喷涂机器人系统新型停止阀应用研究

张文群， 魏红亮， 王芝建

(1.合肥通用职业技术学院， 安徽 合肥 230031;2.安徽江淮汽车集团股份有限公司， 安徽 合肥 230601)



喷涂机器人系统新型停止阀应用研究

张文群1， 魏红亮2， 王芝建2

(1.合肥通用职业技术学院， 安徽 合肥 230031;2.安徽江淮汽车集团股份有限公司， 安徽 合肥 230601)

利用流体密度与缝隙压力差的流体关系设计了停止阀阀门的三种状态：一种由流体密度决定的自由状态，两种控制系统产生的强制状态。自由状态的停止阀容许溶剂及脉冲空气的通过而阻止油漆涂料通过，实现了涂料的充分利用。

回流停止阀； 控制空气； 清洗； 预注； 喷涂

0 引 言

随着汽车市场的激烈竞争，为降低生产成本，提升工艺质量，喷涂机器人在汽车制造行业应用越来越多[1-2]。喷涂机器人工艺系统在自动切换不同颜色涂料准备喷涂前，都要自动清洗工艺管路及阀组，然后预注涂料，以便及时喷涂。喷涂机器人传统的自动预注油漆涂料技术是：清洗完成后,控制系统控制相应阀组延时关闭，多排放点油漆涂料，以确保相关阀组及管路中不残留溶剂而充满油漆(残留溶剂会破坏车身喷涂质量)。对于年产10万台以上整车的汽车制造厂而言，喷涂工艺系统在每台车上的一点点涂料浪费，长期下来浪费的质量成本也是不可估算的。文中所述回流停止阀技术在喷涂机器人工艺系统中的应用,减少了涂料浪费，保证了工艺质量，近几年在安徽江淮汽车集团股份有限公司几个整车项目上得以应用，效果非常好。

1 喷涂机器人工艺系统原理

喷涂机器人工艺系统主要由换色阀、涂料调压器、计量泵、雾化器等总成构成，如图1所示。

1.换色阀； 2.涂料调压器； 3.计量泵； 4.雾化器

图中部件按涂料工艺走向示意分布[3],不同颜色的涂料从车间输调漆系统供给机器人喷涂系统的换色阀，机器人控制系统通过控制空气控制换色阀某一通道颜色涂料接通；该涂料流经涂料调压器，并被机器人工艺控制系统自动调压到工艺给定压力；经过调压的涂料被输送给计量泵，控制系统控制计量泵的涂料流量，使之符合受喷面的涂料流量工艺参数要求；最后，涂料流入机器人末端的雾化器总成。

雾化器总成[3]是喷涂机器人工艺系统里最关键的总成，主要包含阀组、空气马达及能高速旋转的旋杯等，结构示意图如图2所示。

1.主针阀； 2.回流停止阀； 3.空气马达； 4.主针及漆液管

阀组主要包含主针阀、清洗阀及停止阀等，其主要功能是控制涂料、清洗溶剂或清洗脉冲空气的二位通断或半通断；空气马达的作用主要是带动旋杯高速旋转；旋杯主要功能是产生锥状漆雾。

2 新型回流停止阀结构原理

文中所述停止阀主要包含阀本体、活塞复位弹簧、清洗控制弹簧、预注涂料弹簧、停止阀活塞、阀膜片、锥状阀门及阀门座等，结构原理示意图如图3所示。

1.活塞； 2.活塞复位弹簧； 3.预注涂料弹簧； 4.清洗控制弹簧；5.停止阀主出口； 6.阀膜片； 7.锥状阀门； 8.清洗位控制空气；9.喷涂位控制空气； 10.停止阀主入口

