（材料加工工程专业论文）喷漆机器人油漆工艺建模的研究与系统实现.pdf

广西大学学位论文原创性声明和学位论文使用1 翔i i i ii五filf碧l i 1 1 8 iioi17i i ff 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究 成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮 助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名： 学位论文使用授权说明 训年多月如日 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究内容； 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 口即时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名 导师签名夏菠伽年莎月加日 喷漆机器人油漆工艺建模的研究与系统实现 摘要 喷漆机器人是一种先进的涂装生产设备，现今已广泛地应用于诸如汽 车、航天、电子等产品的涂装生产线。但是喷漆机器人自动化程度并不高， 多数为“示教再现”型，并且空气喷涂技术的应用范围狭窄，仅限于大型 工业生产线，在生活用品和其他方面普及程度不高，且操作人员工作量大， 环境恶劣，喷涂质量稳定性很差。随着工业技术的发展和环保意识的增强， 开发一种安全稳定且适用性较好的喷漆机器人离线编程系统有着重要的意 义。 本文通过大量的文献查阅和实地调研，在喷漆机器人系统设计与实现 方面做了如下工作： 首先研究了相关的喷漆工艺和多因素影响的漆膜厚度模型。考虑c a d 模型的复杂性并融合各种工艺参数的影响合理设计了漆膜厚度建模的功能 模块。然后基于m a t l a b 环境，通过对建模方法的分析与研究，选择遗传算 法对实测漆膜厚度数据进行拟合建模，再利用混合编程技术将漆膜工艺模 型应用到轨迹优化求解中，为实现计算机辅助自动工艺轨迹生成奠定了理 论基础和算法依据。同时为适应多种工况要求设计了漆膜厚度模型数据库 管理器，最后根据涂装工艺流程要求并结合c a m 技术，以v i s u a lc + + 6 0 为工作平台搭建了喷漆机器人系统的总体框架和界面，实现了工艺建模模 块的系统功能。 关键词：喷漆机器人遗传算法工艺建模漆膜厚度模型 r e s e a r c ha n ds y s t e m i m p l e m e n t a t i o no f p r o c e s sm o d e l i n gf o rr o b o t i cs p r a y p a i n t i n g a bs t r a c t s p r a yp a i n t i n gr o b o ti sa d v a n c e dp r o d u c t i o ne q u i p m e n t ，w h i c hh a sb e e n w i d e l yu s e di nt h ec o a t i n gl i n eo fa u t o m o b i l e ，a e r o s p a c e ，e l e c t r o n i c sa n ds oo n b u ts p r a yp a i n t i n gr o b o th a sl o wd e g r e eo fa u t o m a t i o nw i t hi t s t e a c h i n ga n d p l a y b a c k ”a n da i rs p r a yp a i n t i n gi sl i m i t e dt ol a r g ei n d u s t r i a lp r o d u c t i o nl i n e s a n dh a sn a r r o wa p p l i c a t i o nr a n g ei nd a i l yp r o d u c ta n do t h e ra s p e c t s m o r e o v e r ， i th a sd i s a d v a n t a g e so f h e a v yw o r k l o a d ，p o o re n v i r o n m e n t ，a n dp o o rs t a b i l i t yo f s p r a yq u a l i t y w i t ht h ei m p r o v e m e n to fi n d u s t r i a lt e c h n o l o g ya n de n v i r o n m e n t a l a w a r e n e