陳家儉

（一汽-大眾汽車有限公司，吉林 長春 130000）

引言

車身涂膠工作作為車身涂裝的重要組成部分，在以往的生產(chǎn)工藝中，很多涂膠工藝都采用手工噴涂的方式，隨著人工成本的不斷增加，機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用逐漸推廣，自動(dòng)噴涂設(shè)備成本也不斷降低，機(jī)器人在自動(dòng)涂膠領(lǐng)域應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，以一汽-大眾建廠的先后順序及自動(dòng)涂膠應(yīng)用范圍為例：

可以看出機(jī)器人自動(dòng)涂膠應(yīng)用領(lǐng)域和范圍不斷得到推廣和應(yīng)用。

車身細(xì)密封涂膠全自動(dòng)化噴涂，需要采用先進(jìn)的技術(shù)手段，解決細(xì)密封自動(dòng)涂膠的各項(xiàng)技術(shù)難點(diǎn)。使用機(jī)器人噴涂替代人工進(jìn)行細(xì)密封自動(dòng)噴涂，結(jié)合以往的車身底板和座艙自動(dòng)噴涂技術(shù)，一汽-大眾率先在國內(nèi)實(shí)現(xiàn)全車身涂膠無人化，提升了車間生產(chǎn)的自動(dòng)化率，減少了自動(dòng)涂膠尤其是細(xì)密封自動(dòng)噴涂對(duì)于高技能人員的依賴性。

表1

該技術(shù)的應(yīng)用使得車身密封的自動(dòng)化率得到大幅提升，可以實(shí)現(xiàn)車身的100%全自動(dòng)涂膠。

圖1 機(jī)器人自動(dòng)細(xì)密封涂膠

1 細(xì)密封自動(dòng)噴涂的優(yōu)勢(shì)及必要性

機(jī)器人替代手工作為新工業(yè)時(shí)代的一個(gè)大趨勢(shì)，機(jī)器人自動(dòng)涂膠相較于手工涂膠有以下幾個(gè)優(yōu)勢(shì)：

（1）更好的工作環(huán)境，避免了人員惡劣的工作環(huán)境，減少了人員與PVC膠（毒性）的接觸；

（2）更高效的噴涂效率，降低了人員的勞動(dòng)負(fù)荷，降低人工成本；

（3）更穩(wěn)定的噴涂質(zhì)量，減少了人員技能、情緒波動(dòng)等帶來的質(zhì)量波動(dòng)問題；

細(xì)密封噴涂主要集中在車身四門兩蓋折邊和流水槽等車身可視區(qū)域，作為車身涂裝外觀的重要組成部分。人工細(xì)密封涂膠除了以上幾點(diǎn)缺點(diǎn)之外，還有一個(gè)重要問題是：外觀的苛刻要求對(duì)于人員技能和穩(wěn)定性要求非常高。一個(gè)操作工至少要培訓(xùn)一個(gè)月甚至更長的時(shí)間才能完成車身一條或兩條膠的熟練操作，對(duì)人員的多技能率和頂崗操作也非常不利，尤其是在車身結(jié)構(gòu)復(fù)雜的情況下，該問題更為突出。

目前的車身設(shè)計(jì)也越來越新銳，車身結(jié)構(gòu)也導(dǎo)致了手工細(xì)密封涂膠越加困難。例如全新A4L車型，車身前門與翼子板之間的間隙最小僅有 2.9mm，手工槍嘴根本無法進(jìn)入，此外車身銳利的腰線也給手工打膠帶來了很大的困難。因此在特定情況下必須使用機(jī)器人自動(dòng)涂膠來完成車身的細(xì)密封涂膠工作。

2 細(xì)密封自動(dòng)噴涂的設(shè)計(jì)思想

細(xì)密封自動(dòng)噴涂由于涂膠質(zhì)量要求高，對(duì)設(shè)備的精度、穩(wěn)定性和適應(yīng)性要求非常高，涂膠的尺寸偏差必須控制在毫米以下的尺度范圍內(nèi)才能保證膠條外觀質(zhì)量。

