涂装设备工艺解析：机器人喷涂漆膜厚度控制

涂装设备随着国内乘用车工业的发展，越来越多的机械喷涂取代了手工作业。在这种趋势中，机器人喷涂所占的比例也越来越大。如原先在车身喷涂中普遍使用的6杯站或9杯站系统，也有被机器人喷涂替代的趋势。汽车车身外覆件也大量使用机器人喷涂，如国内轿车保险杠喷涂中超过一半的产量使用了机器人。机器人喷涂既保持了手工喷对复杂形面的适应，又具精确性和重复性。本文将讨论机器人施工时影响最终涂膜厚度的各种因素，为生产中对膜的控制调整提供一些思路。

    膜厚控制的意义

    对于涂装施工而言，涂膜厚度是涂装工艺中最重要的控制因素，其意义在于：

    (1)防止因膜厚不适当导致的涂层缺陷。根据经验，现场生产中涂层的外观缺陷有超过一半以上是因为漆层膜厚控制不当造成的。一些常见的涂装缺陷如流挂、漆层薄、露底色等直接与膜厚控制失控有关，还有一些缺陷也间接同这有关。譬如，保险杠喷涂的第一层助黏底漆膜厚不够，会导致整个涂层附着力下降，同时底漆的膜厚达不到要求时其导电效果也会下降，这会引起第一道色漆使用静电喷涂时涂料的转移率下降，最后导致色漆不足。

    (2)帮助外观指标的调整。常见的漆膜外观指标如光泽、色差、桔皮、DOI等都需要以膜厚控制作为基础。上述指标都明显受到膜厚，特别是面漆膜厚的影响，因此，在整个涂装质量控制中，把膜厚作为最重要的控制因素是必须的。

    (3)成本的控制。除了膜厚控制对涂装质量影响体现的质量成本外，涂装的主要成本中约有一半被涂料所占据。精确的膜厚控制不仅有助于涂装质量的稳定，还有利于涂料的节约。统计显示，采用同样设备喷涂时，是否精确控制膜厚其所消耗的涂料相差25%以上。目前在国内使用的机器人喷涂主要有日本岩田或三菱机器人，这些设备引进较早，控制精度较差；新的涂装线普遍采用ABB、FANUC、MOTOMAN、DURR等多轴机器人，在本文中主要是以ABB机器人为基础进行讨论

    影响漆膜厚度的因素在机器人喷涂施工中，涂层膜厚可以按如下公式计算：

    干膜厚度=(流量×涂料体积固体含量×涂料转移率)/(走枪速度×喷幅宽度)(1)流量，即喷涂时单位时间从喷枪口流出的涂料体积。在机器人喷涂中，这个数据直接在BRUSH(刷子)参数表中确定。一些老式的机器人喷涂中，流量控制没有和机器人系统建立联系，无法在一个喷涂程序中间随时更改流量。而大部分新机器人的流量控制系统直接由机器人的IPS系统控制，使流量控制更加精确和便捷。如在ABB机器人喷涂的流量控制中，根据流量控制是否闭环分两类。

    一是对流量精度高的设备采用闭环控制，在闭环控制中，常用的设备配置有两种：

    一是使用计量齿轮泵，即泵每转一圈所获得的体积数是恒定的，机器人1PS系统控制计量泵的转速来达到定量供漆，在这类系统中，涂料的动力来自齿轮泵产生的压力。

    二是通过流量计和节流阀组成的闭路系统来控制，在这类系统中，涂料的压力来源于供漆系统，流量计获得的流量信号传到机器人IPS系统与已标定的值作比较，当流量有偏差时，信号返馈给节流阀，通过改变节流阀开闭度来调节。使用第二种方案控制时对供漆压力的稳定性要求高。机器人喷涂系统提供了多级修正流量偏差的方法。如在ABBTR5002喷涂机器人上，对于系统的偏差有两种途径可以调整。

    一是可以通过机器人设鼍中的ROBOTPARAMETRE中的涂料特性设置，这种情况下允许对于每种涂料系统进行不同的设置，如可以修正流量受到涂料的黏度和相对密度的影响。

    二是可以通过TEACHPADENT中的BRUSH设置。如当BRUSH中设置是200而实际测量得到的流量是220时，可以设置BRUSH比例为200/220=91%，这样实际的喷涂流量成为200。需要注意的是这种设置重新开机后参数自动恢复到100%。喷涂中流量范围的选用主要受到两个环节的影响：计量泵和雾化器。这两个设备的瓶颈决定了最后可以获取的流量范围。如当使用6cc计量泵时，因为泵的受控转速范围是0～150r/min，因此它的额定流量在0～900mL/min。同时，雾化器也存在不同的流量上限。如ABB机器人旋杯ROBOBEL625的上限为400mL/min，所以在这种设备配置中，最高流量只能是400mL/min。同样，过低的流量在使用计量泵时泵的转速过慢，无法达到应有的精度。另一个需要关注的因素是，在空气喷涂时，流量的大小影响到涂料雾化效果。根据机器人喷涂保险杠的经验，空气喷枪选用许可流量的20%～70%较为合适，旋杯选用20%～100%流量。

    (2)涂料转移率，指最终附着在产品表面的涂料占涂料从喷枪中喷出的总流量的比例，也称作上漆率。事实上整个涂装设备的发展历史也可以看作是一部提高涂料转移率的历史，因为它与涂装制造成本和环境保护这两个主题密切相关。影响转移率的主要参数包括：雾化器种类、静电高低、喷涂参数、导电性等。使用怎样的喷涂设备是决定转移率的第一因素，因为不同的设备转移率有着明显的差别。一些主要雾化器转移率从小到大为：普通空气喷枪，静电空气喷枪，旋杯。它们在喷涂金属或者塑料零件时的涂料转移率见图1、图2。静电是影响涂料转移率的第二大因素，有无静电和静电高低的差别在施工中表现得非常明显。由于静电喷涂时，涂料粒子带电导致涂料向工件吸附，因此需要先到达工件表面的带电颗粒快速转移电荷，维持工件表面和喷枪之间的电压差，确保两者之间的空间电场强度对于涂料转移率非常关键。这就又增加了一个因素，即工件的接地状态直接影响了涂料的转移率。这一因素在喷涂导电性不好的工件时尤其明显，如塑料保险杠。试验表明，在使用ROBOBEL喷涂色漆时，一般接地和良好接地的产品转移率相差10%～20%。如ROBOBEL625在喷涂使用金属夹接地的SVW2000门槛条的实测转移率为70%左右，而接地不良的情况下只有50%左右。对于空气喷枪来说，雾化空气压力对转移率影响也是较大的，雾化压力过大会造成空气喷到被喷涂面后反弹气流增加，阻止后续小漆粒到达被喷涂面，导致转移率下降。

    (3)固体含量。固体含量参数通常有体积百分比和质量百分比两种，计算膜厚时使用的是体积百分比。在涂装施工中，常常会忽视这一因素变化带来的不稳定，由于机器人喷涂中其他因素的精确控制，这一因素的影响比起在手工喷涂中显得更为突出。下面的几个因素可能引起施工时涂料固体含量的不稳定：

    ①不同批次涂料固体含量的变化。

    作为原漆控制指标的固体含量造成的偏差一般在±2%，这种偏差的影响有时是很大的。例如一种遮盖力为11μm的色漆，原漆的固体含量在27%±2%之间，这样高低极限的偏差在(29～25)/25=16%。如果原来使用29%喷涂的膜厚在12μm，现在25%的只能喷到12/29×25=10.3μm，显然膜厚不够了。