汽車行業(yè)噴涂機(jī)器人的規(guī)劃思路

饒槐，葉顯松，謝國(guó)菊，饒秋喜

（吉利汽車集團(tuán)有限公司，浙江 寧波 315000）

隨著世界經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，汽車需求量不斷加大。國(guó)內(nèi)外整車生產(chǎn)工廠如雨后春筍般拔地而起，而涂裝是整車生產(chǎn)不可或缺的一環(huán)。隨著噴涂機(jī)器人控制技術(shù)的日益完善以及價(jià)格的逐漸降低，已經(jīng)有越來越多的新建涂裝線以大規(guī)模的機(jī)器人取代傳統(tǒng)的人工噴涂或往復(fù)機(jī)噴涂。噴涂機(jī)器人具有自動(dòng)化和柔性化程度高、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)，能夠獲得穩(wěn)定的涂裝品質(zhì)和涂料利用率，并且大幅降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度、涂裝成本和VOC(揮發(fā)性有機(jī)化合物)排放量[1]。

1 涂膠機(jī)器人的類型及布置方案

1.1 車底焊縫密封膠(UBS)機(jī)器人

UBS 自動(dòng)涂膠機(jī)器人是采用高壓輸送方式將密封膠擠涂到車身底部的焊縫上，在焊縫處形成一條外觀平整、密封嚴(yán)實(shí)的扁形膠條，進(jìn)而提高焊縫的密封和防腐效果、省人省力的自動(dòng)化涂裝技術(shù)。根據(jù)節(jié)拍30～ 40 JPH，一般UBS 站布置4 臺(tái)機(jī)器人，采用軌道式安裝來提高柔性，尺寸較小的車型也可以采用固定安裝式。室體尺寸要求為：長(zhǎng)6 000～ 7 000 mm，寬5 000～ 5 500 mm，高4 500 mm。圖1 是2 款典型產(chǎn)品。

圖1 2 款典型的UBS 機(jī)器人Figure 1 Two typical underbody seam sealing robots

1.2 車底防石擊PVC 膠(UBC)機(jī)器人

UBC 自動(dòng)涂膠機(jī)器人是采用高壓噴涂方式將PVC(聚氯乙烯)膠噴涂到車底底盤、輪罩等區(qū)域。以達(dá)到良好的車底防腐蝕、耐磨損、密封、粘結(jié)等性能。UBC 機(jī)器人和UBS 機(jī)器人一般采用同一型號(hào)的機(jī)器人本體，只是噴涂的區(qū)域有所區(qū)別，它們對(duì)室體尺寸等要求都相差不大。但是由于現(xiàn)代產(chǎn)品升級(jí)，很多車型對(duì)PVC 的噴涂區(qū)域要求越來越少，改用底盤護(hù)板進(jìn)行裝甲保護(hù)，因此UBC 機(jī)器人一般2 臺(tái)就足夠滿足節(jié)拍要求，甚至越來越多的廠家取消了UBC 涂膠機(jī)器人的布置。

1.3 車內(nèi)焊縫粗密封膠(ISS)機(jī)器人

ISS 自動(dòng)涂膠機(jī)器人是一種針對(duì)車內(nèi)鈑金焊接處縫隙進(jìn)行密封的涂膠機(jī)器人，用于密封容易被銹蝕或質(zhì)量要求高的縫隙。常規(guī)的粗密機(jī)器人站一般由4 臺(tái)涂膠機(jī)器人加上2 臺(tái)開蓋機(jī)器人組成，室體一般要求長(zhǎng)10 000 mm、寬6 000～ 6 400 mm、高4 500 mm。車內(nèi)焊縫密封膠的噴涂與車底焊縫密封膠的噴涂有本質(zhì)上的不同，因?yàn)樾柽M(jìn)入車內(nèi)涂膠，所以手臂要更長(zhǎng)。對(duì)于開蓋機(jī)器人，可以頂置，也可以放置在涂膠機(jī)器人軌道的端頭，后者可能需要更長(zhǎng)的室體，但前者可能有維修不便的缺點(diǎn)，需要綜合考慮。圖2 是2 款典型的產(chǎn)品。

圖2 2 款典型的ISS 機(jī)器人Figure 2 Two typical interior seam sealing robots

1.4 細(xì)密封(FAD)機(jī)器人

FAD 折邊膠機(jī)器人主要是對(duì)四門兩蓋、尾燈等處的細(xì)密封進(jìn)行涂膠，國(guó)內(nèi)的一些企業(yè)(如通用、大眾等)開始有應(yīng)用。

