汽車油漆車間Dürr 機(jī)器人內(nèi)表面噴涂的模塊化編程

周嘉

（上汽通用汽車有限公司，上海 201206）

隨著整車廠自動(dòng)化率的不斷提升，在油漆車間工藝中，涂膠及油漆噴涂作業(yè)逐漸被機(jī)器取代，機(jī)器人數(shù)量不斷增加。噴涂作業(yè)作為油漆車間最早實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的工藝，從外表面自動(dòng)噴涂加內(nèi)表面手工噴涂工藝，到現(xiàn)在內(nèi)外表面全部采用自動(dòng)機(jī)器人噴涂已經(jīng)成為新工廠的標(biāo)準(zhǔn)工藝流程。此外，由于汽車市場(chǎng)競爭日趨激烈，新車型發(fā)布速度也在不斷加快。對(duì)于整車廠而言，新車型的機(jī)器人自主編程工作也逐漸變成現(xiàn)場(chǎng)的核心業(yè)務(wù)之一。

1 Dürr 機(jī)器人內(nèi)表面噴涂技術(shù)

1.1 噴涂方法

內(nèi)表面噴涂和外表面噴涂一樣，可以分為跟蹤式噴涂和走停式噴涂，其優(yōu)缺點(diǎn)見表1。

表1 跟蹤式與走停式內(nèi)噴機(jī)器人站的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比Table 1 Comparison of advantages and disadvantages of line-tracking and stop-and-go interior spraying robot stations

跟蹤式噴涂和走停式噴涂各有優(yōu)缺點(diǎn)。采用跟蹤式噴涂的最大優(yōu)點(diǎn)是輸送方式為輸送鏈，站前站后不需要過渡段，所需的噴房短，可以減少噴房初始投資和日后的運(yùn)行成本；而采用走停式噴涂的最大優(yōu)點(diǎn)是有利于車身的準(zhǔn)確定位，且系統(tǒng)故障少。

由于白車身內(nèi)表面結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在噴涂過程中不可避免地會(huì)出現(xiàn)機(jī)器人霧化器與車身距離較近的情況(最近處可能小于1 cm)，這就要求車身的定位必須十分精確，定位精度要求達(dá)到±1 mm，以防由于車身定位偏差而造成機(jī)器人與車身相撞。為了避免此情況發(fā)生，大部分汽車主機(jī)廠采用走停式噴涂。

走停式噴涂的定位方法有兩種──夾緊定位和定位銷定位，后者往往更加準(zhǔn)確且穩(wěn)定。

1.2 內(nèi)表面機(jī)器人的布置

內(nèi)表面機(jī)器人布置往往分為單層結(jié)構(gòu)及雙層結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。單層結(jié)構(gòu)是標(biāo)準(zhǔn)配置，噴涂機(jī)器人安裝于同一水平面上；雙層結(jié)構(gòu)為非標(biāo)準(zhǔn)配置，噴涂機(jī)器人安裝于兩個(gè)水平面上，噴涂機(jī)器人數(shù)量與單層相比有所增加，詳見表2。

圖1 單層(a)和雙層(b)內(nèi)噴機(jī)器人配置圖Figure 1 Layouts of single-layer (a) and double-layer (b) interior spraying robot stations

表2 內(nèi)噴機(jī)器人配置表Table 2 configuration of internal injection robot

1.3 工藝設(shè)備

1.3.1 計(jì)量泵

計(jì)量泵直接決定了機(jī)器人噴涂時(shí)的油漆流量，而油漆流量影響漆面的遮蓋力、流掛極限以及整車外觀，一般設(shè)置為200～ 400 mL/min，但是在棱角、落水槽等位置會(huì)根據(jù)具體情況進(jìn)行設(shè)定。噴涂機(jī)器人往往使用齒輪泵作為油漆流量的計(jì)量泵。計(jì)量泵的準(zhǔn)確性對(duì)油漆流量的影響極為關(guān)鍵，需要定期對(duì)計(jì)量泵進(jìn)行流量標(biāo)定。