s s ，i ti si m p o r t a n tt od e v e l o pap a i n t i n gr o b o to f f - l i n ep r o g r a m m i n g s y s t e mt h a ti ss e c u r e r ，m o r es t a b l ea n da p p l i c a b l e b a s e do nal a r g en u m b e ro fl i t e r a t u r es e a r c ha n di n v e s t i g a t i o n ，t h ew o r ki n t h es y s t e md e s i g na n d i m p l e m e n t a t i o ni sg i v e na st h ef o l l o w i n g ： f i r s to f a l l ，w es t u d yt h er e l a t i v ep r o c e s so fs p r a yp a i n t i n ga n dm u l t i f a c t o r s m o d e lo fp a i n tf i l mt h i c k n e s s c o n s i d e r i n gt h ec o m p l e x i t yo ft h ec a d m o d e l a n dt h ei n t e g r a t i o no fv a r i o u s p r o c e s sp a r a m e t e r s ，t h ef u n c t i o n a lm o d u l e so ff i l m t h i c k n e s s m o d e l i n g d e s i g n e d；a b l y t h e n ，b a s e d o nt h ematlablsr e a s o ne n e n v i r o n m e n t ，t h r o u g ha n a l y s i sa n dr e s e a r c ho fm o d e l i n gm e t h o d s ，t h eg e n e t i c a l g o r i t h mi ss e l e c t e dt of i tt h ep a i n tf i l mt h i c k n e s sm o d e lw i t hm e a s u r e dd a t a t h ep a i n tf i l mp r o c e s sm o d e li sa p p l i e dt os o l v e t r a je c t o r yo p t i m i z a t i o nb yu s i n g h y b r i dp r o g r a m m i n g t h em o d e lm a yl a yat h e o r e t i c a lf o u n d a t i o na n dp r o v i d e a l g o r i t h ms u p p o r tf o rt 1 1 er e a l i z a t i o no fc o m p u t e r - a i d e da u t o m a t i ct r a j e c t o r y g e n e r a t i o n a tt h es a m et i m et h ed a t a b a s em a n a g e ro ff i l mt h i c k n e s sm o d e li s d e s i g n e dt oa d a p tt oav a r i e t yo fw o r kc o n d i t i o n s f i n a l l y ，a c c o r d i n gt o r e q u i r e m e n t so fp a i n t i n gp r o c e s s ，a n dc o m b i n i n gw i t hc a m t e c h n o l o g y ，a g e n e r a lf r a m e w o r ka n di n t e r f a c eo ft h ep a i n t i n gr o b o ts y s t e mi sd e v e l o p e d ，a n d t h es y s t e mf u n c t i o no fp r o c e s sm o d e l i n gm o d u l ei si m p l e m e n t e do nt h ev i s u a l c + + 6 0p l a t f o r m k e yw o r d s ：r o b o t i c s p r a y p a i n t i n g ；g e n e t i ca l g o r i t h m ；p e o c e s sm o d e l i n g ； f i l mt h i c k n e s sm o d e l i i i 目录 第一章绪论1 1 1 课题发展与研究概况。