1.5 車內(nèi)水性丙烯酸阻尼(LASD)膠機(jī)器人

LASD 機(jī)器人主要是在車內(nèi)局部需要降噪的地方噴涂塊狀阻尼膠。它代替了傳統(tǒng)的貼阻尼片工藝，更加環(huán)保。LASD 機(jī)器人和內(nèi)部粗密封機(jī)器人在噴涂方式上類似，所以在機(jī)器人本體的選用上一樣，不過水性阻尼膠的噴涂對(duì)計(jì)量要求較高，所以一般采用定量缸的配置，以達(dá)到更高的涂膠質(zhì)量。當(dāng)然，若成本控制不那么嚴(yán)格的話，焊縫膠也可以采用定量缸的配置。阻尼膠的噴涂對(duì)開蓋要求并非千篇一律，主要根據(jù)產(chǎn)品需求，比如特殊位置不開啟前后蓋可能無(wú)法滿足機(jī)器人的可達(dá)性要求，所以需要配置開前蓋或者后蓋的機(jī)器人。

1.6 車頂流水槽(RDA)涂膠機(jī)器人

RDA 機(jī)器人主要是對(duì)車頂兩側(cè)的導(dǎo)水槽進(jìn)行涂膠作業(yè)，以達(dá)到車頂?shù)姆栏g要求。由于車身焊接工藝的提高，一些車型采用激光釬焊技術(shù)，加上自動(dòng)噴涂車頂膠對(duì)輸送精度的要求高以及機(jī)器人需要安裝軌跡修正等攝像技術(shù)而導(dǎo)致成本攀升等因素，因此RDA 機(jī)器人的應(yīng)用不是很廣泛。

1.7 裙邊涂膠(RPP)機(jī)器人

RPP 機(jī)器人主要是對(duì)車體門檻進(jìn)行噴膠作業(yè)，通常帶有一個(gè)自動(dòng)遮蔽的轉(zhuǎn)盤以及由真空泵組成的廢料回收系統(tǒng)。隨著車型材料的優(yōu)化升級(jí)，不少車型采用門下飾板代替了傳統(tǒng)的裙邊涂膠，但在一些入門級(jí)車型中，RPP 機(jī)器人仍有應(yīng)用。

2 整車噴涂機(jī)器人的類型和布置方案

整車噴涂機(jī)器人分為擦凈機(jī)器人、內(nèi)噴機(jī)器人和外噴機(jī)器人。隨著工業(yè)自動(dòng)化程度不斷加大，越來越多的新建涂裝車間開始在內(nèi)噴中用自動(dòng)噴涂機(jī)器人代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工噴涂，甚至一些老車間經(jīng)過內(nèi)噴段的改造后也添置了機(jī)器人噴涂。

在中涂或者面漆噴涂之前通常會(huì)對(duì)車身進(jìn)行擦凈工作，以獲得潔凈的車身。擦凈設(shè)備分很多種，例如五輥擦凈機(jī)、鴕鳥毛擦凈機(jī)器人、劍刷機(jī)器人，見圖3。另外，鴕鳥毛擦凈設(shè)備的前后都會(huì)配置一套離子風(fēng)設(shè)備，前道離子風(fēng)主要是清潔車身灰塵，后道離子風(fēng)則是中和鴕鳥毛產(chǎn)生的粒子。

圖3 幾種常見的擦凈設(shè)備Figure 3 Several common cleaning equipment

現(xiàn)在主流的噴涂工藝為3C2B 工藝和免中涂的B1B2 工藝。對(duì)于內(nèi)噴噴涂站，水性的中涂和色漆內(nèi)噴站一般配置噴涂機(jī)器人、開門機(jī)器人及開前后蓋機(jī)器人。主流的節(jié)拍一般是單線30 JPH或雙線60 JPH，針對(duì)5 m 左右長(zhǎng)度、面積不超過9 m2的噴涂，一般4 臺(tái)即可，加上4 臺(tái)開門機(jī)器人以及2 臺(tái)開前蓋和后蓋機(jī)器人，就組成一個(gè)內(nèi)噴噴涂站。針對(duì)特殊造型多的車型，可能要適當(dāng)增加噴涂機(jī)器人數(shù)量才能達(dá)到節(jié)拍需求。一般機(jī)器人公司也會(huì)有相應(yīng)的計(jì)算公式幫助測(cè)算，圖4 所示就是杜爾公司推出的一款測(cè)算工具，經(jīng)過后期調(diào)試驗(yàn)證，基本能夠滿足前期的規(guī)劃要求。

