周杰，成亞君

（上汽大眾汽車有限公司，上海 201805）

上汽大眾120 JPH涂裝車間規(guī)劃年產(chǎn)能60萬輛，是全球生產(chǎn)規(guī)模最大的單體汽車涂裝車間。其于2018年10月土建動(dòng)工，2019年6月設(shè)備進(jìn)場(chǎng)安裝，2020年3月首臺(tái)調(diào)試車下線，同年8月正式投產(chǎn)。新車間突破了標(biāo)準(zhǔn)化涂裝車間常見的2 × 30 JPH生產(chǎn)工藝布局模式，首次采用3 × 40 JPH的柔性工藝布局。與標(biāo)準(zhǔn)化涂裝車間相比，其投資降低15%，建筑面積減小12%，設(shè)備總量是標(biāo)準(zhǔn)化車間的2.5倍，自動(dòng)化率達(dá)到73%。

120 JPH涂裝車間集智能制造、節(jié)能環(huán)保于一體，大規(guī)模應(yīng)用先進(jìn)制造技術(shù)。通過KPR余熱回收、硅烷薄膜技術(shù)、液體可噴涂阻尼材料、走珠式油漆快速換色系統(tǒng)、EWPK質(zhì)量管理系統(tǒng)等節(jié)能環(huán)保及智能化新技術(shù)，打造上汽大眾最智能環(huán)保的涂裝車間。

1 KPR余熱回收

KPR是德文Karbon Papier Rotor的縮寫，含義是碳紙轉(zhuǎn)輪吸附設(shè)備。KPR廢氣凈化系統(tǒng)的主要功能是去除噴房廢氣中的VOCs(揮發(fā)性有機(jī)化合物)，實(shí)現(xiàn)“零污染”排放。它主要由KPR分子篩吸附轉(zhuǎn)輪、TAR氧化燃燒爐和熱交換器三部分組成。KPR系統(tǒng)采用的是“KPR+TAR”的組合方式，KPR用于對(duì)廢氣中的VOCs進(jìn)行吸附濃縮，TAR氧化爐則用于對(duì)濃縮后的廢氣進(jìn)行氧化燃燒。該系統(tǒng)具備較高的廢氣凈化處置效率。

傳統(tǒng)的KPR系統(tǒng)只有2次能量回收：伴隨VOCs廢氣在TAR中進(jìn)行氧化裂解，有大量的副產(chǎn)熱量釋放出來，這些熱量隨凈化后的廢氣先經(jīng)TAR尾部0級(jí)換熱器(Hex 0#)，對(duì)進(jìn)入TAR的VOCs廢氣進(jìn)行預(yù)熱而實(shí)現(xiàn)首次熱量回收，然后進(jìn)入脫附換熱器Hex 1#對(duì)KPR吸附轉(zhuǎn)輪的脫附空氣進(jìn)行加熱而實(shí)現(xiàn)第二次熱量回收。此情況下，出口排放溫度在270 °C左右，余熱未充分回收。

120 JPH涂裝車間將KPR廢氣余熱同車間工藝熱水需求相結(jié)合，達(dá)到減排和降本的雙重目標(biāo)。令第二次熱量回收后的270 °C排放廢氣進(jìn)入能量回收水加熱系統(tǒng)的換熱器Hex 2#，對(duì)車間工藝熱水大循環(huán)系統(tǒng)中的回水進(jìn)行再加熱而完成第三次熱量回收，最后混入KPR吸附轉(zhuǎn)輪清潔后的排風(fēng)系統(tǒng)排放至大氣，如圖1所示。通過三級(jí)回收，出口排放溫度由270 °C降至170 °C。余熱回收系統(tǒng)在車間內(nèi)直接與能源管道連接，管道距離短，約200 m，能量回收效率可高達(dá)80%。

圖1 KPR廢氣熱能三次回收示意圖Figure 1 Schematic diagram of three-time heat recovery of KPR waste gas

為了提高工藝熱水回水再加熱的穩(wěn)定性，充分適應(yīng)3條噴漆線的作息差異性，系統(tǒng)采用三級(jí)分段加熱的設(shè)計(jì)思路，每條噴漆線有一套獨(dú)立的能量回收水加熱系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了三段并聯(lián)式工藝循環(huán)熱水再加熱，如圖2所示。該方式可以令各段互為彌補(bǔ)，具備較高的穩(wěn)定性和可靠性。

