汽車涂裝電氣自動化關鍵技術分析

劉海偉 宋愛婷

摘要：黨的十八大以來，全國人民生活水平得到了不斷的提升，在家用汽車方面的需求量日益旺盛。而傳統(tǒng)的汽車涂裝生產(chǎn)線具有較強的單一性，難以適應新時期汽車涂裝生產(chǎn)的需要。越來越多的汽車生產(chǎn)企業(yè)意識到汽車行業(yè)批量小、品種多、個性化的發(fā)展趨勢，在汽車涂裝生產(chǎn)線上注重資金與技術的投入，希望通過改進生產(chǎn)工藝和提升生產(chǎn)效率。因此，本文主要對家用汽車在柔性涂裝中的電氣自動化技術的關鍵技術進行了分析和梳理，以實現(xiàn)多車型、同平臺、智能化生產(chǎn)的需要。

關鍵詞：汽車涂裝;柔性涂裝;電氣自動化;關鍵技術

中圖分類號：U472.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）11-0096-02

0? 引言

多車型、同平臺、智能化的涂裝離不開電氣自動化技術的支持，而其技術就是借助柔性化的輸送設備設備與機器人自動噴涂的方式，從而實現(xiàn)多車型的車身識別與車型切換而導致的輸送鏈擾動等方面的問題。因此，本文主要是將電氣自動化關鍵技術作為研究的重點，為智能控制的實現(xiàn)奠定堅實的基礎。

由于汽車行業(yè)近年來日益呈現(xiàn)出批量小、品種多、批次變化快的特點，傳統(tǒng)的人工噴涂作業(yè)方式較為落后，難以滿足不同產(chǎn)品、多涂料噴涂任務的實施，所以需要應用機器人噴涂系統(tǒng)進行自動噴涂，在機器人噴涂系統(tǒng)中，采用的電氣自動化技術較多，對于確保涂裝線的產(chǎn)品覆蓋率更強，噴涂柔性更高，生產(chǎn)穩(wěn)定性更強。

1? 高壓靜電噴涂技術

高壓靜電噴涂技術是家用汽車涂裝中使用的主要電氣自動化技術之一，能替代傳統(tǒng)的空氣噴涂，為加強對其的研究，首先就要掌握其工藝流程。具體詳見圖1所示。

高壓靜電噴涂技術在機器人噴涂系統(tǒng)中的電氣自動化技術之一，其技術要點如下：從圖1不難發(fā)現(xiàn)，油氣涂料與壓縮空氣從管道進入噴槍，空氣被壓縮之后，形成了高壓空氣，并與油氣涂料混合，噴槍末端的旋杯霧化器能高速旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)過程中形成的離心力與壓縮空氣一起作用在油氣涂料上，從而將油氣霧化成細小的霧滴，同時旋杯內(nèi)的靜電極針將旋杯噴出霧滴帶有電荷，由于涂裝車身上帶的電荷的極性剛好與涂料的極性相反，受到庫侖力和洛侖磁力的雙重作用，使得油漆能在車身表面緊緊吸附，因此高壓靜電噴涂技術有著較高的優(yōu)勢。在油漆霧化系統(tǒng)中，主要包含了自動控制模塊、高壓模塊、流量控制模塊、換色模塊、高速旋杯霧化模塊等單元，其中的自動控制模塊主要是對旋杯的動作進行控制，比如設定高壓值、切換顏色、控制旋轉(zhuǎn)杯的轉(zhuǎn)速。而流量控制模塊則是對車身的油漆厚度進行閉環(huán)控制。

2? RFID識別傳遞技術

為了能滿足柔性化的涂裝生產(chǎn)，滿足不同車型、不同顏色的白車進行共線涂裝生產(chǎn)，噴涂機器人就需要利用車型顏色識別系統(tǒng)來識別不同的車型。在識別過程中，則是利用RFID載碼體信息傳遞，并與形成開關和光電開關來配合，在整個環(huán)節(jié)，具有較高的自動化水平，能自動檢測車型，掌握車身信息的同時及時地傳遞信息。在實際運行中，主要是在滑撬上安裝載碼體來存儲和傳遞車型信息。在這一過程中載碼體與光電開關之間的配合是十分重要的環(huán)節(jié)，在傳遞信息之后，在噴漆線出入口需要設置傳感器來檢測車身信息，比如對車型代碼、油漆顏色代碼，編程時采用預設的代碼來編寫機器人的動作，并利用觸摸屏手動掃描操控臺，針對車身難以識別的問題，現(xiàn)場人員利用掃描槍歲隨車條形碼自動掃描，把車型正確信息錄入涂裝系統(tǒng)之中，即便是空撬也能直接識別，也就是將其切換成非噴涂狀態(tài)，使得空撬可以在非噴涂狀態(tài)下直接通過。

