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火车车体表面腻子自动化喷涂系统与喷涂作业设

来源:http://www.rxsfjx.com 作者:澳门皇冠官网-澳门皇冠844网站 时间:2019-11-25 16:16

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随着我国高铁技术的飞速发展,动车组列车运营数量越来越大,加之“一带一路”战略的推进,国内外各大中城市对地铁的需求也迅速增加,同时对高铁等轨道客车制造业的先进制造技术提出了更高的要求,要求产品质量更加稳定,制造过程更加绿色环保等。中车股份有限公司生产的轨道客车的腻子喷涂仍主要采用人工喷涂的方式。因为手工喷涂依赖于工人的经验及状态,对涂层厚度和均匀度难以保证;而且涂料往往包含大量有机溶剂及有毒性的低分子助剂,对喷涂工人的身体健康有危害。

随着“一带一路”的方针,随着国际市场的打开,铁路客车也在一步步走出国门,虽然性能不及高铁,但是较低的价格以及基建的低门槛也是其优势。铁路客车和高铁相比焊接变形大、易腐蚀,只有保证了铁路客车防腐质量与涂装美观,才能使得涂层充分发挥其保护性与装饰性的特点,才能给客户留下更美好的第一印象。本文将通过介绍铁路客车的防腐涂装工艺进行讨论。

腻子自动喷涂技术在国内外轨道车辆领域尚无应用实例,对于满足轨道车辆车体的腻子自动喷涂工艺技术正处于开发和摸索阶段。根据轨道车辆的车体尺寸、平整度、施工范围,制订腻子自动喷涂工艺,确定了一种符合轨道车辆车体用的自动喷涂腻子系统。以往的喷涂项目都是将各种涂料均匀喷涂于工件表面即可,此次项目和其他有关喷涂项目不同之处在于,解决了车体凹凸不平造成腻子厚度不一致的施工难度问题。

铁路客车的车体钢结构所使用的材质主要以耐候钢为主。从板材入库到车辆出厂防腐涂装需经过板材预处理、车体组焊、车体防腐及车外涂装的流程,针对不同的流程制定相应的工艺,是保证铁路客车的防腐涂装的质量的基础。

1 机电系统布局

板材预处理

1.1 机械结构布局

车体钢结构由许多零部件组焊而成,从板材钣金成型到车体组焊完毕,周期至少为半个月左右,通过板材预处理可以有效的避免过程中的腐蚀及对车体涂装的质量有显著提升,因此需要根据板材的性质选取正确的预处理方式。

高铁车体属于大型表面,但六自由度机械手本身的工作范围有限,无法在一个固定的位置完成高铁车体整个车体外表面的完整喷涂。为了使本系统的喷涂范围能够覆盖到整个高铁车体,采用两侧系统对称结构,单侧系统主要包含1台ABB喷涂机器人IRB-5400,1套三维重建数据采集系统,1套移动升降平台等。

1.抛丸处理

为增大机器人工作空间,将机器人安装到移动升降平台上。

厚度≥3mm的热轧板及各类型材可采用抛丸自动线进行处理,去除其表面的氧化皮及锈蚀,抛丸磨料采用直径0.8mm——1.0mm的钢丸,其性能满足GB/T18838.3-2008,处理后表面均匀无死角,清洁度达到GB/T8923.1-2011标准中的Sa2.5级,粗糙度达到6.3μm——12.5μm,抛丸处理后,立即喷涂预涂底漆,涂层平均厚度10μm——25μm,附着力级。抛丸自动线的参数需按照产品说明书设定,板材的行走速度太快、丸粒直径太小会导致抛丸后清洁度与粗糙度达不到标准;板材的行走速度过慢、丸粒直径太大会造成板材变形以至掉落辊轮之间。

