細(xì)密封機器人在車身內(nèi)部焊縫涂膠的應(yīng)用研究

張功，梅學(xué)華

（一汽轎車股份有限公司，吉林 長春 130012）

引言

隨著國內(nèi)汽車行業(yè)競爭日益激烈，提高生產(chǎn)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(xì)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(chǎn)工藝仍是純手工涂膠操作，部分主機廠則通過新建生產(chǎn)線或者改造現(xiàn)有手工線的方式引入細(xì)密封涂膠機器人。不過后者對于現(xiàn)有手工線體的改造量較大、空間要求較高，但不管怎么說，細(xì)密封機器人的應(yīng)用大大提高了涂膠自動化水平和涂膠質(zhì)量，減少了操作者作業(yè)強度的同時改善了涂膠作業(yè)環(huán)境。

本文對常見的細(xì)密封手工、細(xì)密封機器人涂膠方式進(jìn)行對比，并結(jié)合一次細(xì)密封涂膠線改造研究，引入介紹了一種應(yīng)用于車身內(nèi)部焊縫涂膠的細(xì)密封機器人涂膠工藝。

1 常見的車身內(nèi)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(yè)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(jìn)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(xì)密封涂膠機器人開始被引入生產(chǎn)線，其中大部分自動線采用1 站（部分節(jié)拍高的生產(chǎn)線設(shè)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(nèi)部大部分焊縫涂膠均由機器人實現(xiàn)，所以這樣的細(xì)密封機器人一般稱為GAD-INNER機器人。自動站后僅需設(shè)置四門兩蓋涂膠及檢查工位，提高涂膠外觀質(zhì)量的同時大大降低了工人勞動量。目前此種設(shè)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(nèi)部焊縫涂膠GAD-INNER 應(yīng)用研究

某主機廠為平衡產(chǎn)能、提高節(jié)拍，擬將涂裝車間原有的細(xì)密封手工涂膠線改為自動化涂膠線，我們從合理布局生產(chǎn)線、提高自動化程度、改善工人作業(yè)環(huán)境及提高設(shè)備利用率等方面綜合考慮，嘗試選擇了較為先進(jìn)的車身內(nèi)部焊縫涂膠GAD-INNER 涂膠方式，并進(jìn)行了改造方案研究。

應(yīng)用GAD-INNER 機器人設(shè)備的涂膠自動站進(jìn)行改造方案設(shè)計時，需要綜合參考車身數(shù)模信息、生產(chǎn)線信息。車身數(shù)模信息主要包括車身3D 數(shù)模與車身涂膠數(shù)據(jù)，生產(chǎn)線信息主要包括工位尺寸、工位排布、生產(chǎn)節(jié)拍和輸送能力等。

2.1 車身數(shù)模信息對改造的影響

（1）車身3D 數(shù)模的影響

通過分析分析車身數(shù)模信息，可以獲得車體長寬高與地板結(jié)構(gòu)信息，進(jìn)而進(jìn)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(shù)模與涂膠數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)化后導(dǎo)入Robstudio 軟件，可以分析各種規(guī)格機器人的涂膠可達(dá)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(jù)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(chǎn)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(shù)據(jù)的影響

車身涂膠數(shù)據(jù)體現(xiàn)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(chǎn)節(jié)拍可以確定自動站的機器人數(shù)量。

2.2 生產(chǎn)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(shù)量與布局。以本生產(chǎn)線為例，如圖3-1，生產(chǎn)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(yè)內(nèi)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(fā)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(yù)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(nèi)艙涂膠實現(xiàn)自動化，同時能夠保證其他工位操作內(nèi)容不受影響，因此受生產(chǎn)線長度和工位數(shù)量限制，細(xì)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(xù)手工 工位對涂膠質(zhì)量進(jìn)行檢查，一般將自動涂膠站設(shè)置在生產(chǎn)線的前端。

（2）生產(chǎn)節(jié)拍的影響

生產(chǎn)節(jié)拍主要影響自動站實際應(yīng)用的機器人數(shù)量與輸膠系統(tǒng)能力，快的節(jié)拍要求必然需求數(shù)量更多的機器人與容量更大、速度更快的輸膠系統(tǒng)。

（3）輸送系統(tǒng)的影響

自動站輸送系統(tǒng)的特點是快進(jìn)快出的間歇式運動方式，因此對于使用鏈條輸送的生產(chǎn)線來說，需要更換為滾床輸送；對于原有輸送系統(tǒng)是滾床的改造線來說，僅需將自動站區(qū)域由原來連續(xù)式作業(yè)改為間歇式，同時增加停止位鎖緊裝置，以滿足細(xì)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(chǎn)線的改造內(nèi)容