该停止阀阀门有3种位置状态，一种由流体密度间接决定的自由状态，两种由喷涂机器人控制系统产生的强制状态。在自由状态下，清洗控制弹簧的弹力大于活塞复位弹簧弹力，但该弹簧属于活塞总成，故在复位弹簧作用下，活塞组件向阀体主入口方向移动直达阀体限制位。自由状态下，若流经的流体由于密度不够大，导致流体对阀门的压力不够大，活塞组件中的阀门在预注涂料弹簧作用下，锥状阀门与阀门座分离产生锥形环状缝隙。

3 新型回流停止阀数学模型

图3停止阀的锥状阀门受力示意图如图4所示。

图4 停止阀阀门受力示意图

由于锥状阀门部件比较小，采用轻质材料，其重力在力的分析中可忽略不计；为进一步简化研究对象的受力分析，不考虑活动部件的摩擦力及制造误差对数学模型的影响[4]。通常机器人喷涂系统溶剂密度为0.8×103kg/m3左右，油漆密度在1.0×103kg/m3以上[5]。

流体在停止阀锥状环形缝隙作连续流动，有流量连续性方程[6]：

q=vA=v1A1=v2A2=常数

式中： q----流量，m3/s；

v，v1，v2----流速，m/s；

A----通流截面面积，m2；

A1----停止阀图2所示的阀门主入口侧的圆盘面积，m2；

A2----最小环状缝隙面积，m2。

由图可知，A1>A2。故

由实际流体的伯努利方程[6]

式中: p1,p2----压力，Pa；

v1,v2----流速，m/s；

g----重力加速度，m/s2；

ρ----密度，kg/m3；

h1,h2----液位高度(m),由于停止阀的h1，h2基本处于同一高度，故取值为0；

α1,α2----动能修正系数，停止阀阀门结构决定了流体为紊流状态，故取值为1；

hw----能耗折算高度。

即有

由式(2)和式(4)可知，p1>p2，故有

式中:Δp----压力差，Pa。

根据局部压力损失公式

式中: ξ----局部阻力系数；

Amin----锥状环形缝隙的最小截面积，m2。

式(6)表明,在阀体结构确定的情况下，流量q一定时，Δp与ρ近似成正比。又因为锥状阀门右端的空腔通过回流管路与回收装置直通(见图2)，可以近似地认为p2为0。根据式(5)和式(6)，有

对图2的阀门进行水平方向受力分析,若阀门处于半开预注平衡状态，可近似地认为[7]

式中:F----预注涂料弹簧弹力，N。

根据式(7)和式(8)，锥状阀门在运动方向上的受力数学模型如下：

当流体密度比较大时，有

根据式(10)，图2的锥状阀门会向右移动，直到阀门锥面与停止阀锥状阀座接触，阀门达到一个新的受力平衡状态，同时实现自动关闭阀门间隙的作用。

4 新型回流停止阀应用

停止阀安装在雾化器总成的主针阀回流管路中，故又叫回流阀。通过回流阀，清洗溶剂、脉冲空气或油漆涂料在喷涂机器人雾化器系统中的涂料供给管路、涂料漆液管及回流管路中形成前向通路(见图4)。在清洗相关管路时，不再需要的漆液和溶剂将通过回流管排出或回收。回流停止阀的应用有3种工作模式：溶剂清洗吹干模式、预注涂料模式及喷涂模式。溶剂清洗吹干模式如图5所示。

图5 溶剂清洗吹干模式

在图5清洗模式下，喷涂机器人控制系统控制机器人阀岛，0.6MPa的清洗控制空气注入停止阀。在清洗控制空气压力作用下，停止阀的活塞向下运动，带动停止阀的锥状阀门强制打开，锥状阀门与锥状间的间隙最大，清洗溶剂或脉冲空气便能通过图4所示的漆液管流入停止阀，并通过停止阀得以排放或回收，从而实现雾化器总成工艺管路的清洗。

