来源 | 《电力机车与城轨车辆》2021年第3期

作者 |  张鹏 中车株洲电力机车有限公司

近几年，伴随着机械制造产业的高速发展，涂装行业的工程化技术已有了长足进步，但我国工业产品涂装作业仍然存在环保和节能力度不够、生产自动化及智能化程度低等问题，导致涂装污染严重、喷涂质量和效率相对较低。

随着国家环保法规的日益严格，以及制造业对制造模式智能化转型的迫切需要，涂装行业必将向低污染、低能耗、低成本、高功效、高质量方向转变，涂装技术必将朝自动化、柔性化、集成化和智能化方向发展。在国家倡导节能环保科技和鼓励智能制造发展的大背景下，轨道交通装备制造业需要对产品涂装作业进行生态环保、智能制造规划，利用现代化的设备技术、信息化的管理模式、更安全的安环管理设施，对涂装产线（包括生产过程及生产车间）进行智能化改造。

1 改造原则

以目前轨道交通装备涂装作业实际情况为基础，以适应电力机车、城轨车辆等产品为依据进行智能化涂装产线规划设计，遵循自动化、数字化、现代化的智能产线建设模式，并落实涂装作业安全控规要求。

1）涂装车间的改造规划必须满足 A/B 型城轨车辆、城际动车组等产品喷涂全流程作业需求。

2）选用自动化程度高、支持实现智能化制造模式的设备设施。

3）利用信息化管控模式，执行生产作业过程管理。

4）全面采用水性环保涂料，制定水性涂装工艺要求。

5）按相关国家规范要求，执行环保及安全设施建设。

2 布局规划

涂装产线布局规划设计是绿色智能涂装作业模式的基础，布局方案以轨道交通装备涂装制造工艺流程为依据，通过合理的区域设计，提高涂装作业效率。

2.1 制造工艺流程

以 A/B 型城轨车辆为代表，目前普遍的产品涂装作业流程为：在制品进入车间—喷砂前屏蔽及准备—自动喷砂—底漆喷涂前屏蔽及准备—底漆自动喷涂—底漆烘烤—防寒钉粘接—阻尼涂料喷涂—腻子自动喷涂—腻子干燥—腻子自动打磨—中涂漆喷涂前屏蔽及准备—中涂漆自动喷涂—中涂漆烘烤—面漆喷涂前屏蔽及准备—面漆喷涂前自动打磨—面漆自动喷涂—面漆烘烤—标识喷涂—交检。

2.2 车间规划布局

根据工艺流程，涂装车间主要规划为 3 个作业区和 2 个流转区，如图 1 所示，整体采用分段抽屉式台位布局方法和 U 型工艺流转模式。在 3 个作业区中，A 作业区承担喷砂前屏蔽及准备、自动喷砂、底漆和面漆喷涂前屏蔽及准备、面漆喷涂前自动打磨、烘烤、交检等工序作业，B 作业区承担底漆、中涂漆、面漆自动喷涂等工序作业，C 作业区承担阻尼涂料喷涂、防寒钉粘接、腻子自动喷涂、腻子干燥、腻子自动打磨、腻子烘烤等工序作业。2 个流转区穿插在 3 个作业区之间，完成在制品或成品的运输。

图 1 涂装车间总体规划示意图

上述布局规划可实现制造工艺“一个流”的作业流程，解决了多项目并行制造过程中不均衡生产的问题，降低了新产品喷涂工艺试制与批量生产并行作业影响生产能力的风险，同时符合节拍化生产的精益理念，提高了轨道交通装备涂装作业的柔性化程度。

3 应用技术及设备规划

本次智能化涂装产线的规划设计方案中，水性涂料等新型材料，以及自动喷砂、自动喷漆、腻子自动喷涂与打磨、油漆集中供应等关键技术都被采用，以助力于实现自动化作业、安全生产和绿色制造。

3.1 水性涂料喷涂技术

智能化涂装产线规划全部使用水性涂料代替溶剂型油漆，车辆涂装采用底漆、面漆等多道油漆喷涂方式，底漆与面漆分别采用水性环氧漆和水性丙烯酸聚氨酯油漆。在油漆厚度、成膜质量、光泽度等方面满足技术要求的前提下，其有机挥发物（VOC）排放量较溶剂型油漆下降约 40%。

使用过程中，各喷漆房需要按照水性涂料喷涂工艺要求做好恒温恒湿控制，一般喷涂温度控制在18~28 ℃之间，相对湿度在 40%~60%。考虑到水性涂料较溶剂型油漆黏性低、挥发慢的情况，喷漆房内部空载风速按照 0.3 m/s 以上控制。