圖2 三段并聯(lián)式工藝循環(huán)熱水再加熱系統(tǒng)示意圖Figure 2 Schematic diagram of three-stage parallel circulating hot water reheating system

三套KPR熱水回收系統(tǒng)進(jìn)出口熱水溫差均值為21 °C，合計(jì)水流量為81 m3/h，合計(jì)回收熱能達(dá)1 948 kW·h，參考目前0.64元/(kW·h)的電費(fèi)單價(jià)，合計(jì)每小時(shí)可節(jié)約電費(fèi)1 246元，年節(jié)約600萬元左右。

2）投資新建前瞻性實(shí)驗(yàn)室。有些實(shí)驗(yàn)室建設(shè)之初缺乏前瞻性設(shè)計(jì)，致使建成時(shí)已落后，不能滿足新的實(shí)驗(yàn)需求，剛建成不得不進(jìn)行改造升級(jí)，既影響實(shí)驗(yàn)進(jìn)程又浪費(fèi)各項(xiàng)資源。在建設(shè)前，應(yīng)充分調(diào)研國(guó)內(nèi)外最先進(jìn)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，并組織專家和用戶對(duì)實(shí)驗(yàn)室需求（包括水電氣布局、通風(fēng)布局、網(wǎng)絡(luò)化、可視化、集成化、智能化、信息化、易操作性、人性化、節(jié)能性、環(huán)保性等）[20]進(jìn)行超前設(shè)計(jì)研討。

2 硅烷薄膜技術(shù)

目前應(yīng)用最為成熟的前處理磷化技術(shù)由于采用了鋅、鎳、錳等重金屬離子以及磷酸鹽、亞硝酸鈉等物質(zhì)，環(huán)保壓力日益增大。因磷化處理中的重金屬鎳有致癌作用，上海已將鎳的排放限值從1 mg/L降低到0.1 mg/L。這樣一來，現(xiàn)有磷化廢水處理系統(tǒng)就很難處理到達(dá)標(biāo)了。硅烷薄膜(簡(jiǎn)稱硅烷)的主要成分是有機(jī)硅烷和無機(jī)氟鋯物，不含重金屬和磷酸鹽，成為替代磷化的綠色環(huán)保技術(shù)，并逐步得到推廣應(yīng)用[1]。

硅烷工藝在金屬表面形成有機(jī)(Si─O─Me)和無機(jī)(Zr─O─Me)的復(fù)合涂層，如圖3所示。鋯(Zr)在金屬表面鈍化，形成鋯化膜，起到腐蝕防護(hù)作用；硅(Si)在金屬表面有機(jī)鍵合，Si─O─Me共價(jià)鍵結(jié)合力很強(qiáng)，提供良好的涂裝附著力。

圖3 硅烷復(fù)合成膜機(jī)理Figure 3 Silane composite film forming mechanism

硅烷技術(shù)與磷化工藝相比，具有以下幾個(gè)差異點(diǎn)：

(1) 遮蓋能力。

磷化膜的厚度為1 ～ 2 μm，而硅烷層僅有磷化層的1/10，即0.1 ～ 0.2 μm，所以硅烷工藝對(duì)于白車身打磨印、油石印、沖壓壓痕表現(xiàn)得比較敏感。

(2) 附著力。

硅烷膜厚是納米級(jí)，故抗污染能力較差。油污過多而脫脂不干凈時(shí)，硅烷處理后局部無法成膜或成膜不完整，將影響電泳附著力。由于硅烷對(duì)板材的侵蝕量遠(yuǎn)小于磷化，因此如何避免板材受到堿蝕和蒸蝕的影響而導(dǎo)致電泳附著力不穩(wěn)定，是硅烷工藝需特別關(guān)注的技術(shù)難點(diǎn)[2]。

(3) 工藝和設(shè)備控制。

首先，脫脂工序是硅烷應(yīng)用過程中需重點(diǎn)關(guān)注的環(huán)節(jié)。車身表面殘留的油污及雜質(zhì)可以在磷化較高的溫度(45 °C左右)和較低的pH(3.2左右)的條件下被進(jìn)一步去除。而硅烷工藝溫度為25 ～ 45 °C，pH為4.5左右，在這種溫和的條件下極少的表面油脂也會(huì)影響成膜后的結(jié)合力，從而大大降低涂裝后的防腐能力。

