（机械工程专业论文）自动喷涂机的选型设计.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 当企业规划采购大型、复杂的生产设备或系统时，就产生了设备选型设计的问 题。所谓选型设计是指对某个计划购进的设备，以工艺要求和预计的设备投资情况 为依据，对设备可能的技术方案进行分析比较，确定该设备主要功能、结构形式和 主要参数的过程。设备选型设计的好坏直接影响企业的生产质量和经济效益，关系 重大，可谓是举足轻重。由于大型、复杂设备和系统的品种繁多，规格复杂，这使 得企业的设备选型设计成为一项十分复杂的工作，绝不能等闲视之，掉以轻心。企 业在设备选型中，不能仅仅依靠供应商的介绍和推荐，必须充分保持自主性和主动 性，在深入分析企业的生产现状，明确企业的发展规划的基础下，做出正确的决策。 本文自动喷涂机的选型设计的过程及结果进行总结，对选型设计的方法和原则 进行了探讨和研究。由于自动喷涂机在改善产品质量、提高生产效率、节能降耗、 健康环保等方面的突出优势，已经被广泛地应用于汽车行业，成为车身涂装的关键 设备。自动喷涂机的复杂结构使得它的选型设计是一个复杂的、困难的过程。在充 分分析了工艺要求和自动喷涂机的原理、性能指标、关键参数、主要结构后，对各 子系统分别进行了选型设计，并综合考虑各子系统之间的数据信息接口和各部件的 运作是否存在约束这两个问题，进行系统集成，最终形成完整的自动喷涂机的选型 设计方案，完成了自动喷涂机的选型设计。同时对和自动喷涂机配合工作，组成自 动喷涂系统的其它相关设备也进行了细致的选型设计，以确保整个自动喷涂系统的 协调性及兼容性。根据自动喷涂机及其相关设备的选型设计的结果，形成最终的设 备采购标书，对这些设备进行了分解招标，满足了生产要求，取得了很好的效果。 根据工作经验，论文总结了选型设计应该遵循的各项原则。 本文还对选型设计的发展做了展望，提出了智能化选型设计的构想，计划利用 人工智能和专家系统来进行大型复杂设备和系统的选型设计。 关键词：自动喷涂机选型设计汽车行业 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t i tw i l lb r i n ga q u e s t i o no f t h ed e s i g nf u rn o t i o nw h e n ac o r p o r a t i o nw a n tt op u r c h a s e al a r g ee q u i p m e n to rac o m p l e xs y s t e m ，t h ed e s i g nf u rn o t i o ni st h ep r o c e s st h a ta c c o r d i n gt o t h et e c h n i c a lr e q u i r m e n ta n dt h eb u d g e t ，c o n f i r mt h em a i nf u n c t i o n ，t h es t r u c t u r ef o r m ， t h ec r i t i c a lp a r a m e t e rb yc o n p a r i n ga n da n a l i z i n gt h et e c h n i c a lp r o p o s a l s i ti n f l u e n c e s t h ep r o d u c t i o nq u a l i t ya n dt h ee c o n o m i cb e n e f i td i r e c t l y t h ed e s i g nf u rn o t i o nb e c o m ea v e r yc o m p l i c a t e dw o r kb e c a u s eo ft h ev a r i o u sa n dc o m p l i c a t e do ft h ee q u i p m e n to rt h e s y s t e m , w ew i l ln e v e rd e s p i s ei ta n dw i l ln o to n l yt od e p e n do nt h er e c o m m e n d a t i o no f t h es u p p l i e r sb u tt ok e e pi n d e p e n d e n c ea n dg o a h e a d i s mt om a k et h ec o r r e c td e c i s i o n t h r o u g ht h ed e e p l ya n l y z i n gt h ea c t u a l i t ya n dt h ed e v e l o p m e n t h e r es u m m a r i z i n gt h ep r o c e s sa n dt h er e s u l to fn o t i o nd e s i g no ft h ea u t o s p r a y m a c