馬天宇

（北京奔馳汽車有限公司，北京 100176）

1 前言

隨著人民生活水平的提高和“工業(yè)4.0”的蓬勃發(fā)展，汽車制造業(yè)也迎來了新的挑戰(zhàn)。消費者開始更多地關(guān)注汽車質(zhì)量以及駕駛體驗的提升，這就對汽車制造商提出了更高的要求。尤其是隔音降噪、隔絕熱空氣等感官功能。目前能較好地實現(xiàn)此類型性能改善的做法就是將輕量化的雙組分聚氨酯發(fā)泡膠作為填充物對車身腔體進行填充。眾所周知，車身主體結(jié)構(gòu)是由金屬板材件焊接而成，為了實現(xiàn)輕量化和裝配，在機艙焊接過程中會形成一定的腔體縫隙，這些腔體為非真空環(huán)境，難以隔絕聲音和外部環(huán)境中的熱量。雙組分聚氨酯在進行發(fā)泡反應(yīng)后會瞬間將腔體填滿，可灌注、噴涂等方式施工，對車體內(nèi)如鋼板夾層等部位，有良好的可操作性。其蓬松的孔狀結(jié)構(gòu)可以很好地吸收隔絕噪音，并且能阻斷車身內(nèi)外的熱量傳遞，同時其體積大而重量輕，不會對車的動力性能造成影響。良好性能的實現(xiàn)依賴于高精度的設(shè)備和加工人員熟練的準確無誤的操作，即生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的“人、機、料、法、環(huán)”。綜合加工設(shè)備、加工工藝流程、成本以及生產(chǎn)戰(zhàn)略布局，采用小型半自動手持發(fā)泡裝置，并進行工藝、輸送系統(tǒng)的接口設(shè)計集成，實現(xiàn)整車的高工藝質(zhì)量。

2 工藝布局

發(fā)泡膠噴涂共分為3大區(qū)域：存儲緩沖區(qū)（Buffer）、遮蔽手工和發(fā)泡區(qū)（如圖1所示）。Buffer區(qū)主要緩存來自注蠟線體的車，用于生產(chǎn)節(jié)拍調(diào)節(jié)和生產(chǎn)緩沖；遮蔽區(qū)分為貼遮蔽和去遮蔽，分別置于發(fā)泡區(qū)前后，在發(fā)泡工序前，對車身孔貼上遮蔽，防止發(fā)泡膠溢出以及防止孔位注錯。發(fā)泡站共3臺發(fā)泡設(shè)備，2個主站（如圖中實心圓點所示）由2個加工人操作，對車身上的工藝孔進行加注發(fā)泡膠，備用站（如圖中虛線外框圓點所示）作為故障時的緩沖站。3個站共用一個供料室，由PLC程序控制加料，供應(yīng)設(shè)備噴涂所使用的A、B雙組分材料。

圖1 發(fā)泡站工藝布局

3 發(fā)泡設(shè)備構(gòu)成

發(fā)泡設(shè)備是以西門子PLC1512作為控制系統(tǒng)，將供料裝置，液壓裝置以及手持發(fā)泡設(shè)備進行集成的小型半自動發(fā)泡設(shè)備（如圖2所示）。

圖2 發(fā)泡設(shè)備

半自動裝置需要加工人將槍頭注入孔位，并確認該孔位發(fā)泡程序號（每個程序號均對應(yīng)唯一發(fā)泡克數(shù)），其余均有PLC自動控制完成。該設(shè)備的功能主要分為3個部分：第一是自動加料，發(fā)泡設(shè)備的料筒中裝有液位檢測傳感器和液位開關(guān)，當PLC檢測到液位低時，會自動從供料間加料，至設(shè)定液位處時會關(guān)閉閥門，停止加料。第二是保持材料恒溫恒壓，發(fā)泡設(shè)備的儲料罐中裝有加熱裝置和溫度傳感器，通過PLC的PID模塊會自動調(diào)節(jié)材料溫度在恒定范圍。同時，也會控制電機泵將材料進行循環(huán)，再經(jīng)過PID算法補償，使得管路中材料壓力恒定。第三是按固定克數(shù)發(fā)泡，根據(jù)工藝質(zhì)量要求和發(fā)泡材料性質(zhì)，會設(shè)定A、B兩種材料的混合比，無須二次設(shè)定，加工人設(shè)定程序好后，PLC會控制電機泵以固定轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)設(shè)定程序號對應(yīng)的時間程序，即以固定流速乘以固定時間即為固定克數(shù)。