圖4 杜爾公司的節(jié)拍測(cè)算工具Figure 4 Dürr’s takt time calculation tool

對(duì)于單線節(jié)拍較高(如凈節(jié)拍超過40 JPH)的車間，車型面積又較大的話，整站的機(jī)器人就會(huì)過多，無(wú)法布置，可能需要設(shè)置兩個(gè)站來噴涂，將后蓋放在第二站噴涂，如圖5 所示。對(duì)于機(jī)器人較多的站，一定要規(guī)劃好機(jī)器人軌道的長(zhǎng)度，結(jié)合機(jī)器人噴涂的TCP(工具中心點(diǎn))運(yùn)動(dòng)速率、重疊率、噴幅等參數(shù)以及各個(gè)機(jī)器人的邊界設(shè)定，規(guī)劃好最佳的軌道長(zhǎng)度。當(dāng)然，一些機(jī)器人廠家研發(fā)出的單體七軸機(jī)器人(如圖6 所示)在不用軌道的情況下也能夠滿足內(nèi)噴站的噴涂可達(dá)性需求。另外，輸送的形式也對(duì)機(jī)器人布局有一定影響。簡(jiǎn)單來說，stop&go(走停)模式比line tracking(直線跟蹤)模式需要更寬的室體，對(duì)機(jī)器人有更高的可達(dá)性要求，但是stop&go(走停)模式的故障率和撞車風(fēng)險(xiǎn)都較低。

圖5 杜爾公司的兩站布局圖Figure 5 Dürr’s two-station layout

圖6 幾種主流的單體七軸機(jī)器人Figure 6 Several widely used seven-axis robots

對(duì)于溶劑型2K 清漆內(nèi)噴站的機(jī)器人布局，在空間上基本與色漆保持一致，只是在機(jī)器人配置上有所增加，比如霧化器清洗機(jī)，因?yàn)榍迤岬酿ざ缺壬岣撸菀自陟F化器上積漆，且難以擦拭。另外很多車間配置的是干式噴漆室，所以機(jī)器人端都會(huì)配置廢溶劑回收漏斗，而給清漆漏斗配備反沖洗裝置則顯得不可或缺，否則漏斗積漆是一個(gè)不得不面對(duì)的問題。

對(duì)于外噴噴涂站，一般采用“前道+后道”的兩道噴涂方式。但是素色漆由于遮蓋力較高，因此只需要單道噴涂，另外一道的機(jī)器人可以在降級(jí)模式(即某臺(tái)機(jī)器人出現(xiàn)故障)下使用。對(duì)于金屬漆，則兩道都需要噴涂，第二道機(jī)器人采用雙整形空氣環(huán)的配置，以控制金屬顆粒的均勻排布，達(dá)到最佳外觀效果。外噴機(jī)器人布置也有軌道式和固定位置式。無(wú)論噴涂線是line tracking 方式還是stop&go 方式，軌道式機(jī)器人的柔性化都要比固定位置方式的機(jī)器人好，特別是現(xiàn)在車型尺寸越來越大，固定式機(jī)器人可能在一些邊角區(qū)域的可達(dá)性會(huì)有影響，又或者固定式機(jī)器人做不到最佳的噴涂姿態(tài)。不過機(jī)器人廠家也在不斷研發(fā)，通過優(yōu)化手臂機(jī)構(gòu)以達(dá)到最大的臂展區(qū)域，比如上述的單體七軸機(jī)器人在國(guó)內(nèi)一些生產(chǎn)線已開始有應(yīng)用。究其原因，主要是軌道式機(jī)器人固然柔性化高，但是成本高，后期維護(hù)保養(yǎng)復(fù)雜，故障率也高，而單體式機(jī)器人占用空間小，布局簡(jiǎn)單，能耗也低，將來應(yīng)該有更好的推廣應(yīng)用。

3 塑料件噴涂機(jī)器人的類型和布置方案

隨著車企對(duì)保險(xiǎn)杠、門檻、輪眉等塑料外飾件的顏色要求日趨多樣化，越來越多車企采用自建生產(chǎn)線代替委外的方式來噴涂塑料件。而塑料件造型復(fù)雜，噴涂質(zhì)量要求高，噴涂機(jī)器人是不二之選。塑料件噴涂機(jī)器人按照塑料件噴涂的工藝順序分為火焰機(jī)器人、底漆噴涂機(jī)器人、色漆噴涂機(jī)器人和清漆噴涂機(jī)器人。

