摘  要: 隨著技術的發展和社會的進步，提高漆膜性能、提高噴涂效率和涂料利用率、降低VOC排放、提升涂裝工人作業環境受到廣泛關注，噴涂機器人作為一項重要技術保障成為爭相研發及應用的熱點。目前，一些對漆膜性能要求高、同種工件數量大、利潤率高的行業已經廣泛采用噴涂機器人替代人工進行噴涂作業，如汽車及其零部件、3C、家具等行業。然而，在市場更加廣闊的一般工業中噴涂機器人的普及率較低。本文總結了噴涂機器人技術特點，列舉了幾種典型結構噴涂機器人，并根據重點行業闡述了噴涂機器人在工業中的應用現狀。

關鍵詞: 噴涂機器人; 汽車; 3C; 家具; 一般工業

0    引言

當前，以智能制造為主導的第四次工業革命悄然而至，德國的工業4.0、美國的工業互聯網以及中國制造2025均是針對這次工業革命的戰略構思。中國制造2025是自動化和信息化兩化融合的過程，工業機器人憑借其自動化、柔性化、智能化的生產特點，成為智能制造中的重要部分。根據應用形式不同，工業機器人可分為搬運機器人、碼垛機器人、焊接機器人、打磨拋光機器人、噴涂機器人等。

涂裝是產品制造的一個重要環節，關系著產品的外觀質量，不僅賦予產品優良的防護、裝飾性能，而且也是產品價值的重要構成因素。噴涂是涂裝技術的重要工藝，噴涂房環境惡劣，涂料中的揮發性有機物、粉塵嚴重影響工人身體健康；同時，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。因此，采用噴涂機器人替代人工噴涂是必然趨勢，噴涂機器人也成為了應用熱點。

目前，噴涂機器人已經廣泛用于汽車整車及其零部件、電子產品、家具的自動噴涂。未來，以噴涂機器人為重要代表的新型設備與新型涂料、新工藝相互促進、相互發展所引發的涂裝技術變革，將會更好的服務于國民經濟各個行業。與此同時，噴涂機器人作為工業機器人中的一員，也會成為涂裝領域自動化和信息化進程的重要推動力量。

1    噴涂機器人研發現狀

1.1  噴涂機器人特點

噴涂機器人有著的工作特點，除了具備機器人的共性功能外，還需具備如下特點方能滿足工業化的應用需求。

1）防爆功能

涂料中的可揮發性有機物（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境，噴漆區內爆炸性氣體環境為1區危險區域，爆炸性粉塵環境為21危險區域，故噴涂機器人置于噴涂房中的執行部分（機器人本體）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）結構

噴涂狹小空間或工件內表面時，斜交/直線形非球型中空手腕結構噴涂機器人運動學特性優于正交球型手腕結構機器人（焊接機器人采用的結構形式），噴槍姿態可快速靈活變換。另外，涂料管路置于中空手腕內部，避免了4、5、6軸運動過程中管路發生纏繞及位置干涉，同時也在某種程度上防止了涂料管破裂污染工件。

3）噴涂設備集成度高

噴涂方式體系多樣，根據供料壓力可劃分為低壓噴涂方式和中高壓噴涂方式。空氣（靜電）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，廣泛用于一般工業的涂裝。

在汽車工業應用中，為了提高噴涂節拍，減少清洗管路的時間和溶劑消耗量，在低壓噴涂系統引入了換色模塊、雙組份在線精確配比模塊，并且由于低壓供料的特點，各種模塊體積小、集成度高，通過氣體控制閥芯通斷，可安裝在噴涂機器人小臂內部或機器人附近區域，成為與噴涂機器人集成度的噴涂設備。

4）噴涂工藝軟件

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

5）智能跟隨

為了提高生產節拍，噴涂過程中懸掛鏈（或其他輸送設備）不停止，噴涂機器人需跟隨懸掛鏈進行自動噴涂。因此，噴涂機器人需具備智能跟隨的功能，即采用靜態表面噴涂軌跡的示教或離線編程，在自動噴涂作業時，在工件移動方向給出一個速度值，機器人根據該速度自動規劃出新的噴涂軌跡。

6）離線編程工作站

噴涂作為一種表面處理工藝，需要噴涂機器人對工件表面進行整體噴漆。在有些應用中，示教工作是非常復雜甚至不可能實現的。采用離線編程工作站將工件表面點離散，然后生成噴涂機器人的運動軌跡，不但提高了噴涂機器人運動軌跡生成效率，也提高了項目的可實施性。

1.2  噴涂機器人優勢

1.2.1 技術性優勢

噴涂機器人憑借其優異的運動學控制和噴涂工藝參數的快速精確控制，具備如下技術性優勢：

1）漆膜性能好：通過涂料流量、霧化空氣壓力、扇形空氣壓力、機器人行走速度的協同控制，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、漏噴及無效噴涂現象，提高了涂料利用率；