3.2 自动喷砂和喷漆技术

自动喷砂和喷漆技术以自动喷砂和喷漆房（见图 2 和图 3）作为载体，通过在其中布置龙门结构，悬挂 2 套喷砂 / 喷漆机器人。机器人采用多臂结构，确保端部喷枪实现三轴多角度联动 [1] 。喷砂机器人配置常规的高压喷枪，并选择大口径喷嘴以提升作业效率。喷涂机器人配置旋杯静电式喷枪，大幅度提升油漆利用率和气雾附着力，且旋杯静电式喷枪喷漆雾化均匀，体积小巧，稳定性高，便于喷涂自动化流水作业 [2]。

图 2 自动喷砂房

自动喷砂、喷漆技术已广泛应用于汽车行业，相较传统的喷砂和人工喷漆技术，自动喷砂和喷漆可以通过设备的精准控制保证油漆喷涂过程的一致性，同时可以降低涂料浪费。自动喷砂和喷漆时不需要人员进行喷涂作业，减少了特种工种需求，提升了涂装作业安全性，降低了职业病危害。

图 3 自动喷漆房

3.3 自动化腻子喷涂技术

目前人工腻子喷涂作业已在轨道交通装备制造业实现工程化应用，在此前提下，参考已普及的自动化喷漆技术，对作业模式进行自动化改造，可实现腻子的自动化喷涂。智能化涂装产线配备 2 台喷涂机器人，每台机器人配置自动高压无气喷枪，并在机器人上连接腻子和固化剂混合装置，用于腻子与固化剂自动混合。通过设定压力参数和介质间的比例系数，可使腻子顺利通过高压雾化，满足喷涂需要。

在制品进入腻子喷涂台位后，首先由激光检测装置扫描在制品外表面，建立三维模型，并与标准模型对比，校准尺寸偏差；再由计算软件自动核定腻子喷涂厚度，建立喷涂参数；最后由机器人完成喷涂作业。喷涂结束后，检测装置进行复检，对不合格区域进行补充喷涂 [3]。腻子喷涂技术的工程化应用，对轨道交通装备涂装作业影响深远。相比于人工涂刮腻子，自动化腻子喷涂在质量稳定性、生产效率提升、腻子耗材用量控制、生产安全性等方面均有压倒性优势。

3.4 自动化打磨技术

智能化涂装产线配备两台自动化腻子及油漆打磨机器人（见图 4），每台机器人手臂端头配置 1 把打磨头。机器人手臂通过恒力连接机构与打磨头进行连接，确保打磨力度一致性。打磨头附带负压直吸除尘装置，并且打磨介质可自动更换。

图 4 自动化打磨机器人

在制品进入打磨房后，通过视觉拍照、三维检测和厚度检测，检测车体外墙平整度，并建立三维模型，确认打磨量。由机器人主控系统确定打磨方案，完成打磨作业后，再次进行检测，并视情况进行局部补充人工修整，确保整车平整度。智能涂装产线所配置的三维检测系统如图 5 所示。

图 5 三维检测系统

3.5 自动化涂层检测技术

自动化涂层检测装备主要由测厚仪、光泽度仪、色差仪等测量工具和自动测控系统组成，根据在制品尺寸专门设计而成，可对涂层进行自动化检测。检测装备将数据传输至控制系统，而控制系统收集数据后迅速处理，并完成自动判断和超标提示等作业。自动检测时，根据车型规划测量轨迹，由检测装备逐个区域进行数据检测，并自动判定产品质量合格情况，形成质检报告。

3.6 自动化集中供漆技术

智能化涂装产线设置专用的油漆供给区域，将油漆主剂、固化剂以及清洗溶剂集中布置，并通过双层密封套管连接产线内全部喷漆房。作业时利用压力泵将涂料或清洗剂输送到喷漆房，满足喷漆和喷枪清洗的稳定供给。油漆存放罐配置电动搅拌器和控温设施，确保油漆活性；同时配备油漆量自动控制系统，实时监控油漆保有量并提供异常报警功能。油漆输送管道转弯处设计成圆弧形状，避免油漆沉淀。

集中供漆设施不仅能够保证以适当的压力和流量输送涂料，还能对涂料的温度、黏度等特性进行控制，避免外来污染进入涂料而影响涂膜质量，同时避免产线内涂料运输工作，改善现场作业环境。

3.7 废气处理技术

智能化涂装产线采用沸石固定床作为涂装废气吸附和脱附的介质。涂装废气通过专用废气排放管道，进入含有沸石固定床的气体滞留室，经过沸石吸附和高温脱附后，使 VOC 含量浓缩，再通过化学介质催化燃烧消除空气污染物，做到达标排放 [4]。

