（计算机应用技术专业论文）高压静电旋杯控制系统的研究与开发.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标i _ - t - ：j f u 致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 扭越抖堂盟宜瞌或其 他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同：亡作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的浣明并表示谢意。 学位论文作者签名：习 i 、裒j 便 签字f l 期：埘f 年牙月2 7 同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解扭撼登堂班窒瞳有关保冒、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文 被查阅和借阅。本人授权扭缝型堂盟塞医 可以将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、汇编学 位论文。( 以下均为宋体小四) ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：孑玎、纭j 顷 签 h 艄：j 。咕1 ：$ 月坪h 导燧名：矽以 彼ud 签引1 j | ：9 广年多 刁f ， 北京机械工业自动化研究所硕士学位论文 高压静电旋杯控制系统的研究与开发 摘要 应用于汽车车身喷涂的高转速旋杯式自动喷涂成套设备主要由两个部分组 成，它们分别是柔性仿形系统和高压静电旋杯系统。柔性仿形系统的研制曾是国 家8 6 3 重点项目。本论文的重点是高压静电旋杯控制系统的研究与开发，同时， 为使柔性仿形系统与高压静电旋杯系统能够更加灵活方便地构成高转速旋杯式 自动喷涂成套设备，本课题对项目中顶喷柔性仿形系统的各轴插补采用了改进的 轨迹插补算法。 本文介绍了高压静电旋杯系统的组成及工作原理；给出了高压静电旋杯控制 系统各组成部分即旋杯转速控制、高压电控制、漆流率控制、整形空气控制等的 实现方案；完成了高压静电旋杯系统的各软件模块的编程工作；将项目中每套高 转速旋杯式自动喷涂成套设备所需的4 套高压静电旋杯系统构建成了一个高压 静电旋杯总系统；最后，针对该项目中柔性仿形系统与高压静电旋杯系统的紧密 联系，完成了对柔性仿形系统顶喷仿形的一些改进工作，包括使用直线逼近圆弧 的轨迹规划算法及引入虚拟轴算法等。这些算法的引入不仅能简化对轨迹的插补 实现，而且能使柔性仿形系统与高压静电旋杯系统问的协调更加简单有效。 关键词：旋杯静电喷涂柔性仿形插补 北京机械工业自动化研究所硕士学位论文 s t u d ya n dd e v e l o p m e n to nt h ec o n t r o ls y s t e mo fh i g h v o l t a g ee l e c t r o s t a t i cr o t a r yb e l a b s t r a c t h i g h s p e e dr o t a r yb e la u t o m a t i cs p r a yd e v i c e ，w h i c hi sm a i n l yu s e d i nt h es p r a y i n go fa u t o m o b i l e s ，i sc o m p o s e do ft w op a r t s t h e ya r et h e f l e x i b l e p r o f i l i n gs y s t e ma n dt h eh i g hv o l t a g ee l e c t r o s t a t i cr o t a r yb e l l s y s t e m t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft h ef l e x i b l e p r o f i li n gs y s t e mw a s e v e ro n eo ft h en a t i o n a l “8 6 3 ”t l i g ht e c h n o l o g yp r o g r a m t h i sp a p e r f o c u s e so nt h es t u d ya n dd e v e l o p m e n to nt h ec o n t r o ls y s t e mo ft h eh ig h v o l t a g ee l e c t r o s t a t i cr o t a r yb e l ls y s t e m a tt h es a m et i m e ，i no r d e rt o m a k et h ef l e x i b l e p r o f j l i n gs y s