而為確保家用汽車涂裝線滿足多車型共線生產(chǎn)的需要，需要在涂裝系統(tǒng)中應用AVI系統(tǒng)，而RFID技術是滿足涂裝車間高溫和容易腐蝕的環(huán)境下而必須的車型識別技術，對車身信息進行采集與儲存。RFID系統(tǒng)主要包含電子標簽和天線與讀寫器組合而成，但是為滿足家用汽車涂裝生產(chǎn)的需要，通常需要一定的涂裝設備來支持，達到車體信息通信的目的，所以RFID系統(tǒng)結(jié)構(gòu)詳見圖2所示。

如圖2所示，其中的電子標簽就是載碼體，在RFID系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，主要用途是存儲車身涂裝數(shù)據(jù)，載碼體主要是在滑撬上安裝，并配合讀寫器讀寫車身的信息，在車輛涂裝時，滑撬始終載著車身運行，從而形成隨車移動數(shù)據(jù)庫，電子標簽的作用就是在涂裝時存儲數(shù)據(jù)的載體。而天線介于載碼體與讀寫器間進行無線射頻信息的傳遞，比如車身工藝要求、顏色、型號等方面的數(shù)據(jù)，RFID系統(tǒng)傳遞信息的介質(zhì)是電磁波，因此天線十分重要，屬于一個導體，當存在交流電流、脈沖電流時，就會在導線周圍形成電磁場，且磁場的強度會隨著電流發(fā)生變化。讀寫器則是讀寫載碼體中存儲的相關涂裝數(shù)據(jù)，并從設備網(wǎng)向PLC傳輸并處理。

3? 柔性涂裝自動調(diào)速系統(tǒng)的變頻技術

在家用汽車柔性生產(chǎn)線中，變頻技術是一項十分重要的技術，且變頻技術的應用十分廣泛，也是電氣自動化的關鍵技術。以下筆者選取柔性涂裝自動調(diào)速系統(tǒng)為例，對其變頻技術的應用要點進行梳理。

3.1 設備選型

PLC在柔性涂裝線自動調(diào)速系統(tǒng)中十分重要，為滿足模糊PID控制速度和電機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定的需要，尤其是解決柔性化過程中車型切換引發(fā)的輸送帶鏈速控制性能不足的常規(guī)問題，需要在硬件平臺設計中注重PLC的選型，在PLC選型中，應結(jié)合設備成本與后續(xù)開發(fā)因素，對PLC的CPU、DI、AI、電源、AO、DO等模塊進行選型和確定數(shù)量，并做好對其的配置，這樣在選擇變頻器時，才能與PLC相匹配。一般而言，為滿足靈敏、便捷、節(jié)約空間等方面的要求，變頻器應采用380V的電源模式，從而控制輸送帶電機。而在電機方面，采用三相異步電動機，并對其額定功率、電壓、電流、轉(zhuǎn)速等額定參數(shù)、相數(shù)、絕緣等級、接線等有一個全面的了解，而在減速機方面采用RV系列即可。而在光電編碼器方面，因為其主要是對傳送帶上的電機轉(zhuǎn)速進行測量，所以采用定時器與計數(shù)器相配合的編碼器即可，通過所輸出脈沖數(shù)據(jù)對輸送帶的電機轉(zhuǎn)速進行測量。測速時若轉(zhuǎn)速較高，則采用M法，轉(zhuǎn)速較低則采用T法測速。

3.2 軟件設計

在做好設備選型的基礎上，因為在柔性涂裝自動調(diào)速系統(tǒng)中主要是采用PLC控制涂裝工藝流程。應確保所選的PLC具有可靠和流程簡單以及控制性較強的特點。因為PLC在整個柔性涂裝自動調(diào)速系統(tǒng)中屬于核心，也是電氣自動化中最為關鍵的基礎，不僅要實時監(jiān)測運輸鏈的運行和采集處理信號，而且還要調(diào)動整個生產(chǎn)線的運行狀態(tài)。因此主要是采用AB-PLC控制器。在對PLC進行專業(yè)編程之后，需要對變頻器的初始參數(shù)做好設置，并利用PLC控制器來優(yōu)化變頻器的頻率，從而在調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速的同時控制輸送帶的鏈速，再配合機器人達到自動噴涂的目的。