1.3.2 成型氣

需采用雙環(huán)成型氣，即在同一半徑下有相鄰的兩道成型氣孔。如圖2 所示，一道成型氣較寬，另一道成型氣較窄，通過控制兩道成型氣的出氣量就可以更易獲得比單環(huán)成型氣精準(zhǔn)的噴幅，有利于小面積噴涂，提高噴涂質(zhì)量。

圖2 成型氣的控制原理Figure 2 Control principle of shaping air

1.3.3 高壓發(fā)生器

對(duì)水性3C2B 工藝來講，中涂、色漆內(nèi)表面霧化器不配置高壓電極，清漆才需配置高壓電極。原因如下：

(1) 內(nèi)板空間狹小，無法使用外置電極，只能使用內(nèi)加電方式，而中涂、色漆為水性漆，不宜使用內(nèi)加電方式。

(2) 中涂漆固體含量高(可達(dá)65%左右)，即使不加電，也可以通過噴涂參數(shù)調(diào)整來達(dá)到膜厚要求。

(3) 色漆由于膜厚要求低，只需起到覆蓋作用，不加電也可以達(dá)到要求。

(4) 清漆一般為2K 溶劑型漆，一方面可以使用內(nèi)加電模式，另一方面由于其固含量只有45%左右，若要達(dá)到膜厚要求，需要施加一定電壓。

1.3.4 旋杯

因噴涂面積小，噴涂槍距短，所需油漆流量小，故使用直徑小的旋杯可以在相對(duì)較低的轉(zhuǎn)速下實(shí)現(xiàn)油漆的高效霧化，一般選用直徑為59 mm 的旋杯。

1.4 工裝夾具

前蓋/后蓋夾具的端頭要配置一個(gè)圓圈，直徑50～ 100 mm，為豎向，以便開蓋機(jī)器人的鉤子可以方便地將前蓋/后蓋掀起，如圖5 所示。需要注意的是，夾具端頭不可超過滑撬的端頭，以免影響安全光柵的正常使用。前門/后門夾具一般采用鉸鏈?zhǔn)?，開門機(jī)器人可以直接用力將車門打開和關(guān)閉。

2 Dürr 機(jī)器人模塊化編程研究

2.1 常規(guī)編程模式

通常在進(jìn)行機(jī)器人編程時(shí)都會(huì)采用先離線后在線的線性編程模式，但是由于整車廠的項(xiàng)目周期往往比較緊湊，在線調(diào)試時(shí)間又比較零散，只能利用停產(chǎn)時(shí)間進(jìn)行在線調(diào)試。如果使用傳統(tǒng)的線性編程模式，整個(gè)調(diào)試周期會(huì)被拉長，時(shí)間利用率不高，且易造成項(xiàng)目中錯(cuò)誤發(fā)生率上升。故針對(duì)整車廠新車型編程環(huán)境，研究了模塊化編程方式。

2.2 模塊化編程模式

通過對(duì)離線編程和在線調(diào)試的任務(wù)進(jìn)行歸納分配，將整個(gè)編程階段分為車身測(cè)量、離線仿形、開門開蓋仿型調(diào)試、在線調(diào)試及參數(shù)優(yōu)化五塊，如圖3 所示。通過合理的時(shí)間分配及離線模擬，減少現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)間，從而縮短整個(gè)項(xiàng)目周期，提升人員工作效率。

圖3 模塊化編程流程Figure 3 Modular programming process

2.2.1 車身測(cè)量

車身測(cè)量，即測(cè)量車身在噴涂站內(nèi)的精確位置，通過在離線數(shù)模(Local 程序)上的特征點(diǎn)軌跡，與實(shí)際站內(nèi)車身(World 程序)上的特征點(diǎn)軌跡對(duì)應(yīng)，從而獲得車身在站內(nèi)的實(shí)際空間位置(如圖4 所示)，這樣通過編程軟件所完成的機(jī)器人仿形就可以精準(zhǔn)地應(yīng)用到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)。