喷涂作业前,使移动升降平台接入ABB自带操作软件Robot Studio,使之作为机器人的外部轴,实现“6+2”轴联动,然后机器人开始喷涂作业。

2.磷化处理

1.2 控制系统结构

厚度≤2.5mm的冷轧板采用磷化自动线处理,冲压成型的复杂零部件则需在钣金加工后进行槽浸式磷化处理。经过预脱脂、脱脂、水洗、表调、磷化、水洗、烘干及喷漆的工艺流程。其中,磷化液采用了在磷酸锌系中添加了猛、镍离子的“三元体系”的低锌磷化液,磷化后达到GB/T6701-2001中的次轻量级或轻量级磷化膜的规定。通过将磷化板浸泡在75℃、质量分数5%的铬酸溶液中10-15分钟,除去磷化膜,根据前后测定的重量差求的磷化膜的重量。经过磷化后,立即喷涂预涂底漆,涂层平均厚度10μm-25μm,附着力级。由于磷酸盐膜晶体与晶体之间的微小空隙,大大增加了预涂底漆与基材的接触面积,从而提升了漆膜的附着力。磷化处理的具体参数根据磷化液品牌的不同进行规定,定期将磷化的零件浸泡在3%的食盐水中,2小时后取出,或放置15min后取出用水洗净,放置于空气中晾干30min,确认其表面没有锈迹。

本控制系统实行分层控制策略,包括工业计算机、机器人控制器、PLC及其外围设备等,图3为控制系统结构示意。监控系统作为控制过程级,为中央控制室,由组态构成,负责所有设备的调控;主控PLC作为控制管理级;生产管理级包括测量行走机构、用电安全、数据采集、机器人运动控制、喷涂控制等,分别控制对应的机电设备。

车体涂装工艺过程

2 腻子喷涂作业流程

底漆喷涂→重防腐喷涂→阻尼浆喷涂→腻子刮涂→中涂漆喷涂→面漆喷涂。

本系统作业流程复杂,合理安排喷涂作业流程可有效提高自动化程度及作业效率。

1.底漆喷涂

澳门皇冠官网,腻子自动化喷涂作业可分为以下步骤进行轨迹规划并执行喷涂作业。

1.1封闭腔涂刷底漆

1)高铁车体进入腻子喷涂车间,到达限位区;2)三维测量系统启动,进行激光扫描;3)测量系统将三维重建数据传给轨迹规划系统,测量系统进入防护区;4)机器人开始喷涂作业;5)喷涂完成且整车晾干后,进行平整度检测。

车体组焊前,对帽形立柱、帽形横梁等内部封闭空腔,即在车体组成后无法覆涂到防锈底漆的零件表面,其内表面打磨清除锈垢,采用配套的底漆稀释剂对表面进行清洗后刷涂环氧防锈底漆,涂层平均干膜厚度μm,附着力级。

3 喷涂作业规划

1.2车体打磨清理

3.1 车体位置标定

车体组焊后,彻底清除车内地板杂物和水分,采用风动打磨机对车体内外表面全面打磨,内部复杂面用钢丝轮进行打磨处理,外部墙板用千叶盘进行打磨处理,清除疏松旧涂层和返锈,尤其是各焊接缝隙打磨见金属光泽,清洁度达GB/T8923.2-2008标准中PSt2级,打磨后采用清洁棉布蘸配套的底漆稀释剂对待喷涂部位擦拭干净。

在高铁车体进入实际车间后,需要对车体位置进行标定,给出一个机械原点,同时也是世界坐标及测量系统的原点。激光测量系统检测到原点后,启动进行校准、测量作业,然后喷涂机器人进行校准、喷涂。激光基准和机械原点分别设置在工作车间两端,车体需进入到两基准之间,才可进行后续作业。

