細密封噴涂機器人應用概述

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，機器人技術的應用逐漸推廣，自動噴涂設備成本也不斷降低，機器人在自動涂膠領域應用范圍不斷擴大，以一汽-大眾建廠的先后順序及自動涂膠應用范圍為例：

可以看出機器人自動涂膠應用領域和范圍不斷得到推廣和應用。

車身細密封涂膠全自動化噴涂，需要采用先進的技術手段，解決細密封自動涂膠的各項技術難點。使用機器人噴涂替代人工進行細密封自動噴涂，結合以往的車身底板和座艙自動噴涂技術，一汽-大眾率先在國內實現(xiàn)全車身涂膠無人化，提升了車間生產(chǎn)的自動化率，減少了自動涂膠尤其是細密封自動噴涂對于高技能人員的依賴性。

表1

該技術的應用使得車身密封的自動化率得到大幅提升，可以實現(xiàn)車身的100%全自動涂膠。

圖1 機器人自動細密封涂膠

1 細密封自動噴涂的優(yōu)勢及必要性

機器人替代手工作為新工業(yè)時代的一個大趨勢，機器人自動涂膠相較于手工涂膠有以下幾個優(yōu)勢：

（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，降低了人員的勞動負荷，降低人工成本；

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

細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。人工細密封涂膠除了以上幾點缺點之外，還有一個重要問題是：外觀的苛刻要求對于人員技能和穩(wěn)定性要求非常高。一個操作工至少要培訓一個月甚至更長的時間才能完成車身一條或兩條膠的熟練操作，對人員的多技能率和頂崗操作也非常不利，尤其是在車身結構復雜的情況下，該問題更為突出。

目前的車身設計也越來越新銳，車身結構也導致了手工細密封涂膠越加困難。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器人自動涂膠來完成車身的細密封涂膠工作。

2 細密封自動噴涂的設計思想

細密封自動噴涂由于涂膠質量要求高，對設備的精度、穩(wěn)定性和適應性要求非常高，涂膠的尺寸偏差必須控制在毫米以下的尺度范圍內才能保證膠條外觀質量。

由于細密封的外觀要求，膠條必須準確、穩(wěn)定、均勻一致，這就對設備、車身、材料等因素提出了很高的技術要求：

圖2 奧迪A4L車型的細密封噴涂范圍

（1）設備必須具備極高的精度和很大的靈活性，精度級別必須要達到0.1mm級別，該精度不僅是定位精度，必須是運動時的軌跡重復精度，因此需要應用高精度的機器人技術；

（2）設備必須具備一定的工作范圍，以便機器人可以覆蓋車身細密封的全部區(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構不同，因此槍嘴形式不同，同一條生產(chǎn)線要生產(chǎn)不同的車型，為了充分利用機器人資源，有限的機器人數(shù)量要完成所有的膠條噴涂，機器人就必須具備不同的噴嘴的更換能力，在噴涂不同膠條時使用不同的槍嘴。

（4）因為精度要求比較高，因此車身的定位精度也必須非常高，由于現(xiàn)有的機械化運輸設備無法達到毫米級以下的定位精度，因此必須使用先進的技術手段對車身進行精確定位。

（5）細密封很多區(qū)域都是對車門和前后蓋進行涂膠，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，因此設備必須能夠識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器人的運動進行精確控制，必須要用非常精確的膠體流量控制系統(tǒng)；

（7）環(huán)境、材料的溫度對膠條的外觀影響也至關重要，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 細密封自動噴涂技術方案

3.1 采用高精度控制的七軸工業(yè)機器人

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

圖3 A4L車型細密封自動噴涂站機器人工作劃分

3.2 采用視覺識別系統(tǒng)識別車身位置

為了精確定位車身，系統(tǒng)需要配備視覺3D測量系統(tǒng)，通過布置在機器人站中的4個（或以上）攝像頭，拍攝車身上的特征孔位，通過圖形像素計算和坐標轉換，可以計算得出實際車身與理論車身的位置偏差，該偏差值由通信網(wǎng)絡發(fā)送給機器人，由機器人在噴涂時進行位置補償。該系統(tǒng)可以識別偏差在50mm范圍的車身并進行精確校正。

圖4 車身定位識別系統(tǒng)

3.3 采用光學掃描系統(tǒng)識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際位置，機器人系統(tǒng)配備了一套光學掃描設備，在噴涂前，機器人攜帶該掃描設備對車門和后蓋進行一周的掃描，通過圖形和標準位置的比對，得出門蓋的實際偏差位置，然后由機器人在涂膠前進行補償計算。

