基于SCA的ABB機(jī)器人自適應(yīng)涂膠系統(tǒng)設(shè)計(jì)

曹德嚴(yán) 王小康

摘要：針對(duì)汽車涂膠過(guò)程中，容易出現(xiàn)溢膠、堆膠以及斷膠等嚴(yán)重影響汽車涂膠質(zhì)量的問(wèn)題，文中結(jié)合SCA涂膠系統(tǒng)和ABB機(jī)器人優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)基于SCA的 ABB機(jī)器人自適應(yīng)涂膠系統(tǒng)。以SYS6000流量控制器為核心，設(shè)計(jì)膠槍出膠量與ABB機(jī)器人膠槍移動(dòng)速度的閉環(huán)反饋系統(tǒng)，進(jìn)而確保了良好的涂膠質(zhì)量。文中圍繞涂膠控制系統(tǒng)的通訊網(wǎng)絡(luò)、流量控制、溫度控制、統(tǒng)計(jì)服務(wù)功能、程序設(shè)計(jì)及參數(shù)設(shè)定進(jìn)行研究，降低了人工勞動(dòng)強(qiáng)度、提升了汽車涂膠的加工效率和加工質(zhì)量，具有一定的實(shí)踐意義。

Abstract： In order to solve the problem that the quality of automobile gluing is seriously affected by the occurrence of glue overflow， glue stacking and glue breakage during the gluing process of automobiles， an SCA-based ABB robot adaptive gluing system is designed based on the advantages of SCA gluing system and ABB robot. With SYS6000 flow controller as the core， a closed-loop feedback system is designed for the glue output of the glue gun and the moving speed of ABB robot glue gun， thus ensuring good glue quality. This paper focuses on the communication network， flow control， temperature control， statistical service function， program design and parameter setting of the gluing control system， which reduces the labor intensity， improves the processing efficiency and quality of automobile gluing， and has certain practical significance.

關(guān)鍵詞：ABB機(jī)器人;SCA;SYS6000;涂膠

Key words： ABB robot;SCA;SYS6000;glue

0? 引言

隨著自動(dòng)化技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)的快速發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代汽車制造的沖壓、焊裝、涂裝及總裝工藝中以提高生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)效率。白車身是汽車各功能部件的載體，在進(jìn)行外表涂裝、內(nèi)室裝飾及整車總裝前需完成白車身焊接和涂膠工序。目前，國(guó)內(nèi)多數(shù)企業(yè)仍采用人工手動(dòng)涂膠，不僅存在涂膠不均、膠料浪費(fèi)、效率低的問(wèn)題，甚至涂膠過(guò)程中產(chǎn)生大量氣泡，嚴(yán)重影響涂膠的防水、降噪、增加強(qiáng)度、減震等各類功能[1]。另外，依據(jù)膠料功能可分為點(diǎn)焊密封膠、減震膠、膨脹膠、折邊膠、結(jié)構(gòu)膠等，且出膠溫度、涂膠速度及出膠量存在差別，所以傳統(tǒng)手動(dòng)涂膠方法無(wú)法保證涂膠品質(zhì)，進(jìn)而影響汽車制造質(zhì)量。

SCA涂膠系統(tǒng)是一款模塊化柔性控制系統(tǒng)，其具有結(jié)構(gòu)緊湊、安裝簡(jiǎn)單、控制精度高，出膠均勻，無(wú)氣泡等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)ABB機(jī)器人廣泛應(yīng)用于沖壓、焊裝、噴涂等各個(gè)環(huán)節(jié)，具備進(jìn)行3D運(yùn)行模擬以及聯(lián)機(jī)功能，支持多種通用的工業(yè)總線接口，可自行設(shè)置實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的擺動(dòng)軌跡[2]。目前，各大整車制造商在涂膠一致性、斷膠及溢膠的處理上還沒有非常完善的解決方案。基于此現(xiàn)狀，結(jié)合SCA涂膠系統(tǒng)和ABB機(jī)器人控制技術(shù)，設(shè)計(jì)基于SCA的 ABB機(jī)器人自適應(yīng)涂膠系統(tǒng)，以提升汽車涂膠產(chǎn)品質(zhì)量和涂膠生產(chǎn)效率。