3.1 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)是一套自動化設(shè)備的重中之重，相當于人的大腦，對設(shè)備零件的選型和功能的實現(xiàn)有著至關(guān)重要的影響。小型發(fā)泡設(shè)備采用西門子成熟的1512型號PLC作為控制系統(tǒng)的CPU，將HMI（Human Machine Interface）、I/O模塊（集成在PLC的CPU上）、SEW變頻器進行組態(tài)集成（如圖3所示）。

圖3 硬件組態(tài)

每部分的功能如下。

（1）HMI。通過西門子工控軟件的界面編寫，HMI屏幕可以對溫度、壓力、材料配比等參數(shù)進行設(shè)定，并且將報警信息實時地顯示到界面上，提醒加工人實時的設(shè)備狀態(tài)，并實現(xiàn)觸控的手自動切換，以便調(diào)整設(shè)備狀態(tài)和進行檢修等工作。

（2）PLC及I/O模塊。I/O模塊分為數(shù)字輸入/輸出和模擬輸入/輸出，對材料的溫度、壓力、液位狀態(tài)、開關(guān)槍狀態(tài)以及加工人設(shè)定的發(fā)泡程序號進行采集，并通過PLC的邏輯運算給出輸出量，包含開關(guān)槍動作和時間、加熱系統(tǒng)啟停以及泵壓調(diào)節(jié)等。

（3）SEW。發(fā)泡系統(tǒng)采用SEW電機作為雙組分物料管路循環(huán)，槍頭供料加壓的動力來源，接收來自PLC的控制字對電機的扭矩轉(zhuǎn)速進行調(diào)控，以達到定壓定速的功能。

3.2 供料系統(tǒng)

雙組分聚氨酯發(fā)泡由兩種材料組成，每種材料有單獨的供料系統(tǒng)，在發(fā)泡反應(yīng)前，嚴禁混合。兩種材料供料系統(tǒng)相同，本文僅展示其中一種。

供料系統(tǒng)主要由儲料罐、管路、加料泵、截止閥等組成（如圖4所示）。儲料罐中安裝有液位傳感器和液位開關(guān)，管路上裝有溫度和壓力傳感器。當液位計檢測液位低時，發(fā)泡設(shè)備的PLC通過PN/PN coupler向加料間的PLC發(fā)送信號，驅(qū)動供料間的泵體向儲料罐輸料，直至液位檢測開關(guān)處，給出停止信號，加料后，溫度傳感器向PLC反饋材料溫度值，通過PLC的PID模塊驅(qū)動加熱棒使得材料溫度在恒定范圍內(nèi)。

圖4 供料系統(tǒng)

在未開槍的狀態(tài)下，圖中所示的截止閥打開，加料泵會驅(qū)動物料在儲料罐和槍頭之間的管路中循環(huán)，在開槍時，截止閥關(guān)閉，加料泵使得物料以固定壓力從槍嘴噴出，與另一種材料混合，迅速反應(yīng)，在車身腔體中形成發(fā)泡。

3.3 液壓系統(tǒng)

由于雙組分材料的特殊性質(zhì)，管路中的材料壓力非常大，在執(zhí)行開關(guān)槍動作時，需要強大的推力來帶動槍針在槍嘴中往復(fù)運動，基于此，發(fā)泡設(shè)備采用液壓裝置（如圖5所示）作為執(zhí)行動力來源。

圖5 液壓系統(tǒng)

在未執(zhí)行開關(guān)強動作時，圖中的單向閥關(guān)閉，液壓油在管路中循環(huán)；執(zhí)行開槍動作時，單向閥打開，液壓系統(tǒng)停止循環(huán)，再通過換向閥的開閉，通過嵌在槍頭內(nèi)部的執(zhí)行機構(gòu)帶動槍針運動。同時，液壓系統(tǒng)在管路中加入蓄能器和安全閥，當管路壓力過高時，液壓油會繞過槍頭循環(huán)回液壓泵，避免壓力過高，保證加工人的安全。

