細密封機器人在車身內部焊縫涂膠的應用研究

張功，梅學華

（一汽轎車股份有限公司，吉林 長春 130012）

引言

隨著國內汽車行業競爭日益激烈，提高生產線自動化率、降低人力成本支出成為各大主機廠需要面對的重要問題。以車身細密封涂膠工藝為例，目前大部分主機廠的涂裝車間由于建線時間早，生產工藝仍是純手工涂膠操作，部分主機廠則通過新建生產線或者改造現有手工線的方式引入細密封涂膠機器人。不過后者對于現有手工線體的改造量較大、空間要求較高，但不管怎么說，細密封機器人的應用大大提高了涂膠自動化水平和涂膠質量，減少了操作者作業強度的同時改善了涂膠作業環境。

本文對常見的細密封手工、細密封機器人涂膠方式進行對比，并結合一次細密封涂膠線改造研究，引入介紹了一種應用于車身內部焊縫涂膠的細密封機器人涂膠工藝。

1 常見的車身內部焊縫涂膠方式介紹

1.1 純手工涂膠

目前，大部分主機廠的涂裝車間仍采用純手工作業的方式。涂膠工序主要為使用膠槍在焊縫上打出圓柱形膠體、使用刷子刷膠操作將焊縫進行覆蓋密封、檢查及余膠擦凈。

1.2 GAD-INNER 機器人涂膠

隨著各主機廠對自動化程度要求不斷提高，細密封涂膠機器人開始被引入生產線，其中大部分自動線采用1 站（部分節拍高的生產線設置2 站）、每站4 臺涂膠機器人和2 臺開蓋機器人的布局形式。由于車身內部大部分焊縫涂膠均由機器人實現，所以這樣的細密封機器人一般稱為GAD-INNER機器人。自動站后僅需設置四門兩蓋涂膠及檢查工位，提高涂膠外觀質量的同時大大降低了工人勞動量。目前此種設備布局方式已成為主流方式，見圖2。

圖1 手工涂膠方式

圖2 GAD-INNER 機器人涂膠

2 改造線的車身內部焊縫涂膠GAD-INNER 應用研究

某主機廠為平衡產能、提高節拍，擬將涂裝車間原有的細密封手工涂膠線改為自動化涂膠線，我們從合理布局生產線、提高自動化程度、改善工人作業環境及提高設備利用率等方面綜合考慮，嘗試選擇了較為先進的車身內部焊縫涂膠GAD-INNER 涂膠方式，并進行了改造方案研究。

應用GAD-INNER 機器人設備的涂膠自動站進行改造方案設計時，需要綜合參考車身數模信息、生產線信息。車身數模信息主要包括車身3D 數模與車身涂膠數據，生產線信息主要包括工位尺寸、工位排布、生產節拍和輸送能力等。

2.1 車身數模信息對改造的影響

（1）車身3D 數模的影響

通過分析分析車身數模信息，可以獲得車體長寬高與地板結構信息，進而進行涂膠機器人的機器人本體選型。以ABB 品牌機器人為例，將車身3D 數模與涂膠數據進行轉化后導入Robstudio 軟件，可以分析各種規格機器人的涂膠可達性和工作量，最后選擇出適合的機器人型號，如圖3 所示。根據某機器人的工作范圍和車體長寬信息，機器人廠家就可以計算出不產生干涉的最佳的自動站工位長寬。

圖3 Robstudio 軟件中的機器人選型

（2）車身涂膠數據的影響

車身涂膠數據體現了涂膠長度和空間位置信息，膠條的空間位置信息可以確定機器人型號，涂膠長度和生產節拍可以確定自動站的機器人數量。

2.2 生產線信息對改造的影響

（1）工位尺寸和工位布局的影響

對于改造線來說，工位尺寸和布局基本決定了自動站的數量與布局。以本生產線為例，如圖3-1，生產線總長45 米，共有7 個手工工位，工位寬度6m，單班操作人員15 人，工位分布如圖4-1 所示，作業內容分布如下：