由于細(xì)密封的外觀要求，膠條必須準(zhǔn)確、穩(wěn)定、均勻一致，這就對(duì)設(shè)備、車身、材料等因素提出了很高的技術(shù)要求：

圖2 奧迪A4L車型的細(xì)密封噴涂范圍

（1）設(shè)備必須具備極高的精度和很大的靈活性，精度級(jí)別必須要達(dá)到0.1mm級(jí)別，該精度不僅是定位精度，必須是運(yùn)動(dòng)時(shí)的軌跡重復(fù)精度，因此需要應(yīng)用高精度的機(jī)器人技術(shù)；

（2）設(shè)備必須具備一定的工作范圍，以便機(jī)器人可以覆蓋車身細(xì)密封的全部區(qū)域，如四門兩蓋、輪罩、流水槽、尾燈等區(qū)域；

（3）車身不同位置的涂膠由于車身結(jié)構(gòu)不同，因此槍嘴形式不同，同一條生產(chǎn)線要生產(chǎn)不同的車型，為了充分利用機(jī)器人資源，有限的機(jī)器人數(shù)量要完成所有的膠條噴涂，機(jī)器人就必須具備不同的噴嘴的更換能力，在噴涂不同膠條時(shí)使用不同的槍嘴。

（4）因?yàn)榫纫蟊容^高，因此車身的定位精度也必須非常高，由于現(xiàn)有的機(jī)械化運(yùn)輸設(shè)備無法達(dá)到毫米級(jí)以下的定位精度，因此必須使用先進(jìn)的技術(shù)手段對(duì)車身進(jìn)行精確定位。

（5）細(xì)密封很多區(qū)域都是對(duì)車門和前后蓋進(jìn)行涂膠，由于這些部件在車身上屬于非固定件，這些件的位置在不同車身上定位存在差異，因此設(shè)備必須能夠識(shí)別這些件的具體精確位置。

（6）除了精確的定位以外，為了獲得良好的外觀，膠條的出膠流量必須配合機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行精確控制，必須要用非常精確的膠體流量控制系統(tǒng)；

（7）環(huán)境、材料的溫度對(duì)膠條的外觀影響也至關(guān)重要，因此，必須配合精密的溫控系統(tǒng)才能獲得穩(wěn)定均勻的膠條外觀。

3 細(xì)密封自動(dòng)噴涂技術(shù)方案

3.1 采用高精度控制的七軸工業(yè)機(jī)器人

該技術(shù)需采用高精度的六軸工業(yè)機(jī)器人，機(jī)器人重復(fù)定位精度需達(dá)到 0.05mm-0.07mm，為了獲得更好的軌跡精度，還必須要配合機(jī)器人的高精度運(yùn)動(dòng)控制軟件。為了擴(kuò)大機(jī)器人的工作范圍，配合使用七軸直線軸,七軸定位精度達(dá)0.1mm，七軸長度根據(jù)機(jī)器人站的長度進(jìn)行配置，可以按需擴(kuò)展機(jī)器人的噴涂范圍，以便覆蓋整個(gè)車身。

圖3 A4L車型細(xì)密封自動(dòng)噴涂站機(jī)器人工作劃分

3.2 采用視覺識(shí)別系統(tǒng)識(shí)別車身位置

為了精確定位車身，系統(tǒng)需要配備視覺3D測(cè)量系統(tǒng)，通過布置在機(jī)器人站中的4個(gè)（或以上）攝像頭，拍攝車身上的特征孔位，通過圖形像素計(jì)算和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，可以計(jì)算得出實(shí)際車身與理論車身的位置偏差，該偏差值由通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給機(jī)器人，由機(jī)器人在噴涂時(shí)進(jìn)行位置補(bǔ)償。該系統(tǒng)可以識(shí)別偏差在50mm范圍的車身并進(jìn)行精確校正。

圖4 車身定位識(shí)別系統(tǒng)

