚度和車身外部漆膜厚度，車身內外板膜厚參數有一個區(qū)間范圍。在設備選型時，不同的膜厚對設備選型會產生不同的影響，一般以噴涂車身膜厚上限作為機器人選型計算的標準和依據。

與機器人工藝布置相關的主要參數見表2。

表2 機器人噴涂工藝規(guī)劃參數Table 2 Parameters for planning robotic spraying process

2.3.2 機器人工藝布置估算數學模型

建立機器人噴涂數學模型是分析機器人布置方案的基礎，不同型號和品牌的機器人涉及到的相應參數會有些許不同，但整體相差不大。

對于本例而言，機器人噴涂TCP速率[1]和機器人噴涂流量估算模型[2]分別如式(1)和式(2)所示。

式中v為機器人噴涂TCP速率(單位：mm/s)，A為噴涂車身面積(單位：m2)，f為噴幅重疊次數，W為機器人噴幅的寬度(單位：mm)，T為生產線節(jié)拍時間(單位：s)，t為機器人清洗換色時間(單位：s)，n為機器人數量，η為有效作業(yè)率(單位：%)，P為噴涂的涂料流量(單位：mL/min)，δ為干膜厚度(單位：μm)，M為涂料體積固體分(單位：%)，R為涂料上漆率(單位：%)。

在拋錨式教學中，教師為幫助學生完成自主學習的任務解決實際問題，會給學生提供相應的線索或者輔助材料，以此來培養(yǎng)學生自主學習的能力，而不是直截了當的告訴學生應該如何解決所面臨的問題。在數學概念課中，學生自主學習主要是通過已知的線索去收集信息、整理信息、分析信息，從而找到解決問題的方法去解決問題。

3 機器人工藝規(guī)劃及噴涂作業(yè)分區(qū)

3.1 機器人噴涂工藝設計參數

年產25萬輛相當于設計產能為72 JPH，生產節(jié)拍為50 s?？紤]到機器人噴涂的柔性及可靠性，同時追求車身更好的外觀質量，色漆和清漆會噴涂兩遍。采用雙線生產，每條生產線的節(jié)拍為設計節(jié)拍的一半，即每條噴涂生產線的設計產能為36 JPH，生產線節(jié)拍為100 s，要求每臺機器人的噴涂循環(huán)時間在100 s內?？紤]到機器人噴涂不同顏色涂料一般需要15 s的清洗換色時間，因此機器人實際的噴涂作業(yè)時間需要控制在85 s以內。若采用走停式噴涂，還需要考慮實際車身輸送時間，一般從噴涂的車身進入噴房入口開始計時，移動進入機器人噴涂區(qū)域后停止，直至用固定夾具夾緊，整個輸送過程為15 ～ 20 s。

在確定機器人噴涂工藝設計參數時，鑒于涂料體積固體分越高，涂料的遮蓋能力越強，因此一般以涂料固體分的下限值進行計算，而機器人噴涂的車身膜厚一般選擇上限值作為計算標準。具體的機器人噴涂工藝參數見表3。

表3 機器人噴涂工藝設計參數Table 3 Designed parameters of robotic spraying process

3.2 機器人工藝方案規(guī)劃

3.2.1 機器人數量的確定

目前大多數機器人在噴涂過程中的最大TCP速率可達1 000 mm/s以上，但在采用靜電旋杯噴涂時，一般噴涂TCP速率控制在600 mm/s以內，TCP速率超過600 mm/s會導致上漆率降低(傳輸效率會變差)，造成單車涂料消耗量增高以及膜厚提升困難。大多數機器人在噴涂過程中的噴涂流量最高可達900 mL/min，但在實際采用靜電旋杯噴涂的過程中，一般會控制在500 mL/min以內，超過500 mL/min會令霧化效果降低，污染會變得嚴重，甚至會影響車身噴涂品質。

考慮到機器人噴涂品質的波動和后期產能的提升空間，一般機器人的TCP速率和噴涂流量會預留10%調整量，因此要求v＜ 600 × 0.9 = 540 (mm/s)，P＜ 500 × 0.9 = 450 (mL/min)。

將機器人噴涂工藝方案涉及到的工藝參數代入機器人噴涂工藝數據模型進行求解，結果見表4。

表4 每個工作站機器人數量的估算Table 4 Estimation of the number of robots per workstation

每個色漆和清漆內噴工作站需要配備4臺開門機器人和2臺開蓋機器人，而機器人噴涂流量和TCP速率還需要在現(xiàn)場噴涂調試中進行驗證，其理論值見表5。

表5 機器人臺數、噴涂流量和TCP速率的理論值Table 5 Theoretical values of robot amount, paint flow rate, and TCP moving speed

3.2.2 機器人噴涂工藝方案

圖3 B1B2水性涂裝工藝機器人噴涂方案Figure 3 Scheme of B1B2 robotic spraying process with waterborne paint

3.3 機器人噴涂作業(yè)分區(qū)

按照機器人噴涂的最大車身面積，在離線仿真軟件上進行作業(yè)分區(qū)，經模擬驗證后確定各工作站機器人噴涂車身的作業(yè)分區(qū)。BC0外部底漆工作站4臺機器人的作業(yè)分區(qū)見表6。

表6 機器人噴涂BC0外部底漆作業(yè)分區(qū)Table 6 Work zone division of robots for spraying primer BC0 externally

BC1內部色漆工作站5臺噴涂機器人和6臺開門開蓋機器人的作業(yè)分區(qū)見表7。

表7 機器人噴涂BC1內部色漆作業(yè)分區(qū)Table 7 Work zone division of robots for spraying color paint BC1 internally

BC2外部底漆工作站8臺機器人的作業(yè)分區(qū)見表8。

表8 機器人噴涂BC2外部色漆作業(yè)分區(qū)Table 8 Work zone division of robots for spraying color paint BC2 externally

CC1內部色漆工作站5臺噴涂機器人和6臺開門開蓋機器人的作業(yè)分區(qū)見表9。

表9 機器人噴涂CC1內部清漆作業(yè)分區(qū)Table 9 Work zone division of robots for spraying color paint CC1 internally

CC2外部清漆工作站6臺機器人的作業(yè)分區(qū)見表10。

表10 機器人噴涂CC2外部清漆作業(yè)分區(qū)Table 10 Work zone division of robots for spraying color paint CC2 externally

4 結語

目前新能源汽車快速發(fā)展，加上智能化裝備新技術快速推進，使整個汽車制造行業(yè)不斷轉型升級。面對未來設備智能化發(fā)展，機器人技術已經得到了廣泛的應用。對于車身噴涂工藝來說，新技術、新工藝和新材料的變化勢必帶動機器人技術的發(fā)展，涂裝工藝中靈活的、柔性化的機器人噴涂技術日益受到重視，如何讓機器人噴涂技術發(fā)揮更大作用，需要對機器人噴涂技術的應用不斷進行研究和探索，為保證噴涂工藝穩(wěn)定和噴涂品質打下堅實基礎。