1.3局部找补

3.2 车体表面三维形貌测量及重建

采用漆刷对车内外、侧顶雨檐内、车端连接器座、下边梁及钩门等旯旮不易喷涂部位先预涂刷底漆。

三维物体表面轮廓测量是获取物体形态特征的一种重要手段,光学非接触测量由于其高分辨率、无破坏、数据获取速度快等优点而被认为是最有前途的三维形貌测量方法。本文采用此种三维测量方式,选用线阵相机进行测量,线结构光扫描来获取工件的点云信息,其扫描原理如下:线结构光扫描采用的测量原理是激光三角测距原理,假设被测工件上表面平行于水平面,激光束垂直向下照射,经待测物反射后,并与被测空间物体相交形成激光投射曲线。由于受到物体高度变化的影响,通过CCD从与投射方向不同的另一方向观察到的该投射曲线的形状与位置包含了被测物体表面的高度信息,利用该信息就可实现高度测量。

1.4整车喷涂底漆

三维重建主要包括仿真数据生成、点云数据读取及格式转换、点云数据误差分析、点云数据区域划分等步骤。对特征缺陷进行识别分类,为后续轨迹规划做基础。

采用高压无气喷涂设备,对车体内外表面喷涂底漆,按从上到下顺序湿碰湿喷涂两遍,其中车顶喷涂三遍。底漆施工粘度涂-4杯s,调制完成后,采用100目滤网过后静置2min——5min,喷涂时喷嘴距被涂物表面300mm——400mm,喷涂压力≥0.5MPa,喷涂后55℃——60℃烘干2h——2.5h,底漆单涂层平均厚度60μm——80μm,附着力级。现场检查时,实际测量复合涂层平均干膜厚度范围60μm——100μm,单个点最小厚度不小于49μm,最大不超过140μm。

3.3 机器人喷枪轨迹规划

2.重防腐喷涂

经由三维形貌测量系统对采集到的数据进行信息处理,并将其存入IPC中,而后在IPC内进行喷涂建模和轨迹规划,生成针对机器人控制器的工作指令。喷涂过程建模是喷涂机器人离线轨迹规划系统重要的组成部分,喷涂模型的好坏直接影响着仿真结果的好坏与准确性。喷涂过程建模是通过剖析涂料流量、雾化气压、喷距张角、喷涂距离等喷涂参数对喷涂过程的影响,建立涂层沉积速率数学模型;结合现场喷涂试验,进行模型参数的辨识,以及自身的检测和修改。

先采用聚乙烯薄膜对车外底漆层进行防护,尤其是车窗以下和窗口周边、车顶通风孔或排风口等,避免重防腐涂料污染外墙板。然后用高压无气喷枪,对车体内表面和车体下表面喷涂重防腐涂料,要求按照从上至下顺序喷涂遍,每遍间隔10min——20min;喷涂压力≥0.5MPa,喷嘴距离喷涂表面300mm——600mm,喷涂后55℃——60℃烘干4h——5h,重防腐单涂层平均厚度150μm——200μm,附着力级。实测复合涂层干膜平均厚度范围210μm-300μm,单个点最小厚度不小于175μm,最大不超过500μm。重防腐干燥后,对车窗下口边缘以下所有段焊除涂打聚氨酯密封胶,避免水气进入夹缝,减少腐蚀。

3.3.1 喷枪选择及数学建模

3.阻尼浆喷涂

选用美国GRACO/固瑞克AL高压无气288048型自动喷枪,小巧轻盈的圆形喷枪设计,能够应对极高的生产速度,耐用的不锈钢结构可应付最难处理的涂料,零部件较少,总体维修费用降低,宽量程的齿顶线适用于各种应用。

对车内、底架下表面各安装面采用胶带纸、塑料薄膜等进行防护;对车外表涂层进行防护,避免阻尼涂料污染。要求防护牢固密贴、无泄露。采用高压无气喷涂设备,对车体内表面和底架下表面全面喷涂阻尼涂料,要求按照从上至下顺序喷涂遍,每遍间隔0.5h——1h;喷涂压力≥0.5MPa,喷嘴距离被喷涂物400mm——800mm,喷涂后在室温下干燥48h。车窗下口边缘以下阻尼浆厚度2mm——5mm,车窗下口边缘以上阻尼浆厚度1mm——3mm。