1? SCA涂膠系統(tǒng)的工作原理

SCA涂膠機(jī)器人控制系統(tǒng)主要包括SYS6000控制器、ABB機(jī)器人、電氣控制單元、伺服電機(jī)、PLC控制器、TCU3001溫度控制單元、PCU6000泵體控制等。各控制單元及裝置通過(guò)工業(yè)通訊方式進(jìn)行信息交互（見圖1），流量控制原理為：首先結(jié)合涂膠工藝編制控制程序，在運(yùn)行過(guò)程中ABB機(jī)器人依據(jù)速度傳送模擬量電壓信號(hào)至SCA控制器，SCA經(jīng)邏輯運(yùn)算和量程轉(zhuǎn)換并將模擬信號(hào)傳送給伺服比例閥;伺服比例閥控制定量機(jī)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)推動(dòng)活塞桿上下移動(dòng)，編碼器獲得螺塞桿位移信號(hào)并發(fā)送位置脈沖信號(hào)至SCA控制器，進(jìn)而精確控制流量（見圖2）;涂膠流量與壓力通過(guò)伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行調(diào)整，SCA控制器能夠保證涂膠過(guò)程出膠量和ABB機(jī)器人膠槍運(yùn)行速度穩(wěn)定、精確匹配，進(jìn)而保證涂膠的均勻性[3]。

基于SCA的 ABB機(jī)器人自適應(yīng)涂膠系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn)：①涂膠過(guò)程出膠流量控制精確且穩(wěn)定，涂膠效果好;②充分結(jié)合ABB機(jī)器人控制技術(shù)和SCA涂膠控制優(yōu)勢(shì)，能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)操作多種工藝要求，能夠提高白車身涂膠質(zhì)量;③具有完善的報(bào)警顯示及警示系統(tǒng)，能夠及時(shí)提醒涂膠量過(guò)高（過(guò)低）、壓力值過(guò)高（過(guò)低）、涂膠中斷等質(zhì)量問(wèn)題;④能夠?qū)崟r(shí)查看系統(tǒng)壓力、溫度、膠料量等參數(shù)值。

2? ABB機(jī)器人自適應(yīng)涂膠系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

ABB機(jī)器人自適應(yīng)涂膠系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路主要是依據(jù)膠槍出膠量與ABB機(jī)器人帶動(dòng)膠槍的運(yùn)行速度構(gòu)成閉環(huán)反饋系統(tǒng)，出膠量能夠依據(jù)ABB機(jī)器人攜帶膠槍運(yùn)行進(jìn)行調(diào)節(jié)，始終保持出膠量和出膠直徑均勻穩(wěn)定，進(jìn)而確保良好的涂膠質(zhì)量。

2.1 系統(tǒng)通訊

白車身涂膠控制系統(tǒng)中，SYS6000為主控制器，不僅負(fù)責(zé)涂膠系統(tǒng)中溫度控制、本體運(yùn)行控制、出膠流量控制，同時(shí)也負(fù)責(zé)與ABB機(jī)器人控制信號(hào)的交互，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)ABB機(jī)器人對(duì)涂膠機(jī)的控制;涂膠機(jī)與ABB機(jī)器人的通訊方式采用Profibus工業(yè)總線的通訊方式。

如圖1所示，SCA涂膠系統(tǒng)內(nèi)部均采用CAN總線通訊方式，流量控制柜內(nèi)安裝有SYS6000控制器;泵機(jī)控制柜內(nèi)安裝有泵機(jī)控制單元PCU6000，主要用于控制和監(jiān)視膠料泵機(jī)及膠桶更換裝置;溫度控制柜安裝有溫度調(diào)節(jié)器TCU3001，6通道的PID控制器依據(jù)加熱區(qū)域的設(shè)定溫度單獨(dú)控制每個(gè)區(qū)的加熱量，溫控單元連接SCA網(wǎng)絡(luò)中，TCU3001的操作及數(shù)據(jù)顯示在SYS6000控制器中[4]。

