涂裝車間新型膜厚檢測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)及應(yīng)用

程小輝，操金明，趙晨思，宋衍國(guó)

（1.一汽-大眾汽車有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130011；2.機(jī)械工業(yè)第九設(shè)計(jì)研究院有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130011）

1 新型膜厚檢測(cè)系統(tǒng)研制的背景

汽車涂裝行業(yè)中，部分主流企業(yè)要求在涂裝線上增設(shè)膜厚檢測(cè)設(shè)備（比如大眾集團(tuán)、菲亞特集團(tuán)），用于在線測(cè)量閃干后的本色漆膜厚，監(jiān)控其穩(wěn)定性，出現(xiàn)膜厚波動(dòng)時(shí)及時(shí)發(fā)出報(bào)警信息，提醒操作者檢查分析原因，避免出現(xiàn)批量的車身油漆膜厚不良等質(zhì)量問題。

目前，全球較流行的膜厚在線測(cè)量系統(tǒng)是CO2氣體激光膜厚測(cè)量系統(tǒng)，以德國(guó)Phototherm公司為主，居壟斷地位。其系統(tǒng)基于獨(dú)立的激光控制主機(jī)為主站，不足之處主要表現(xiàn)在以下方面：

1）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要空冷，水冷等輔助設(shè)備；

2）基于獨(dú)立的控制系統(tǒng)為主站，導(dǎo)致系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)(理論上單個(gè)循環(huán)延長(zhǎng)0.4s以上)；

3）附屬設(shè)備多，造價(jià)昂貴；

4）測(cè)量時(shí)間通常在2s以上，不能滿足日益增加的高產(chǎn)能需求。

工藝過程如下：ECU控制激光發(fā)生器產(chǎn)生間斷激光脈沖—激光脈沖加熱油漆涂層—加熱的油漆涂層經(jīng)底層反射衰減熱波—熱敏傳感器感應(yīng)熱量衰減波(不同的厚度對(duì)應(yīng)不同的衰減波) —控制系統(tǒng)采集不同的熱量衰減值經(jīng)換算得到膜厚值并保存—上位機(jī)顯示保存數(shù)據(jù)。

圖1 CO2激光膜厚測(cè)量系統(tǒng)工作原理圖

2 新型膜厚檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量原理

1）測(cè)量過程。新膜厚檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量過程：機(jī)器人按軌跡將激光探測(cè)頭靠近測(cè)量點(diǎn)(距離 90～110mm)—機(jī)器人發(fā)送膜厚測(cè)量指令—激光控制箱ECU接到機(jī)器人測(cè)量指令后，觸發(fā)激光探測(cè)頭進(jìn)行膜厚檢測(cè)—激光控制箱 ECU將檢測(cè)的數(shù)據(jù)送給機(jī)器人控制柜—機(jī)器人控制柜將數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)—上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、分析、存儲(chǔ)—上位機(jī)向機(jī)器人控制柜反饋必要的指令—下一個(gè)測(cè)量循環(huán)。

圖2 膜厚測(cè)量原理圖

圖3 厚涂層的信號(hào)波形

圖4 薄涂層的信號(hào)波形

2）測(cè)量的標(biāo)定。如圖2所示，激光頭(Laser Head)產(chǎn)生一定頻率的激勵(lì)激光(Pulse)；激光透過涂層(Paint Film)，將涂層加熱；熱量經(jīng)過基層(Steel Panel)反射(Heat Radiation)，不同的厚度反射的時(shí)間不同(相位值不同，如圖3、圖4所示)；反射的熱波經(jīng)光學(xué)傳感器(Optic, Sensor)測(cè)定及轉(zhuǎn)換，即得到不同的膜厚值。