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)無法適應如此高的要求了，因此該系統(tǒng)需要配備先進的高精度伺服控制計量泵系統(tǒng)。PVC膠通過一定的壓力進入計量泵活塞缸體后，活塞被精密的滾珠絲杠推動，由于運動源來自于帶位置反饋的精密控制伺服電機，由機器人控制器直接進行運動控制，因此出膠量的大小可以被精確控制，控制精度可達1%。配合噴槍處的壓力傳感器對出膠壓力進行實時監(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，并能結合車身結構和機器人速度進行適應性調整。

圖6 帶伺服電機的計量泵系統(tǒng)

3.5 高精度溫度控制系統(tǒng)

涂膠外觀會受到材料粘度的影響，而材料的粘度對溫度非常敏感，為了保證穩(wěn)定良好的膠條外觀，需要對膠溫進行精確的控制。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行熱交換，但該系統(tǒng)溫控精度稍差，且該系統(tǒng)對水質要求高，長時間運行之后系統(tǒng)容易腐蝕泄露。目前細密封自動噴涂系統(tǒng)大都采用先進的電控Peltier進行溫控，可以直接對膠進行加熱和制冷，反應迅速，配合PID和槍嘴的溫度檢測傳感器可以實現(xiàn)閉環(huán)控制，控制精度可以達到±1.5℃。

圖7 珀爾帖Peltier效應

圖8 風冷Peltier溫控系統(tǒng)

3.6 采用精細槍嘴實現(xiàn)精細化涂膠

由于車身結構的限制，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密封自動噴涂的要求。細密封自動噴涂需采用高精度的加工技術，槍嘴外徑尺寸可以達到 1.6mm，中空結構用于輸送膠材料，材料壓力可達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前門細密封槍嘴

3.7 采用全自動化換槍嘴系統(tǒng)

圖10 自動換槍站

圖11 槍嘴基座及槍嘴更換部分

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

3.8 槍嘴自動檢測系統(tǒng)

由于槍嘴非常纖細，在設備故障或車身變形時，槍嘴可能會受到碰撞，或在更換槍嘴后槍嘴的位置會發(fā)生輕微的變化，為了精確定位槍嘴偏差尺寸便于機器人進行校正，細密封自動涂膠系統(tǒng)采用一套光學攝像頭設備，每次噴涂前對槍嘴進行定位拍照，然后和標準位置進行比對計算坐標得出準確的偏差值，如果在偏差范圍之內會對機器人的軌跡進行補償，如果超出偏差允許范圍則直接自動更換新的槍嘴。

圖12 槍嘴自動檢測系統(tǒng)

3.9 涂膠實施流程

當上一臺車身噴涂完成之后，下一臺車身同時進入機器人站，在機器人進入室體的過程中，機器人會根據(jù)車身類型更換槍嘴，并進行槍嘴吹掃和槍嘴檢測得出槍嘴偏差值，同時計量泵會啟動膠循環(huán)以控制和保持膠溫，當車身進入室體后，車身被機械鎖定，然后由3D攝像系統(tǒng)對車身進行定位計算出車身準確位置，機器人再對車身的各個涂膠部位進行掃描計算出車身部件的偏差位置進行軌跡補償，然后經(jīng)過偏差疊加計算，以精確的運動控制攜帶槍嘴進入車身門縫等空間，配合精確的計量泵系統(tǒng)保持穩(wěn)定的涂膠流量進行涂膠，待完成一個部件涂膠之后，再次更換槍嘴繼續(xù)進行下個部件的涂膠直至所有部件完成涂膠工作。

4 總結

該技術由于技術難度大，應用經(jīng)驗少，國內其它車企尚未有應用案例。經(jīng)調查國內主流的品牌和汽車廠，我司是采用該細密封全自動噴涂技術在國內屬于唯一批量使用且應用廣泛的車企：

表2

隨著工業(yè)自動化程度的不斷提高，該應用也會在各個車企逐漸推廣使用。截止目前，東方本田、廣汽、上汽大眾等多個車企前來交流借鑒經(jīng)驗，也準備在其生產(chǎn)線適時引進該技術進行應用和推廣。

通過該技術的應用，可以全面實現(xiàn)涂膠的自動化噴涂，提升自動化生產(chǎn)率，降低勞動負荷，改善工作環(huán)境，屬于涂膠領域的必然發(fā)展趨勢。