4? 柔性涂裝自動調(diào)速系統(tǒng)的模糊PID控制技術

在柔性涂裝自動調(diào)速系統(tǒng)中，利用PLC控制器將控制系統(tǒng)輸入給定值和控制系統(tǒng)輸出反饋值的差值進行計算，得出差值與差值變化率，再采取科學的控制測量算法，從而得到輸出量，并利用輸出量對變頻器工作頻率進行控制，從而對輸送帶輸送的速度控制，使得控制系統(tǒng)的輸入給定值與輸出反饋值能同步，在確保柔性涂裝自動調(diào)速系統(tǒng)在給定的轉(zhuǎn)速下得以平穩(wěn)運行。由此可見，在整個PLC控制中，控制策略是十分關鍵的。由于柔性涂裝自動調(diào)速系統(tǒng)控制過程較為復雜，常見的控制策略主要有以下三種，在實際應用中，應經(jīng)過理論與實驗數(shù)據(jù)檢驗而針對性的選擇。

一是PID控制，這一控制技術操作簡單，具有較強的可靠性，且容易實現(xiàn)，能有效的將穩(wěn)定誤差消除，屬于經(jīng)典控制方法，在正常情況下均能滿足生產(chǎn)需求。而其不足就是必須對被控對象精確的數(shù)學模型精準了解，同時外界擾動也會對系統(tǒng)帶來較大的影響。

二是模糊控制，這一控制技術雖然不用精準掌握被控對象的數(shù)學模型，能滿足控制系統(tǒng)時變性與非線性要求，但是如果只是單一的采用模糊控制技術，難以及時地將控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差消除，導致其精度難以達標。

三是模糊PID控制技術，主要是對上述兩種控制技術的優(yōu)點集合起來，不僅不用精準掌握被控對象的數(shù)學模型，而且系統(tǒng)控制性能好，通過計算誤差和誤差變化率，就能從既定模糊規(guī)則對系統(tǒng)參數(shù)及時地修訂，使得系統(tǒng)的運行更加穩(wěn)定。

由此可見，模糊PID控制技術也是柔性涂裝自動調(diào)速系統(tǒng)中的電氣自動化關鍵技術，在實際應用過程中，應緊密結(jié)合實際，加強對模糊PID控制方案的設計。由于模糊PID算法綜合了PID與模糊控制兩種技術的優(yōu)勢，結(jié)合偏差的切換控制策略，其具體的控制原理詳見圖3所示。

在圖3中，首先是利用光電編碼器對實際電子及轉(zhuǎn)速與給定轉(zhuǎn)速進行檢測和對比之后，得到偏差與偏差變化率，再將其模糊化處理，根據(jù)相應的模糊控制規(guī)則而獲得輸出量，并通過模糊求解得到最終修正量，從而實現(xiàn)PID參數(shù)的實時更新，并結(jié)合常規(guī)PID控制獲得最終輸出。

由此可見，模糊PID控制是結(jié)合偏差來選擇控制策略，若偏差較大，則采用模糊控制方案，結(jié)合偏差和變化率，采取針對性的模糊控制規(guī)則，從而達到減少超調(diào)量的目的，調(diào)節(jié)時間也能得到相應地縮減。若偏差較小，則采用PID控制方案，從而將穩(wěn)態(tài)誤差降低。結(jié)合所選控制策略得到控制信號，并利用功率放大器將其放大之后，對變頻器頻率進行調(diào)節(jié)，達到控制輸送帶電機轉(zhuǎn)速的目的。

5? 結(jié)語

綜上所述，汽車涂裝是車輛生產(chǎn)中十分重要的環(huán)節(jié)，為了更好地滿足車型、顏色的個性化和多樣化的追求，柔性化生產(chǎn)已成為關鍵所在。因此，本文主要從高壓靜電噴涂技術、RFID識別、變頻技術傳遞技術、模糊PID控制技術四個方面，對汽車涂裝電氣自動化關鍵技術進行了分析，以更好地促進汽車涂裝的電氣自動化水平得到提升和優(yōu)化。

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