清洗模式完成后，若喷涂机器人继续喷涂，下一步便是涂料预注模式。在该模式下，喷涂机器人控制系统不产生控制空气，停止阀的活塞在活塞复位弹簧及清洗控制弹簧的共同作用下自行进入复位状态。在油漆涂料没有充分作用到停止阀的阀门并产生足够压力时，停止阀的阀门受力可根据式(9)计算，其锥状阀面与锥状阀座间有约2mm的间隙，这为油漆涂料的预注开辟了回流通路，如图6所示。

在预注模式阶段，由于油漆密度比较大，根据停止阀的阀门受力数学模型公式(10)，油漆对阀门的压力大于预注弹簧的弹力，停止阀的阀门会被触发并自动关闭。停止阀的阀门关闭后就不会再有油漆涂料通过停止阀及回流管路排放，如图7所示。

图7 涂料预注模式过程二

在喷涂模式下，喷涂机器人控制系统控制阀岛，0.6MPa的喷涂控制空气进入停止阀，如图8所示。

在喷涂控制空气压力作用下，停止阀的活塞向上运动，带动停止阀的锥状阀门强制关闭；随后机器人喷涂控制系统打开主针阀，油漆涂料便流向高速旋转的旋杯。这样实现了溶剂或脉冲空气与油漆涂料稳定隔离，保证了雾化器总成有效喷涂。

图8 喷涂模式

在回流停止阀的应用中，清洗模式下强制打开阀门时，阀门间隙最大，增大通流面积，降低阀门回油背压；预注模式下，锥状环形间隙比较小，通流面积梯度比较小，可以改善锥形阀门的微控性能[8]，直到阀门缝隙稳定地关闭；喷涂模式下，控制空气强化阀门的关闭，从而确保溶剂与油漆涂料的安全隔离。

5 结 语

新型回流停止阀设计非常巧妙、经济实用，利用流体密度特性自动关闭回流通道，其在喷涂机器人系统雾化器回流工艺管路中的应用是一种新型的喷涂机器人工艺技术。该工艺技术最近几年才研究出来，对喷涂工艺来说意义重大，能减少油漆涂料排放导致的环境污染和油漆涂料的浪费，在喷涂机器人系统值得推广应用，甚至可以推广到其它喷涂系统或流体控制系统。

[1] 乔新义，陈冬雪.喷涂机器人及其在工业中的应用[J].现代涂料与涂装，2016(8)：53-55.

[2] 王锡春.汽车涂装工艺技术[M].北京：化学工业出版社，2005：96-98.

[3] 杜尔公司.EcoBell2/EcoBell2M/EcoBell2HD操作手册[M].德国:杜尔公司,2015.

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[5] 叶扬祥，潘肇基.涂装技术实用手册[M].北京：机械工业出版社，2003.

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[7] 宋鸿尧,丁忠尧.液压阀设计与计算[M].北京：机械工业出版社，1982.

[8] 李宗.挖掘机铲斗阀芯优化设计[J].液压与气动,2015(4):118-121.

New style stop-valve application research in painting robot system

ZHANG Wenqun1， WEI Hongliang2， WANG Zhijian2

(1.Hefei Institute of General Professional Technology, Hefei 230031， China;2.Anhui Jianghuai Automobile Group Corp. Ltd., Hefei 230601, China)

By applying relationship between fluid density and gap-pressure difference in hydrodynamics, we design three states for the stop-valve. One is the free state decided by fluid density, and the other two are the forced states. In the free status, solvent &pulse-air can pass through the stop-valve but paint materials are blocked. So, the paint materials are economically used.

backflow stop-valve; control air; cleaning; preloading; painting.

2017-02-15

安徽省质量工程项目(2013tszy078， 2014jxtd082)

张文群(1973-)，女，汉族，安徽霍邱人，合肥通用职业技术学院讲师，硕士，主要从事机械制造及液压方向研究,E-mail:374758184@qq.com.

10.15923/j.cnki.cn22-1382/t.2017.2.17

TH 137

A

1674-1374(2017)02-0194-04