t e ma n dt h eh i g hv o l t a g ee l e c t r o s t a t i c r o t a r yb e11s y s t e mc o m b i n e dt o g e t h e rt od e v e l o ph i g h s p e e dr o t a r yb e l1 a u t o m a t i cs p r a yd e v i c em o r ec o n v e n i e n t ，t h i sp a p e ra l s oi m p r o v e st h e i n t e r p o l a t i o n a r i t h m e t i co f a x e s i n t e r p o l a t i o n s i nt h e t o p f l e x i b l e p r o f i l i n gs y s t e m i n t h i sp a p e r ，f i r s t ，w ei n t r o d u c e st h ec o m p o n e n t sa n do p e r a ti o n m e c h a n i s mo ft h eh i g hv o t a g ee l e c t r o s t a t i cr o t a r yb e l ls y s t e m ：s e c o n d ， w ed e v e l o pt h ea c h i e v e m e n to ft h ec o m p o n e n t so ft h eh i g hv o l t a g e e l e c t r o s t a t i cr o t a r yb e l ls y s t e m ，s u c ha st h er o t a r ys p e e dc o n t r o lo fb e l l ， h i g hv o l t a g ee l e c t r o s t a t i c sc o n t r o l ，p a i n tv e l o c i t yc o n t r o la n ds h a p ea i r c o n t r o l ：t h i r d ，w ea c c o m p l i s h e st h es o f t w a r em o d u l e so ft h eh i g hv o l t a g e e l e c t r o s t a t i cr o t a r yb e l ls y s t e m ：f o r t h ，w em a k et h e4h i g hv o l t a g e e l e c t r o s t a t i cr o t a r yb e l1 s y s t e mw h i c ha r en e e d e di nh i g hs p e e dr o t a r y h e l la u t o m a t ics p r a yd e v i c ed e v e l o po n ed o m i h a t es y s t e m ：a t1 a s t ，w e i m p r o v et h ea c c o m p l i s h m e n to ft h et o pf l e x i b l e p r o f i l i n gs y s t e m ，w h i c h i n c l u d e su s i n gb e e l i n et oa p p r o a c ht h ea r ca n dr a is i n gt h ev i r t u a la x i s a r i t h m e t lc 7 f h e s e c a nn o to n ys i m p l i f yt h ea c c o m p l i s h m e n t o f n t e r p o l a t i o n b u ta l s om a k et h ec o o p e r a t i o no ft h ef 】e x i h l e p r o f i i n g 2 北京机械工业自动化研究所硕士学位论文 s y s t e ma n dt h eh i g hv o l t a g ee le c t r o s t a t i ca t o m iz e fs y s t e mm o r ee f f e c t v e k e yw o r d ：r o t a r ya t o m iz e r f l e x i b l e p r o f i l i n g e l e c t r o s t a t i cp a i n t i n g i n t e r g o l a t i o n 北京机械工业自动化研究所硕士学位论文 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图2 