2.2 流量控制原理

涂膠模擬量與機(jī)器人速度的匹配圖如圖3所示，ABB機(jī)器人的運(yùn)行速度與涂膠量的模擬量電壓信號(hào)成線性關(guān)系，按照涂膠工藝參數(shù)設(shè)定出膠流量后，SYS6000流量控制器接收ABB機(jī)器人實(shí)時(shí)運(yùn)行線速度的模擬量信號(hào)，對(duì)伺服比例閥進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)出膠量與機(jī)器人運(yùn)行速度匹配;同時(shí)，定量機(jī)伺服電機(jī)編碼器將伺服電機(jī)行程轉(zhuǎn)換為位置脈沖信號(hào)反饋給SYS6000控制器構(gòu)成出膠流量閉環(huán)控制，提升白車身涂膠流量控制精度[5]。由圖3可知，ABB機(jī)器人最大運(yùn)行線速度為600mm/s，對(duì)應(yīng)的涂膠模擬量電壓信號(hào)為10V，若膠條直徑為3mm，則流量設(shè)定值為4.2cm3/s;若機(jī)器人以最大速度600mm/s進(jìn)行涂膠運(yùn)行時(shí)，則發(fā)出模擬量電壓信號(hào)為10V。

2.3 溫度控制系統(tǒng)

SCA的 ABB機(jī)器人自適應(yīng)涂膠溫度控制主要包括泵機(jī)加熱溫度控制和系統(tǒng)加熱控制，每個(gè)通道的溫度一般設(shè)定為30～40℃，具體溫度設(shè)定由膠料不同而定;加熱參數(shù)主要包括：經(jīng)設(shè)定時(shí)間關(guān)斷加熱、經(jīng)設(shè)定時(shí)間降溫、加熱延時(shí)、降溫延時(shí)、最大加熱時(shí)間等;當(dāng)各通道現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際溫度達(dá)到通道設(shè)定溫度后，SCA控制系統(tǒng)向ABB機(jī)器人發(fā)送升溫OK反饋信號(hào)。

如圖4所示，溫度控制通道設(shè)置包括6個(gè)通道的溫度設(shè)定值、邊界上限值、邊界下限制、實(shí)際溫度修正值及功率限制百分比。在實(shí)際使用中也通常根據(jù)生產(chǎn)環(huán)境溫度的季節(jié)性變化選擇溫度控制通道的打開和關(guān)閉，如溫度設(shè)置為0度表示控制通道關(guān)閉，但不影響正常使用。

基于SCA的 ABB機(jī)器人自適應(yīng)涂膠控制系統(tǒng)具有加熱定時(shí)開啟功能，如圖5所示加熱定時(shí)開啟在計(jì)時(shí)器設(shè)置界面完成設(shè)定，系統(tǒng)可以分別設(shè)定星期一至星期五，每天最多可輸入兩個(gè)啟動(dòng)時(shí)間1和2;完成加熱定時(shí)啟動(dòng)時(shí)間設(shè)定后，SYS6000控制器在啟動(dòng)時(shí)間內(nèi)自動(dòng)接通安裝在加熱裝置內(nèi)的加熱絲進(jìn)行系統(tǒng)加熱，可節(jié)約整個(gè)系統(tǒng)加熱到設(shè)定溫度所需的時(shí)間，能夠提高汽車涂膠效率。

2.4 涂膠自適應(yīng)程序及參數(shù)

SCA汽車涂膠系統(tǒng)的程序編寫時(shí)在手動(dòng)模式下完成，可以選擇不同的組程序號(hào)，例如程序號(hào)2。在程序管理界面分別設(shè)定膠料和預(yù)壓力百分比，例如膠料60%、預(yù)壓力50%，膠料和預(yù)壓力百分比設(shè)定可依據(jù)ABB機(jī)器人涂膠軌跡和涂膠工藝進(jìn)行優(yōu)化;另外，可在項(xiàng)目管理界面點(diǎn)擊限制值菜單完成容量監(jiān)控（流量設(shè)定、流量上限和下限誤差百分比設(shè)定）、壓力監(jiān)控參數(shù)（最小壓力、最大壓力）用于涂膠監(jiān)控壓力設(shè)定。如圖6所示，參數(shù)變更在項(xiàng)目管理界面完成，修改參數(shù)后可在參數(shù)統(tǒng)計(jì)界面查詢和確認(rèn)。

組程序內(nèi)，ABB機(jī)器人編程涂膠運(yùn)行指令中bead變量為涂膠參數(shù)變量，主要包括出膠量配比f(wàn)low-、膠流量配比模式flow-type、膠槍編號(hào)gun-no等，flow-type=0、1、2分別表示出膠禁止、常量出膠、自適應(yīng)出膠，如low-type=2時(shí)，當(dāng)膠槍碰嘴相對(duì)于板件移動(dòng)的線速度發(fā)生變化，SYS6000控制器進(jìn)行內(nèi)部控制計(jì)算，進(jìn)而調(diào)整出膠流量，保證實(shí)際膠條直徑、位置不變，避免發(fā)生溢膠、堆膠以及斷膠等事件發(fā)生，維持涂膠質(zhì)量的穩(wěn)定性。