3）電泳補(bǔ)償。實(shí)際測(cè)量時(shí)，由于受鍍鋅層，電泳層工藝的限制，某個(gè)測(cè)量點(diǎn)的厚度會(huì)上下浮動(dòng)，最高會(huì)有2μm左右的誤差產(chǎn)生。另一方面，當(dāng)所測(cè)量的涂層在基層(鍍鋅層)以上有多于2個(gè)涂層，由于涂層材料不同，干濕度不同，導(dǎo)致激光在加熱及輻射過程工況不同?；谝陨锨闆r下要想得到準(zhǔn)確的色漆涂層厚度，就需要做電泳補(bǔ)償?shù)奶幚?。其處理公式如下?/p>

其中：

BC為電泳補(bǔ)償后的準(zhǔn)確色漆膜厚值；

BCLaser為激光測(cè)量系統(tǒng)測(cè)定的色漆漆膜厚值

V=Trefi– A10points，Trefi為調(diào)試車身上的某個(gè)點(diǎn)，A10points為生成擬合公式的楔形板所取10個(gè)點(diǎn)電泳值的平均值。

ε= Tactui– A50points，Tactui為實(shí)際生產(chǎn)車身上某個(gè)點(diǎn)的電泳值，A50points為調(diào)試車身上50個(gè)點(diǎn)的平均值。

3 新型膜厚檢測(cè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

新膜厚系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖5所示。其主要構(gòu)成如下：①測(cè)量探頭，用來進(jìn)行涂層的加熱及測(cè)量；②電控單元盒，控制測(cè)量探頭的開關(guān)，并轉(zhuǎn)換測(cè)量的膜厚相位值為膜厚值；③連接盒，當(dāng)線纜進(jìn)入坦克鏈時(shí)，需要使用超柔線纜，而坦克鏈外圍普通線纜，需要使用連接盒過渡；④機(jī)器人控制柜，作為整個(gè)系統(tǒng)的主站，一方面控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，另一方面進(jìn)行測(cè)量系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集；⑤PLC控制柜，負(fù)責(zé)系統(tǒng)安全信號(hào)及故障信號(hào)的采集與反饋；⑥上位機(jī)，系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集與分析反饋。

圖5 新膜厚系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖

4 新型膜厚檢測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)及經(jīng)濟(jì)效益

新型膜厚檢測(cè)系統(tǒng)適應(yīng)市場(chǎng)需求，基于德國(guó) OptiSense固體激光測(cè)量單元，開發(fā)出相應(yīng)的測(cè)量軟件，創(chuàng)新集成系統(tǒng)，解決技術(shù)瓶頸，體現(xiàn)以下幾個(gè)方面：

（1）系統(tǒng)基于機(jī)器人為主站，響應(yīng)時(shí)間較傳統(tǒng)系統(tǒng)縮短(理論上單程0.4s以上)；

（2）測(cè)量時(shí)間縮短，產(chǎn)能提高：現(xiàn)行系統(tǒng)2s以上，新系統(tǒng)0.5 s以內(nèi)；

（3）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，較現(xiàn)行系統(tǒng)，削減了空冷、水冷單元；

（4）較現(xiàn)行測(cè)量系統(tǒng)，投資成本降低50%以上；

（5）開發(fā)的測(cè)量軟件高效簡(jiǎn)潔，便于使用和維護(hù)。

新型膜厚檢測(cè)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）節(jié)約一次性投資成本50%以上；

（2）產(chǎn)能提升187.5%以上；

（3）長(zhǎng)期使用成本下降70%以上；

（4）使用簡(jiǎn)化，安全性能提高；

（5）故障率降低，維修方便。

5 總結(jié)

新型膜厚檢測(cè)系統(tǒng)，經(jīng)一汽-大眾汽車有限公司青島工廠（一期）新建涂裝車間項(xiàng)目實(shí)施驗(yàn)證，投資成本降低，重復(fù)精度高，測(cè)量節(jié)拍快（整車70個(gè)測(cè)量點(diǎn)可在一個(gè)生產(chǎn)節(jié)拍內(nèi)完成），結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作維護(hù)方便，達(dá)到了項(xiàng)目任務(wù)的各項(xiàng)指標(biāo)。