扁平扇形喷嘴的特点是能产生高冲击力的液柱流或扇形喷雾。这种喷嘴产生的喷雾分布均匀。液滴大小为小到中等。当需要若干个喷嘴产生重叠喷雾时,具有特色的逐渐变细的喷雾便使喷雾覆盖区分布均匀。当喷嘴垂直于表面喷射时,平面上的涂痕为椭圆。扁平扇形喷嘴的内表面通常为半椭球面或半球面,半球面可看作是半椭球面的特例。

4.腻子刮涂

扁平扇形喷嘴喷出的液体短轴呈现为一个狭窄的带状;长轴表现为一个扇形,喷射出的扇形角度通常称作喷射角φ。

用风动打磨机配80目砂纸对车体端、侧墙及侧顶底漆进行打磨,打磨后漆膜失光,彻底清除尘灰,采用快干腻子对焊缝及明显凹坑处进行找补。找补后,采用1米长的钢刀对车体平面刮涂2遍腻子,腻子稠度9cm——11cm,接着采用60cm双柄刀刮涂4遍腻子,腻子稠度递减。对于雨檐下口、连接器座、脚蹬等圆弧面,采用软刮具涂刮光滑。

3.3.2 涂层沉积速率数学模型

每遍刮涂前应用快干腻子对缺陷先行修补,腻子刮涂时采用横竖交替法,腻子厚度应尽量薄,每遍腻子刮涂不超过1mm,总体平均厚度不超过2mm。每遍腻子刮涂结束,在18℃以上干燥4h,然后用风动打磨机配砂纸进行全面打磨处理,其中一二遍腻子用80目砂纸打磨,三四遍腻子用120目砂纸打磨,五六遍腻子用180目砂纸打磨,每遍打磨后腻子层平整光滑,距离1米目视,表面,无明显的刀痕及腻梗。

空气喷涂时,不同的喷嘴喷出的液滴的体积非常小,试验和理论数据都表明,喷枪喷嘴产生的雾化的腻子液滴平均直径都小于100μm。对于这样微小而密集的液滴可以认为是连续分布的,这样有助于最大程度地简化整个沉积喷涂模型的建立。影响腻子空间分布的因素有:喷枪类型、喷嘴类型等喷枪参数,空气压力、空气温度、腻子黏度等外界因素,假设这些因素都是保持不变的。

5.中涂漆喷涂

本文选择变参数高斯分布生长速率模型作为涂层的沉积速率数学模型;高斯模型的数学表达式较为复杂,是理想状态下的概率分布,亦能够最大程度地还原实际喷涂效果。对于二维高斯随机向量——N,的概率密度为:

采用隔膜泵对侧顶板、端墙、车顶喷涂中涂漆,要求喷枪与车体表面距离控制在cm,并垂直于被涂物表面,湿碰湿喷涂遍,每遍间隔min,并横竖交替进行,喷涂后55℃——60℃烘干2h——2.5h,中涂层干膜厚度μm。由于存在腻子层,无法测得实际的中涂层的干膜厚度,通过其固含量的换算,计算出其湿膜厚度的范围为μm,用湿膜规很方便的就可以进行过程控制。中涂层干燥后,对缺陷部位用快干腻子进行修补,然后再用风动打磨机配240目砂纸对全车进行打磨处理,打磨后表面无腻梗、刀痕等缺陷。