2.5 統(tǒng)計(jì)服務(wù)功能

SCA汽車涂膠系統(tǒng)具有統(tǒng)計(jì)服務(wù)功能，能夠記錄汽車涂膠過(guò)程中故障、參數(shù)生產(chǎn)、自檢等數(shù)據(jù)信息，主要包括：故障記錄、參數(shù)統(tǒng)計(jì)、涂膠數(shù)據(jù)、日志存儲(chǔ)、換桶統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)自檢統(tǒng)計(jì)、計(jì)數(shù)器統(tǒng)計(jì)、維護(hù)統(tǒng)計(jì)等。在正常生產(chǎn)過(guò)程中，通過(guò)控制面板查看涂膠數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的歷史記錄，可直觀查閱設(shè)定容量、涂膠容量等信息記錄，通過(guò)歷史數(shù)據(jù)有助于分析涂膠狀態(tài)。

3? 基于SCA的涂膠機(jī)器人涂膠質(zhì)量影響因素分析

通過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)，基于SCA的ABB機(jī)器人自適應(yīng)涂膠控制系統(tǒng)對(duì)汽車涂膠質(zhì)量具有顯著優(yōu)勢(shì)。但在實(shí)際汽車涂膠生產(chǎn)過(guò)程中，因存在設(shè)計(jì)、編程、硬件問(wèn)題及現(xiàn)場(chǎng)因素干擾等原因，在一定程度上影響涂膠自適應(yīng)控制系統(tǒng)的使用效率。對(duì)上述問(wèn)題探討分析如下：

①涂膠過(guò)程中，ABB機(jī)器人移動(dòng)膠槍相對(duì)于板件的線速度不宜過(guò)大，且盡量避免移動(dòng)速度出現(xiàn)過(guò)大波動(dòng)，盡量維持膠槍移動(dòng)軌跡平滑，進(jìn)而保證涂膠質(zhì)量的穩(wěn)定性。

②涂膠機(jī)出膠流量最大值、ABB涂膠機(jī)器人運(yùn)行速度的設(shè)定應(yīng)該依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)涂膠效果、經(jīng)驗(yàn)及膠槍噴嘴直接大小進(jìn)行最優(yōu)匹配設(shè)定，通過(guò)對(duì)三者綜合優(yōu)化實(shí)現(xiàn)涂膠質(zhì)量的提升。

③在白車身實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)膠槍相對(duì)于板件移動(dòng)線速度穩(wěn)定、波動(dòng)較小時(shí)，ABB機(jī)器人涂膠過(guò)程走圓弧軌跡時(shí)涂膠質(zhì)量影響不大，在滿足工藝需求時(shí)，無(wú)需降低移動(dòng)速度，進(jìn)而提升涂膠效率。

④膠槍噴嘴與板件間距離大小影響涂膠質(zhì)量，在做蠶蛹式涂膠時(shí)，應(yīng)將膠條的厚度考慮進(jìn)去，即膠條為3mm時(shí)，間距應(yīng)為3～5mm;膠槍與板件之間的理想角度為60～90°。

4? 分析與討論

本文結(jié)合SCA涂膠系統(tǒng)、ABB機(jī)器人控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)，設(shè)計(jì)了基于SCA的 ABB機(jī)器人自適應(yīng)涂膠系統(tǒng)。以SYS6000為核心，搭建了膠槍出膠流量與ABB機(jī)器人膠槍移動(dòng)速度的閉環(huán)反饋系統(tǒng)，使出膠量能夠依據(jù)膠槍移動(dòng)速度進(jìn)行在線調(diào)節(jié)，始終保持出膠量和出膠直徑均勻穩(wěn)定，進(jìn)而確保良好的涂膠質(zhì)量，提高了汽車涂膠質(zhì)量和涂膠效率。另外，將員工從單調(diào)、繁重及危險(xiǎn)的工作中解放出來(lái)，提升了白車身涂膠自動(dòng)化水平，具有一定的實(shí)踐意義。

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