摘  要: 隨著技術(shù)的發(fā)展和社會的進(jìn)步，提高漆膜性能、提高噴涂效率和涂料利用率、降低VOC排放、提升涂裝工人作業(yè)環(huán)境受到廣泛關(guān)注，噴涂機(jī)器人作為一項(xiàng)重要技術(shù)保障成為爭相研發(fā)及應(yīng)用的熱點(diǎn)。目前，一些對漆膜性能要求高、同種工件數(shù)量大、利潤率高的行業(yè)已經(jīng)廣泛采用噴涂機(jī)器人替代人工進(jìn)行噴涂作業(yè)，如汽車及其零部件、3C、家具等行業(yè)。然而，在市場更加廣闊的一般工業(yè)中噴涂機(jī)器人的普及率較低。本文總結(jié)了噴涂機(jī)器人技術(shù)特點(diǎn)，列舉了幾種典型結(jié)構(gòu)噴涂機(jī)器人，并根據(jù)重點(diǎn)行業(yè)闡述了噴涂機(jī)器人在工業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀。

關(guān)鍵詞: 噴涂機(jī)器人; 汽車; 3C; 家具; 一般工業(yè)

0    引言

當(dāng)前，以智能制造為主導(dǎo)的第四次工業(yè)革命悄然而至，德國的工業(yè)4.0、美國的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)以及中國制造2025均是針對這次工業(yè)革命的戰(zhàn)略構(gòu)思。中國制造2025是自動化和信息化兩化融合的過程，工業(yè)機(jī)器人憑借其自動化、柔性化、智能化的生產(chǎn)特點(diǎn)，成為智能制造中的重要部分。根據(jù)應(yīng)用形式不同，工業(yè)機(jī)器人可分為搬運(yùn)機(jī)器人、碼垛機(jī)器人、焊接機(jī)器人、打磨拋光機(jī)器人、噴涂機(jī)器人等。

涂裝是產(chǎn)品制造的一個重要環(huán)節(jié)，關(guān)系著產(chǎn)品的外觀質(zhì)量，不僅賦予產(chǎn)品優(yōu)良的防護(hù)、裝飾性能，而且也是產(chǎn)品價(jià)值的重要構(gòu)成因素。噴涂是涂裝技術(shù)的重要工藝，噴涂房環(huán)境惡劣，涂料中的揮發(fā)性有機(jī)物、粉塵嚴(yán)重影響工人身體健康；同時(shí)，人工噴涂在漆膜性能、噴涂效率、涂料利用率方面的瓶頸日益顯現(xiàn)。因此，采用噴涂機(jī)器人替代人工噴涂是必然趨勢，噴涂機(jī)器人也成為了應(yīng)用熱點(diǎn)。

目前，噴涂機(jī)器人已經(jīng)廣泛用于汽車整車及其零部件、電子產(chǎn)品、家具的自動噴涂。未來，以噴涂機(jī)器人為重要代表的新型設(shè)備與新型涂料、新工藝相互促進(jìn)、相互發(fā)展所引發(fā)的涂裝技術(shù)變革，將會更好的服務(wù)于國民經(jīng)濟(jì)各個行業(yè)。與此同時(shí)，噴涂機(jī)器人作為工業(yè)機(jī)器人中的一員，也會成為涂裝領(lǐng)域自動化和信息化進(jìn)程的重要推動力量。

1    噴涂機(jī)器人研發(fā)現(xiàn)狀

1.1  噴涂機(jī)器人特點(diǎn)

噴涂機(jī)器人有著的工作特點(diǎn)，除了具備機(jī)器人的共性功能外，還需具備如下特點(diǎn)方能滿足工業(yè)化的應(yīng)用需求。

1）防爆功能

涂料中的可揮發(fā)性有機(jī)物（丙酮、甲苯、二甲苯、等）在密閉的噴涂房中形成具有潛在爆炸的氣體環(huán)境，噴漆區(qū)內(nèi)爆炸性氣體環(huán)境為1區(qū)危險(xiǎn)區(qū)域，爆炸性粉塵環(huán)境為21危險(xiǎn)區(qū)域，故噴涂機(jī)器人置于噴涂房中的執(zhí)行部分（機(jī)器人本體）需要具有防爆功能。

2）斜交/直線形非球型中空手腕（4、5、6軸）結(jié)構(gòu)