9 图2 1 0 图3 1 图3 2 图3 ：j 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图4 1 图d 2 图4 3 图4 冈4 图4 图4 插图清单 高转速旋杯式静电喷枪旋转机构剖面图1 7 转轴在中间位置时磁场的作用力 1 7 转轴偏移时磁场的作用1 7 旋杯磁轴承轴向实现原理图】8 旋杯空针工作图1 9 中心控制阀的端口1 9 整形空气示意图1 9 涂膜厚度与整形空气气压关系曲线2 0 涂着效率一工作电压曲线2 l 外部核电法工作示意图2 2 高压静电旋杯系统控制方案图2 4 声测速旋杯转速控制原理图2 6 光测速旋杯转速控制原理图2 7 高压电产生原理图2 8 高压静电控制原理图2 9 用流率传感器对流率控制的原理图3 0 伺服系统控制原理图3 0 伺服系统控制原理图3 1 流率闭环控制系统3 2 整形空气控制原理图3 3 转速控制流程图3 6 高压控制流程图3 7 流率控制流程图3 8 整形空气控制流程图3 9 系统清沈控制流程图4 0 换色拧制流程图4 l 杯口清洗控制流程图4 1 6 北京机械工业自动化研究所硕士学位论文 图4 8 手动控制流程图4 3 图4 9自动控制流程图4 4 图4 1 04 杯式喷涂设备通信原理图4 5 图 图 图 图 5 1 柔性仿形系统主机示意图4 9 5 2 柔性仿形系统硬件组成图5 0 5 3 柔性仿形顶喷系统主机示意图5 1 j 4 柔性仿形侧喷系统主机示意图5 l j 5 直线插补算法原理图5 3 5 6 运动直线插补算法原理图5 4 5 7 圆弧插补算法原理图5 5 5 8 运动直线连接点轨迹插补原理图5 8 5 9 车体侧视图6 0 5 1 0 车体轨迹规划图6 0 5 1 1 顶喷横梁轨迹规划图6 0 5 1 2 车体前视图6 3 5 1 3h 轴仿形流程图6 4 5 1 4 丌关枪位置判断流程图6 6图图例图图图图图图图 北京机械工业自动化研究所硕士学位论文 1 1 课题背景 第一章绪沦 1 1 1 涂装方法及设备概述 1 11 1 引言 涂装方法是指将涂料( 液态或粉末状) 薄而匀地涂布在被涂z ：p - 表面上的工 艺。在汽车工业的i 0 0 多年的涂装史中，开始常用的涂装方法是刷涂、刮涂、喷 涂、浸涂、淋涂等，随着工业技术的进步以及新型涂料的出现和汽车涂层质量要 求的提高，汽车涂装方法有了很大的变革，除喷涂法及其改进型的方法在汽车涂 装中尚占一定的比例外，其他方法均已或正在被高效自动化的涂装方法所耿代。 11 1 2 涂装方法及设备发展状况 当今涂装行业中常用的涂装方法除喷涂法外，还有电泳涂装法、静电喷涂法 等。 ( 1 ) 喷涂法 喷涂法是靠压缩空气或高压扩散使涂料雾化并高速喷射涂到被涂工件上的 一种涂装方法。按其喷涂原理，喷涂方法又可分为空气喷涂法及高压无气喷涂法。 空气喷涂法是最初在2 0 一3 0 年代为适应硝基漆之类的快干型涂料的喷涂而 丌发的一种喷涂方法。它是靠压缩空气的气流使涂料雾化，并在气流带动下，将 涂料喷涂到被涂工件表面的一种涂装方法。基于它几乎适用于各种涂料及各种被 涂工件，效率高( 每小时可涂装1 5 0 2 0 0m 2 ，约为刷涂效率的8 1 0 倍) ，作业性 好，且能得到均匀美观的涂膜，空气喷涂法至今还是中小批量汽车涂装和汽车修 补涂装的主要涂装方法之一。其缺点为：涂料涂着效率低( 在喷涂大件如车身的 场合一般为5 0 一6 0 ) ，喷雾飞散多，会严重污染操作环境。 空气喷涂法的主要工具是喷枪，它是使涂料和压缩空气混合后，喷出雾状涂 料的工具。一般常用的喷枪由喷头、调节部件和枪体三部分构成。喷头由空气帽、 急 北京机械工业自动化研究所硕士学位论文 喷嘴、针阀等组成，它是改变涂料的雾化、喷流图样等决定喷枪性能的关键部件。 调节部件是调节涂料喷出量和空气流的装置。枪体上装有用来开闭针阀的枪机和 防漏漆、漏气的密封件，并制成便于作业、便于手握的形状。 喷头的主要部件特性介绍： a 涂料喷嘴涂料从喷嘴中喷出，因喷嘴易被涂料磨损，一般用合金钢制作， 并经热处理，其口径随用途而异。涂料流出口与空气帽应为同心圆，并在那里使 涂料与空气混合。喷嘴的口径有很多种，分别适用于不同特性的涂料。口径越大， 涂料的喷出量就越大，此时应相应调高雾化空气的压力，否则雾化粒子就会变粗， 影响喷涂效果。 b 针阀在喷嘴前段内壁，呈针状。与枪针配套成涂料针阀，当扳动枪机时 枪针后移，喷嘴即打开。不同口径喷嘴和相应针阀配套使用。 c 空气帽又称喷嘴头。空气帽可分为少孔型与多孔型两种。少孔型空气帽 卜- 有中心孔和侧面空气孔。中心孔与喷嘴间有很小的间隙( 0 3 - 0 5 m m ) ，靠从这 间隙喷出的强烈的空气流吸出涂料，并使其雾化。从侧面空气孔喷出的空气流对 呈圆形的喷雾图样起压扁的作用，而使其呈椭圆形，以此来调节喷幅。多孔型空 气帽上除了有中心孔和侧面空气孔外，中心孑l 周围有多个对称分布的辅助空气 孔，它可以使从空气帽喷出的空气量和压力更加均衡。 