l 1 2 国内外现状及存在问题2 1 3 课题研究目的及意义4 1 4 课题来源5 1 5 主要研究工作5 1 6 本章小结6 第二章机器人喷漆工艺的研究7 2 1 喷漆工艺参数概述。7 2 2 涂料成膜机理7 2 3 漆层的工艺分类l o 2 3 。1 底漆1 0 2 3 2 中漆1 2 2 3 3 面漆1 3 2 4 空气涂装工艺规范1 4 2 5 膜厚工艺控制的意义1 4 2 6 本章小结1 5 第三章油漆工艺模型的建立与应用1 6 3 1 椭圆形漆膜厚度模型的构建1 6 3 1 1 空气喷涂实验1 6 3 1 2 数学模型的建立1 8 3 1 3 基于实测数据的漆膜厚度图2 1 3 2 基于遗传算法的实验建模2 2 3 2 1 遗传算法概述2 3 3 2 2 应用遗传算法的建模2 5 3 3 基于漆膜厚度模型求解轨迹间距2 9 3 3 1 单行程漆膜厚度模型2 9 3 3 2 轨迹间距的求解与验证3l 。3 3 3 5 。3 5 3 5 3 5 。3 7 。3 8 。3 8 3 9 4 2 3 实测数据的导入接口4 1 4 2 4 数据库的设计与实现4 2 4 3 实例应用说明4 5 4 4 本章小结4 9 第五章总结与展望51 5 1 总结5l 5 2 展望5 2 参考文献。5 3 附勇毛5 7 致谢一5 9 攻读学位期间发表的学术论文6 0 v 广西大学司旺b 学位论文喷漆机器人油漆工艺建模的研究与系统实现 第一章绪论 1 1 课题发展与研究概况 2 0 0 9 年，中国第1 0 0 0 万辆汽车从装备有喷漆机器人生产线的第一汽车集团公司生产 基地成功下线，标志着中国成为继美国和日本之后，第三个迈入了年产千万台的“汽车 大国 行列。这充分体现了喷漆机器人在汽车领域的迅速发展，其不仅越来越多地应用 在汽车车身喷涂生产线上以替代往复式自动静电喷涂机【1 1 ，而且随着机器人的机械结构 和控制技术的日臻进步以及价格的下降，空气喷涂技术也广泛地应用到社会的各行各 业，诸如家具、家电、航空等各种领域【2 ，3 1 ，并且适用于金属、塑料等多种类型的材料， 如图1 1 。其实，喷漆机器人早在上世纪七八十年代就已应用于汽车和工程机械等行业， 其作为一种先进涂装生产设备，其不仅显著提高了工业制造的自动化水平，而且提升了 工业生产率和涂装工艺质量，降低了涂装材料成本和废品率，同时改善了工人的劳动安 全环境。 ( a ) 轮毂 ( b ) 门镜 (c)保险杠(d)冷凝器 图1 1 喷漆产品的多样化 f i g 1 - 1s p r a yp a i n tp r o d u c td i v e r s i f i c a t i o n l 广西大学硕士学位论文喷漆机器人油漆工艺建模的研究与系统实现 喷漆机器人【4 j 主要由机器人本体、计算机和相应的控制系统组成，液压驱动的喷漆 机器人还包括液压油源，如油泵、油箱和电机等。多采用5 或6 自由度关节式结构，手臂 有较大的运动空间，并可做复杂的轨迹运动，其腕部一般有2 3 个自由度，可灵活运动。 较先进的喷漆机器人腕部采用可以多向弯曲和转动的柔性手腕，对于外形复杂且内外皆 需涂装的非规则表面产品，可方便地通过孔洞伸进内部进行喷涂。目前较为先进的喷漆 机器人采用交流伺服驱动，有很高的可靠性和防爆性，而且摈弃了人工示教的落后方式 进而发展到了利用计算机离线编程的自动化程度。 喷漆机器人的优点： 1 、柔性大。扩展性大，作用范围大，可实现内外表面的喷涂，以及多种产品的混 合生产。 2 、提高喷涂质量和材料使用率。仿形喷涂轨迹精确，提高涂膜均匀性等外观喷涂 质量，降低过喷涂量和清洗溶剂的用量，提高材料利用率。 3 、易操作和维护。随着离线编程的开发，大大缩减现场调试时间，接插件结构和 模块化的设计可实现快速安装和更换元器件，所有部件的接近性好，便于维护。 。 4 、设备利用率高。人工喷涂利用率一般为1 5 3 0 ，往复式自动喷涂机利用率 一般为4 0 6 00 a ，而喷漆机器人的利用率可达9 0 。 虽然有诸多优点，但是整个喷涂过程中的关键问题是漆膜质量的掌控，因此漆膜厚 度的研究直接关联到喷枪轨迹优化的问题。一直以来都是人工控制影响涂装质量的有关 因素和依靠技术人员的经验和示教，并不能实现机械自动化和准确的因素水平定位，虽 然现在国内已经开发了喷涂系统，但只能用于特定场合或者功能不太完善。