淺談車底自動涂膠系統質量優化分析研究

劉奇

（北京奔馳汽車有限公司，北京 100176）

1 前言

PVC涂膠線是涂裝車間主要工藝流程之一，其主要功能是在涂膠線通過人工噴涂或者機器人自動噴涂對車身需要防止進水的部位進行噴涂，從而達到防止焊縫進水透氣、提高車身的耐腐蝕性和密封性的目的。由于涂膠作業勞動強度大、精度要求較高，在使用人工作業時生產節拍較低，而且容易出現涂膠偏差、均勻一致性差等問題，在質量和產能要求不斷提升的大趨勢下，生產節拍更快、涂膠精度更高的機器人全車底自動涂膠系統已經廣泛應用于各主機廠涂裝車間。

北京奔馳涂裝車間對于車底自動涂膠系統質量控制的標準要求：密封膠要與車身焊縫貼合緊密過度平滑，車身焊縫應處于密封膠中線位置，密封膠寬度為25mm±1，厚度為2mm±0.1，除后續人工刷膠工位外不得出現吹試漏水。這樣的質量控制標準即使對于機器人自動噴涂也有著不小的挑戰，為了使產品質量得到提升、設備運行維護成本得到節約，生產設備運行過程中的優化顯得尤為重要，是每個主機廠都必須持續深入研究的課題。

2 系統概述

2.1 車底自動涂膠系統結構

在北京奔馳涂裝車間，PVC線被分為車頂密封、車底密封和車身密封三道工序完成，其中車底密封膠線（UBS）為全自動涂膠線，由多個功能各異的子系統構成，各個系統相互聯系、緊密配合完成車身底部全自動涂膠工作；系統主要包含涂膠應用系統、工業機器人、涂膠站PLC控制器、車身輸送系統、視覺定位系統以及材料供應系統（圖1）。

圖1 車底自動涂膠系統結構圖

2.2 系統各部分功能介紹

（1）涂膠應用系統。UBS線車底自動涂膠系統使用的涂膠應用系統由德國SCA提供，系統主要包含雙聯定量機ADKE-T、SCA控制器、溫控單元和膠槍等硬件。其中雙聯定量機安裝在機器人背板上，用于材料的壓力和流量調節控制，并向膠槍提供穩定的材料供應；溫控單元安裝在定量機供料出口，用于材料溫度調節；膠槍安裝在機器人手臂上，用于完成應用系統的噴涂功能（圖2）。

圖2 涂膠應用系統

（2）工業機器人。UBS車底自動涂膠系統中一共配備了13臺ABB提供的IRB2600工業機器人，機器人本體帶有6個活動軸并配有附加軌道系統，機器人通過上位機軟件或示教器進行編程后可以執行涂膠動作，機器人控制器網絡與車底自動涂膠系統中其他設備通訊，從而實現系統的協同控制功能。

（3）視覺相機系統。視覺相機系統包含視覺相機和視覺系統主機，其中視覺相機負責對進站車身進行拍照，出于涂膠精度的要求，每個車身的定位須要4臺相機聯合完成；視覺系統主機收到相機照片信息后通過自帶的軟件與標準庫進行比對計算，之后將車身位置偏差數據傳輸給機器人進行位置補償。

（4）車身輸送系統。車身輸送系統主要由輸送滾床、升降機、車身抱具和車身識別系統構成，輸送系統收到代加工車輛后，先由車身識別系統識別車型信息，識別成功后，調整車身位置將車身裝載至抱具上，之后升降機將車身提升至底部涂膠作業需求的高度，再由輸送滾床完成車身的進站出站。

（5）供膠系統。UBS線供膠系統主要由供膠泵組、供膠管路和穩壓閥組成，其中供膠泵組由兩套雙泵壓盤泵組構成，每個泵組容量為1000L，泵組運行采用一用一備方式并配有自動切換功能，可以連續不斷地向涂膠應用系統供應密封膠原料；穩壓閥安裝在涂膠應用系統定量機的入口，用于抵消壓盤泵組柱塞泵工作時產生的壓力波動。