3.4 手持發(fā)泡設(shè)備

手持發(fā)泡設(shè)備由機械執(zhí)行機構(gòu)、管路以及控制器組成（如圖6所示）。管路分別對接供料系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)。安裝在槍柄上的控制器由急停、放行按鈕，指示燈和字母數(shù)字程序號按鍵組成。需要加工人輸入由字母和數(shù)字組成的程序號，并按下確認鍵確認運行程序。控制器上的字母數(shù)字按鍵以及放行按鍵均對應(yīng)一個唯一的數(shù)字輸入量，指示燈代表輸出量，即將信號給到PLC的數(shù)字輸入模塊上。PLC根據(jù)不同的I點組合，通過邏輯識別出程序號對應(yīng)的材料參數(shù)，驅(qū)動系統(tǒng)完成車身孔位發(fā)泡任務(wù)。

圖6 手持發(fā)泡設(shè)備

同時，針對半自動發(fā)泡工藝，引入防錯程序設(shè)計。如圖7所示，車身腔體共有18個孔位需要加注發(fā)泡膠，每個孔位所對程序號均唯一，室體中的屏幕會顯示車身信息、需要加注的點位以及點位對應(yīng)的程序信息。在發(fā)泡室體每進入一輛新車時，所有的信息均會實時刷新，并且通過梯形圖運算，將已經(jīng)加注過的孔位進行標注，并將注過的發(fā)泡重量和車身需要加注的總重量進行百分比運算，當達到100%時，才可以給出放車信號，這樣可以避免半自動化中的人為因素導致漏注從而影響工藝質(zhì)量。

圖7 孔位加注狀態(tài)

4 接口設(shè)計

如上文中介紹，小型半自動發(fā)泡站共有3臺發(fā)泡設(shè)備，并且每臺設(shè)備均有置于系統(tǒng)內(nèi)部的獨立PLC控制。發(fā)泡設(shè)備自身無法對車型信息和車所在線體位置進行獲取，這就需要對發(fā)泡設(shè)備以及產(chǎn)線輸送系統(tǒng)進行信息交互，即接口設(shè)計。由于使用西門子PLC作為控制器，所以采用PN/PN Coupler作為媒介進行信息交互，如圖8所示。

圖8 發(fā)泡系統(tǒng)接口設(shè)計

前文中提到，供料間的運行也由獨立PLC控制，故此，以供料間的PLC作為中間媒介進行信息整合，三臺發(fā)泡設(shè)備均通過組態(tài)PN/PN Coupler將溫度、壓力、孔位加注情況以及工藝釋放等信號傳遞給供料間PLC,供料間PLC再通過組態(tài)的PN/PN Coupler將信息傳遞給輸送系統(tǒng)。輸送系統(tǒng)則通過逆向路徑將車型、位置等信息傳遞給發(fā)泡設(shè)備。

同時，在發(fā)泡產(chǎn)線的入口裝有光電檢測以及讀寫站比對系統(tǒng)，將需要發(fā)泡的車身放入，其余車型繞過發(fā)泡產(chǎn)線進入下一道工序。至此，通過發(fā)泡系統(tǒng)的設(shè)計與集成，能完整地實現(xiàn)發(fā)泡工藝流程，為高標準地完成發(fā)泡工藝提供了強有力的保障。

5 結(jié)語

綜合加工設(shè)備、加工工藝流程、成本以及生產(chǎn)戰(zhàn)略布局，通過發(fā)泡工藝以及輸送設(shè)備的設(shè)計與集成，能較好地完成生產(chǎn)任務(wù)，并保證工藝質(zhì)量。同時，引入的人機交互設(shè)計，使得參數(shù)修改更加便捷，避免復(fù)雜的程序改動。該系統(tǒng)的搭建，為企業(yè)自動化、智能化產(chǎn)線提供了一定的參考。