况且人工示 教的方式已经过时，为扩展我国涂装机器人的应用系数，应该研发出更有效的喷漆机器 人系统。 1 2 国内外现状及存在问题 国内外喷涂机器人发展水平已经较高，广泛应用于生产线的有德国k u k a ，美国 a b b ，日本川崎，f a n u c 等，大部分机器人公司都开发了其相应的软件控制系统，因 此如何实现自主开发喷漆机器人离线编程系统是当前未完全解决且十分必要的一个研 究内容【5 1 。 国外方面，上个世纪八十年代，b i n k sm f g 公司研制了一种可以利用喷枪往复运动 来对产品进行均匀涂装的喷漆机器人，在其系统的存储器里存有上百种可完成工序，能 进行简单的轨迹行走 6 1 。u s m e a o t o 公司研制出了用于机器人的软件模块：p l a c e 、 2 广西大掌硕士学位论文喷漆机器人油漆工艺建模的研究与系统实现 b u i l d 、c o l 、n 压a n d 、a d s t ，但这些模块仅仅是对涂装生产过程进行的简单仿真和 检验，并没有体现出喷涂轨迹生成的自动化【7 】。1 9 8 6 年e i i l 把计算机图形化技术应用 于喷漆机器人工作过程的仿真中，并提出基于c a d 导航的喷漆机器人离线编程系统的 概念喁】。1 9 8 9 年d u e l e n 在静电喷涂中引进了机器人离线编程技术，离线编程开始广泛 应用【9 】。随之而来的问题就是如何在离线编程中实现喷枪轨迹的自动化生成，这就涉及 到了走枪速度、路径方式、漆膜厚度等一系列在机器人喷涂中与轨迹规划相关的诸多因 素。1 9 9 0 年，h y o t ) r i e m i h 提到的高斯分布模型【1 伽和a n t o m o 等提到的柯西分布模型【l l - 1 3 】 属于无限范围模型，他们对平面上漆膜模型与喷枪轨迹优化设计的问题进行了研究，并 尝试在多因素影响下用数值方法对优化轨迹进行求解。1 9 9 1 年，s u h s h ，n o l l i k 等人 假设油漆喷雾在圆形喷涂区域内形成的漆膜厚度是均匀的，提出有限范围模型的概念。 研制出具有实体建模、参数设置、轨迹自动生成和分析仿真等多项功能的喷漆机器人离 线编程系统，基本可以通过优化来生成喷枪轨迹1 1 4 , 1 5 】。a s a l ( a w a 、觚k a l l 等人于二十世 纪末假设在圆形雾锥内漆膜厚度服从p 分布【1 6 】，并以p 分布模型为基础开发了一款离线 编程系统，其由用户确定涂装工艺参数，依此生成喷涂轨迹，然后利用探测器测量漆膜 厚度并反馈给计算机，在后处理中对涂装质量进行分析和比较。 国内于2 0 世纪8 0 年代开始研究喷漆机器人，并且多用于制造业生产【1 7 】。机电部北 京机械自动化所在8 0 年代研制的第一台p j - i 喷漆机器人就用于汽车制造的生产线，其 由液压伺服驱动，包括工件识别系统、速度同步信号系统及静电喷漆系统【l 引。1 9 8 7 年， 哈尔滨工业大学机器人研究所与北京某工厂联合研制了一种具有挠性手腕的喷漆机器 人。1 9 9 0 年，由第二汽车厂和北京自动化所研发的自动喷漆生产线正式投产。江麓机械 厂研发了国内第一台可由电脑界面操控的大型六自由度悬挂式喷漆机器人，其系统运行 稳定，操作方便，喷漆范围广且质量好，但仍然采用人工示教。国内的这些研究虽然都 是基于人工示教，但是为自动喷漆轨迹规划的离线编程打下了坚实的可行性基础。近年 来，江苏大学的阙聘、王振滨、王皴等人【1 9 埘】从喷枪轨迹最优规划方面对喷漆机器人系 统进行研究，他们在其他研究者的基础上，假设一种圆锥型漆膜厚度模型，通过数学推 导得出有效区平均漆膜厚度的方程式，并在理论上应用于系统的轨迹优化中。清华大学 冯川采用有限范围模型【2 2 1 ，结合喷漆位向关系，将圆锥型喷炬模型应用于喷釉机器人， 虽然应用方向不同，但是已体现出漆膜厚度模型在轨迹规划中的必要性。北京科技大学 武鑫幽】对喷涂机器人静态及动态时的漆膜厚度进行了研究计算和修正，给出了厚度方 程，并验证了模型的合理性，但是对相关工艺参数影响因素的考虑颇少。2 0 0 2 年，陈和 广西大n a c z 硕士学位论文喷漆机器人油漆工艺建模的研究与系统实现 平等人以平面数学模型为基础对喷枪轨迹搭接距离进行了优化，并建立曲面上的漆膜厚 度模型1 2 4 2 6 】。2 0 0 6 年，西安理工大学张永贵提出椭圆双分布模型1 2 r l ，这是一种比较 接近实际雾锥形状的漆膜厚度分布函数，并在平面上进行实验，验证了该模型的有效性。 2 0 0 9 年，广西大学廖小平、夏薇等人基于零件c a d 三角网格模型和油漆沉积模型，提 出一种新的曲面分割方法，通过漆膜厚度模型求出曲面分割的主要参数，实现了系统处 理复杂拓扑结构零件曲面的喷漆智能轨迹规划1 2 8 , 2 9 1 。于盛睿通过几何推导将平面建模转 化为自由曲面问题，为漆膜厚度模型在自由曲面上的应用奠定了基础【3 0 】。 