涂裝車間新型膜厚檢測系統(tǒng)的開發(fā)及應用

程小輝，操金明，趙晨思，宋衍國

（1.一汽-大眾汽車有限公司，吉林 長春 130011；2.機械工業(yè)第九設計研究院有限公司，吉林 長春 130011）

1 新型膜厚檢測系統(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膜厚檢測設備（比如大眾集團、菲亞特集團），用于在線測量閃干后的本色漆膜厚，監(jiān)控其穩(wěn)定性，出現(xiàn)膜厚波動時及時發(fā)出報警信息，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量系統(tǒng)是CO2氣體激光膜厚測量系統(tǒng)，以德國Phototherm公司為主，居壟斷地位。其系統(tǒng)基于獨立的激光控制主機為主站，不足之處主要表現(xiàn)在以下方面：

1）系統(tǒng)結(jié)構復雜，需要空冷，水冷等輔助設備；

2）基于獨立的控制系統(tǒng)為主站，導致系統(tǒng)響應時間延長(理論上單個循環(huán)延長0.4s以上)；

3）附屬設備多，造價昂貴；

4）測量時間通常在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—熱敏傳感器感應熱量衰減波(不同的厚度對應不同的衰減波) —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—上位機顯示保存數(shù)據(jù)。

圖1 CO2激光膜厚測量系統(tǒng)工作原理圖

2 新型膜厚檢測系統(tǒng)測量原理

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

圖2 膜厚測量原理圖

圖3 厚涂層的信號波形

圖4 薄涂層的信號波形

2）測量的標定。如圖2所示，激光頭(Laser Head)產(chǎn)生一定頻率的激勵激光(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間不同(相位值不同，如圖3、圖4所示)；反射的熱波經(jīng)光學傳感器(Optic, Sensor)測定及轉(zhuǎn)換，即得到不同的膜厚值。

3）電泳補償。實際測量時，由于受鍍鋅層，電泳層工藝的限制，某個測量點的厚度會上下浮動，最高會有2μm左右的誤差產(chǎn)生。另一方面，當所測量的涂層在基層(鍍鋅層)以上有多于2個涂層，由于涂層材料不同，干濕度不同，導致激光在加熱及輻射過程工況不同。基于以上情況下要想得到準確的色漆涂層厚度，就需要做電泳補償?shù)奶幚怼Ｆ涮幚砉饺缦拢?/p>

其中：

BC為電泳補償后的準確色漆膜厚值；

BCLaser為激光測量系統(tǒng)測定的色漆漆膜厚值

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

ε= Tactui– A50points，Tactui為實際生產(chǎn)車身上某個點的電泳值，A50points為調(diào)試車身上50個點的平均值。

3 新型膜厚檢測系統(tǒng)硬件結(jié)構

新膜厚系統(tǒng)的硬件結(jié)構如圖5所示。其主要構成如下：①測量探頭，用來進行涂層的加熱及測量；②電控單元盒，控制測量探頭的開關，并轉(zhuǎn)換測量的膜厚相位值為膜厚值；③連接盒，當線纜進入坦克鏈時，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機器人控制柜，作為整個系統(tǒng)的主站，一方面控制機器人運動，另一方面進行測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集；⑤PLC控制柜，負責系統(tǒng)安全信號及故障信號的采集與反饋；⑥上位機，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)構示意圖

4 新型膜厚檢測系統(tǒng)的優(yōu)勢及經(jīng)濟效益

新型膜厚檢測系統(tǒng)適應市場需求，基于德國 OptiSense固體激光測量單元，開發(fā)出相應的測量軟件，創(chuàng)新集成系統(tǒng)，解決技術瓶頸，體現(xiàn)以下幾個方面：

（1）系統(tǒng)基于機器人為主站，響應時間較傳統(tǒng)系統(tǒng)縮短(理論上單程0.4s以上)；

（2）測量時間縮短，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)構簡單，較現(xiàn)行系統(tǒng)，削減了空冷、水冷單元；

（4）較現(xiàn)行測量系統(tǒng)，投資成本降低50%以上；

（5）開發(fā)的測量軟件高效簡潔，便于使用和維護。

新型膜厚檢測系統(tǒng)的經(jīng)濟效益體現(xiàn)在以下幾個方面：

（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）長期使用成本下降70%以上；

（4）使用簡化，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）新建涂裝車間項目實施驗證，投資成本降低，重復精度高，測量節(jié)拍快（整車70個測量點可在一個生產(chǎn)節(jié)拍內(nèi)完成），結(jié)構簡單，操作維護方便，達到了項目任務的各項指標。