（6）涂膠站PLC控制器。涂膠站PLC控制器的主要功能是采集處理整個車底自動涂膠系統中的連鎖信號協調系統中個部分的工作，同時，控制整個系統的急停功能。

2.3 車底自動涂膠系統工作流程

全車底自動涂膠系統的工作流程從車身輸送開始，在車身進站之前輸送系統通過AVI識別車身信息并通過網絡發送給機器人，之后在收到機器人站放行信號后，將車身輸送至機器人站；車身輸送到位后，VMT視覺定位系統啟動相機進行車身位置測量，完成后將車身位置信息發送給機器人進行位置補償；機器人收到車型信息和位置補償信號后，開始運行噴涂程序對車身預定位置進行涂膠作業；在機器人噴涂過程中，供膠系統將密封膠材料由膠泵房供應到涂膠應用系統并在涂膠應用系統內完成溫度、壓力調節，之后材料被輸送至涂膠槍，膠槍根據機器人涂膠程序給出的開關信號進行控制，配合機器人運動軌跡在預定的位置完成涂膠作業。涂膠作業完成后，機器人向輸送發出放行信號，輸送將涂膠完成車身傳送出站，之后開始車身識別進站的循環作業。

3 車底自動涂膠系統質量問題及優化

3.1 涂膠位置偏差問題優化

在生產過程中出現的密封膠涂膠位置偏差表現為涂膠位置偏離預設點，膠條部分偏離焊縫或完全無法覆蓋焊縫，造成此類問題的原因可能為膠槍堵塞或者車身位置偏差。

（1）膠槍堵塞問題優化。對于膠條完全無法覆蓋焊縫的（圖3），較常見的原因是膠槍噴嘴堵塞造成，通過對堵塞膠槍噴嘴的雜質進行取樣分析，可以判定污染物主要來源于供膠管路雜質和槍頭噴涂過程中產生的殘膠；此類問題優化方法以控制供膠系統清潔度為主，可以根據堵槍發生頻率有針對性地對供膠管路上的濾芯進行清洗或者更換，對于碳鋼管路的供膠管路應該至少每年使用專用清洗劑進行循環清洗；另外，在機器人站設置空氣噴嘴，在生產過程中定期將機器人運行至清洗位置對膠槍噴嘴進行吹掃清潔，通常每15輛車吹掃一次就可以及時有效地去除噴嘴上的殘膠。

圖3 涂膠位置偏差

（2）車身位置偏差問題優化。對于膠條偏離焊縫的情況，其產生原因可能是機器人軌跡偏差、輸送系統硬件偏差或者視覺系統補償偏差；在涂膠系統中，機器人軌跡偏差必然會影響涂膠軌跡，但是，大多在機器人示教過程中已經被修復，而ABB2600機器人本體的重復定位精度可達0.05mm，能有效保證涂膠軌跡的一致性，因此，機器人在沒有機械故障的前提下不考慮機器人軌跡偏差問題。視覺相機系統與工業機器人相同，都具有較高的定位精度，作為輸送系統和工業機器人的輔助定位設備，在硬件沒有故障情況下出錯的概率極低；而輸送設備相對與工業機器人和視覺相機其控制精度明顯要粗糙許多，往往也是產生車身位置偏差的主要原因。

輸送系統產生的車身偏差主要表現在車身輸送過程中產生的位置異常，如車身轉入抱具時工藝孔與定位銷沒有完全入位導致車身有較大偏斜，此時，車身進站后視覺系統雖然會拍照并且發送位置補償信息，但是，由于車身偏斜角度大可能導致系統計算出的補償值產生偏差，最終導致涂膠軌跡產生偏差；針對此類問題的優化可以從視覺系統入手，通過視覺系統較高的精確度來修正或者發現較大的車身位置偏差，具體操作方式是在視覺系統的設置中增加特征點的個數來提升系統計算的準確性，通常每個車身定位需要的四臺視覺相機完成，每個相機成功識別一個特征點就可以進行偏差計算，在進行優化時，我們將每臺相機取的特征點數量增加至3個，用來提高系統計算精度，另外，當視覺系統計算出的偏差補償值大于20mm時，系統也進行報錯提示，從而避免車身涂膠軌跡偏移問題的發生。