当今国外生产各种类型的空气喷枪的公司主要有美国g r a c o 、b i n k s 、同本 岩f 1 = 1 等。 高压无气喷涂法靠高压泵压送涂料，获得高压的涂料从小孔中喷出时，其速 度非常高( 约1 0 0 m s ) ，但在喷出的瞬间在冲击空气和高压急速下降的作用下， 其体积骤然膨胀从而分散雾化，最终被高速地涂着在被涂工件上。高压泵的动力 源用于压缩空气，不参与涂料的雾化。高压无气喷涂法的涂料雾化程度不及空气 喷涂法，因而不大适用于装饰性的薄层涂装。但其与窄气喷涂法相比具有以下优 点： 涂装效率高，为空气喷涂的3 倍，特别适用于造船、建筑等工业领域； 喷雾飞散小，涂料利用率高，漆雾回弹少，对涂装环境污染少，可改善 工人的操作环境； 适用于喷涂高粘度涂料，由于喷涂压力高，即使高粘度涂料也易雾化。 北京机械工业自动化研究所硕士学位论文 易获得厚涂层，在汽车涂装中高粘度的p v c 车底涂料都采用高压无气喷涂法喷 涂，焊缝密封采用高压枪压涂或喷涂。 高压无气喷涂装置的主要部件及其功能： a 动力源用来提供对涂料的加压动力。因压缩空气在操作上安全简便，涂 料加压泵一般采用压缩空气作为动力。近年来又发展和采用了油压泵和电动高压 涂料泵。 b 高压柱塞泵用于输出高压的涂料。 c 蓄能器和过滤器蓄能器主要是使涂料的液压稳定。因柱塞往复泵在上下两 个止点时，速度等于零，在这瞬间，无涂料输出进而产生涂料压力波动。蓄能器 可以减少喷涂时的压力波动，以提高喷涂质量。过滤器用来过滤漆液，使漆路减 少堵塞，常与蓄能器合在一起以节约空间。 d 手提式高压无气喷枪由枪身、喷嘴、过滤网和连接部件组成。喷嘴是其中 最重要的部件之一，涂料雾化优劣、喷出量及喷幅的大小都取决于喷嘴。喷嘴的 喷幅是不能随时调节的，须更换喷嘴才能达到调节喷幅的目的。喷嘴的种类多达 数十种，可根据使用目的、涂料种类、所需喷幅和喷出量选用。 ( 2 ) 电泳涂装法 电泳涂装法是一种特殊的涂膜方法，它仅适用于电泳涂装专用的水性涂料， 它是汽车涂装近2 0 - - 3 0 年来最普及的底漆涂装方法之一。电泳涂装法是将具有 导电性的被涂工件浸渍在装满水稀释的、浓度比较低的电泳涂料槽中作为阳极 ( 阴极) ，在槽中另设置与其相对应的阴极( 阳极) ，在两极间通一定时间的直流 电，在被涂工件上涂上均匀的、不溶于水的涂膜的种涂装方法。 电泳涂装的原理发明于1 9 世纪3 0 年代，但因当时水性涂料尚不发达而未得 到工业应用。为提高汽车车身内腔和焊缝面的防腐蚀性，美国福特汽车公司于 1 9 5 7 年开始着手研究电泳涂装法，于1 9 6 1 年建成一条用电泳涂装法对车轮进行 电泳涂装的实验生产线，并在1 9 6 3 年成功用于汽车车身涂装。我国开发电泳涂 料和涂装技术已有3 0 多年历史，在1 9 6 5 年上海涂料研究所开发成功阳极电泳涂 料，随后有些涂料厂也相继试制成功。 电泳涂装法在实际应用中显示出高效、优质、安仝、经济等优点，受到世界 各国涂装界的重视。随着新型电泳涂料的丌发和涂装技术的进步，尤其是1 9 7 7 北京机械工业自动化研究所硕士学位论文 年丌发成功阳极离子电泳涂料和阴极电泳涂装技术以来，电泳涂装工艺在汽车工 业中的普及是史无前例的，并由汽车工业推广应用到建材、轻工、家用、电器等 工业领域。据统计现今采用电泳涂装法涂底漆的汽车车身达9 0 以上。 ( 3 ) 静电喷涂法 静电喷涂法是出美国i t wr a n s b u r g 公司发明并制定其工业标准的喷涂方法。 其原理为：以接地的被涂工件作为阳极，涂料雾化器或电栅接上负高压电作为阴 极，在两极间形成高压负电场，阴极产生电晕放电，喷出的涂料滴带负电荷，并 在同性电荷的斥力作用下进一步雾化。按异性相斥的原理，使带电的涂料滴在静 电场的作用下沿电力线方向被吸往被涂工件，放电后粘附在被涂工件上。同时在 被涂工件背面的部分表面，靠所谓的“静电坏抱”现象也能涂上涂料。 在本世纪2 0 年代静电喷涂法首次应用于工业，当初采用传统的空气喷枪向 由阴极电栅和接地的被涂工件构成的静电场中喷射涂料，使涂料滴被核电后被吸 往被涂工件，这种喷涂方法被称为阴极电栅静电喷涂法。直到1 9 5 0 年彳出现了 第一支静电喷枪，涂料雾化和核电功能合并在一个机构中。它首次使喷涂效率有 可能提高到9 5 。就这样静电喷涂： 艺发展成为一种成熟的技术，高转速旋杯式 静电喷枪是其进一步的发展成果。 静电喷涂法不能解决对涂料的雾化问题，因此只有将静电喷涂法原理应用于 能够实现涂料雾化的涂装设备上时，才能使静电喷涂法得以实现。 按照对溶剂型涂料的雾化方式不同，静电喷涂法的喷涂设备可分为普通雾化 型静电喷枪及高转速旋杯式静电喷枪，还包含同这些喷枪相关的供漆及高压电发 生设备。除此之外，静电喷涂法的喷涂设备还有用于喷涂粉末涂料的粉末静电喷 枪及相关设备。 普通雾化型静电喷枪是将空气喷涂法或高压无气喷涂法与静电喷涂法原理 结合起来所形成的喷涂设备。它是指将喷枪喷头上的阀针作为高压负电极，枪体 绝缘，手柄部分接地，改装开发而成。 