噴涂狹小空間或工件內(nèi)表面時(shí)，斜交/直線形非球型中空手腕結(jié)構(gòu)噴涂機(jī)器人運(yùn)動學(xué)特性優(yōu)于正交球型手腕結(jié)構(gòu)機(jī)器人（焊接機(jī)器人采用的結(jié)構(gòu)形式），噴槍姿態(tài)可快速靈活變換。另外，涂料管路置于中空手腕內(nèi)部，避免了4、5、6軸運(yùn)動過程中管路發(fā)生纏繞及位置干涉，同時(shí)也在某種程度上防止了涂料管破裂污染工件。

3）噴涂設(shè)備集成度高

噴涂方式體系多樣，根據(jù)供料壓力可劃分為低壓噴涂方式和中高壓噴涂方式?？諝猓o電）噴涂、靜電旋杯噴涂屬于低壓噴涂方式，涂料顆粒霧化效果好、裝飾性好，廣泛用于汽車及其零部件的涂裝；混氣/空氣輔助（靜電）噴涂、無氣噴涂屬于中高壓噴涂方式，涂料流量大，一次成膜厚度大，涂裝效率高，廣泛用于一般工業(yè)的涂裝。

在汽車工業(yè)應(yīng)用中，為了提高噴涂節(jié)拍，減少清洗管路的時(shí)間和溶劑消耗量，在低壓噴涂系統(tǒng)引入了換色模塊、雙組份在線精確配比模塊，并且由于低壓供料的特點(diǎn)，各種模塊體積小、集成度高，通過氣體控制閥芯通斷，可安裝在噴涂機(jī)器人小臂內(nèi)部或機(jī)器人附近區(qū)域，成為與噴涂機(jī)器人集成度的噴涂設(shè)備。

4）噴涂工藝軟件

針對集成度較高的噴涂設(shè)備，噴涂機(jī)器人可通過噴涂工藝軟件進(jìn)行噴涂點(diǎn)工藝參數(shù)（涂料流量、霧化空氣壓力、扇幅空氣壓力等，包括開關(guān)量和模擬量）的快速控制及噴涂過程（清洗、換色）的快速控制。

5）智能跟隨

為了提高生產(chǎn)節(jié)拍，噴涂過程中懸掛鏈（或其他輸送設(shè)備）不停止，噴涂機(jī)器人需跟隨懸掛鏈進(jìn)行自動噴涂。因此，噴涂機(jī)器人需具備智能跟隨的功能，即采用靜態(tài)表面噴涂軌跡的示教或離線編程，在自動噴涂作業(yè)時(shí)，在工件移動方向給出一個速度值，機(jī)器人根據(jù)該速度自動規(guī)劃出新的噴涂軌跡。

6）離線編程工作站

噴涂作為一種表面處理工藝，需要噴涂機(jī)器人對工件表面進(jìn)行整體噴漆。在有些應(yīng)用中，示教工作是非常復(fù)雜甚至不可能實(shí)現(xiàn)的。采用離線編程工作站將工件表面點(diǎn)離散，然后生成噴涂機(jī)器人的運(yùn)動軌跡，不但提高了噴涂機(jī)器人運(yùn)動軌跡生成效率，也提高了項(xiàng)目的可實(shí)施性。

1.2  噴涂機(jī)器人優(yōu)勢

1.2.1 技術(shù)性優(yōu)勢

噴涂機(jī)器人憑借其優(yōu)異的運(yùn)動學(xué)控制和噴涂工藝參數(shù)的快速精確控制，具備如下技術(shù)性優(yōu)勢：

1）漆膜性能好：通過涂料流量、霧化空氣壓力、扇形空氣壓力、機(jī)器人行走速度的協(xié)同控制，保證了漆膜的性能及均勻一致性；

2）涂料利用率高：機(jī)器人行走軌跡精度高、速度均勻，扇形疊加量一致，有效避免了過噴、漏噴及無效噴涂現(xiàn)象，提高了涂料利用率；

3）噴涂效率高：可24小時(shí)無間斷工作，大大提高了生產(chǎn)效率。

1.2.2 機(jī)器屬性優(yōu)勢

噴涂環(huán)境非常惡劣，噴涂作業(yè)十分枯燥，噴涂機(jī)器人作為一種智能化的機(jī)器，相比于噴涂工人具有如下屬性優(yōu)勢：

1）不需要培訓(xùn)就成為熟練工，直接上崗；

2）不會出現(xiàn)因疲勞作業(yè)導(dǎo)致產(chǎn)品合格率下降；

3）使用機(jī)器人代替人工，更容易安排生產(chǎn)計(jì)劃；

4）不在乎工作是否單調(diào)重復(fù)還是復(fù)雜難干，服從指揮，沒有怨言。

1.3  噴涂機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀

按照機(jī)器人手腕（4、5、6軸）結(jié)構(gòu)形式的不同（1、2、3軸結(jié)構(gòu)與焊接機(jī)器人無本質(zhì)差別），噴涂機(jī)器人可分為正交球型手腕噴涂機(jī)器人、直線形非球型中空手腕噴涂機(jī)器人、斜交非球型中空手腕噴涂機(jī)器人。