3.2 涂膠形狀不良問題優化

在生產過程中，涂膠形狀不良主要有膠條形狀不均勻、膠條干硬過細、膠條過軟流掛等情況。造成此類問題的原因可能是系統預壓參數設置不合理、溫度控制效果不佳或者機器人軌跡程序問題。

（1）定量機預壓優化。膠條形狀不均勻多表現在起噴位置膠條過寬或者過窄，造成這種情況的主要原因是涂膠應用系統中定量機的預壓設置問題；為了達到定位精確、相應快速、出膠定量且流速均勻的要求，定量機的涂膠動作被分解為預壓、涂膠和填充三個過程，其中預壓的作用就在于涂膠初始階段的涂膠形狀優化，過高的預壓會導致膠條起始出現錘頭（圖4），過低則會導致起始膠條過細影響覆蓋效果。

圖4 預壓過高導致的錘頭

對于車底自動涂膠系統預壓的優化需要綜合考慮系統中其他設備的硬件配置，如定量機出口膠管路長度、膠槍噴嘴類型、噴嘴寬度等，在進行參數調整時，不能采取一刀切的標準參數，而是應該根據每套涂膠應用系統膠槍的實際噴板測試結果進行調整優化，通過反復測試優化現場各套系統的預壓設置在70～80bar，優化后的噴板測試結果如圖5所示。

圖5 預壓參數優化后膠條形狀（左側為起始位）

（2）溫度控制不良問題優化。在車底自動涂膠系統運行中膠條干硬過細、膠條過軟流掛問題也比較常見，其產生的原因主要是材料溫度控制不良引起的黏度變化所導致的；在車身密封膠工藝中使用的密封膠主要是PVC材質，是由性能各異的聚氯乙烯樹脂為基料樹脂與增塑劑、補強劑、增黏劑、穩定劑等混合制成，如圖6所示其黏度與溫度并不是線性的對應關系，材料在30℃時黏度最低，而隨著溫度的增高或者降低黏度都呈現上升趨勢；由此我們可以看出，涂膠膠條過軟的原因在于材料溫度接近30℃，而材料溫度過低或者過高兩種情況都有可能造成膠條偏硬偏窄的質量缺陷。

圖6 PVC密封膠材料溫度黏度曲線

對于材料溫度控制不良問題，需要放在整個涂裝車間的范圍內來解決，因為影響材料溫度的因素不僅包含車底自動涂膠系統內溫控單元和材料供應系統，同時還包括材料存儲溫度和車間環境溫度因素的影響；在車底自動涂膠系統工作時材料的最佳黏度應該保持在210000～215000MPa·s，從圖6中我們可以看到有兩個溫度區間可以滿足要求，分別是25±3℃和35±3℃，這里我們選擇25±3℃作為車底自動涂膠系統溫度控制器的控制指標，原因是涂裝車間本身對溫度有比較嚴格的要求，材料存儲間和車間環境溫度通常控制在23℃左右，在這樣的條件下，我們可以通過材料入場后靜置的方法使材料在輸入涂膠應用系統之前保持在23℃左右，這樣就大大減輕了涂膠系統溫控器的運行負荷。選定溫度控制指標后，根據現場實際溫度控制的需求我們還需要對溫度控制器的控制參數進行優化調整；涂膠系統的溫度控制和其他溫控系統一樣，是一個具有蓄熱能力和自平衡能力的滯后系統，因此溫度控制器采用了PID控制，控制器參考參數設置如圖7所示，類似預壓參數設置，溫控系統中的中P、I、D參數設置也需要根據現場實際情況進行調整，溫控反饋無法到達設定值時，可以微調Ki參數或者溫度設定值，系統調溫響應慢可以適當增大Kp參數，溫度反饋波動較大則降低Kp參數；另外，需要注意的是，在溫控系統中，溫控設定值指的是膠槍出口溫度，溫控單元的溫度設定值實際上是動態值，它是根據膠槍出口溫度的偏差由系統自動設定的，因此，當出現溫控單元設定值波動時，并非系統發生故障。