火焰機(jī)器人作為塑料件噴涂的首道工序，主要目的是通過火焰處理去除塑料件表面的雜質(zhì)，提高塑料件的表面張力和表面能，從而增強(qiáng)噴漆與基體的結(jié)合強(qiáng)度[2]。用于表面處理的還有干冰機(jī)器人，如圖7所示。對(duì)于40 UPH 的節(jié)拍，一般2 臺(tái)機(jī)器人分布兩側(cè)就可以滿足需求，也有塑料件單側(cè)掛件的做法，那么單側(cè)布置1 臺(tái)機(jī)器人即可，具體數(shù)量還是要根據(jù)產(chǎn)品的掛法和節(jié)拍快慢來定。至于室體要求，寬度相對(duì)于車身窄一些，一般5 000 mm，圖8 就是常見的火焰站布置方法。

圖7 表面處理用火焰機(jī)器人(a)和干冰機(jī)器人(b)Figure 7 Flaming robot (a) and dry ice robot (b) for surface treatment

圖8 火焰站布置方式Figure 8 Layout of flaming station

底漆的作用是提高油漆在底材上的附著力，通過底涂處理劑使油漆涂層與底材表面形成良好的結(jié)合，避免噴涂過程中因局部或者是全部涂層由于附著力不良而出現(xiàn)涂層缺陷。底涂機(jī)器人通常是由2 臺(tái)落地式噴涂機(jī)器人組成，采用高速旋杯或噴槍噴涂(不加電)，室體要求長(zhǎng)7 000 mm、寬5 000 mm、高4 500 mm。

塑料件色漆噴涂機(jī)器人與車身色漆噴涂機(jī)器人原理一致。鑒于環(huán)保要求，現(xiàn)在色漆基本上都是水性漆，大多數(shù)機(jī)器人供應(yīng)商采用的都是水性漆外加電技術(shù)，但是在保險(xiǎn)杠邊角區(qū)域可能外加電的靜電環(huán)會(huì)影響噴涂，所以一些車企也會(huì)選擇內(nèi)加電的水性漆噴涂，例如ABB 的彈匣式機(jī)器人和發(fā)那科(FANUC)的Canister 油漆罐填充方式機(jī)器人，但這會(huì)帶來成本的上升。色漆機(jī)器人通常要4 臺(tái)，這也是噴涂金屬漆的常規(guī)配置。

作為塑料件噴涂的最后一道工序，與車身一樣，噴涂清漆是為了讓色漆保持原有的色彩紋路，形成光滑的薄膜以保護(hù)塑料件外觀。清漆的膜厚較大，所以兩道噴涂是基本配置，4 臺(tái)機(jī)器人組成兩道，有些節(jié)拍比較快的車間還可能采用3+3 的布局方式。圖9 是塑料件噴涂站的常規(guī)配置，具體數(shù)量應(yīng)依據(jù)節(jié)拍、塑料件面積和掛法詳細(xì)核算。

4 其他種類的機(jī)器人

隨著科技不斷進(jìn)步，因應(yīng)汽車生產(chǎn)過程中需求的全面化和多樣化，市場(chǎng)上不斷涌現(xiàn)出新的機(jī)器人產(chǎn)品。譬如用于在線外觀缺陷檢測(cè)的帶視覺機(jī)器人，用于離線檢查測(cè)量工藝參數(shù)的機(jī)器人，用于打磨和注蠟的機(jī)器人，用于注蠟后道工序的發(fā)泡機(jī)器人，等等。企業(yè)可以根據(jù)自身?xiàng)l件和需要進(jìn)行配置。

5 結(jié)語(yǔ)

本文只在各個(gè)機(jī)器人服務(wù)商的產(chǎn)品分類的基礎(chǔ)上對(duì)涂裝車間噴涂機(jī)器人的種類和布局進(jìn)行了大致的講解，主要談到機(jī)器人數(shù)量需要根據(jù)線體的節(jié)拍、產(chǎn)品的面積、噴涂的工藝等多個(gè)因素綜合考慮，機(jī)器人的布置方式需要從后期運(yùn)行與維修的便利性、成本等方面綜合衡量，內(nèi)容可能不夠全面，但也希望對(duì)新建或改造的涂裝線噴涂自動(dòng)化設(shè)備規(guī)劃有借鑒意義。