h i n ea n dd i s c u s s i n ga n di n v e s t i g a t i n gt h eg e n e r a lp r i n c i p l eo ft h en o t i o nd e s i g n ， a u t o - s p r a ym a c h i n ei sa p p l i e di na u t o m o t i v ei n d u s t r yw i d e l yf u r i t so u t s t a n d i n g a d v a n t a g e si nt h ea s p e c t so fp r o d u c tq u a l i t yi m p r o v e m e n t ，e n e r g ys o u r c es a v i n g ，h i g h p r o d u c t i o ne f f i c i e n c ya n de n v i r o n m e n t ，i tb e c o m e s t h ec r i t i c a le q u i o m e n t si nt h ep a i n t i n g s h o p t h en o t i o nd e s i g no ft h ea u t o s p r a ym a c h i n ei sac o m p l i c a t e da n dd i f f i c u l tp r o c e s s b e c a u s eo fi t sc o m p l i c a t e ds t r u c t u r e a f t e rf u l l ya n a l y z e dt h ep r i n c i p l e so fa u t o s p r a y m a c h i n e ，p e r f o r m a n c et a r g e t s ，c r i t i c a lp a r a m e t e r sa n dm a i ns t r u c t u r e s ，w ed e s i g n e dt h e s u b s y s t e ma n dc a l c u l a t e dt h ed a t u ma n di n f u r m a t i o n si n t e r f a c eo ft h es u b s y s t e m s ，t h e n w ei n t e g r a t e dt h e mi n t oas y s t e ma n df o r m e dai n t e g r a t e dn o t i o nd e s i g ns c h e m ea tl a s t w ec a r r i e do nn o t i o nd e s i g nf u rr e l e v a n te q u i p m e n t sa tt h es a m et i m et oe n s u r e dt h e h a r m o n ya n dt h ec o m p a t i b i l i t yo ft h ew h o l ea u t o s p r a ys y s t e m b a s e do nt h en o t i o n d e s i g nr e s u l t ，w ei n v i t e dp u b l i cb i d d i n gd i v i d u a l l y t h en o t i o nd e s i g nm e e tt h ed e m a n d o f t h ep r o d u c t i o na n dg e tt h eg o o de f f e c t t h ed i s q u i s i t i o ns u m m a r i z et h er u l e so f t h en o t i o nd e s i g nb a s e do nt h ee x p e r i e n c e i nt h et e x tip r o s p e c tt h en o t i o nd e s i g na n dp u tf o r w a r dai n t e l l e c t u a l i z e dn o t i o n 华中科技大学硕士学位论文 d e s i g n ，a n dw a n tt ou s eai n t e l l e c t u a l i z e dn o t i o nd e s i g ne x p e r ts y s t e mt od e s i g nt h el a r g e e q u i p m e n to rac o m p l e xs y s t e m k e yw o r d ：a u t o s p r a ym a c h i n e n o t i o nd e s i g na u t o m o t i v ei n d u s t r y 独创i 生声明 澎l