再次，硅烷工藝對(duì)設(shè)備的要求也比較高。應(yīng)盡量避免設(shè)備出現(xiàn)故障而導(dǎo)致輸送鏈停頓，如果在脫脂區(qū)和脫脂后的水洗區(qū)里停頓，容易造成板材腐蝕；如果停頓在硅烷槽內(nèi)，膜重會(huì)不斷增加，超過控制范圍會(huì)影響硅烷的附著力，附著力不達(dá)標(biāo)則須報(bào)廢。

(4) 與電泳漆的配套。

由于硅烷薄膜對(duì)電泳導(dǎo)電性的影響較大，因此選用硅烷工藝時(shí)必須關(guān)注與電泳漆的配套性，硅烷工藝與電泳的匹配需要經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室(如鹽霧腐蝕試驗(yàn))和現(xiàn)場(chǎng)多項(xiàng)認(rèn)證，才能選定合適的電泳材料。

上汽大眾120 JPH涂裝車間是大眾集團(tuán)第一個(gè)試用薄膜前處理技術(shù)的生產(chǎn)線，大眾集團(tuán)嚴(yán)格的油漆表面、防腐和抗石擊要求對(duì)薄膜技術(shù)應(yīng)用挑戰(zhàn)較大。在薄膜工藝材料不斷優(yōu)化改進(jìn)的同時(shí)，在批量生產(chǎn)過程中針對(duì)薄膜工藝的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)行嚴(yán)格管控，規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，不是一蹴而就的易事，還有待不斷探索。

3 液體可噴涂阻尼材料

瀝青阻尼墊在長(zhǎng)期使用過程中會(huì)緩慢釋放出一些對(duì)人體有害的致癌物質(zhì)，嚴(yán)重影響人的身體健康[3]?；诖耍后w可噴涂阻尼材料(LASD)作為一種新型的阻尼減振材料，被越來越多的汽車涂裝線所采用。目前的LASD主要分為橡膠基和水性丙烯酸基兩種，水性丙烯酸基LASD更加環(huán)保，VOCs散發(fā)更少，故其應(yīng)用最多。

LASD與阻尼墊的對(duì)比如表1所示。

表1 LASD與阻尼墊的對(duì)比Table 1 Comparison between LASD and damping pad

LASD對(duì)環(huán)保、輕量化等貢獻(xiàn)較大[4]，同時(shí)具有阻尼性能良好、施工一致性穩(wěn)定、生產(chǎn)效率高、現(xiàn)場(chǎng)庫存和物流成本低等優(yōu)點(diǎn)，是替代瀝青墊的理想材料。但LASD與瀝青阻尼墊相比存在材料成本較高，前期設(shè)備投資大的特點(diǎn)，且具有不同的施工特性。比如LASD材料若長(zhǎng)時(shí)間處于高壓下，其黏度會(huì)快速增大，故當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)間斷超過4 h時(shí)，管道和機(jī)器人需要卸壓；另外，由于LASD材料暴露在空氣中容易固化，因此機(jī)器人噴嘴在不噴的時(shí)候需要浸泡在水中。

LASD的實(shí)際噴涂狀態(tài)受到噴嘴霧化效果、材料干結(jié)或者混入外來異物、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡及材料特性等因素的影響，可能出現(xiàn)位置偏移、分叉、漏噴、飛濺等質(zhì)量缺陷。建立LASD終端檢測(cè)系統(tǒng)是質(zhì)量控制的有效手段，即通過視覺系統(tǒng)監(jiān)控噴涂狀態(tài)，在出現(xiàn)質(zhì)量缺陷時(shí)及時(shí)發(fā)出警報(bào)，從而避免批量缺陷的產(chǎn)生。

4 走珠式油漆快速換色系統(tǒng)

為了滿足客戶的個(gè)性化需求，噴涂的顏色種類越來越多，而其中大部分顏色的噴涂量并不大，因此系統(tǒng)換色的頻率越來越高。為了解決這一問題，需要一種能夠快速換色，且在換色時(shí)節(jié)省涂料和溶劑的技術(shù)，用于小批量噴涂油漆的集中供漆?？焖贀Q色系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。

走珠式快速換色系統(tǒng)包含供漆模組、泵、油漆管路(不循環(huán))、氣動(dòng)及電氣控制系統(tǒng)等。輸送走珠將油漆從罐體經(jīng)密封管道推送至噴房各站，在噴涂任務(wù)完成后，幾乎所有殘余油漆都能從軟管回收至罐體中。