其中,σ为各种参数的合集,待现场试验验证。

6.面漆喷涂

ρ为相关系数,取值范围-1<ρ<1。

根据美工图纸要求进行面漆喷涂,通常存在分色腰带的情况。面漆喷涂前需要对喷涂部位进行用粘性的除尘布进行除尘处理,然后用分色胶带和聚乙烯薄膜进行糊贴防护,所使用的分色胶带在60℃的烘干条件下不得脱胶。同样采用隔膜泵进行面漆喷涂,喷涂后55℃——60℃烘干2h——2.5h,面漆干膜厚度μm,湿膜厚度的范围为μm。面漆实干后,用800目砂纸对全车进行打磨处理,打磨后漆膜失光,表面无颗粒等缺陷,不得磨破面漆层,若打磨时发现漆膜粘砂纸,粉尘不多的现象时,说明漆膜没有达到打磨的干燥程度,应继续烘干直至干燥,否则清漆喷涂后打磨痕迹非常明显。打磨除尘后,采用隔膜泵进行清漆喷涂,喷涂后55℃——60℃烘干2h——2.5h,清漆干膜厚度μm,湿膜厚度的范围为μm。

高斯函数数学模型的建立是人们经验积累的结果,在实用性上更接近于真实,但其收敛性较差。

结语

3.3.3 轨迹算法的实现

1)碳钢车体的防腐涂装有不仅要面对焊接变形大的装饰性难点,还要面对材质腐蚀性的现状,所以严格按照工艺要求执行,加强过程控制,可以大大提高车体的防腐涂装质量。

此项目和其他有关喷涂项目不同之处亦是先进之处在于,其解决了车体凹凸不平造成腻子厚度不一致的施工难度问题。由此问题提出了采用增材制造的思想进行路径规划建模,采用三维切片技术辅助路径规划。3D打印技术是快速成型技术的一种,也叫做增材制造。基本原理是把一个通过设计或扫描等方式做好的3D模型按照某一坐标轴切成无限多个剖面,而后一层一层打印出来并按给定位置堆积到一起,构成实体的立体模型。点云切片的基本原理是通过一组间距为δ的平面与点云模型进行求交计算,实质是平面和点云的求交运算,然后进行线性插值近似生成切片数据,即可得到切片界截面。

2)腻子刮涂可以有效的提高车体的平整度,提升外观质量,但是过厚的腻子会造成附着力下降,同时,在每道涂层未达到实干前不得进行下道工序,否则会造成咬底等现象。

在模拟喷涂时,假定喷枪始终垂直指向待喷涂工件表面,其中,涂层重叠最大宽度是轨迹规划的重要参数。

3)面漆烘干后打磨喷涂清漆,可以提升清漆的附着力,避免面漆层的缺陷,同时整车打磨后喷涂清漆,可以避免分色腰带的台阶现象,大大提升了车外涂装的整体效果。

缺陷处喷涂轨迹的生成可按下步骤进行:1)将所有切平面上的截面数据按顺序排列;2)系统识别平面,设定需要喷涂的区域轮廓、轨迹起点和方向,从最底层开始轨迹规划,获得第一层的轨迹;3)喷枪上移一个切片厚度δ;4)对新的切片层重新识别缺陷轮廓数据,得到第二层轨迹数据;5)同理,循环上述步骤,对下一层数据进行轨迹规划,得到喷涂所在层的喷涂轨迹,直至所有层遍历完全,得到全部喷涂轨迹,轨迹规划完成。

来源:现代涂料与涂装

4 结语

本文针对高铁车体两侧表面的自动化喷涂,提出了一种双侧系统对称作业的自动化腻子喷涂系统,详细分析了喷涂作业流程,对车体位置标定、车体表面三维形貌测量及重建、喷枪轨迹规划等技术进行了研究,验证了系统的自动化程度及可行性。

目前涂层厚度是通过理论分布试验来实现的,自动轨迹规划还不能满足所有复杂情况的要求,且系统中还存在部分喷涂工艺参数无法确定等问题。在将来的研究中,如何结合实际喷涂效果、喷涂工艺参数进行轨迹规划,通过优化参数及轨迹路线、优化轨迹规划算法等手段进一步提高喷涂效率和涂层均匀度等将是未来研究的重点。

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