高转速旋杯式静电喷枪通过旋杯的高速旋转来对涂料进行雾化，旋杯雾化方 式是当今涂装行业中最先进的涂料雾化方式之一，涂料流经高速旋转( 最高转速 可达6 0 ，0 0 0 r p m ) 的旋杯内侧，在离心力的作用f 将涂料变成直径最大为几百 “小颗粒。高转速旋杯式静电喷枪因其与众不同的涂料雾化方式，结合静电涂 北京机械工业自动化研究所硕士学位论文 装技术，使其成为应用最广的工业涂装设备。该设备较以往的涂装设备具有以下 性能优点： 极大地提高了喷漆表面质量。在喷涂技术中，高质量漆膜和美丽喷漆表 而的形成，除了涂料的化学性质外，主要取决于喷漆表面漆膜的光亮度、平滑度、 漆膜厚度的均匀。一般而言，可形成优质漆膜的涂料粒子直径最大为3 7 5 m ， 涂料粒子直径越小，漆膜表面质量越好。高压静电旋杯系统由于采用高速回转离 心力雾化法，可将涂料粒子直径细化到2 0 一i 0 0 埘，因而可大幅度提高喷漆表 面质量。 极大地提高了涂着效率。高压静电旋杯系统的涂着率一般可达9 0 一9 5 以上，而一般传统手工空气喷涂的涂着率只有3 0 一4 0 ，因此，为回收涂料和处 理废剂而设的水沈、污水处理、防止空气污染等装置都可因此大为简化，从而大 幅度减轻了喷涂辅助设备投资和能源损耗，与其它涂装系统相比，仅涂料浪费少 一项就可节省大量资余。同时，由于涂料浪费少、对环境污染轻，可大大降低对 人体健康的损害。 可使用的涂料范围大，应用范围广。高压静电旋杯系统不仅能使普通涂 料微粒化，同时也能使含固体成分较高、粘度较大的涂料微粒化，可使用的涂料 范围非常广泛。同时，该系统的应用范围也非常广泛，几乎包括所有需要进行表 面喷漆的地方，广泛适用于汽车、摩托车、自行车、家用电器及其他各种金属制 品和零部件等表面的喷涂。 粉末的静电喷涂方法1 9 6 2 年首创于欧洲。它是靠高电压使粉末带负电，借 助于静电力吸附在接地的被涂工件上，加热熔融( 和固化) 后成膜的一种涂装方 法。其主要的喷涂设备为静电粉末喷枪，它能利用压缩空气使粉末分散并使粉末 带卜电荷。根据使用要求，它应该满足以下原则： 在喷枪的前端粉术粒子应尽可能地均匀分散( 呈易吸附的浮游状态) ，并 抑制粉术的喷射速度使粉米粒子能充分核电，还要能形成适合于被涂工件形状的 喷流图样和具有良好的涂着效率。 为适应连续涂装的需要，喷枪前端应选用不易被粉术积聚和堵塞的构造 和材质。 应1 i 易着火，安全性要高。 1 2 北京机械工业i i l 动化研究所硕士学位论文 现今车身用的自动静电涂装设备以电喷枪的类型不同，可分为普通雾化型和 高转速旋杯雾化型，我们分别称之为车身用高转速旋杯式静电喷涂成套设备和车 身用喷枪式静电喷涂成套设备。其中车身用高转速旋杯式静电喷涂成套设备主要 包括：侧喷机和顶喷机、高转速旋杯式静f = 包喷枪、供漆系统、高压电发生设备、 控制设备等。我们将侧喷机和顶喷机及其控制系统称为柔性仿形系统，将高转速 旋杯式静电喷枪、供漆系统、高压发生装置及它们的控制系统称为高压静电旋杯 系统。 1 2 高压静电旋杯系统在国内外的研究发展状况 ( 1 ) 国外发展状况 在国外，本世纪2 0 年代静电涂装工艺首次应用于工业，到1 9 5 0 年出现了第 一支旋杯式静电喷枪，它首次使喷涂效率可能提高到9 5 ，是世界喷涂史上的一 次熏大突破，高转速旋杯式静电喷枪是其进一步的发展成果。同时，随着涂装行业 对该设备使用要求的不断提高，促进了整个高压静电旋杯系统的不断发展。 高压静电旋杯系统的特殊工作原理决定了其只能存在于自动喷涂设备中，其 涂膜装饰性好、质量稳定等优越性及其昂贵的造价决定了它的主要应用领域为汽 车涂装领域。从这些角度上讲，高压静电旋杯系统的使用在一定程度上促进了汽 车自动喷涂设备的发展，它在多关节工业机器人上的成功使用就是一个很好的例 子。 车身用高转速旋杯式静电喷涂成套设备是一些发达国家在九十年代为适应 汽车产业高质量、多品种、小批量、大规模自动化生产而开发的高新技术设备。 该设备是高压静电旋杯系统在汽车涂装领域内与先进自动喷涂设备的又一次完 美结合。该设备较之高压静电旋杯系统与多关节工业机器人组成的喷涂设备不仅 具有价格上的优势，还可以针对汽车外形结构特征，把工业机器人的灵活性和自 动喷涂机结构简单、效率高、编程容易、使用方便以及高压静电旋杯系统优质、 低耗、污染少等诸多优点融为一体，从而构成全新的自动喷涂设备。 国外车身用高转速旋杯式静电喷涂成套设备的主要生产厂商有：瑞煦的 北京机械工业自动化研究所硕士学位论文 a b b 、英幽的b i n k s 和德国的d u e r 等集团公司，这些商都是( 或曾是) ：【：、l k 机器 人的制造商，也是生产车身用高转速旋杯式静电喷涂成套设备的名牌厂商。 ( 2 ) 国内研究发展现状 近年柬，国内汽车制造行业的蓬勃发展使其对高压静电旋杯系统的需求迅速 增长，国内一些机构开始从事一些针对该系统的研制工作，但由于经费、机械工 艺等难题使其研制的产品远不能达到在工业中稳定使用的程度。 与此同时，国内对柔性仿形系统的研制已取得突破性进展，2 0 0 0 年，由北 京机械工业自动化研究所承担的圈家”8 6 3 ”项目所研发的柔性仿形系统更是填 补了国内空白，但直到今天，车身用高转速旋杯式静电喷涂成套设备中的旋杯控 制系统仍然只能完全依赖进口。 