o l 7 6 1 0 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除文中己标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 人或集体己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：7 舄晓彳 日期：2 叫6 年1 1 月l 弓日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于， 不保密日 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文储躲柄嗡指制币繇c 睁瓶烈 日期：如6 年f f 月侈日 日期：五船彦年i 月侈日 华中科技大学硕士学位论文 1 1 课题来源 1 绪论 汽车行业的高速发展，市场不断扩大，顾客对产品质量的要求不断提高，要求 汽车制造商必须在不断提高产能的同时不断提高质量。车身表面油漆质量是用户在 购买汽车时的第一印象，是汽车整车质量的一个重要组成，是各汽车制造商和用户 都非常重视的一方面。汽车行业是一种规模经济，自动喷涂机的使用在提高产品质 量、提高生产效率、节能降耗、健康环保等方面的突出优势，使得自动喷涂机在汽 车行业开始普及。江铃汽车股份有限公司作为汽车行业的一员，自动喷涂机在江铃 汽车股份有限公司也得到了很好的应用，正在建设的及将要建设的涂装生产线，都 将采用自动喷涂机来进行汽车车身面漆喷涂工作，也就面临着自动喷涂机的选型设 计问题。 选型设计就是指对某个设备，以工艺要求和预计的设备投资隋况为依据，对设 备可能的状况进行分析，按一定的规则，通过计算和比较，确定该设备主要功能、 结构形式和主要参数以及一些特殊的要求的过程。 选型设计可以有两种方式，一是供应商提供的设备列表中就能直接找到符合要 求的型号，在现有的符合要求的型号中进行比较，从中选择最合适的设备，这种方 式主要适用于单一的设备或标准化的设备，这些设备一般都有以下特点： 1 1 该设备的型号、规格有标准的系列提供选择。 2 ) 该设备的结构和形式比较一致，不同生产商的产品之间在结构和形式上没 有太多不同。 3 1 设备的选型设计所涉及的参数较少。 另一种方式是根据功能和工艺的要求，以及投资状况，通过调研和分析比较， 先确定系统的总体结构和主要的性能参数并将其分解为多个组成部分，对各部分分 别进行选型，然后对系统进行集成，提出完整的解决方案或者提出几个备选的方案， 并从中挑选出合适的方案；根据所选择的方案，对所需的参数和其它技术指标提出 华中科技大学硕士学位论文 要求，供应商根据所选方案和指定参数要求及技术指标进行下一步的设计工作，使 最终的产品是符合要求的产品。对大型的非标准成套设备以及复杂系统的选型设计 就要用这种方式了。对选型设计的研究在目前并没有得到广泛的重视，大型设备及 复杂系统的选型设计还很随意，用户很难做到根据自己的需要来有系统地进行选型 设计，更多的是依赖供应商的推荐，得到的结果可能并不是最适合需求的设备。大 型设备及复杂系统的选型设计也是一个复杂的过程，但又是对用户极其重要的过程 1 2 课题的目的和意义 大型设备及复杂系统的选型设计也是一个复杂的过程，但又是对用户极其重要 的过程。设备选型设计的好坏直接影响用户对设备的使用，对产品的质量、生产成 本的降低、产能目标的实现有重大的影响。自动喷涂机也是一种极为复杂的设备， 目前，自动喷涂机的选型设计基本是由国外的大型成套设备供应商来完成的。课题 的目的是通过对江铃汽车股份有限公司在自动喷涂机的选型设计进行总结，以求对 汽车行业车身喷涂使用的自动喷涂机的选型设计的通用原则进行探讨和研究。对汽 车行业车身喷涂如何根据自身的要求和需要，选好、用好自动喷涂机将有一定的指 导意义，对其它大型设备及系统的选型设计也有参考价值。 1 3 国内外的概况 现在自动喷涂机都是采用高转速旋杯式静电喷涂技术。静电喷涂法是以接地的 被涂物作为阳极，涂料雾化器或电栅作为阴极，接上负高压电，在两极间形成高压 静电场，阴极产生电晕放电，使喷出的涂料滴带电，并进一步雾化，按同性相斥， 异性相吸的原理，使带电的涂料滴在静电场的作用下沿电力线方向吸往被涂物上并 在被涂物背面的部分表面，靠所谓的“静电环抱”现象也能涂上涂料。它是自动喷 涂的方法之一。在上世纪2 0 年代，静电喷涂工艺首次应用于工业，当初采用传统 的空气喷枪向由阴极电栅和被涂物构成的静电场中喷射涂料，荷电后吸往被涂物， 这种喷涂法称为阴极电栅静电喷涂法。1 9 5 0 年出现了第一支旋杯式静电喷枪，涂料 2 华中科技大学硕士学位论文 的雾化和荷电合并在一个机构中。这种工艺命名为电喷枪静电涂装法( r a n s b u r gi i 法) 陀3 。它首次使喷涂效率有可能提高到9 5 ，这无疑是重大的突破。随着静电涂 装工艺成为一种成熟的技术，无论是从节省涂料和工时的角度，还是从减少污染物 排放的角度，静电涂装工艺已确保了自身的重要地位，它已成为汽车车身涂装的主 要手段。高转速旋杯式静电喷涂系统是其进一步的发展，高转速旋杯式静电喷涂系 统己成为应用最广的工业涂装设备。