综上所述，可以明显看到，自喷漆机器人发展伊始到逐渐成熟，轨迹规划经历了由 人工示教到离线编程的过程，但是要想把包括被喷涂产品的表面形状、漆膜厚度模型、 工艺环境，喷枪自身属性等多方面因素考虑进离线编程系统，并实现自动工艺轨迹规划 的目的仍然是未能完全解决的问题，主要有下面几个方面的问题： ( 1 ) 大部分对漆膜厚度模型的研究是基于产品表面为平面的情况下，但实际涂装生 产中的喷品外形往往是复杂的不规则自由曲面，所以喷漆机器人系统中轨迹规划所需的 漆膜厚度模型也要可以应用在不规则曲面上。 ( 2 ) 在研究中的多数漆膜厚度模型是处于无干涉状况下取得的，即没有考虑温度、 湿度、喷枪的相对运动和油漆的附着力等边缘因素，即为理想状况下的漆膜厚度简化模 型。这就需要在漆膜厚度模型的实际应用性上开展进一步的研究，以保证喷漆系统中工 艺建模时所采用的模型原型的准确性。 ( 3 ) 获取建模实验数据时，由于不能对漆膜厚度进行很好的控制，比如由于喷枪油 漆吐出量和压缩空气不稳定等造成的漆膜厚度不稳定，以致模型的精度不可靠，导致在 应用于喷枪轨迹规划时还需要修正。所以在考虑多因素的情况下，还要确保膜厚控制的 稳定性，尽量使实验中的油漆成膜均匀无缺陷，否则只注重多因素条件却保证不了漆膜 的良好可用性，必然会使系统的轨迹规划失真。 ( 4 ) 国内外研究者建立的油漆沉积率模型大多数是以圆形雾锥为基础，不完全符合 实际涂装工况，而且无论是采用什么漆膜厚度模型都未将其深入应用到喷漆离线编程 中，使漆膜厚度模型在自动轨迹规划中的意义没有体现出来。 1 3 课题研究目的及意义 喷漆作业中采用喷漆机器人可以提高产品质量和稳定性，减少漆料和能源的浪费， 避免了常规喷漆时工人始终处于有毒环境而造成急性或慢性中毒，提高了劳动安全和生 产效率。喷漆成膜过程不但受周围环境条件( 如环境温度、大气压强以及相对湿度等因 4 广西大学硕士学位论文喷漆机器人油漆工艺建模的研究与系统实现 素) 的影响，而且喷枪本身有关参数( 如喷枪的位置和方向、喷射压力和油漆粘度等) 的 影响也比较大，其雾化能力( 雾流形状和雾粒大小) 直接决定了涂装效果。随着各种喷 涂产品的多样化和复杂化，怎样可以使喷枪运动轨迹最优、消除由技术手法和经验带来 的随机误差、喷幅的搭接距离、实现既定漆膜厚度指标、漆膜厚度涂覆稳定性、涂料消 耗减少、涂装时间最短等工艺参数最优化以获得更好的喷涂效果和产品质量是非常值得 探讨的问题。如今计算机技术的高度发展，不仅可以采用喷漆机器人离线编程方法自动 寻找出最佳喷涂效果的喷枪运动轨迹，而且关于漆膜厚度工艺参数的最优选择也可以利 用各种算法优化。如果可以寻求一种能够快速准确建立适用性较强的漆膜厚度模型的方 法并应用于喷漆机器人离线编程系统中，那么实现高质量低成本的自动化喷漆加工产品 和提高我国自主加工能力的研究目标将指日可待。所以，对漆膜厚度模型的研究和喷漆 机器人离线编程系统的开发是十分必要的。 1 4 课题来源 本课题源自国家自然科学基金项目：基于表面分割的制造工艺智能轨迹规划研究及 其满意优化设计( 5 0 7 6 5 0 0 1 ) 。 1 5 主要研究工作 在课题前期的研究中，已经提出了使用椭圆型雾锥的漆膜厚度模型，并以实测数据 为依据，尝试采用神经网络和遗传算法构建漆膜厚度模型。虽然提出了较为符合实际的 漆膜模型，但是并没有明确选定一种比较适合于建模的方法，对喷漆系统进行初步的设 计中也没有把漆膜厚度模型应用到轨迹自动化求解中。这距本课题开发出喷漆机器人系 统并实现离线编程的目标还有相当远的一段距离。 本文围绕面向任务的喷漆机器人离线编程系统开发这一主题，在课题前期的研究基 础上，通过对国内外学者研究内容的学习，了解和分析离线编程技术，对喷漆机器人喷 枪轨迹自动生成和优化所需要的主要相关因素进行研究，以v i s u a lc 抖6 0 为工具，开 发实现具有工艺建模模块的喷漆机器人系统，全程工作主要将在以下几个方面展开： ( 1 ) 为建立符合离线编程系统要求的漆膜厚度模型，需要采集实际工况中的漆膜厚 度数据，还需学习及掌握标准涂装工艺中的喷涂方法、工作设备的操作、涂装效果标准 的判定等。本文为尽量符合实际情况，采用椭圆雾锥取代大部分研究者所述的圆型雾锥， 以天津川崎机器人公司的空气喷涂机器人的喷漆房为实验环境，按照厂房标准喷涂要求 对油漆进行选择和兑调，在特定的环境湿度和温度下，进行喷漆实验，取稳定性重复性 较好的漆膜厚度数据进行记录，为离线编程系统中的轨迹规划提供真实可靠的漆膜厚度 5 广西大掌硕士掌位论文喷漆机器人油漆工艺建模的研究与系统实现 工艺模型。 ( 2 ) 寻求一种合适的建模方法，在不失去模型正确性和精度的前提下，力求达到在 工艺建模时高速度、高品质、适用性强的效果。并基于漆膜厚度模型，探讨并构建漆膜 厚度的判断准则，作为轨迹间距的求解算法依据。 ( 3 ) 在v i s u a lc + + 6 0 环境下设计与开发喷漆机器人系统，通过深入调研了解并掌握 涂装工艺方面的基本流程，从而合理构建系统整体框架，准确设计工艺建模模块所需的 相关参数，实现最终的喷枪轨迹规划。 ( 4 ) 基于m a t l a b 编写建模主程序，利用遗传算法工具箱完成建模过程，创建工艺建 模模块，并通过一种简单方便的混合编程技术将m 文件转换成c 代码嵌入到喷漆轨迹 规划系统中，实现由产品c a d 模型和漆膜厚度模型对喷枪行走轨迹的优化求解。 1 6 本章小结 本章介绍了喷漆机器人在现代工业中的应用与发展概况，以及喷漆机器人离线编 程系统的国内外现状和存在问题，阐述了在系统开发中对漆膜厚度模型研究的目的及意 义，并对全文主要研究工作进行了简要的概括。 6 广西大学硕士学位论文喷漆机器人油漆工艺建模的研究与系统实现 第二章机器人喷漆工艺的研究 2 1 喷漆工艺参数概述 空气喷漆机器人离线编程的意义在于解除人工示教的束缚，脱离工况环境，实现喷 枪轨迹的自动化。即如何生成一条可以自动控制喷幅的搭接距离、喷枪距离产品表面的 高度、喷枪运行速度、喷枪与工件喷涂点的位向关系等多种因素同时考虑的连续行走路 线。而实现这一自动化的前提条件是得知与实际工况相符合的油漆沉积率数学模型，因 此，要想建立可以适用于实际工况的漆膜模型，其工艺参数就必须要考虑全面且符合实 况【3 1 1 。 影响漆膜质量的工艺参数【3 2 ，3 3 】主要有油漆属性参数、产品属性参数、喷漆机器人设 置参数、以及工作环境质量等几个方面。并且在喷涂作业中，各种属性参数有的是主要 因素，有的是非主要因素。油漆属性参数包括有油漆自身的种类、黏度( 由环境温度和 稀释比例决定) 、固体分含量、附着力、溶剂的挥发性能、成膜特性等；产品属性参数 包括待喷涂产品的板材物理属性、板材用途、板材厚度、表面粗糙度、曲面形状、喷枪 与产品的位向关系等；喷漆机器人参数包括喷枪种类、空气帽的中心口径、压缩空气压 力、出漆量、压料力、辅助空气孔口径、辅助空气孔出气量及压力、走枪速度、喷枪的 高度、喷幅搭接距离、流料时间、烘干工艺等；工作环境参数包括空气温度、空气湿度、 大气压力、气流方向、悬浮物指标等。当然，在本系统中所要体现出来的工艺参数是经 过筛选的，因为把所有影响漆膜厚度质量的相关因素都一一考虑显然是没有太大意义 的，所以实际应用中只设置一部分比较主要的和常用的参数即可。 另外，各种工艺参数之间也是相互影响，相互关联的。一般情况下，常常将以上大 部分参数根据厂商的要求，以人工示教的方法为基础，由技术人员靠经验和技巧掌握喷 枪距被喷涂产品的高度和位向、喷幅的搭接、以及喷枪的行走速度进行试喷。但是，仅 仅靠技术手法和经验几乎都会出现漆膜厚度误差，并且误差没有确定值，不但易产生漆 膜厚度的不均匀，而且无法预测以及修改误差所带来的问题。因此，如何建立符合实况 的漆膜厚度模型仍是个未能完全解决并且必须考虑的问题。 2 2 涂料成膜机理 空气喷涂油漆沉积率模型的物理过程简单的说就是涂料被空气喷枪射出后，由液态 变成固态，并在被喷涂产品表面上形成均匀薄膜的过程。当涂料经由压缩空气雾化喷出 7 厂。西大学硕士学位论文喷漆机器人油漆工艺建模的研究与系统实现 以后，除了被喷涂部分边缘油漆颗粒过度飞散而形成的无效区域外，在有效区域内会形 成一层有厚度的油漆薄膜，如图2 1 ： ， 、 ：二圣兰蒌茎量垂至巡物体表面 图2 1 漆膜剖面示意图 f i g 2 1s c h e m a t i cd i a g r a mo ff i l mp r o f i l e 空气喷涂的涂膜质量很大程度上取决于工作人员的熟练程度和技术水平。一般情况 下如果喷枪的角度不同，喷距大小不同，漆量掌控不合适或是走枪不匀速等原因都会产 生不一样的成膜效果p 4 3 5 1 ，如图2 - 2 、2 - 3 所示，喷枪角度和喷距对漆膜成型的影响。 喷枪 ( a ) 上厚下薄( b ) 下厚上薄 图2 2 喷涂角度对漆膜成型的影响 f i g 2 - 2e f f e c to fs p r a ya n g l eo nf i l mf o r m i n g 8 喷枪 广西大学硕士掌位论文 喷漆机器人油漆工艺建模的研究与系统实现 ( a ) 枪距过近 常规成膜过程如表2 - 1 ： ( b ) 枪距适中( c ) 枪距过远 图2 3 喷涂距离对漆膜成型的影响 f i g 2 3e f f e c to fs p r a yd i s t a n c eo nf i l mf o r m i n g 表2 1 涂料的成膜过程 t a b l e 2 1t h ef i l m f o r m a t i o np r o c e s so fc o a t i n g 液态涂料靠溶剂挥发、氧化、缩合和聚合等物理或化学作用成膜。