1 3 论文来源 2 0 0 4 年，北京机械工业自动化研究所承担了重庆力帆汽车有限公司轿车生 产自动喷涂线的建设： 作，该项目是国产柔性仿形自动喷涂系统在国内轿车喷涂 行业中的第一次应用。该自动喷涂线用来对汽车车体完成中涂漆、面漆及罩光漆 的喷涂工作。其中，中涂漆的喷涂工作由一套车身用高转速旋杯式静电喷涂成套 没备完成，面漆的喷涂工作由一套车身用高转速旋杯式静电喷涂成套设备及一套 车身用喷枪式静电喷涂成套设备来完成，罩光漆的喷涂工作也由一套车身用商转 速旋杯式静电喷涂成套设备完成。本课题旨在完成对本项目中车身用高转速旋杯 式静电喷涂成套设备中高压静电旋杯控制系统的研究与开发。 1 4 课题意义 课题“高压静电旋杯控制系统的研究与开发”立足于汽车喷涂行业，在完成 对旋杯控制系统进行研究与开发的同时，对其在汽车喷涂行业使用的母体系统一 一柔性仿形控制系统也有相应的改进，该课题的完成具有以下意义： ( 1 ) 填补了国内空白。高压静电旋杯系统是当今世界上最先进的喷涂系统之 ，目前国内对该系统还只能依赖进口，浚课题可填补国内的空白。 ( 2 ) 有利于车身用高转速旋杯式静电喷涂成套设备f 1 后的完全国产化，节约 了外汇。目前国内的柔性仿形系统的国产化已经有几年的历史，但高压静电旋杯 1 4 北京机械工业自动化研究所硕士学位论文 帅、英田的b n k s 和德固的i ) u e r 等集日1 公司，这些厂商都是( 或曾是) l 、世机器 人的制造裔，也是，【二产车身用高转速旋杯式静电喷涂成套设备的名牌厂商。 ( 2 ) 国内研究发展现状 近年来国内汽车制造行业的蓬勃发展使其对高压静电旋杯系统的需求迅速 增长，国内一些机构开始从事一些针对该系统的研制工作，但由十经费、机械j 一 艺等难题使其研制的产品远_ ：能达到在工业中稳定使用的程度。 与此同时，国内列柔性仿形系统的研制已取得突破性进展，2 0 0 0 年，由北 京机械上业自动化研究所承担的国家”8 6 3 ”项目所研发的柔性仿形系统更是填 补f 国内空白，但自到今天，车身用高转速旋杯式静电喷涂成套设备中的旋杯控 制系统仍然只能完全依赖进口。 13 论文来源 2 0 0 4 年，北京机械上业自动化研究所承担了重庆力帆汽车有限公司轿车生 产自动喷涂线的建设工作，该项目是国产柔性仿形自动喷涂系统在国内轿车喷涂 t , l k 中的第次应用。该自动喷涂线用来对汽车车体完成中涂漆、面漆及罩光漆 的喷涂工作。其中，中涂漆的喷涂工作由一套车身用高转速旋杯式静电喷涂成套 设备完成面漆的喷涂t 作由一套车身用高转速旋杯式静电喷涂成套设备及套 车身用喷枪式静电喷涂成套设备来完成，罩光漆的喷涂工作也由一套车身用高转 速旋杯式静电喷涂成套设备完成。本课题旨在完成对本项目中车身用高转速旋杯 t 静电喷涂成套设备中高压静电旋杯控制系统的研究与开发。 l _ 4 课题意义 课题“高压静电旋杯控制系统的研究与”发”立足于汽车喷涂行业，在完成 对旋杯控制系统进行研究与开发的同时，刘其在汽车喷涂仃业使用的母体系统一 一柔性仿形控制系统也有相应的改进，该课题的完成具有以下意义： ( 1 ) 填补了陶内空白。高压静电旋杯系统是当今世界上最先进的喷涂系统之 ，目前因内对该系统还只能依赖进口，浚课题可填补国内的空白。 ( 2 ) 有利于车身嗣高转速旋杯式静电喷涂成套设备开后的完全困产化，节约 了外扩= 日前国内的柔性仿形系统的国产化已经有几年自勺历史，但高压静电旋杯 了外扩= 目前国内的柔性仿形系统的国产化已经青几年的历史，但高压静电旋杯 北京机械工业自动化研究所硕士学位论文 系统还只能依靠进口，本课题的完成使车身用高转速旋杯式静电喷涂成套设各的 崮产：化成为可能。 ( 3 ) 由于该项目是国产柔性仿形系统在国内轿车喷涂行业中的第一次应用， 本课题中对系统中柔性仿形系统实现的改进对高压静电旋杯系统在车身用高转 速旋杯式静电喷涂成套设备中的灵活应用具有重要意义。 5 北京机械工业自动化研究所硕士学位论文 第二章高压静电旋杯系统介绍 21 高压静电旋杯系统 高压静电旋杯系统主要山高转速旋杯式静电喷枪、高压静电发生装置、供漆 系统及他们的控制系统组成。 2 1 1 高转速旋杯式静电喷枪 高转速旋杯式静电喷枪是将涂料雾化及荷电功能结合在一起的喷涂设备，其 最重要的组成部分是用来对涂料进行雾化的旋杯，其旋转机构使用的是s a m e s 公司的专利技术一磁悬浮空气涡轮技术。 2 1 1 1 磁轴承技术简介 磁悬浮轴承技术简称磁轴承技术，是指利用磁场力将转轴悬浮起来，使其在 空间无机械摩擦、无磨损地旋转的技术。磁轴承具有无机械摩擦、无磨损、无噪 声运转的优良性能，可在高真空、超净、腐蚀性介质以及极端温度和压力等特殊 环境下工作。目前，磁轴承技术在国外发展很快，已经有了相当多的应用领域， 成果十分显著。 广义的磁轴承涵义，包括了回转形磁轴承和直线形磁轴承。回转形磁轴承 是指对做回转运动的回转体的磁力悬浮，直线形磁轴承是指对非旋转体、特别是 指对做直线运动的物体的磁力悬浮。