圖4 車身坐標(biāo)測(cè)量Figure 4 Coordinate measurement of car body

由于內(nèi)表面噴涂的精度要求比外表面噴涂更高，在時(shí)間充裕的情況下，現(xiàn)場(chǎng)往往會(huì)在車前部和后部各尋找一組特征點(diǎn)軌跡，分別應(yīng)用于前部和后部的機(jī)器人，已滿足更高的噴涂精度要求。

2.2.2 離線仿形

與外表面仿形編程一樣，內(nèi)表面仿形同樣需要先進(jìn)行離線編程，流程如圖5 所示。首先需要確定好四門兩蓋的打開角度，一般會(huì)確定全開、半開、全關(guān)三個(gè)角度。由于之后的編程中這個(gè)角度一旦出現(xiàn)變化，大部分的仿形程序都需要重新制作，因此這個(gè)角度選擇一定要慎重，一經(jīng)確定，在離線過程中不能更改。完成開門開蓋的角度確認(rèn)后，就可以利用停產(chǎn)時(shí)間進(jìn)行開門開蓋機(jī)器人的仿形調(diào)試。

圖5 離線仿形模塊化編程流程Figure 5 Modular programming process of offline profiling

在之后的噴涂機(jī)器人離線仿形編程中，需要注意以下幾點(diǎn)：

(1) 機(jī)器人的移動(dòng)速率一般在700～ 800 mm/s，加速度約為3 500 mm/s2。

(2) 由于內(nèi)表面噴涂時(shí)空間都比較狹小，一定要注意機(jī)器人與車身之間保持好安全距離，避免與車身發(fā)生擦碰。

(3) 在轉(zhuǎn)向位置尤其是急轉(zhuǎn)彎時(shí)要設(shè)置過渡點(diǎn)，保證霧化器轉(zhuǎn)向時(shí)軌跡較平順，并且與車身表面保持一定距離。如果轉(zhuǎn)向角度過大，建議先關(guān)槍，以避免流掛。

(4) 對(duì)于后舉門頂部鉸鏈的落水槽位置，由于后蓋全開位置往往無法對(duì)此區(qū)域進(jìn)行噴涂，需在一個(gè)半開位置從后舉門上方對(duì)此區(qū)域進(jìn)行噴涂。

(5) 由于內(nèi)板結(jié)構(gòu)復(fù)雜，無法如外表面噴涂一樣能保證較為一致的槍距，因此在離線編程中需要多設(shè)置不同的參數(shù)，以保證噴涂質(zhì)量。

完成了噴涂機(jī)器人的仿形編程后，需要對(duì)各機(jī)器人的噴涂邏輯及碰撞區(qū)進(jìn)行設(shè)定。由于內(nèi)表面噴涂站較外表面噴涂站有更多的機(jī)器人，因此在碰撞區(qū)設(shè)定時(shí)不僅要考慮相鄰噴涂機(jī)器人直接的邏輯關(guān)系，還要考慮到與開門開蓋機(jī)器人的邏輯關(guān)系。在編程時(shí)，除了使用碰撞區(qū)設(shè)置(set collision(n，high/low))外，還可以通過讀取開門開蓋機(jī)器人的位置狀態(tài)來設(shè)置各機(jī)器人的噴涂邏輯。

在所有程序都編寫完成后，可以使用simulation(模擬)功能對(duì)整個(gè)程序進(jìn)行驗(yàn)證，在程序運(yùn)行過程中通過人為暫停某一臺(tái)機(jī)器人來測(cè)試對(duì)應(yīng)的碰撞區(qū)域是否生效，并且通過對(duì)碰撞區(qū)位置的不斷優(yōu)化來減少操作時(shí)間，達(dá)到仿形程序的精益化，提升產(chǎn)能。