根據(jù)以上對應(yīng)用GAD-INNER 機器人的改造研究，對于本生產(chǎn)線提出以下改造方案：

（1）自動化涂膠作業(yè)范圍：發(fā)動機艙涂膠、駕駛艙涂膠、備胎艙涂膠；

（2）對涂膠工位進(jìn)行調(diào)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(nèi)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(shù)量為4 臺，占用工位數(shù)為2（工位設(shè)計長度10m），增加1 套車身定位系統(tǒng)，1 套車型識別系統(tǒng)，與機器人數(shù)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(tǒng)：將原來連續(xù)式作業(yè)的滾床改為間歇式，增加電機變頻器并對電控程序進(jìn)行修改，使其具有同進(jìn)同出的快速輸送功能。

3 車身內(nèi)部焊縫涂膠GAD-INNER 系統(tǒng)選型研究

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

3.1 ABB 機器人及控制系統(tǒng)（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(dǎo)軌作為第7 軸并擴(kuò)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(tǒng)，采用Robstudio 和Shopflooreditor 編程件分別實現(xiàn)在線及離線編程功能。

圖5 ABB IRB2600/4400 與Flextrack 導(dǎo)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(yīng)用的一種輕型、高壓多噴嘴噴槍，具有噴涂精度高、噴涂質(zhì)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(xì)長的槍桿設(shè)計保證了最佳的可達(dá)性，同時配有的旋轉(zhuǎn)接頭使機器人在涂膠作業(yè)時可不受噴槍電纜和物料供應(yīng)管的限制，減少了機器人轉(zhuǎn)動節(jié)約節(jié)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(jìn)行噴膠和擠膠作業(yè)，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(xiàn)物料供應(yīng)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(xiàn)涂料溫度的自動監(jiān)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(tǒng)是實現(xiàn)機器人精確涂膠的重要系統(tǒng)之一，通過它實現(xiàn)涂膠時出膠量的精確控制，保證機器人噴涂順利進(jìn)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?？刂浦行呐c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(qū)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(qū)動液壓泵來控制柱塞運動，而是通過驅(qū)動齒輪、螺紋機構(gòu)來控制柱塞，大大簡化了流量泵結(jié)構(gòu)、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(dāng)涂膠槍處于間隙時間時，伺服電機驅(qū)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(jié)束后控制模塊控制入口分注閥關(guān)閉；當(dāng)涂膠槍處于工作時間時，伺服電機驅(qū)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(jìn)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(shù)，從而通過調(diào)節(jié)伺服電機運行狀態(tài)控制涂料的輸出流量與壓力。伺服電機通過電機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)流量、電機轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)壓力，并會對電子指令產(chǎn)生快速反應(yīng)，保證了精確而持續(xù)的物料流動。閉環(huán)壓力設(shè)計與閉環(huán)流量控制設(shè)計保證了持續(xù)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(tǒng)負(fù)荷。

3.4 視覺定位系統(tǒng)（Vision Location）

視覺系統(tǒng)由4 個相機單元（由相機、鏡頭和保護(hù)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(tǒng)為VMT 系統(tǒng)。通過視覺系統(tǒng)實現(xiàn)對車身準(zhǔn)確定位，從而實現(xiàn)機器人焊縫擠膠的準(zhǔn)確性。

3.5 人機化界面（Visual interface）

得益于ABB 系列產(chǎn)品模塊化設(shè)計的優(yōu)點，機器人示教器人機化界面可以集成涂膠系統(tǒng)中所有設(shè)備的狀態(tài)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(tài)與參數(shù)信息、溫控系統(tǒng)控制的涂料溫度與輸膠系統(tǒng)參數(shù)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(tǒng)控制更加容易。

圖12 人機化界面

4 結(jié)束語

可以看出，細(xì)密封機器人自動涂膠與手工涂膠在技術(shù)上有很大的不同，原因就在于內(nèi)艙地板結(jié)構(gòu)復(fù)雜、空間狹小，會使相鄰機器人的邏輯關(guān)系變得復(fù)雜，這就需要設(shè)計者們進(jìn)行細(xì)致的考慮與處理。本文結(jié)合筆者所經(jīng)歷過的一次生產(chǎn)線改造研究，簡要闡述了細(xì)密封機器人涂膠工藝設(shè)計應(yīng)用方案要點，并列舉了一些改造采用的設(shè)備類型與優(yōu)缺點，總結(jié)了部分經(jīng)驗，供各位同仁參考。