随着电子技术的迅猛发展，自动控制技术的飞 速发展，尤其是计算机技术以两三年一代地向前发展，随之也推动着世界上各种自 动化生产线的向前发展，当自动控制技术和静电涂装工艺结合在一起，通过控制系 统来控制喷涂机的各个参数和运行，协调相关设备的同步和连锁，就产生了自动静 电喷涂系统。 高转速旋杯式自动静电喷涂具有以下优点： 1 ) 装饰性好，质量稳定。 在传统的人工喷涂过程中，由于人工操作过程是一个重复的过程，此过程的重 复精度与人的体质，责任心及熟练程度等有很大的关系，无法保证喷涂质量始终如 一。而采用自动喷涂机可以在调试过程中寻找最佳作业状态，并由此确定出一组最 佳的参数固定下来，使得重复操作的精确性得到保证，减少了偶然误差。采用高速 静电旋杯式喷涂，由于旋杯转速在空速下达到6 0 0 0 0 r m i n ，带负荷工作时旋转速度 为1 0 0 0 0 4 2 0 0 0 f f m i n ，在强离心力和静电的作用下，使涂料雾化得很细，涂料液 滴的直径可雾化到5 0 1 0 01 - tm ，而可形成优良涂膜的最大液滴直径为3 7 51 tm ，由 此可见，使用高速静电旋杯式喷涂可使喷涂后汽车的外观质量，特别是平滑度、鲜 映性、光泽度提高1 2 个档次1 2 。 2 ) 涂着效率高，节省涂料。 使用高转速静电旋杯式喷涂方法，涂料在离心力的作用下雾化成极小的涂料 滴，在电场力的作用下，对被涂工件的包裹性良好。由于机械手喷涂采用p l c 控制， 可以对喷涂程序作精确的编程，对被涂工件进行模拟仿形，也使涂着效率进一步提 高，达到9 0 以上，而传统手工空气喷涂的涂着效率仅为( 3 0 4 0 ) ，低转速静 电喷枪为( 5 0 6 0 ) 晗1 。 华中科技大学硕士学位论文 3 ) 节能降耗、健康环保。 采用自动静电喷涂代替人工喷涂在喷涂室的的喷涂区风速由原来的平均风速 0 5 m s 降低为( o 2 加3 ) m s ，能使空调的耗能量减少一半左右。随着高转速旋杯 式自动静电涂装法的涂着效率大幅度提高，单车或单位面积的耗漆量明显地下降， 单位面积排放有机溶剂量也明显地减少。所以推广采用高转速旋杯式自动静电涂装 机，是汽车车身涂装车间的每平方涂装面积有机溶剂排放总量达到环保要求的重要 措施之一。 4 ) 使用方便，生产效率高。 高转速旋杯式自动静电涂装机操作方便，换色容易，可使汽车车身外表面9 5 以上的面积被涂覆，一次喷涂膜厚度可达3 5 4 0pme 3 生产线链速可高达 7 5 m m i n ，( 即为经济规模年产3 0 万台车身的生产线链速) 特别适用于多品种大量 流水线生产的车身涂装线。 现在，在汽车行业自动喷涂机得到了广泛的应用，不仅是在汽车车身喷涂大量 使用自动喷涂机，在汽车零配件，包括汽车底盘、保险杠、汽车发动机、汽车变速 箱、汽车弹簧、汽车板簧、汽车塑料件等外表面的喷涂也在大量使用自动喷涂机， 特别是在欧美发达国家和日本的汽车行业自动喷涂机已经得到普及。在中国，从上 世纪8 0 年代后期起，随着汽车行业外资的进入，新技术、新车型的引进，各大汽 车厂轿车生产线的涂装生产线开始整条乍产线从困外引进，自动喷涂机也随之开始 在中国的汽车行业得刨应用。随着改革开放的深入，中国国氏经济的高速发展，汽车 行业在2 0 世纪9 0 年代末开始复苏，并在新世纪开始了高速发展，汽车市场也是逐年 訇3 大。新的生产企业的进入，新车犁的不断推出，市场竞争也日趋激烈，为了提禽产能 和质量，不仅是轿车制造商，微型车、商务车、轻卡的生产商也纷纷在涂装车间使 用了自动喷涂机，自动喷涂机在中国整车制造商中已得到r 普及。和国外大汽车制 造商一起进入中圈市场的还有陶外的汽车零配件生产企业，在这螳企业同样也使用 了大龟的自动喷涂机。 目前在世界上使用的自动喷涂机大部分都是少数国际知名企业设计制造的，主 要以德国杜尔公司、英图b i n k s 公司、美国a b b 公司、日本三菱重1 = = 为代表。他 4 华中科技大学硕士学位论文 们掌握了自动喷涂机设计和制造的核，i i , 技术，并且在技术更新的研发上也走在了| j 列，他们为了得到更高的效率，更好的质量、灵活性和环保性，以及对工艺和涂料 的变化的适应性，对自动喷涂机系统的研究也投入了很大的力量，在仿型技术、控 制系统、流量控制等多方面不断的有新的技术出现。通过技术引进和与豳外技术的 交流，国家对a 动喷涂机的研制也给以了一定的莺视和支持，投入了大精的人力和 物力，以北京自动化研究所为代表的一些研究所，通过和国内的几家汽车制造商联 合研制和开发了几套用于汽车车身喷涂的自动喷涂机。国内的一些喷涂设备制造 商，通过和圈外的企业合作，引进并消化吸收了一些先进技术，也能制造些自动 喷涂机设备，但是，大部分国内喷涂设备制造商没有核心技术，主要的部件自己不 能制造或制造水平很低，蔓要还是做系统的集成，其中关键的部件还是需要使， 闰 外的产品，而且系统的可靠性及稳定性还是不如国外的先进设备。不过，目i ； f 在国 内有越来越多的力量开始投入到自动喷涂机系统的研究中来了，在自动喷涂机的控 制系统、仿形程序等方面的研究也取得了一些成果，国内在制造业的水平也在逐步 提高，相信在不远的将来，国产的自动喷涂机一定能达到或超过国际水平。 