快速換色系統(tǒng)具有清洗換色速度快，節(jié)省清洗溶劑和油漆材料，無需排漆，節(jié)約模組空間，一套系統(tǒng)可以生產(chǎn)多種顏色，油漆材料幾乎沒有老化等優(yōu)點(diǎn)。比如傳統(tǒng)供漆系統(tǒng)一次性投料量需800 L，而快速換色系統(tǒng)僅需200 L；傳統(tǒng)供漆系統(tǒng)的換色清洗需要5 ～ 7 d，消耗清洗溶劑3 200 L左右，而快速換色系統(tǒng)僅需30 min就能完成換色清洗，消耗清洗溶劑約25 L。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，快速換色系統(tǒng)特別適用于新顏色調(diào)試或訂單數(shù)量少的特殊顏色生產(chǎn)。

快速換色系統(tǒng)有以下控制要點(diǎn)：

(1) 由于換色操作復(fù)雜，設(shè)備操作較多，因此每個(gè)機(jī)器人站都需要重設(shè)顏色信息，備份舊數(shù)據(jù)覆蓋新數(shù)據(jù)，更改固化劑等。

(2) 批量生產(chǎn)時(shí)對(duì)人員操作的依賴性較高。當(dāng)一批次超過10 ～ 15臺(tái)連續(xù)車身時(shí)，需要使用可移動(dòng)泵，并且提前將油漆充分預(yù)攪拌后才能實(shí)現(xiàn)連續(xù)供料及噴涂。

(3) 有裝載時(shí)間限制，補(bǔ)料需要人工操作，一般裝載時(shí)間不能超過2 h。

(4) 設(shè)備較為復(fù)雜，一旦出現(xiàn)故障，對(duì)維修人員的要求較高。

5 EWPK質(zhì)量管理系統(tǒng)

EWPK是德文Elektronische Wagenpruefkarte的縮寫，含義是車輛電子檢測(cè)卡。EWPK缺陷錄入系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了車間人工工位的全覆蓋，從車身工藝到報(bào)交打磨，每一個(gè)崗位站點(diǎn)由專業(yè)生產(chǎn)人員識(shí)別車身各類質(zhì)量缺陷并完成錄入，達(dá)到基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集的目的，為之后的質(zhì)量預(yù)測(cè)大數(shù)據(jù)分析提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。系統(tǒng)中展示的報(bào)表、蝴蝶圖(如圖4所示)可以形象地為技術(shù)人員展現(xiàn)目前產(chǎn)品的缺陷對(duì)比、高頻缺陷位置，輔助其判斷缺陷原因及優(yōu)化生產(chǎn)工藝。

圖4 缺陷統(tǒng)計(jì)Figure 4 Statistics of defects

質(zhì)量預(yù)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)用了大數(shù)據(jù)及深度學(xué)習(xí)等AI(人工智能)技術(shù)，以EWPK專業(yè)生產(chǎn)人員錄入的質(zhì)量缺陷信息為基礎(chǔ)，結(jié)合車身訂單數(shù)據(jù)，以及與車身綁定的自動(dòng)化系統(tǒng)中的一些傳感器的關(guān)鍵參數(shù)，比如氣溫、材料黏度、定量機(jī)流量、空氣壓力、流水線故障等等，識(shí)別其隱藏的相關(guān)性，給技術(shù)人員提供關(guān)于工藝、設(shè)備的改進(jìn)建議以及決策參考，優(yōu)化生產(chǎn)。

6 結(jié)語

雖然120 JPH涂裝車間已廣泛采用工業(yè)機(jī)器人且自動(dòng)化率較高，但在質(zhì)量檢查、非標(biāo)準(zhǔn)操作等工位仍需要依賴員工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行人工操作。隨著協(xié)作機(jī)器人、工業(yè)視覺技術(shù)的逐漸成熟，使用這些技術(shù)集成的解決方案具有越來越明顯的經(jīng)濟(jì)性和替代性。據(jù)測(cè)算，在一些簡(jiǎn)易人工檢查操作工位上使用協(xié)作機(jī)器人的技術(shù)方案在3年內(nèi)可收回成本，因此使用協(xié)作機(jī)器人與人工混合作業(yè)的方式是通往未來全自動(dòng)車間道路上更具現(xiàn)實(shí)意義的解決方案。另外，在提升產(chǎn)品質(zhì)量方面，將開發(fā)并導(dǎo)入AI和視覺相結(jié)合的技術(shù)，以替代人工來監(jiān)控機(jī)器人的施工質(zhì)量。上汽大眾120 JPH油漆車間正向制造全過程智能化和數(shù)字化的方向穩(wěn)步邁進(jìn)。