4 数字化管控平台

智能化涂装产线采用数字化管控平台，其通过全面集成、转化、提炼生产活动中各类参数与指标，基于流程构建分层分级的度量指标体系，建立各级分析模型与管控机制，实施动态的 PDCA 闭环管理，不断提升生产制造过程的整体效率和管理水平。数字化管控平台的搭建将推动企业实现高效、精益、准确的生产管理模式，其建设过程与生产作业管理协同推进。

4.1 总体结构

涂装作业数字化管控的主要目标是实现精准安全的生产管控和先进可靠的自动控制，其采用制造企业生产过程执行管理系统（manufacturing execution system，MES）作为核心系统，并将其与自动化设备和信息通信技术相结合，对制造单元内的资源、计划、流程等进行管控。同时与产品设计紧密关联，实现生产控制智能化；与生产执行管理层之间交互数据，形成制造决策、执行和控制之间的闭环管理，提高生产执行效率和运营管理水平。

数字化管控平台包含制造资源管理、生产执行管理、预警监控管理、过程质量管控等功能 [5]。MES总体结构如图 6 所示。

图 6 MES 总体结构示意图

4.2 安全生产管控

精准安全生产管控是通过多种识别装置，采集生产设备、工装工具、运输设备、人力资源等制造资源动态信息，并通过产线内的数据通信网络汇总到制造资源管理系统，实现对制造资源规范使用、消耗、异常等情况的持续管控，并实时反馈给 MES 以调整生产执行规划。

1）生产指挥。

MES 负责接收生产计划、工艺路线、工艺文件和制造 BOM 等信息，以及作业规范、工艺规程、工艺标准等，同时制定现场作业执行计划，将生产计划分解成派工单，派发至各工位。MES 通过合理调度生产计划，有效组织生产执行，将资源利用率最大化。

2）质量管控。

质量管控系统利用自动化检测设备实现质量数据的自动化采集与实时记录，并与物料、产品和作业人员形成数据关联，建立产品对应的质量电子档案，实现质量过程检测的实时性和可追溯性。质量管控有利于实现制造过程质量责任的统计、分析和评价管理，并直观地对质量数据进行统计分析及展示。

3）生产监控。

生产监控系统主要由虚拟车间模型、产线信息集中控制室、各区域数据显示终端组成。信息集中控制室实时监控反馈至 MES 的动态生产数据，比对虚拟车间模型参数，并通过各区域数据显示终端发布生产状态信息，便于生产管理人员获取生产执行数据，分析生产异常情况，处理关闭异常事故。

4.3 自动化控制

生产过程的自动化控制主要从实用、可靠、平稳运行和技术先进性等角度进行设计、配置与实施。科学的自动化控制能有效提高工作效率，改善工作环境，降低劳动强度，提高产品质量。自动化控制将工艺参数控制和电气设备控制有机结合起来，为生产管理和过程控制架起沟通的桥梁；通过数字终端机实现人机交互；通过 MES 实现现场实时数据的读写，以满足管理人员对生产过程控制的需求；通过数据分析软件绘制重要数据的实时曲线和历史曲线，记录历史数据。

各生产设备的主控制器和中央处理器之间集成有工业以太网接口，可将主控制器和数字终端机都连接到工业级的以太网交换机，实现终端机和主控制器的通信，并在终端机上实时显示和监控生产过程。在交换机上预留以太网接口，还可以将自动控制系统联入生产管理网络，并通过 MES 将生产数据上传至数字化管控平台，实现生产管理的自动化。

5 结束语

本文提出的智能化、环保型的涂装产线改造模式，可以有效提升轨道交通装备涂装作业的生产效率，保障生产安全以及产品质量。该改造方案可以作为一种制造模式智能化转型升级的参考，也可以作为一种环保型喷涂工艺进行推广应用。

参考文献

[1] GB 14444—2006，涂装作业安全规程 喷漆室安全技术规定 [S].

[2] 徐文敏，用于与智能喷涂机器人相互协作的喷涂房系统方案的设计与研究 [J]. 上海涂料，2020，58（6）：39-43.

[3] GB/T 5226.1—2019，机械电器安全 机械电气设备 第 1 部分：通用技术条件 [S].

[4] GB 7691—2003，涂装作业安全规程 安全管理通则 [S].

[5] 于泽淼，李文刚，郭鑫等 . 涂装车间自动化、数字化、智能化新技术 [J]. 汽车工艺与材料，2020（12）：25-28.