由于国内大部分的涂装生产线都是以国外知名大公司进行总承包的方式来进 行建设的，所以自动喷涂机的选型设t 也基本是由总承包的公司来完成的。随着各 汽车制造商从事技改工作的：程技术人员对涂装生产线技术的研究的深入，对国外 先进技术的消化和吸收，以及酮内研究设计院设计实力的提高，也开始有涂装生产 线由中国人柬进行总承包和设计，涂装线的设备( 包括自动喷涂机) 的选型都是由 汽车厂和总承包商芡同完成。烟台车身有限公司涂装线就是机械工业爵【f 笫网设计院 总承包的。江铃汽车股份有限公司设备动力部的j 程技术人员通过对图纸的研究， 消化和吸收了德嗣杜尔公司、英嗣海登公司的先进技术，于1 9 9 7 年自行设计和菔 制，一条年产4 万台全顺商务车的涂装生产线，其中主要设备是利用江铃汽车股份 有限公司于1 9 9 5 年从国外引进的一条年产1 6 万台轻卡汽车涂装线的进口设备，包 括自动喷涂机。通过这条涂装线的设计和制造，江铃汽车股份有限公司的技术人员 掌握了涂装线的设计方法，又设计和制造了江铃车架厂涂装线、江铃车厢厂涂装线 及江铃陆风车涂装线，目前正在进行江铃汽车股份有限公司新涂装车间的设计和制 华中科技大学硕士学位论文 造工作，其中包括自动喷涂机在内的设备都是由江铃汽车股份有限公司设备动力部 的工程技术人员自行进行选型设计。 1 4 江铃汽车股份有限公司使用自动喷涂机所面临的问题 江铃汽车股份有限公司是一个相对来说比较小型的汽车制造企业，在1 9 9 8 年 以前主要生产轻型卡车。第一条自动喷涂机生产线是在1 9 9 3 年建成的，该项目是 国家8 5 攻关项目，设计和制造者为北京自动化研究所。为了扩大生产规模，江铃 于1 9 9 5 年从国外引进了整条汽车涂装线，其中包括了自动喷涂机设备，计划建成 一条年产1 6 万台轻卡的汽车生产线。1 9 9 5 年开始汽车市场突然萎缩，市场预期发 生变化，而且江铃汽车股份有限公司在1 9 9 6 年和美国f o r d 公司开始合资，产品 结构也发生了变化，该项目在1 9 9 7 年停建。为了盘活固定资产，江铃汽车股份有 限公司将引进的进口设备用于江铃汽车股份有限公司和福特联合开发的全顺商务 车的涂装生产线，其中自动喷涂机用于全顺新面漆线。由于该生产线是设备存量利 用，不是针对全顺车型专门设计的，不可避免会出现不匹配的问题，主要有以下几 个问题： 1 ) 设备能力和产量要求不匹配。原生产线设计产能为1 6 万件年，输送链速为 4 米分钟，喷枪的出漆量为2 0 0 3 0 0 m l m i n 。在大出漆量隋况下，系统原因产生的油 漆流量小幅波动对产品质量不会产生大的影响，所以原系统的流量控制采用了开环 控制系统。全顺新面漆线设计产能为4 万年，输送链速为l 米分钟，喷枪的出漆量 为7 5 1 6 0 m l m i n ，在小出漆量情况下，系统原因产生的油漆流量小幅波动对产品质 量特别是膜厚将产生很大的影响。 2 ) 系统允许设置的车型数量比实际需要的数量少。原生产线上考虑生产的车型 数量为3 种，预留了3 种车型设置的接口，共能设置6 种车型，全顺商务车有3 种 轴距，3 种高度，还有各种特殊状态车型，如果每种车型都要设置相应的车型号， 只能设置6 个车型号将不能满足要求。 3 ) 江铃汽车股份有限公司使用的自动喷涂机是机械硬仿形喷涂机，这种喷涂 6 华中科技大学硕士学位论文 机的喷枪运动是靠安装在喷涂机内部的仿形导轨来引导喷枪运动的，仿形是按照被 喷对象的外表面设计而成的。原生产线是设计用于五十铃系列轻型卡车的驾驶室和 车箱的表面喷涂，全顺商务车的外形和它们有很大的差异，这样喷枪沿着导轨运动 时，与被喷的对象不是很吻合，有些局部，比如前翼板、车身下部边缘将会漆膜偏 薄。 江铃汽车股份有限公司公司多年来坚持以满足用户需求为最高原则，坚持为用 户提供优质的产品和优质的服务，得到了市场的认可，市场规模在不断扩大，产 能压力就出现了，特别在车身涂装是产能的瓶颈。公司在不断完善现有车型的同 时，也投入了大量的人力物力于新车型的开发中，新车型也在陆续上市。因此， 江铃公司为新的陆风车新建了一条生产线，现己投产；一个新的车身涂装车间正 在建设中，在今后今年还将建设新的涂装生产线用于新车型的生产。如何根据江 铃汽车股份有限公司的实际需要选择合适的自动喷涂机是一个现实的问题。 1 5 本文的主要研究内容和论文结构 本文的主要研究内容是通过对江铃汽车股份有限公司新涂装线的自动喷涂机 以及相关设备的选型设计进行分析，总结出对汽车行业使用的自动喷涂机的选型设 计的原则，用于指导汽车制造企业根据自己的实际情况和要求，选择合适的自动喷 涂机。 本文的论文结构如下： 1 、简要介绍本课题的来源，课题产生的背景，课题研究的意义，国内外的概 况，在江铃使用自动喷涂机所面临的问题，并对本课题研究的主要内容及论文的组 织结构作了简要的描述。 2 、对自动喷涂机的选型过程进行分析，提出选型设计的一般流程及注意事项， 并对江铃汽车股份有限公司新涂装线的自动喷涂机进行选型设计。 3 、分析自动喷涂机相关设备对自动喷涂机的影响，并对江铃汽车股份有限公 司新涂装线的自动喷涂机的相关设备进行选型设计。 7 华中科技大学硕士学位论文 4 、对本课题的研究进行总结，总结出汽车行业进行自动喷涂机选型设计的通 用原则，汽车行业如何根据自身的要求和实际情况选择合适的自动喷涂机，以孕本 课题今后的研究方向。 