涂料检测用机器人漆膜制备系统设计与工艺研究

刘仲义， 吴清锋， 陈纪文， 陈满英， 王海霞

（广东产品质量监督检验研究院， 佛山 广东 528300）

0 引言

涂料检测是涂料行业的健康发展的技术保障， 也是着力提升产品质量水平重要支撑。 漆膜制备是检测的关键前处理过程，直接关系着涂料性能的质量检测结果。人工漆膜制备劳动强度大、对人体伤害大、效率低、人员操作的不稳定性带来的质量差和不均匀性等； 机器人漆膜制备实现柔性化生产、涂层质量高、油漆耗量低、节能环保、工作效率高、降低成本，同时能满足检测需求，解决小批量、涂料种类众多、底材各样的问题。

机器人进行漆膜制备是由汽车工业发展的新兴技术，其在汽车领域应用技术基本成熟。 谭里民等[1]论述汽车制造工业中机器人在面漆自动喷涂技术中的应用。 孟凡彬等以喷漆机器人为例， 简述了汽车新车型新颜色涂装喷涂机器人的调试过程，提升了漆膜外观品质[2]。聂刚[3]基于工业机器人提出一种自动喷涂系统设计方案， 通过实验与仿真得出适合转向架喷涂的工艺参数。 从以上研究发现，喷涂压力、喷涂距离、喷涂流量、喷涂速度等对漆膜的质量均由较大影响。 将机器人引入质量检测检验行业起步较晚，大多是户外或恶劣环境。

本文基于ABB IRB120，搭建了机器人涂料检测漆膜制备系统，在前期研究基础上[4，5]分析制备工艺对漆膜表面质量、漆膜厚度及厚度均匀性的影响，旨在指导涂料检测过程中， 利用机器人系统实时调节制备工艺控制漆膜质量和漆膜厚度。

1 系统及实验设计

1.1 机器人漆膜制备系统

为解决人工喷涂存在的问题，实现自动化漆膜制备，需完成样板的自动化上下料，小用量涂料的供给和更换。本系统主要有六大模板组成：上料模块、喷涂模块、下料模块、供气模块、监控模块和控制模块。

选用重复定位精度为±0.01mm 的ABB IRB 120 六自由度机器人，采用注射器式喷头结构，通过滑动平台式上底材结构、升降式上涂料/取样板机构，基于ARM Cortex-A7 四核CPU 架构的工业电脑加载10 寸电容触摸屏，对外围所有设备进行控制与监控， 负责对各硬件机构实现自动化喷涂工作，并对他们进行工作的分配与协调、各自反馈信息接收、数据分析处理、工艺流程、动作实时监控及控制，系统实物图如图1 所示。

图1 机器人漆膜制备系统实物图Fig.1 Robot paint film preparation system physical map

对系统进行调试和试验验证，喷涂效果如图2，由图可知，人工喷涂质量较差，使用机器人涂料检测漆膜制备系统后，喷涂质量得到明显改善，验证了系统的合理性。

图2 人工喷涂和机器人漆膜制备系统比对图Fig.2 Comparison of manual spray coating and robotic paint film preparation systems

1.2 漆膜制备工艺

基于涂料检测的需求，通过实验摸索， 参数如表1。

1.3 漆膜性能测试

漆膜表面质量 （平整度、 流挂现象、 表面效果等）视检。

采用超声波测厚仪和涂层测厚仪测量样板的漆膜厚度， 每块板材测量9个点， 计算厚度标准差作为均匀性的考核指标。

表1 制备工艺参数表Tab.1 Table of preparation process parameters

2 结果分析与讨论

2.1 喷涂流量对漆膜性能的影响

设置试验：对白榉贴面胶合板，喷涂流量为0.4ml/s、0.5 ml/s、0.6 ml/s。 对磷化钢板，喷涂流量为0.2ml/s、0.3 ml/s、0.4ml/s，分别对表面质量、漆膜厚度和均匀性进行分析。

2.1.1 喷涂流量对表面质量的影响

对白榉贴面胶合板效果如图3。 由图1 可知，喷涂系统制备的漆膜表面质量均较好， 平整度和表面效果较理想，无明显流挂现象，该系统搭建合理。 随着喷涂流量的增加，漆膜表面不存在颗粒现象，漆膜覆盖更好，从图3（a）可知，当流量为0.4ml/s 时，表面有轻微的失光现象。当喷涂流量较低时，一次成膜过薄，表面质量溶剂挥发性会增大，流平性差，表面易出现桔皮、失光等漆膜缺陷。 随着喷涂流量的增加，表面缺陷减少，但过厚容流挂等缺陷。磷化钢板效果如图4 所示。

图3 不同喷涂流量的白榉贴面胶合板喷涂效果图Fig.3 Spray effect map ofwhite beech veneer plywood with different spraying flows

图4 不同喷涂流量的磷化钢板喷涂效果图Fig.4 Spray effect map of phosphating steel plate with different spraying flows

图4 也验证了机器人喷涂系统的合理性，表面质量良好。 随着喷涂流量的增加， 当流量达到0.4ml/s 时，表面出现不明显的流挂现象， 这是因为随着喷涂流量的增加，一次成膜厚度会增加，过厚易出现流挂、发花等漆膜异常现象。