旋杯旋转机构中使用的是前一种磁轴承技 术。 磁轴承按工作原理可分为两类：主动磁轴承和被动磁轴承。主动磁轴承采用 了主动电子控制手段，它一般由电磁轴承本体和电子控制系统组成，利用电磁力 将转轴悬浮起来。一个典型的主动磁轴承系统主要由转予、电磁铁、传感器、控 制器和功率放大器等组成，电磁铁安装在定子上，转子悬浮在按径向成对布置的 电磁铁所产生的磁场中。工作中，通过安装在电磁铁上的精密传感器连续监测转 轴的位置变动情况，由电子控制系统迅速控制力场，使回转体的运行状态稳定平 衡，并达到一定的精度要求。 被动磁轴承没有主动电子控制，它是利用磁场本身的特性将转轴悬浮起来 北京机械工业自动化研究所硕士学位论文 的，它人体上可分为两类：全被动( 超导体、抗磁体) 磁轴承和永磁轴承。全被 动磁轴承虽然在静态磁场中能实现稳定悬浮，但从壬见阶段看其实用价值还存在不 少问题。抗磁体( j r 1 ) 虽然在静态磁场中能被动地悬浮起来，但其悬浮重 量很小，一般只有几十至几百毫克；超导体( t r = 1 ) 悬浮由于需要制冷系统， 设备昂贵，结构复杂，目前用于磁轴承还有很大的局限性。因此，就目前来讲， 被动磁轴承主要指永磁轴承，研究与应用的重点也侧重于永磁轴承。 永磁轴承是利用永久磁体产生的磁场力将转轴悬浮起来。由于它具有结构简 单、工作中基本无能耗、无需维修保养、工作可靠、体积小、重量轻、不需要备 用动力源、在功率损耗的情况下仍能继续工作等特点，因此其应用范围比较广泛。 永磁轴承的发展曾一度受到磁性材料发展水平的限制，近年来由于稀土永磁材料 的实用化，为永磁轴承提供了一种性能高、稳定性好的比较理想的磁轴承材料， 使其能够获得足够大的刚度和承载能力，永磁轴承采用高性能稀土永磁材料制作 后，显示出了极大的优越性。因此永磁轴承的研究与应用得到了迅速发展，旋杯 旋转机构所用的磁轴承e 是永磁轴承技术一次很好的应用。 211 2 磁轴承的力学模型 磁轴承是利用磁场力提供全部或部分约束力限制回转体除绕转轴线回转的 另外五个自由度，使回转体只能绕其轴线回转。设转轴是刚体，以平衡状态下回 转体的中心位置为原点，x 、y 、z 表示相互垂直的坐标轴，q x 、q y 、q z 分别表示 转轴在x 、y 、z 方向上的转角，则对于任何磁轴承系统，无论其结构如何，其回 转体在磁场中所受的力和力矩均可用下列矩阵形式表示： f k x 嘛只( 3 1 ) 式中，f 为回转体在磁场中所受的力和力矩，x 为坐标矢量矩阵，雇为速 度矢量矩阵，f o 为回转体在初始平衡状态f 所受的力，k 为刚度系数矩阵，c 为 阻尼系数矩阵。即： 北京机械工业自动化研究所硕士学位论文 e e e 珞 ， k 。k 。j k x z k 。k x 87k 姻： k 。k 。k 。k 。k 。k 。 k 。k 。k 。k 。k hk 。 k 。# k 8 i rk 8 i zk 8 8 ：k 咿? k 9 8 j k 。? xk 8 二yk 8 7 zk o , b 。k o , o , k o , o , k e ? xk 9r jk 9 。：k 口。，。k e 8k 8 。e + 磊， 磊， 。 k k t o 以 x y z o g 芝 ( 3 2 ) 上式是一个比较完整的磁轴承系统的力学模型。但是，要确定式中3 6 个刚 度系数和3 6 个阻尼系数，无论从力学计算上，还是从实验测定上，都是比较困 难的。在实际应用中，要根据具体的问题进行其体分析，合理简化。 21 1 3 高转速旋杯式静电喷枪旋转机构的组成及工作原理 旋杯磁轴承的工作原理 旋杯中的磁轴承是由永久磁体构成的，即利用永久磁体产生的磁场力将转轴 悬浮起来。永磁轴承按支承方式分为径向永磁轴承和轴向永磁轴承，按磁力提供 形式和排列方式分为斥力型永磁轴承和引力型永磁轴承。旋杯中径向轴承的实现 采用的是由永久磁环构成的斥力型永磁轴承，四条永磁磁环按同性磁极相对排列 形成永磁轴承，如图2 1 所示。其中，卜面两条磁环嵌入定子中，上面两条磁环 则嵌入转子中。 嫂设成。成，敝。 丘 以 眭 4 照 西乙。d岛。矗 执 凤 以 n n n 一 乙g巴函艮 q 日 艮 n 臼 臼 巳q巴 o巳巳一 g岛厶咖咖一铆岛厶，厶伽伽伽 北京机械工业自动化研究所硕士学位论文 蚓2 1 高转速旋杯式静屯喷枪旋转机构剖面图 当转子相对定子处于平衡位置时，磁场对转子作用力的情况如图2 2 所示。 而当转予相对于定子产生偏移时，磁场对转子作用力的情况如图2 3 所示。 此时，磁场产生一个同偏移方向相反的磁场力，来确保旋杯的转子与定子在径向 上保持平衡状态。 惆肾咽圜 闺圉圈豳 幽2 2 转轴在中间位谶时磁场的f l ij _ l ：l 力图2 3转轴偏移时磁场的作川 1 8 4 2 年，英国物理学家首先提出了被动磁悬浮的概念，并从数学上证明了： 在受力与距离平方成反比关系的恒定磁场中，一个物体是不能处于稳态的，朗只 l 永久磁体构成的磁轴承系统是不可能在全部自由度上= 实现稳定平衡的。径向永 磁系统只限制了转轴的4 个自由度，而转轴的轴向、f 移自山度并未得到限制。