工位1：頂蓋流水槽、前圍擋板涂膠、刷膠，2 人；

工位2：后圍流水槽、尾燈涂膠、刷膠、刮膠，2 人；

工位3：發動機艙、駕駛艙、備胎艙涂膠、刷膠，4 人；

工位4：阻尼板鋪裝，2 人；

工位5：車門涂膠，刮膠，4 人；

工位6：余膠擦凈、檢查工位，1 人；

工位7：預留工位；

圖4 -1 改造前手工工位布局圖

圖4 -2 改造后自動工位布局圖

本次改造主要是為了使內艙涂膠實現自動化，同時能夠保證其他工位操作內容不受影響，因此受生產線長度和工位數量限制，細密封涂膠線僅能布置1 個自動化涂膠站。同時為了便于后續手工 工位對涂膠質量進行檢查，一般將自動涂膠站設置在生產線的前端。

（2）生產節拍的影響

生產節拍主要影響自動站實際應用的機器人數量與輸膠系統能力，快的節拍要求必然需求數量更多的機器人與容量更大、速度更快的輸膠系統。

（3）輸送系統的影響

自動站輸送系統的特點是快進快出的間歇式運動方式，因此對于使用鏈條輸送的生產線來說，需要更換為滾床輸送；對于原有輸送系統是滾床的改造線來說，僅需將自動站區域由原來連續式作業改為間歇式，同時增加停止位鎖緊裝置，以滿足細密封機器人涂膠對車身輸送停止位較高的精度要求。

2.3 本生產線的改造內容

根據以上對應用GAD-INNER 機器人的改造研究，對于本生產線提出以下改造方案：

（1）自動化涂膠作業范圍：發動機艙涂膠、駕駛艙涂膠、備胎艙涂膠；

（2）對涂膠工位進行調整：工位寬度不變，將手工涂膠工位1、2 改造成為自動站，并新增室體，布局如圖3-2 所示。原手工3 工位操作內容被自動站代替后，其他工位操作工序不變，從工位3 開始依次排列；

（3）自動站涂膠機器人數量為4 臺，占用工位數為2（工位設計長度10m），增加1 套車身定位系統，1 套車型識別系統，與機器人數量相同的涂膠裝置（定量泵與涂膠槍）、殘膠回收裝置，如圖4-2；

（4）輸送系統：將原來連續式作業的滾床改為間歇式，增加電機變頻器并對電控程序進行修改，使其具有同進同出的快速輸送功能。

3 車身內部焊縫涂膠GAD-INNER 系統選型研究

整個自動化涂膠系統主要由ABB 機器人及控制系統（Robot+IRC5）、流量控制計量泵（Sealing flow control Doser）、涂膠槍（Sealing applicator）、溫控系統（Temperature control）、視覺定位系統（Vision Location）、人機化界面（Visual interface）以及輸膠系統組成。其中涂膠密封功能的實現主要靠流量控制計量泵（Sealing flow control Doser）、涂膠槍（Sealing applicator），其它部分與常規的機器人功能類似。

3.1 ABB 機器人及控制系統（Robot+IRC5）

涂膠采用4 臺ABB IRB4400 機器人用于自動化涂膠、2臺ABB IRB2600 機器人用于打開前后蓋，機器人自由度為6，外加一個Flextrack 導軌作為第7 軸并擴大機器人的工作范圍，如圖5。機器人由機器人本體、機器人控制器、機器人觸摸屏、示教器及控制柜組成。機器人基于帶FlexPendant的IRC5 控制系統，采用Robstudio 和Shopflooreditor 編程件分別實現在線及離線編程功能。

圖5 ABB IRB2600/4400 與Flextrack 導軌

圖6 SPA415 3D 涂膠槍

3.2 涂膠槍（Sealing applicator）

機器人配備SPA415 3D 涂膠槍，它是ABB 機器人應用的一種輕型、高壓多噴嘴噴槍，具有噴涂精度高、噴涂質量可靠的特點，如圖6。與普通噴槍相比，3D 涂膠槍槍頭小從而更加靈活，細長的槍桿設計保證了最佳的可達性，同時配有的旋轉接頭使機器人在涂膠作業時可不受噴槍電纜和物料供應管的限制，減少了機器人轉動節約節拍時間，實際安裝圖如圖7 所示。