2.1.2 喷涂流量对漆膜厚度和均匀性影响

喷涂厚度和标准差如表2，变化见图5。

在设置好喷漆压力、距离、速度和次数后，喷涂流量是影响漆膜厚度的最重要原因。从表2、图5 明显可知，随着喷涂流量的增加，漆膜厚度增加。 由图中可看出，不同漆膜的喷涂流量与漆膜厚度的关系不同， 对于磷化钢板来说，喷涂流量和漆膜厚度呈线性关系；有研究表明[6]，喷涂流量和漆膜厚度呈线性关系， 白榉贴面胶合板未呈线性关系，可能与所用底材的质量有关。这种直观的线性关系，能较好地指导后续进行漆膜制备。

表2 喷涂流量对漆膜厚度和均匀性的影响Tab.2 Influence of spray flow on film thickness and uniformity

图5 喷涂流量对喷涂厚度的影响Fig.5 Effect of spray flow on spray thickness

从表2 还可知， 随着喷涂流量的增加， 漆膜厚度增加，厚度标准差均不大，表明喷涂质量较好。 从厚度标准差可知，值均先减小后增大，说明漆膜均匀性随着喷涂流量的增加先变好后变差，这与图3、图4 的表面质量结果一致。当喷涂流量较低和喷涂流量较高时，均会出现一定程度的缺陷，导致了漆膜厚度均匀性变差，从而在表面质量上体现出来。

2.2 不同底材和涂料对漆膜性能的影响

一般来说，涂料根据使用性能的不同，所对应的底材也不同，因均选用水性漆进行漆膜制备，降低涂料对工艺的研究，分析不同底材对漆膜性能的影响。设置试验：对白榉贴面胶合板、磷化钢板、马口铁板分别进行喷涂，喷涂流量为0.4ml/s，对表面质量、漆膜厚度和均匀性进行分析。

2.2.1 底材对表面质量的影响

白榉贴面胶合板、磷化钢板、马口铁板喷涂效果见图6。由图6 可知， 磷化钢板和马口铁板较白榉贴面胶合板的喷涂表面质量效果好，经过大量试验表明，金属底材（金属漆）喷涂工艺更好控制，且规律较明显，这与金属底材本身表面质量较好有很大关系。由图6 也可知，磷化钢板和马口铁板的表面光泽度好， 且缺陷较白榉贴面胶合板少，木板底材表面木毛、木刺会造成喷涂填充困难；含水率也较金属板高容易造成涂料浓度降低， 木板还较金属底材易受环境温湿度的影响，从而影响喷涂效果。

图6 不同底材的喷涂效果图Fig.6 Spray effect map of different substrates

2.2.2 不同底材和涂料对漆膜厚度和均匀性的影响

白榉贴面胶合板、磷化钢板、马口铁板漆膜厚度和标准差见表3。

使用同样的喷涂流量、喷涂次数发现，不同底材喷出来的厚度是不同的，其中马口铁板的漆膜厚度最厚，金属底材的漆膜厚度较木材的厚， 这与上述分析的木板表面质量相对较差的原因一致， 表面含水量和易受环境温湿度的影响，可能导致了喷涂厚度的下降，而表面毛刺等现象可能导致了均匀性较差。从表3 的厚度标准差可看出，白榉贴面胶合板＜马口铁板＜磷化钢板， 可知金属底材的均匀性好于木底材，磷化钢板最好，这与底材表面质量有较大关系，木底材表面毛刺等现象导致了均匀性较差。

表3 底材对漆膜厚度和均匀性的影响Tab.3 Effect of substrate on film thickness and uniformity

为了进一步分析涂料对漆膜性能的影响， 选用油性漆和水性漆在白榉贴面胶合板进行喷涂， 喷涂流量和喷涂次数一致，喷涂效果如图7，厚度和漆膜均匀性见表4。

图7 不同涂料的喷涂效果图Fig.7 Spray effect of different coatings

从图7 可知，油性漆喷涂的表面更加细腻光滑，光泽度更好，对于同一种底材（木材），水性漆表面竖状条纹较多，而油性漆喷涂后较少。

表4 涂料对漆膜厚度和均匀性的影响Tab.4 Effect of coatings on film thickness and uniformity

由表4 可知，油性漆和水性漆在同一种底材、同一种喷涂流量、同一种喷涂次数下，漆膜厚度基本一致，说明油性漆和水性漆对漆膜厚度影响不大。 两种漆料喷涂的厚度标准偏差油性漆大于水性漆， 水性漆喷涂的均匀性较油性漆喷涂更好。 这是因为水性漆的流平性较油性漆好，耐候性更好，故测得的漆膜厚度均匀性也较好。

3 结论

对漆膜厚度和性能影响较大的因素喷涂流量、底材、水/油性漆进行机器人漆膜制备，分析了对表面质量和漆膜厚度和均匀性影响，得出结论如下：

在其他影响漆膜性能和厚度的因素相同的条件下，随着喷涂流量的增加，漆膜厚度也增加，基本为线性递增关系， 漆膜表面质量和均匀性则是先随着喷涂流量的增加而变好，当喷涂流量增加到一定时，则有下降的趋势。

对于水性漆而言， 金属底材的喷涂质量较木底材的好； 其他工艺一致的情况下， 不同底材喷出来的厚度不同，金属底材的漆膜厚度较木材厚。

油性漆和水性漆在其他工艺相同的情况下， 漆膜厚度基本一致，水性漆喷涂的均匀性较油性漆喷涂更好。