因 此，要想得到稳定平衡的永磁轴承系统，至少要在个方向l 引x p l - 力( 如电磁 力、机械力、气动力等) 。 旋杯t 轴向轴承的实现可采州斥力型永磁轴承或引，j 型永磁轴承，一般多采 【作气隙定的引力型永磁轴承，川借助构成径向牟 1 1 承的两组永磁环m 的引力， 北京机械工业自动化研究所硕士学位论文 并向气隙坦加入一定压力的压缩宅气，同时在轴向1 二加辅助限位殴各( 如毛利 等) ，用压缩空气与限位设备的合力来平衡掉磁环问的引力，蠓终实现轴向平衡。 其结构图如图2 4 所示。 剀2 4 旋杯磁轴承轴向实现原理幽 旋杯的雾化原理 转子的尾部是一个空气涡轮，其通过一根空心轴来驱动转子。工作时，压缩空 气驱动涡轮高速旋转，进而带动旋杯高速旋转，给空气涡轮的压缩空气压力越大， 旋杯转速越快，相反压缩空气压力越小，旋杯转速越慢。旋杯转速控制中的被控对 象就是驱动涡轮转动的压缩空气压力，连同一个旋杯转速反馈系统，构成能对旋 杯转速进行精确控制的闭环控制系统。 旋杯安装在转子上，可拆卸。涂料通过空心轴中的空针进入旋杯转体，涂料 和清洗液都通过涂料喷嘴到达旋杯，在其边缘发生雾化。旋杯准确对称的部件， 一般使用铝合会制造的。许多旋杯中存在涂料的分流：8 0 的涂料可通过最短的路 径到雾化器的边缘，其余2 0 由巾心孔流过前端的导向环，对旋杯表面起到持 久的刷沈作用。 童堕堕塑：! 堕垫竺堕壅堕堕主兰垡堡塞 ，罴j 么_ 二刁后三虹二 幽2 5 旋杯空针i ：作幽 由涡轮驱动旋杯转体超高速旋转产生的离心力，保证涂料高质量的雾化，克 服了过去静电喷涂对涂料的粘度等有特殊要求这一问题。 中心控制阀是旋杯的主要部件 之一，它直接安装在旋杯上，其主要 功能是控制涂料的进路和回路。为实 现此功能，阀体具有三路进出媒质的 空针，另外有控制气端口。涂料通过 空心主针供给旋杯，当换色和清洗 时，溶剂也可通过此针供给并进入 旋杯。当换色和清洗载漆部件时，凹 进 回藩管路 中心控制闻的端口 气端 漆阀用于传送多余的涂料和清沈液进入废液 幽2 5 中心控制阀的端 口槽内，以减少对喷漆室的污染。工作时，通过对单位时问内经过空心针进入旋 杯的涂料总量的控制，可调解获得 7 7 + 膜厚的大小，我们称之为对旋杯系 整形空气 ，一7 t 1 统流率的控制。该控制是通过旋 l r7 ；一一7 一1 杯系统中的流率控制系统来完成 fi 喷霉流 的。 、； 、t 可凋整形空气从旋杯后均匀分 ， ；、 -。 、。、一 撕 的i lr 1 1 扫 h ，女| l 图2 6 所为；。它、。一：、! 、 用】二支持涂料滴的传输、稳定旋杯 j 剐制的气流，从埘通过限制雾化俳 l 芒42 h椎j 哆_ ! t 示意l 钢 北京机械工业自动化研究所硕士学位论文 形来准确地调整喷幅，防l e 漆雾飞散污染杯体。 通过对整形空气压力的调节即可以对喷幅进行调节，该空气压力 越大所获得的喷幅就越小，反之，该空气压力越小所获得的喷幅就越大。 整形空气并不能使产生在旋杯的边缘的机械雾化后的涂料滴再次雾化，而是 用于限制喷涂幅 度，这样便可影响 涂膜厚度，涂膜厚 度与限幅气压的 涤 腰 关系曲线如图 厚 度 2 ，7 所示。 整形空气压 力增加，导致从旋 。 杯边缘切向抛出 的涂料滴微粒大 喷林轴线 2 + 1 0 瞿，一， 一 一3 + l o p a 脓 _ j - 。 、吣 心 ， ， |：气 j 7 1 _ t il， l 喷i 寮件横断面 噎涂件中心 幽2 7涂膜厚度与整形空气气压关系曲线 幅度地朝旋杯轴向偏移。这样喷涂区域变窄，所用涂料集中在较小区域内，在涂 料量不变的情况下，形成更厚的涂膜。 2 1 2 高压静电发生装置 静电喷涂法中，由高压静电发生装置来产生上万伏高压直流电，该直流电的 负极接到涂料雾化器或电栅作为阴极，直流电的正极连同被涂工件按地作为阳极 在两极之间形成高压静电场，阴极产生电晕放电，使喷出的涂料滴带电，并使其 进步雾化，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f 沿电力线方向被吸往被涂工件，并使被涂工件背面的部分表面靠所谓的“静电环 抱”现象电能涂上涂料。 当静电场强度足够大时，使喷枪头部的锐边( 或极针) 的工件溢出飞向工件， 在高压电场的作用下，电子动能很大，高速撞击空气分子，使空气分子电离，所 产生的电子和正离子被电场加速，又分别向两极运动，再去撞击其他空气分子， 使他们电离，从而形成一个电子“雪崩“过程，出现空气电离放电现象，在黑暗 环境下可见到雾状晕圈，即所消“电晕放电”现象。 北京机械工业自动化研究所硕士学位论文 电场强度是静电喷涂的动力，它的强弱直接影响静电喷涂的效果( 静电效应、 涂着效率和涂膜的均匀性等) 。在一定的范围内，静电场的电场强度越强，静电 雾化和静电吸引的效果也越好，反之，电场强度小到一定程度，电晕放电变弱( 甚 至不产生) ，涂料滴的荷电量变小，静电雾化和涂着效率就会变差。 静电场的电场强度主要取决于电压和极距( 即被涂工件与放电极之间的距 离) 。它与电压高低成正比，与