圖7 3D 噴槍與普通噴槍管線安裝方式對比

3D 噴嘴頭安裝了3 個可獨立控制的噴嘴，分別可從0°/45°/75°三個方向出膠，可同時進行噴膠和擠膠作業，其中45°角為噴膠槍嘴，0°/75°為擠膠槍嘴，如圖8 所示。

圖8 -1 3D 噴嘴頭

圖8 -2 普通噴嘴頭

3D 涂膠槍一般通過法蘭連接于機器人的第6 軸位置，通過連接兩根高壓軟管來實現物料供應與回流。與普通噴膠槍單獨在高壓軟管末端集成壓力、溫度傳感器以實現涂料溫度的自動監測相比，SPA 415 3D 涂膠槍可以噴槍末端集成壓力、溫度傳感器，使溫度控制更加精確。

3.3 流量控制計量泵（Sealing flow control Doser）

流量控制計量泵系統是實現機器人精確涂膠的重要系統之一，通過它實現涂膠時出膠量的精確控制，保證機器人噴涂順利進行。其主要由計量泵總成和控制用的電控柜、通訊線纜等部分組成，如圖9 所示。控制中心與流量控制計量泵總成通信以控制流體壓力和分注閥操作；流量控制計量泵總成包括了伺服電機、驅動單元、集膠室等部分，如圖10 所示。

流量控制計量泵屬于電動柱塞泵的一種，不同的是，伺服電機不通過驅動液壓泵來控制柱塞運動，而是通過驅動齒輪、螺紋機構來控制柱塞，大大簡化了流量泵結構、縮小了的尺寸。

圖11 流量控制計量泵的工作流程

圖11 表示流量控制計量泵的工作流程：當涂膠槍處于間隙時間時，伺服電機驅動柱塞向上運動，柱塞和缸體形成的密封體積增大，這時控制模塊使集膠室入口分注閥打開，涂料從輸膠管路注入到密封體積中，填充結束后控制模塊控制入口分注閥關閉；當涂膠槍處于工作時間時，伺服電機驅動柱塞向下運動，柱塞和缸體形成的密封體積減小，這時控制模塊使集膠室出口分注閥打開，涂料從密封體積中排除通過高壓軟管進入涂膠槍中?？刂颇K從壓力傳感器和流量計處接受壓力讀數，從而通過調節伺服電機運行狀態控制涂料的輸出流量與壓力。伺服電機通過電機轉速控制系統流量、電機轉矩控制系統壓力，并會對電子指令產生快速反應，保證了精確而持續的物料流動。閉環壓力設計與閉環流量控制設計保證了持續的物料流動與精確控制。

在開始涂膠前計量泵中充入足量的膠量，在涂膠過程中與供膠管路斷開，該特點不僅可隔離供膠管路中的壓力波動， 而且可以降低供膠管路壓力，減少供膠系統負荷。

3.4 視覺定位系統（Vision Location）

視覺系統由4 個相機單元（由相機、鏡頭和保護罩組成）、4 個鹵素聚光燈照明單元、控制柜及操作裝置組成，控制系統為VMT 系統。通過視覺系統實現對車身準確定位，從而實現機器人焊縫擠膠的準確性。

3.5 人機化界面（Visual interface）

得益于ABB 系列產品模塊化設計的優點，機器人示教器人機化界面可以集成涂膠系統中所有設備的狀態信息，包括3D 涂膠槍噴涂涂料的壓力與流量、計量泵的運行狀態與參數信息、溫控系統控制的涂料溫度與輸膠系統參數等。這樣的人機化界面可以同時控制機器人和工藝，使編程更加方便，工藝系統控制更加容易。

圖12 人機化界面

4 結束語

可以看出，細密封機器人自動涂膠與手工涂膠在技術上有很大的不同，原因就在于內艙地板結構復雜、空間狹小，會使相鄰機器人的邏輯關系變得復雜，這就需要設計者們進行細致的考慮與處理。本文結合筆者所經歷過的一次生產線改造研究，簡要闡述了細密封機器人涂膠工藝設計應用方案要點，并列舉了一些改造采用的設備類型與優缺點，總結了部分經驗，供各位同仁參考。