成膜过程中常 常会出现一些表面缺陷，如图2 4 所示： ( a ) 皱缩嘞浮皱 ( c ) 流挂( d ) 缩孔( e ) 橘皮 图2 _ 4 漆膜成型常见缺陷 f i g 2 - 4d e f e c t so f t h ef i l m - f o r m a t i o np r o c e s s 9 广西大掌硕士掌位论文喷漆机器人油漆工艺建模的研舅 号系统实现 ( 1 ) 皱缩 漆膜太厚太湿加之漆面干燥不均匀就会出现皱缩，特别是使用醇酸油漆时最易出现； 浮皱，喷涂时不同漆层使用的涂料不相容或发生化学反应会造成漆面在干燥过程中膨胀 或是隆起而形成浮皱。 ( 2 ) 流挂 喷涂过程中垂面或斜面形成上薄下厚的流痕称之为流挂，稀释剂使用不当或漆流量 控制不好均会出现流挂现象，并且喷枪参数设置也有极大的关系，比如喷距过近，压缩 空气压力过低，走枪速度过慢等 ( 3 ) 缩孔 缩孔是由于涂料不能均匀附着产品表面致使涂膜不平或抽缩露底引起的，是最常见 漆膜缺陷之一，在喷涂时一般要保证产品表盘光滑无异物并且油漆本身和喷枪压缩空气 都要确保纯净才可以避免这一现象； ( 4 ) 橘皮 橘皮即流平不佳，貌似橘皮的块状褶皱，喷枪调节不当导致雾化的油漆颗粒涂覆在 产品表面时不能顺利流动和合并就会出现这种情况，所以在喷涂前一定要调节好喷枪参 数、稀释剂比例、环境温度等。 除此之外还有酸蚀、条纹、走丝、细小龟裂、裂纹、脆裂、针孔、开裂、斑纹等多 种漆膜缺陷，均与油漆属性、喷枪参数设置等有关。 由此可见，虽然控制好漆膜成型是机器人自动喷涂过程中一个至关重要的前提，但 是喷涂过程中漆膜质量稳定性并不高，因此为了获得良好的漆膜厚度数据用以建立漆膜 模型就必须首先控制好各种影响漆膜成型的相关因素。 2 3 漆层的工艺分类 表面涂装是一种非常复杂的工艺，每个产品的漆面喷涂不仅仅是一层油漆，通常分 为底漆、中漆、面漆3 4 问。由于不同的涂层具有不同的工艺要求，为此喷漆系统工艺模 块的开发必须以实际情况中被喷涂产品的漆层情况为依据来设计。 2 3 1 底漆 国内的底漆主要有醇酸底漆、环氧底漆、硝基底漆、过氯乙烯底漆和丙烯酸聚氨酯 底漆等几种类型。这几种类型的底漆称为头道漆，主要用于汽车车身的外部与零件表面 1 0 r - - 西大学硕士掌位论文 喷漆机器人油漆工艺建模的研究与系统实现 的打底防锈。而酚醛防锈漆和醇酸防锈漆这两类油漆主要适用于汽车车身内部的骨架型 材、板材和零小件等。 1 ) 醇酸底漆 这类底漆的特点是表面干燥快，附着力良好，价格便宜，容易购买，主要用于普通 汽车，如货车，客车等便面的头道底漆。常用的品种有c 0 6 1 铁红醇酸底漆、c 0 6 1 7 铁红醇酸底漆。 2 ) 酚醛防锈漆 酚醛防锈漆与醇酸铁红底漆的不同之处是，漆膜的流平性好、防锈性强，但干燥比 醇酸底漆慢，而且由于漆膜的流平性比较好，只适于刷涂或浸涂方法施工，不适于喷涂 施工，否则喷后的漆膜易产生流淌、流挂，影响涂装质量。常用的品种有f 5 3 3 2 灰酚 醛防锈漆、f 5 3 3 3 铁红酚醛防锈漆、f 5 3 3 6 铁黑酚醛防锈漆、f 5 3 4 1 各色硼酚醛防锈 漆等。 3 ) 醇酸防锈漆 醇酸防锈漆的表面干燥速度比较酚醛防锈漆快。常用于汽车打底防锈漆的主要有 c 3 2 锌灰醇酸防锈漆、铁棕醇酸快干防锈漆与黑铁醇酸快干防锈漆几种。 4 ) 环氧底漆 环氧底漆的性能较醇酸底漆的性能优良，不仅附着力强，而且耐化学性能好，与多 种面漆的配套性也好。在干燥方面，可常温干燥，也可烘干，所以这类底漆在汽车行业， 不论是轿车。客车。货车等都较为实用。品种主要有h 0 6 2 铁红、锌黄环氧脂底漆与 h 0 6 1 0 环氧脂富锌底漆等。 5 ) 硝基底漆 硝基底漆是由硝化棉、醇酸树脂、松香甘油酯、防锈颜料、体质颜料、增韧剂、有 机溶剂等混合组成。 特点是干燥极快。在常温下数分钟漆膜可达表干。3 0 , - , 4 0 分钟达到实干。但附着力 与防锈性不如其他头道底漆，主要用于汽车局部补漆的打底防锈，而不适于整车的打底 防锈，否则达不到预期的质量效果。常用的品种有q 0 6 - 4 各色硝基底漆等。 6 ) 过氯乙烯底漆 过氯乙烯底漆是由过氯乙烯树脂、醇酸树脂、增塑剂、防锈颜料、体制颜料、酮类、 脂类及二甲苯等有机溶剂混合组成。干燥速度比硝基底漆慢，但比醇酸底漆快，附着力 与防锈性和硝基底漆大致相同，三防性能( 防霉菌、防盐雾、防潮湿) 较好。适于湿热 广西大掌硕士学位论文喷漆机器人油漆工艺建模的研究与系统实现 带地区普通汽车打底防锈。若漆膜经过6 0 7 0 c 低温烘干，可提高附着力与防锈性。 7 ) 丙烯酸聚氨酯底漆 这类底漆属于高档底漆。目前汽车涂装使用的丙烯酸聚氯胺脂底漆多分为双组份包 装，即漆料与固话剂分管或分桶包装。使用时，按产品规定的比例进行调配。