华中科技大学硕士学位论文 2 1 引言 2自动喷涂机的选型设计 目前在汽车行业所使用的自动喷涂机大部分都是高转速旋杯式静电喷涂机，这 些自动静电喷涂设备( e s t a ) 在大体上的构成都是类似的，主要有：高转速离心 式雾化电喷枪、侧喷机和顶喷机、供漆系统、高压发生器、控制系统。喷涂作业是 一种很危险的操作，为了防止人身伤亡事故及火灾，安全装置也是必不可少的。自 动喷涂机的选型设计的过程就是首先根据工艺的要求和设备投资的情况，确定好自 动喷涂机的总体性能和要实现的功能，再将其分解到各组成部分，作为各组成部分 的选型设计依据，经过对各组成部分现有技术的分析和比较，选择出能满足要求， 又经济的选型方案。综合考虑各组成部分之间的数据信息接口和各部件的运作是否 存在约束这两个问题，对各组成部分进行系统集成，最终形成完整的自动喷涂机的 选型设计结果，完成了自动喷涂机的选型设计。 2 2 自动喷涂机选型设计过程分析 自动喷涂机是结构复杂功能强大的成套设备，它的选型设计也是一个复杂的系 统性很强的过程，应该包括以下几个主要的阶段： 1 成立专门的项目组，项目组成员要包括工艺、机械、电气、涂料、给 排水、土建、安全和环保、财务等各方面的专业人员。 2 明确项目目标即工艺要求、预计投资额和项目进度要求。 3 详细了解自动喷涂机的原理、结构、主要构成和主要类型及各自特点。 4 通过对各汽车生产商的涂装生产线进行调研，了解其所使用的自动喷 涂机全面的情况，包括：基本工艺要求，设备型号、制造商、主要功 能、结构形式、主要构成、控制系统的构成、控制软件、优缺点等多 方面的情况。 5 查找相关资料，掌握自动喷涂机各部件的选型设计的基本方法和原则。 华中科技大学硕士学位论文 6 和设备制造商进行充分沟通，了解各设备制造商的特点及优势，了解 各种结构的自动喷涂机的特点及优缺点，了解最新的技术。 7 根据收集的资料，以项目需求为依据，确定自动喷涂机的总体要求， 并分解为各组成部分的要求，对自动喷涂机各部件进行相应的分析和 计算完成各部件的选型设计。 8 根据各部件的选型设计结果，对自动喷涂机进行系统集成，提出完整 的设备技术要求，完成自动喷涂机的选型设计。 选型设计不等同于设备选型，并不是简单地在设备列表中查找，就能完成的， 需要进行大量的分析和比较以及计算，也不是设备的具体的结构设计，选型设计并 不需要具体到设备的详细结构和准确尺寸，进行选型设计主要目标就是确定系统的 主要性能参数表以及技术要求，系统供应商将以选型设计的结果为依据进行详细的 设计。 2 3 工艺要求及工艺平面布置的确定 如何设计都要有个设计依据，只有明确了要求，才能使设计能满足要求。工艺 要求就是自动喷涂机选型设计的根本依据。根据江铃汽车股份有限公司的规划，新 涂装线主要的工艺要求有：新涂装线生产的车型为福特全顺系列商用车，新涂装线 的年设计产能是6 万挂年；自动喷涂机使用的涂料有色漆4 种、清漆2 种、溶剂2 种；生产的工件种类共计有8 种，最大长度为5 5 5 4 m m ，最大重量为5 0 0 k ；组挂 后工件最大自动喷涂面积为2 1 m 2 。 详细的油漆的施工参数和产品工艺指标要求见表2 1 油漆的施工参数和表2 2 产品工艺指标要求。 华中科技大学硕士学位论文 表2 1 ：油漆的施工参数 名称本色漆罩光清漆备注 施工固体分( ) 4 0 - 一4 5 3 8 4 1 施工粘度( 2 0 )2 1 2 2 s2 3 2 5 s涂4 杯 膜厚指标要求( 1 1n 1 ) 3 0 - - 3 53 0 - 3 5 电阻0 8 - 1 5 m q 表2 2 ：产品工艺指标要求 检验方法备 项目规定、要求 注 目测 颜色：符合江铃标准色板。 色差检测以江 l 颜色及外观金属漆e l铃现有的测量仪 素色漆e 0 5器和方法测量。 g b w 1 1 1 8 6 外观：平整光滑、无明显缺陷 金属漆( 2 0 度角) 9 0 g b 9 7 5 4 以江铃 2 光泽现有的测量仪器 素色漆( 6 0 度角) 9 9 0 和方法测量 3 附着力1 级( 2 m m 间隔，胶带拉) g b 9 2 8 6 - 8 8 4 鲜映度0 8 ( 水平面)g b t1 3 4 9 2 9 2 金属漆l s 1 5 2 5 检测仪器b y k 5 桔皮 w a v e s c a nd o i 素色漆l s 2 0 3 0 4 8 1 6 同一工件自动喷 6 油漆均匀性 6 涂区不同部位的 厚度差 不同工件自动喷 7 油漆重复精度 6 涂区同部位的 厚度差 华中科技大学硕士学位论文 根据工艺要求，确定工艺平面布置如下：进入喷漆室首先是一台鸵鸟毛擦净机， 然后是人工喷涂区，进行车身内腔的喷涂，接着就是自动喷涂区，自动喷涂机的布 置形式是侧喷机六台，一侧三台，接着是顶喷机一台( 带三个旋杯) 见图2 1 工艺 平面布置图。 uhh 4 2l 同同同 图2 1 工艺平面布置图 1 鸵鸟毛擦净机；2 人工喷涂区：3 侧喷机；4 顶喷机 2 4 喷枪的选型设计 现在在汽车涂装业，自动喷涂机所使用的喷枪除了要喷涂金属漆的外，都是采 用高转速旋杯式静电喷枪。高转速旋杯式静电喷枪是由中心控制阀、透平室和透平 旋杯组成。