3.3 采用光學(xué)掃描系統(tǒng)識(shí)別車身部件精確位置

為了精確得知車門、前后蓋等這些部件的實(shí)際位置，機(jī)器人系統(tǒng)配備了一套光學(xué)掃描設(shè)備，在噴涂前，機(jī)器人攜帶該掃描設(shè)備對(duì)車門和后蓋進(jìn)行一周的掃描，通過圖形和標(biāo)準(zhǔn)位置的比對(duì)，得出門蓋的實(shí)際偏差位置，然后由機(jī)器人在涂膠前進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算。

圖5 車身部件位置掃描系統(tǒng)

3.4 采用高精度伺服控制計(jì)量泵系統(tǒng)

為了精確控制膠的出膠量，傳統(tǒng)的涂膠壓力式控制系統(tǒng)已經(jīng)無法適應(yīng)如此高的要求了，因此該系統(tǒng)需要配備先進(jìn)的高精度伺服控制計(jì)量泵系統(tǒng)。PVC膠通過一定的壓力進(jìn)入計(jì)量泵活塞缸體后，活塞被精密的滾珠絲杠推動(dòng)，由于運(yùn)動(dòng)源來自于帶位置反饋的精密控制伺服電機(jī)，由機(jī)器人控制器直接進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，因此出膠量的大小可以被精確控制，控制精度可達(dá)1%。配合噴槍處的壓力傳感器對(duì)出膠壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和反饋，可以形成閉環(huán)控制系統(tǒng)，提升了出膠的穩(wěn)定均勻性，并能結(jié)合車身結(jié)構(gòu)和機(jī)器人速度進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整。

圖6 帶伺服電機(jī)的計(jì)量泵系統(tǒng)

3.5 高精度溫度控制系統(tǒng)

涂膠外觀會(huì)受到材料粘度的影響，而材料的粘度對(duì)溫度非常敏感，為了保證穩(wěn)定良好的膠條外觀，需要對(duì)膠溫進(jìn)行精確的控制。傳統(tǒng)的膠溫控制系統(tǒng)采用水域換熱系統(tǒng)，使膠和受控溫度的水進(jìn)行熱交換，但該系統(tǒng)溫控精度稍差，且該系統(tǒng)對(duì)水質(zhì)要求高，長時(shí)間運(yùn)行之后系統(tǒng)容易腐蝕泄露。目前細(xì)密封自動(dòng)噴涂系統(tǒng)大都采用先進(jìn)的電控Peltier進(jìn)行溫控，可以直接對(duì)膠進(jìn)行加熱和制冷，反應(yīng)迅速，配合PID和槍嘴的溫度檢測(cè)傳感器可以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，控制精度可以達(dá)到±1.5℃。

圖7 珀?duì)柼鸓eltier效應(yīng)

圖8 風(fēng)冷Peltier溫控系統(tǒng)

3.6 采用精細(xì)槍嘴實(shí)現(xiàn)精細(xì)化涂膠

由于車身結(jié)構(gòu)的限制，車門縫隙等位置空間狹?。ˋ4L最窄處僅有2.9mm）。常規(guī)的槍嘴尺寸無法滿足細(xì)密封自動(dòng)噴涂的要求。細(xì)密封自動(dòng)噴涂需采用高精度的加工技術(shù)，槍嘴外徑尺寸可以達(dá)到 1.6mm，中空結(jié)構(gòu)用于輸送膠材料，材料壓力可達(dá)100Bar左右，槍嘴的出口尺寸僅0.3mm，槍嘴的加工精度需要控制在0.2mm。

圖9 奧迪A4L前門細(xì)密封槍嘴

3.7 采用全自動(dòng)化換槍嘴系統(tǒng)