圖7 涂膠溫控系統控制系統參考設置

在車底自動涂膠系統中設備運行中的發熱是另外一個影響溫度控制效果的主要因素，車底自動涂膠系統中的熱源主要來于定量機伺服電機的發熱和供膠系統膠泵的發熱；其中定量機伺服電機的發熱受到設備功率和產能需求的限制很難做出調整，但是，由于電機不與材料直接接觸，所以電機對材料溫度的影響相對較小，我們只針對供膠泵發熱問題進行優化；在供膠系統中膠泵使用的是柱塞泵，膠泵在供膠時依靠空氣馬達的壓力向上或向下將密封膠材料擠出，在擠出的過程中，材料的壓縮會導致溫度升高，泵體溫度也會隨之升高。另外，泵內活塞與缸體摩擦也會產生熱量，在供膠流量需求不高的前提下膠泵工作中產生的多余熱量會被材料帶走，泵體不會持續升溫，但是，在生產線產能提升、供膠需求增大、泵頻提高的情況下我們原有的供膠泵出現泵體溫度偏高問題，通過對設備溫度的監控，我們發現在持續2小時的供膠后泵體溫度可以超過40℃，這就導致密封膠材料經過泵體時被加熱升溫；為了解決泵體溫度升高問題，我們將密封膠供膠泵泵體進行升級，更換更高流量泵體，更換完成后通過測試，膠泵工作頻率比之前降低50%，由16cycle/min降低至8cycle/min,2小時連續工作后膠泵溫度與環境溫度機泵相當，有效解決了膠泵發熱導致的材料溫度異常問題。

（3）工業機器人軌跡優化。在車底自動涂膠系統運行中，膠槍涂膠位置的變化是由工業機器人的程序來控制的，不良的機器人軌跡是自動涂膠系產生批量質量問題的主要原因。

對于機器人軌跡的優化，主要工作在于細節的處理上；在UBS線我們涂膠的位置在車身底部，其特點是線條多、曲線多、變化多，除了車身左右兩側的對應關系外，涂膠的軌跡沒有規則可言；在涂膠機器人軌跡示教過程中，連續的曲線變化往往造成涂膠不良的質量缺陷；如圖8所示，在機器人軌跡短距離連續的曲線變化處，涂膠的形狀雖然配合軌跡進行連續變化，但是，膠條的厚度變得非常不規則，屬于較嚴重的質量缺陷，必須在手工工位進行補刷處理。

圖8 機器人軌跡導致的涂膠形狀不良

此類問題產生的原因是編程人員在調試時忽略了機器人運行中的慣性問題，雖然在機器人程序中我們可以將軌跡設置成連續的曲線，但是，實際上機器人手臂在高速運行中很難完成類似動作，這就導致涂膠的形狀和預想偏差過大，同時，由于連續的變向，機器人手臂的負載也大大增加；針對此類問題優化的方法有兩種：①降低此類位置機器人的運行速度和涂膠流量，采取慢速噴涂方法；②將連續多變的曲線進行拆分，使用兩條或多條平直的軌跡對整個區域進行覆蓋噴涂；在圖8所示的缺陷位置上，我們使用降速的優化方法，優化后效果如圖9所示，膠條形狀相對優化之前變得平滑均勻。

圖9 涂膠軌跡優化結果

4 結語

通過對車底自動涂膠系統的運行過程中問題的分析，我們對系統生產流程、各系統控制參數進行了優化調整，對供膠系統的硬件進行了升級，這些工作的完成使車身自動涂膠質量有了長足的進步，自動涂膠線一次性合格率可達98%以上，質量的提升大幅度減少了手工線停線補膠的時間，平均每個班次可以減少質量停線20分鐘，生產效率得到了提升；供膠系統膠泵的升級改造還帶來了運行成本的節約，由于更換新泵后泵頻降低50%，驅動膠泵的壓縮空氣消耗也減少50%，更低的泵頻同時也減少了膠泵本體的運行磨損程度，膠泵維修保養所需的備件費用和人力資源消耗得到相應的降低，單泵運行成本對比見圖10。

圖10 膠泵升級后運行成本對比

當今的汽車制造業面臨著嚴峻的市場競爭壓力和考驗，生產過程中的精細化管理已經成為各大主機廠的運營理念，對于現有設備運行優化的工作也將變得精益求精，并將一直貫穿每個車企的生產進程中。