压缩空气驱动透平，透平通过一根空心轴驱动旋杯，使旋杯高速旋转， 此驱动空气由微机控制，保持在允许的误差范围内。旋杯的实际转速通过反射盘、 电缆和光电传感器反馈给电气控制装置。在空心轴周围的密封空气能在喷涂和清洗 喷枪时阻止漆或溶剂进入空心轴，从而避免杂物进入，防止透平轴承的损伤。为了 快速准确地调整旋杯的转速和驱动旋杯，透平叶片同时受制动空气的作用。喷枪的 转速，涂料流率( 又称涂料输出量) 和限幅空气是高转速旋杯式自动静电喷枪的三 大特性，是直接影响涂料雾化、喷涂幅度以及静电喷涂质量的因素。喷涂所得涂膜 的外观都与涂布过程中的涂料雾化程度有关，通常来说在喷涂现场涂料雾化越细， 涂膜的外观质量( 平滑度、鲜映性) 越好，静电效果也越好。 一般空转旋杯转速为6 万r m i n ，负载时设定的转速范围为( 1 0 - 42 ) 万r m i n , 误差为+ 5 0 0r m i n ，最佳的旋杯转速要按所用的涂料的流率特性而定 2 1 0 通过我们 与自动喷涂机制造商的技术沟通，和我们在其它汽车厂了解到的情况，同时经我们 用已投产的自动喷涂机所做的试验，对汽车面漆喷涂来说，3 万r r a i n 是一个合适 华中科技大学硕士学位论文 的参数，在此转速时涂料的雾化细度比较合适。转速过低将导致漆膜粗糙，光泽度 不好，桔皮重；转速过高会导致过喷，透平轴承的损耗加剧。为了保证旋杯转速的 稳定，需要对旋杯转速进行闭环控制。成型空气从旋杯后均匀分布的孔中排出，它 用于支持涂料滴的传输，稳定喷枪周围的气流从而通过限制雾化锥形来准确地调整 喷幅，防止漆雾飞散。成形空气压力也要求是一个稳定值，不能有大的波动，否则 不能准确地控制喷幅，造成漆膜质量缺陷。此气压值也必须是闭环控制的。自动静 电喷涂机在调试完成后各工艺参数如：喷涂角度、距离，喷涂时的空气压力，旋杯 的转速、电场强度，涂料的粘性、角速度、表面张力，涂料密度旋杯1 ：3 径，链速等 均己确定并固定，只有涂料的流率是在实际喷涂过程中会不断发生变化。喷涂过程 中自动地精确控制喷出的涂料量才能保证涂层质量、涂膜厚度的均匀，这也是提高 涂料利用率的重要措施。涂料流量的控制是由供漆系统来完成的。符合工艺要求的 喷枪的选型为带旋杯转速闭环控制和成形空气气压闭环控制的高转速旋杯式静电 喷枪，转速和成形空气压力能通过微机进行无级设定。 2 5 仿形形式的选型设计 仿形就是指自动喷涂机的喷枪的运动轨迹模拟车身的外形轮廓，以此来保证车 身的各部位都能喷涂均匀，整车漆膜厚度一致。根据仿形的实现方式不同，可分为 机械硬仿形喷涂机和软仿形喷涂系统。 机械硬仿形喷涂机喷枪运动是靠安装在喷涂机内部的仿形导轨来引导喷枪运 动的，这种仿形是按照被喷对象的外表面设计而成的，导轨的仿形形状有s 形和c 形等，这样喷枪沿着导轨运动时，正好与被喷的对象相吻合。它的优点是对特定的 工件能很好地实现要求，价格相对便宜，但是如果生产不同的产品时，车身的外形 轮廓变化太大，就不能很好地对工件进行仿形，对现在产品更新换代越来越快以及 多品种混线生产的生产方式就显得不能很好地适应了。 软仿形喷涂系统在被喷涂表面运动时，一般需要多个运动轴同时运动，喷枪运 动的轨迹是靠计算机的软件去控制，以达到对不同的喷涂对象喷涂时，而只须使用 华中科技大学硕士学位论文 不同的运动程序，这样，使用一套软仿形喷涂设备就可以完成对不同的喷涂对象进 行相应的喷涂。 根据前面所说的工艺要求，可以知道这套自动喷涂机需生产的产品种类有6 种， 有8 种组挂方式，采用硬仿形的方式将无法对每种产品和组挂方式都能很好地进行 仿形，所以必须选用软仿形喷涂系统。 顶喷机配3 个静电旋杯，用于车身的前围、顶部和后围的自动跟踪喷涂作业， 共4 个自由度。包括：横梁沿工件运动方向( 或反向) 的跟踪运动为x 轴、旋杯往 复移动为y 轴、横梁垂直升降运动为z 轴、旋杯沿工件运动方向( 或反向) 摆动为 b 轴，使旋杯的位姿总能适应给定车型的表面喷涂。侧喷机用于车身的两侧面的自 动喷涂作业。共3 个自由度，包括：垂直升降运动为z 轴、旋杯伸缩运动为y 轴、 旋杯纵向摆动为a 轴。可保持旋杯与车身被喷涂表面的距率不变，位姿总能适应给 定车型表面的仿形喷涂。 软仿型喷涂机的工作原理如下： 首先，上位机对顶喷和侧喷的运动参数进行离线编程。编程的内容包括程序号， 每个轴在每个时间段的速度、距离、及悬杯的开或关信号。喷涂机的运动是把链速 作为时间基准，把被喷工件分为若干等分。编程时，把每个时间段的内容添入表格， 传到顶喷和侧喷控制器内。启动顶喷侧喷，一切准备好后( 如气、漆、静电发生器 等1 ，等待启动开关，当启动开关信号到来后，系统根据链上安装的同步器运行进行 位置记数，到某一个位置时，控制器查示教相对应的数据，将每个轴的数据及悬杯、 静电发生器的数据一一对应的再现出来。一个工件走完后，再回到原始位置等待下 一个工件的启动开关信号的到来。 软仿形喷涂系统目前采用的系统配置有： 1 ) 采用数控系统加交流伺服系统。 上位机采用工控机或cnc 系统，驱动部分采用交流伺服系统驱动。系统框图 如图2 2 数控系统加交流伺服系统框图所示： 1 4 华中科技大学硕士学位论文 图2 2 数控系统加交流伺服系统框图 2 1 采用变频调速加位置反馈。 