3）噴涂效率高：可24小時無間斷工作，大大提高了生產效率。

1.2.2 機器屬性優勢

噴涂環境非常惡劣，噴涂作業十分枯燥，噴涂機器人作為一種智能化的機器，相比于噴涂工人具有如下屬性優勢：

1）不需要培訓就成為熟練工，直接上崗；

2）不會出現因疲勞作業導致產品合格率下降；

3）使用機器人代替人工，更容易安排生產計劃；

4）不在乎工作是否單調重復還是復雜難干，服從指揮，沒有怨言。

1.3  噴涂機器人發展現狀

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

1.3.1 正交球型手腕噴涂機器人

正交球型手腕結構噴涂機器人除了具備防爆功能外，其手腕結構與通用六軸關節型工業機器人相同，4、5、6軸為正交球型結構，即一個擺動軸、2個旋轉軸，三個軸線相交于一點且兩相鄰關節的軸線垂直，具有代表性的國外產品有ABB公司的IRB52噴涂機器人，國內產品有新松公司的SR35A噴涂機器人。

1.3.2 直線形非球型中空手腕噴涂機器人

直線形非球型中空手腕結構噴涂機器人4、5、6軸為三個回轉軸，且三個回轉軸可重合為一條直線，具有代表性的為ABB公司開發的IRB5400、IRB5500噴涂機器人。

1.3.3 斜交非球型中空手腕噴涂機器人

斜交非球型中空手腕結構噴涂機器人4、5、6軸為三個回轉軸，且三個回轉軸相交于兩點的形式，具有代表性的為國外YASKAWA、KAWASAKI、FUNAC公司開發的噴涂機器人。

2    噴涂機器人在工業中的應用

2.1  汽車行業

汽車工業憑借其產量大、節拍快、利潤率高等特點，成為噴涂機器人應用泛的行業，汽車整車、保險杠的自動噴涂率幾乎99%。石雨磊等的應用表明，噴涂機器人在汽車涂裝中的應用會大大降低流掛、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，受汽車工業應用需求的驅動，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，并發揮出了重大作用。

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

2.2  3C行業

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

2.3  家具行業

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

2.4  衛浴行業

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

目前，陶瓷衛浴產品表面釉料的噴涂已廣泛采用機器人噴涂；亞克力衛浴產品表面玻璃纖維增強樹脂材料的噴涂也有一些企業在研究采用噴涂機器人。隨著玻璃纖維增強塑料復合材料在衛浴、汽車、航空航天、游艇等的廣泛應用，噴涂機器人將會發揮出更大的作用。

2.5  一般工業

一般工業涵蓋了機械制造、航空航天、特種裝備等工業領域，其工件形狀復雜、尺寸多變、同種工件數量少，噴涂機器人的應用比較困難。但隨著技術的進步，這一領域有著巨大的市場應用空間。

目前，噴涂機器人在該行也開展了小范圍的應用。楊大芳等采用噴涂機器人進行拖拉機底盤的自動涂裝，應用表明，噴涂機器人大幅提高了拖拉機底盤面漆的噴涂質量，改善了拖拉機的品質。劉亞威等在文獻中報道了噴涂機器人在美國第五代隱身戰機F-35表面制備涂層的應用。應用表明，噴涂機器人噴涂的涂層效果，厚度變化范圍遠小于人工噴涂的涂層。

3    展望

噴涂機器人已廣泛用于汽車、3C、家具等行業，取得了良好的經濟效益和社會效益。展望未來，噴涂機器人會在如下方面涂裝技術的變革和推動涂裝行業自動化和信息化進程。

1）噴涂機器人應用由傳統汽車工業向新能源汽車、軌道客車及一般工業過度。近年來，新能源汽車及高鐵工業發展迅速，噴涂機器人憑借汽車行業的技術積累，同時因地制宜的配套涂料和設備，能夠很快的進入該領域；一般工業有著巨大的發展空間，漆膜要求比較厚但裝飾性要求會相應降低，噴涂機器人結合空氣輔助/混氣靜電噴涂方式有望在該領域發揮重要作用。另外，特種裝備的涂裝由于其性也會成為噴涂機器人的重要應用方向。

2）噴涂機器人由傳統機械臂向“人”概念的過度。目前噴涂機器人大多僅僅作為機械臂使用，在高柔性化、高智能化領域的應用較少。未來，噴涂機器人技術與視覺識別、在線檢測等技術融合，對涂裝線工件進行型號識別、位置偏差補償、3D建模、漆膜性能在線檢測，真正由機器進入“人”的階段。

3）噴涂機器人由國外壟斷向國產化的過度。噴涂機器人的高準入門檻導致國外噴涂機器人處于壟斷地位，機器人價格較高，售后服務成本高。未來，一系列的國產噴涂機器人憑借其的優點定會在國內市場上贏得先機，讓自主品牌噴涂機器人見證我國涂裝產業的巨大變革。