圖10 自動(dòng)換槍站

圖11 槍嘴基座及槍嘴更換部分

為了使細(xì)密封自動(dòng)噴涂機(jī)器人得到充分的利用，同一臺(tái)機(jī)器人噴涂相同車身的不同的部位，或同一臺(tái)機(jī)器人噴涂不同的車身，都需要使用不同的槍嘴，因此槍嘴在機(jī)器人上的安裝和拆卸需要一套自動(dòng)換槍系統(tǒng)， 快速地進(jìn)行切換，全過程實(shí)現(xiàn)智能化全自動(dòng)過程，并且在更換槍嘴之后會(huì)使用壓縮空氣對(duì)槍嘴進(jìn)行吹掃，并使用槍嘴自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)槍嘴進(jìn)行位置精確校正。

3.8 槍嘴自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)

由于槍嘴非常纖細(xì)，在設(shè)備故障或車身變形時(shí)，槍嘴可能會(huì)受到碰撞，或在更換槍嘴后槍嘴的位置會(huì)發(fā)生輕微的變化，為了精確定位槍嘴偏差尺寸便于機(jī)器人進(jìn)行校正，細(xì)密封自動(dòng)涂膠系統(tǒng)采用一套光學(xué)攝像頭設(shè)備，每次噴涂前對(duì)槍嘴進(jìn)行定位拍照，然后和標(biāo)準(zhǔn)位置進(jìn)行比對(duì)計(jì)算坐標(biāo)得出準(zhǔn)確的偏差值，如果在偏差范圍之內(nèi)會(huì)對(duì)機(jī)器人的軌跡進(jìn)行補(bǔ)償，如果超出偏差允許范圍則直接自動(dòng)更換新的槍嘴。

圖12 槍嘴自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)

3.9 涂膠實(shí)施流程

當(dāng)上一臺(tái)車身噴涂完成之后，下一臺(tái)車身同時(shí)進(jìn)入機(jī)器人站，在機(jī)器人進(jìn)入室體的過程中，機(jī)器人會(huì)根據(jù)車身類型更換槍嘴，并進(jìn)行槍嘴吹掃和槍嘴檢測(cè)得出槍嘴偏差值，同時(shí)計(jì)量泵會(huì)啟動(dòng)膠循環(huán)以控制和保持膠溫，當(dāng)車身進(jìn)入室體后，車身被機(jī)械鎖定，然后由3D攝像系統(tǒng)對(duì)車身進(jìn)行定位計(jì)算出車身準(zhǔn)確位置，機(jī)器人再對(duì)車身的各個(gè)涂膠部位進(jìn)行掃描計(jì)算出車身部件的偏差位置進(jìn)行軌跡補(bǔ)償，然后經(jīng)過偏差疊加計(jì)算，以精確的運(yùn)動(dòng)控制攜帶槍嘴進(jìn)入車身門縫等空間，配合精確的計(jì)量泵系統(tǒng)保持穩(wěn)定的涂膠流量進(jìn)行涂膠，待完成一個(gè)部件涂膠之后，再次更換槍嘴繼續(xù)進(jìn)行下個(gè)部件的涂膠直至所有部件完成涂膠工作。

4 總結(jié)

該技術(shù)由于技術(shù)難度大，應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)少，國內(nèi)其它車企尚未有應(yīng)用案例。經(jīng)調(diào)查國內(nèi)主流的品牌和汽車廠，我司是采用該細(xì)密封全自動(dòng)噴涂技術(shù)在國內(nèi)屬于唯一批量使用且應(yīng)用廣泛的車企：

表2

隨著工業(yè)自動(dòng)化程度的不斷提高，該應(yīng)用也會(huì)在各個(gè)車企逐漸推廣使用。截止目前，東方本田、廣汽、上汽大眾等多個(gè)車企前來交流借鑒經(jīng)驗(yàn)，也準(zhǔn)備在其生產(chǎn)線適時(shí)引進(jìn)該技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用和推廣。

通過該技術(shù)的應(yīng)用，可以全面實(shí)現(xiàn)涂膠的自動(dòng)化噴涂，提升自動(dòng)化生產(chǎn)率，降低勞動(dòng)負(fù)荷，改善工作環(huán)境，屬于涂膠領(lǐng)域的必然發(fā)展趨勢(shì)。