1.3.1 正交球型手腕噴涂機(jī)器人

正交球型手腕結(jié)構(gòu)噴涂機(jī)器人除了具備防爆功能外，其手腕結(jié)構(gòu)與通用六軸關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)器人相同，4、5、6軸為正交球型結(jié)構(gòu)，即一個擺動軸、2個旋轉(zhuǎn)軸，三個軸線相交于一點(diǎn)且兩相鄰關(guān)節(jié)的軸線垂直，具有代表性的國外產(chǎn)品有ABB公司的IRB52噴涂機(jī)器人，國內(nèi)產(chǎn)品有新松公司的SR35A噴涂機(jī)器人。

1.3.2 直線形非球型中空手腕噴涂機(jī)器人

直線形非球型中空手腕結(jié)構(gòu)噴涂機(jī)器人4、5、6軸為三個回轉(zhuǎn)軸，且三個回轉(zhuǎn)軸可重合為一條直線，具有代表性的為ABB公司開發(fā)的IRB5400、IRB5500噴涂機(jī)器人。

1.3.3 斜交非球型中空手腕噴涂機(jī)器人

斜交非球型中空手腕結(jié)構(gòu)噴涂機(jī)器人4、5、6軸為三個回轉(zhuǎn)軸，且三個回轉(zhuǎn)軸相交于兩點(diǎn)的形式，具有代表性的為國外YASKAWA、KAWASAKI、FUNAC公司開發(fā)的噴涂機(jī)器人。

2    噴涂機(jī)器人在工業(yè)中的應(yīng)用

2.1  汽車行業(yè)

汽車工業(yè)憑借其產(chǎn)量大、節(jié)拍快、利潤率高等特點(diǎn)，成為噴涂機(jī)器人應(yīng)用泛的行業(yè)，汽車整車、保險(xiǎn)杠的自動噴涂率幾乎99%。石雨磊等的應(yīng)用表明，噴涂機(jī)器人在汽車涂裝中的應(yīng)用會大大降低流掛、虛噴等涂膜缺陷，漆面的平整度和表面效果等外觀性能得到明顯提升。同時(shí)，受汽車工業(yè)應(yīng)用需求的驅(qū)動，噴涂工藝軟件包和離線編程工作站得到了較為完善的開發(fā)，并發(fā)揮出了重大作用。

此外，噴涂機(jī)器人在客車及重卡駕駛室噴涂也有一定的應(yīng)用。比如李抗戰(zhàn)等人將噴涂機(jī)器人用于噴涂重卡駕駛室中涂漆、面漆及罩光漆。應(yīng)用表明，采用噴涂機(jī)器人提高了涂裝的外觀質(zhì)量，油漆及輔料消耗量減少了40%以上，大大降低了涂裝的生產(chǎn)成本。吉學(xué)剛等研究了噴涂機(jī)器人在客車涂裝中的經(jīng)濟(jì)效益，研究表明，若單體噴漆室機(jī)器人投資700萬元，預(yù)計(jì)2年左右即可收回總投資。

2.2  3C行業(yè)

3C行業(yè)涉及電腦（Computer）、通訊（Communication）和消費(fèi)電子（Consumer Electronic）三大產(chǎn)品領(lǐng)域，要求噴涂機(jī)器人體積小、動作靈活。桌面型噴涂機(jī)器人在筆記本電腦、手機(jī)等產(chǎn)品外殼噴涂發(fā)揮出了重要作用，有效緩解了企業(yè)招工難等問題。

2.3  家具行業(yè)

隨著人們對綠色生活的追求，木器家具廣泛使用水性涂料。形狀較規(guī)則的桌板、門板已廣泛采用水性漆滾涂線生產(chǎn)，而對于形狀不規(guī)則的桌腿等工件，噴涂機(jī)器人成得到了一定程度的應(yīng)用，圖4所示的為噴涂機(jī)器人用于桌腿棕色顏料的自動噴涂。