特点是漆 膜的附着力强，与各种面漆的配套性好，漆中的固体含量较硝基底漆及过氯乙烯底漆高， 但干燥时间比硝基底漆或过氯乙烯底漆长，常温条件下漆膜的表干需要1 5 2 0 分钟，实 干为6 l o 小时，烘干6 0 - 7 0 需要2 2 5 小时。 2 3 2 中漆 中漆也叫中涂漆，即中间层漆。在汽车涂装的图层配套方案上常用于底漆的上面与 面漆的下面，主要作用是填平和覆盖腻子表面、漆膜表面上的砂眼、砂痕、针眼、麻眼 等缺陷，进一步提高涂层的平整度，为涂面漆打好基础。 中涂漆不含防腐剂，故不能作为头道底漆使用；漆中的体制颜料含量高，所以填密 性好，可以一次性连续喷涂2 3 道，以便将涂层表面的细小缺陷充分填平；中涂漆根据 树脂( 主要成膜物质) 的不同，分无光中涂漆与半光中涂漆两种类型，无光中涂漆含有 大量的体质颜料，填密性好，干燥快，易打磨，价格便宜；半光中涂漆含体质颜料少， 树脂含量高，价格贵，即可用于涂层细小缺陷的填平，也可以替代头道漆面来提高涂层 的平整度，借此可节约面漆的用量，降低涂装成本。 1 ) 无光中涂漆 无光中涂漆主要有脂胶、酚醛、醇酸、环氧、过氯乙烯和硝基二道底漆，简称二道 浆。 2 ) 半光中涂漆 半光中涂漆主要有氨基醇酸中涂漆、氨基聚酯中涂漆。氨基丙烯酸中涂漆与丙烯酸 聚氨酯中涂漆。这几类中涂漆的树脂含量高，一填充料用量少，所以涂后的漆膜光泽一般 可达到7 5 8 0 ( 光电光泽计) 左右，漆膜覆盖底层能力好，附着力强，多用作中高 档汽车的中间层漆。 还有一种丙烯酸硝基中涂漆，它是由丙烯酸树脂、硝基棉、增塑剂、进口颜料及适 量填充料和有机溶剂混合制成的高档快干性中涂层漆，其干燥速度略次于硝基漆。具有 漆膜坚韧、附着力强、可连续喷涂等特点。漆中的固体含量较硝基漆高，但比丙烯酸聚 1 2 广西大学硕士掌位论文 喷漆机器人油漆工艺建模的研究与系统实现 氨酯中涂漆含量低，故漆膜的丰满度一般。主要适用于轿车中涂漆的涂装。 2 3 3 面漆 面漆涂装是是涂装工艺的最后一道工艺，目的是为了车体外部的保护和美观。常用 面漆按类型分为三种： 1 ) 挥发性面漆类 主要是硝基外用磁漆和改性热塑性丙烯酸树脂漆类，后者性能较好。 2 ) 双组份低温烤漆 常用的是双组份丙烯酸树脂，此外还有氨基类双组份低温烘烤型涂料。 3 ) 底色漆类 目前常用的底色漆的基料( 主要成膜) 物质是丙烯酸树脂，这类漆膜不具光泽，其 表面还必须罩以清烘漆( 亦双组份涂料) 后才可以获得良好的效果。底色漆属于目前使 用最广泛的面漆涂料，其涂装方法又分双膜( 金属漆) 和三膜( 珍珠漆和玛瑙漆等) 两 种类型。 按涂料颜色分为四种： 1 ) 实色漆 实色漆分为挥发型和双组份型( 即二液型) 。基于涂装效果和效率等方面综合考虑， 目前大部分场合都使用双组份低温烘烤漆，因为前者虽然省去了固化剂( 一般用量为面 漆涂料份量的一般) ，单喷涂时需要多喷涂1 2 单层，并且漆面光亮较差，需要经常打 蜡抛光。 2 ) 底色漆 底色漆喷涂后指触时间很短，一般在喷涂后静置十分钟左右即可参对漆膜做填补砂 眼和打磨等处理，以及进行套色。此外，不少实色漆面轿车制造时就采用了底色双模涂 装技术，极大提高了实色漆轿车的漆面亮丽效果。 3 ) 清烘漆 清烘漆自身不具色彩，是一种透明的罩光用面漆涂料。其喷涂方法与双组份实色漆 相同。 除此之外，根据用途的特点不同，还有很多种面漆，如无光面漆、半光面漆、全光 面漆、高泽光面漆、抛光面漆、金属漆、花纹漆、地板漆、底板漆、修补漆等等。面漆 1 3 广西大掌硕士掌位论文喷漆机器人油漆工艺建模的研究与系统实现 涂层要求平滑性高，丰满度好和光泽好，其涂覆厚度与外观质量标准和遮盖力等因素相 关。 2 4 空气涂装工艺规范 在进行空气喷涂的时候，除了技术人员的经验以外，还有一定的技术规范【3 4 】需要遵 守。并且在喷漆机器人离线编程系统的设计中，由于每个喷涂环境和被喷涂产品的要求 都不一样，实际使用参值在规范性参值范围内也不一样。所以不同的工艺建模参数设置 必然会形成不同效果的漆膜模型。下面是在一般情况下，空气喷涂时的部分工艺规范： ( 1 ) 涂料的配兑和使用黏度：根据涂料生产厂家提供的产品使用说明进行配兑( 目前通 常使用由涂料生产厂家提供的调漆刻度尺) ，一般都可以获得喷涂标准缴度。在添加 固化剂、稀释剂或者其他辅助材料时，最好结合气候温度湿度及工作环境等具体情 况，请选择使用快干、标准或慢干辅料。 ( 2 ) 涂料喷出量：整体2 5 0 m l m i n 7 0 0 m l m i n ，部分l o o m l m i n - 2 0 0 m l m i n 。 ( 3 ) 喷幅宽度：2 0 c m , - - 4 0 c m 。 ( 4 ) 喷涂距离：整体2 5 c m 一3 5 c m ，部分1 5 c m 2 5 c m 。 ( 5 ) 空气压力：整体0 3 m p a - - - o 5 m p a ，部分o 15 m p a - -