采用变频器控制异步电机加电位器( 或编码器) 反馈组成简易伺服系统。上位 机采用plc ( 可编程控制器) 进行控制。系统框图如图2 3 变频调速加位置反馈 系统框图所示： 图2 3 变频调速加位置反馈系统框图 3 ) 采用变频调速加位置反馈加交流伺服 就是上位机采用plc ( 可编程控制器) 进行控制，伺服控制可采用可插入在 plc 上的位置控制模块这样直接与伺服系统连接组成一个完整的闭环系统。系统 华中科技大学硕士学位论文 框图如图2 4 变频调速加位置反馈加交流伺服系统框图所示： 图2 4 变频调速加位置反馈加交流伺服系统框图 三种控制方式均可达到对软仿形系统控制的目的。但是，在系统方案的设计过 程中各有利弊。第一种组成系统相对比较容易，基本系统设计所须的时间相对比较 短，但是成本( 每一个轴) 要比后第二种高，而且外围设备控制也还需要p l c 控制。 第二种系统方案的设计的优点就是成本比较低，但是系统组成比较困难，因为组成 伺服系统的各个部件( 如变频器，电机，电位器等) 均为非伺服系统部件，设计系 统所须的调研时间相对比较长，控制的精度相对比较低。第三种系统方案的设计的 的优点也是组成系统相对比较容易，基本系统设计所须的时间相对比较短，上位机 编程比较容易，价位与第一种相当，而且外围设备控制可以使用同一个plc 控制。 所以我们选用第三种系统方案。 综上所述我们对仿形形式选用软仿形系统，系统配置采用( 变频调速加位置反馈) 加交流伺服的方案。 2 6 供漆系统的选型设计 供漆系统是指附设在自动喷涂机上的漆量控制计量装置、换色和清洗装置。在 汽车涂装生产中漆的计量主要有三种方法：漆压调节法、漆量调节法和齿轮计量法。 华中科技大学硕士学住论文 漆压调节法漆由换色阀进入漆压调节器，该调节器通过控制气管及连锁阀 与位于电磁阀腔内的电控气动驱动器相联。漆压调节器在控制气的作用下其球珠通 过膜片反向于弹簧力的方向运动，脱离球座，从而使涂料通过。根据预定的压力， 相应量的涂料进入旋杯。 漆量调节法涂料的流量由装在漆压调节器出口处的传感器感知，它采用流 体计量原理，但传感器的使用按涂料的品种而变化。漆量调节法的优点是随漆粘度 变化而引起的变化能被检测和补偿。 齿轮计量法经齿轮泵传输的液流量是恒定的，驱动电机带动齿轮泵，通过 控制电机的转速来控制涂料的传输速率。 换色的功能是由换色阀来实现的，每次换色后都必须进行管路的清洗，换色阀 的位置应尽可能地接近喷枪，以减少清洗的工作量。喷枪还会定时进行清洗，以防 止因时间过长，使管路内的涂料沉淀。在换色时，管路进行清洗需要花费一定的时 间及消耗一定量的涂料，在保证清洗质量的前提下，为了节约涂料，减少废漆的排 放，有必要对换色时涂料的损耗提出要求。根据对各汽车厂使用的自动喷涂机的调 研，要求换色涂料损耗低于2 7 e e ，同时对换色时间也要提出要求，要求换色时间低 于1 5 s ，以减少换色等待时间。 供漆系统的系统图如图2 , 5 供漆系统系统图： 图25 供漆系统系统图 1 7 华中科技大学硕士学位论文 涂料流率对漆膜质量有着直接的影响，稳定的涂料流率才能保证漆膜质量的稳 定。但是在实际上涂料流率的变化是不可避免的。 涂料流率变化的原因有： n 工艺上的需要 在实际喷涂过程中，每个旋杯所喷涂的区域不同，其涂料的流率也不相同，另 外由于被涂物外形变化的原因，旋杯的涂料流率也要发生变化，以喷涂汽车车身为 例，当喷涂门板等大平面时要求喷出的涂料量要大，而在喷涂门立柱、窗立柱时， 要求喷出的涂料量要较小，任何控制系统都存在着响应时问及响应误差。 2 ) 输调漆系统自身的波动 自动喷涂机的输调漆系统都采用集中输调漆系统。集中输调漆系统就是通过压 力泵将涂料从调漆室通过密封管道循环压送到多个操作工位，喷涂过程还包括调 漆、供漆、温控等部分，主要由调漆间、调漆装置、输漆装置、控温装置以及循环 管道系统等组成。输漆泵一般为气动柱塞式电动多级透平泵。气动柱塞泵涂料的压 力波动较大，电动泵受电源频率变化和涂料粘度变化的影响影响较大，这些都会影 响涂料流率。管路高度变化、仪表、阀门、管道弯头、压力调节器、节流器以及其 他元件造成压力损失，也会影响涂料流率。 针对系统本身的涂料流率波动，可以采取以下措施来加以约束： 1 ) 在设计输调漆系统时充分考虑多方面因素，保证管内的流速及各出1 2 1 点的压 力和流量符合要求，减少涂料流率波动的幅度。 2 1 在管路上加入控制元件，保证涂料流率能按要求调节。 涂料流率的控制系统总的来说分为开环系统及闭环系统两大类。其中开环系统 结构简单，在中央控制单元设定好需要的涂料流率值，转换为相应的空气压力值， 通过比例阀得到需要的涂料流率。流量开环控制系统主要用于大流量，高链速大批 量生产的情况，但由于无反馈，出漆量和设定值可能存在较大误差且会有波动。根 据我们在一套采用流量开环控制系统的自动喷涂机的检测结果表明，在设定出漆量 为3 0 0 m l m i n 时，实际出漆量误差平均为+ 8 m l m i n ，最大能达至l j l 5 m l m i n ；在设定出 漆量为l o o m l m i n 时，实际出漆量误差平均为+ 7 m l m i n ，最大能达到1 2 m l m i n 。为