2.4  衛(wèi)浴行業(yè)

衛(wèi)浴產(chǎn)品主要包括陶瓷衛(wèi)浴產(chǎn)品和亞克力衛(wèi)浴產(chǎn)品。陶瓷衛(wèi)浴產(chǎn)品由陶瓷瓷土燒結(jié)而成，外表面制備陶瓷釉面；亞克力衛(wèi)浴產(chǎn)品是指玻璃纖維增強(qiáng)塑料衛(wèi)浴產(chǎn)品，其表層材料是甲基丙甲酯，反面覆上玻璃纖維增強(qiáng)專用樹脂涂層。

目前，陶瓷衛(wèi)浴產(chǎn)品表面釉料的噴涂已廣泛采用機(jī)器人噴涂；亞克力衛(wèi)浴產(chǎn)品表面玻璃纖維增強(qiáng)樹脂材料的噴涂也有一些企業(yè)在研究采用噴涂機(jī)器人。隨著玻璃纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料在衛(wèi)浴、汽車、航空航天、游艇等的廣泛應(yīng)用，噴涂機(jī)器人將會發(fā)揮出更大的作用。

2.5  一般工業(yè)

一般工業(yè)涵蓋了機(jī)械制造、航空航天、特種裝備等工業(yè)領(lǐng)域，其工件形狀復(fù)雜、尺寸多變、同種工件數(shù)量少，噴涂機(jī)器人的應(yīng)用比較困難。但隨著技術(shù)的進(jìn)步，這一領(lǐng)域有著巨大的市場應(yīng)用空間。

目前，噴涂機(jī)器人在該行也開展了小范圍的應(yīng)用。楊大芳等采用噴涂機(jī)器人進(jìn)行拖拉機(jī)底盤的自動涂裝，應(yīng)用表明，噴涂機(jī)器人大幅提高了拖拉機(jī)底盤面漆的噴涂質(zhì)量，改善了拖拉機(jī)的品質(zhì)。劉亞威等在文獻(xiàn)中報(bào)道了噴涂機(jī)器人在美國第五代隱身戰(zhàn)機(jī)F-35表面制備涂層的應(yīng)用。應(yīng)用表明，噴涂機(jī)器人噴涂的涂層效果，厚度變化范圍遠(yuǎn)小于人工噴涂的涂層。

3    展望

噴涂機(jī)器人已廣泛用于汽車、3C、家具等行業(yè)，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。展望未來，噴涂機(jī)器人會在如下方面涂裝技術(shù)的變革和推動涂裝行業(yè)自動化和信息化進(jìn)程。

1）噴涂機(jī)器人應(yīng)用由傳統(tǒng)汽車工業(yè)向新能源汽車、軌道客車及一般工業(yè)過度。近年來，新能源汽車及高鐵工業(yè)發(fā)展迅速，噴涂機(jī)器人憑借汽車行業(yè)的技術(shù)積累，同時(shí)因地制宜的配套涂料和設(shè)備，能夠很快的進(jìn)入該領(lǐng)域；一般工業(yè)有著巨大的發(fā)展空間，漆膜要求比較厚但裝飾性要求會相應(yīng)降低，噴涂機(jī)器人結(jié)合空氣輔助/混氣靜電噴涂方式有望在該領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。另外，特種裝備的涂裝由于其性也會成為噴涂機(jī)器人的重要應(yīng)用方向。

2）噴涂機(jī)器人由傳統(tǒng)機(jī)械臂向“人”概念的過度。目前噴涂機(jī)器人大多僅僅作為機(jī)械臂使用，在高柔性化、高智能化領(lǐng)域的應(yīng)用較少。未來，噴涂機(jī)器人技術(shù)與視覺識別、在線檢測等技術(shù)融合，對涂裝線工件進(jìn)行型號識別、位置偏差補(bǔ)償、3D建模、漆膜性能在線檢測，真正由機(jī)器進(jìn)入“人”的階段。

3）噴涂機(jī)器人由國外壟斷向國產(chǎn)化的過度。噴涂機(jī)器人的高準(zhǔn)入門檻導(dǎo)致國外噴涂機(jī)器人處于壟斷地位，機(jī)器人價(jià)格較高，售后服務(wù)成本高。未來，一系列的國產(chǎn)噴涂機(jī)器人憑借其的優(yōu)點(diǎn)定會在國內(nèi)市場上贏得先機(jī)，讓自主品牌噴涂機(jī)器人見證我國涂裝產(chǎn)業(yè)的巨大變革。