2.2.3 開門開蓋仿形調(diào)試

開門機(jī)器人往往為三軸機(jī)器人，其前端配有專門的開門鉤用于開關(guān)車門，開門鉤上往往還裝有傳感器以檢測(cè)是否鉤到車門或有無插到門外板。在離線仿形完成門的開度確定后(一般為80°～ 110°)即可進(jìn)行開門機(jī)器人的仿形調(diào)試。一般來說，先在數(shù)模上量出此開度下鎖孔到鎖扣的距離，在現(xiàn)場(chǎng)打開至同樣距離來確定開度。調(diào)試仿形時(shí)需注意在仿形運(yùn)行中開門鉤上頂針相對(duì)于門板的位置要比較固定，以減少開門鉤與門板摩擦而導(dǎo)致的漆片掉落。如果開門機(jī)器人使用的是力矩傳感器，那么需要在連續(xù)運(yùn)行時(shí)記錄傳感器數(shù)值，以找到合理的傳感器設(shè)定值。

開蓋機(jī)器人采用與噴涂機(jī)器人一樣的六軸機(jī)器人，只是沒有噴涂所需的工藝設(shè)備，第四、五、六軸前端配有開蓋鉤，開蓋鉤法蘭面上配有力矩傳感器來識(shí)別是否正常勾住前后蓋或者前后蓋有無被卡住。在離線仿形完成前后蓋的開度確定后即可進(jìn)行開蓋機(jī)器人的仿形調(diào)試。一般來說，開蓋機(jī)器人在運(yùn)行過程中有5 個(gè)位置點(diǎn)：初始位(home)，等待位(wait position)，全關(guān)(full close)，全開(full open)，半開(half open)。其中全關(guān)、全開、半開這3 個(gè)位置通過在數(shù)模上測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)前杠至前蓋鎖扣距離來確定開度。調(diào)試中注意運(yùn)行軌跡要盡量平滑，且開蓋鉤與前后蓋夾具的接觸點(diǎn)盡量保持不變，以保證開蓋順暢。在連續(xù)運(yùn)行過程中要記錄力矩傳感器數(shù)值，以確定防錯(cuò)用的傳感器設(shè)定值。

另外為了主程序調(diào)用方便，開門、開蓋機(jī)器人仿形在各個(gè)位置點(diǎn)直接單獨(dú)設(shè)置程序模塊。

2.2.4 在線調(diào)試

噴涂機(jī)器人離線仿形完成后就可以進(jìn)行在線調(diào)試(如圖6 所示)，按照以下步驟進(jìn)行：

圖6 在線調(diào)試模塊化流程Figure 6 On-line commission modular process

(1) 對(duì)單臺(tái)噴涂機(jī)器人的仿形進(jìn)行調(diào)試，考察它在運(yùn)行中與開門、開蓋機(jī)器人的配合。由于離線編程時(shí)程序往往是通過復(fù)制鏡像的方式來加快編程進(jìn)度，因此在線調(diào)試時(shí)需要觀察機(jī)器人有無與車身發(fā)生碰撞。如果有發(fā)生碰撞，就需要對(duì)此臺(tái)機(jī)器人的仿形進(jìn)行單獨(dú)調(diào)試，確保機(jī)器人不與車身發(fā)生碰撞。

(2) 對(duì)機(jī)器人噴涂過程中霧化器離車身的距離以及噴涂區(qū)域進(jìn)行標(biāo)定，可以將霧化器上的旋杯拆除，利用扎帶等工具模擬霧化器噴涂距離(一般為200 mm)，通過運(yùn)行程序來確定霧化器與車表面的距離，并確保霧化器扇面對(duì)準(zhǔn)所要噴涂的型面。

(3) 對(duì)每個(gè)機(jī)器人的碰撞區(qū)進(jìn)行驗(yàn)證?？梢栽趯⒁慌_(tái)機(jī)器人開入碰撞區(qū)域后，運(yùn)行與之相干涉的機(jī)器人仿形，檢查兩臺(tái)機(jī)器人是否發(fā)生碰撞。

(4) 將所有機(jī)器人切換至自動(dòng)模式，將運(yùn)行速率設(shè)置成正常速率的10%后開始運(yùn)行程序，確保所有機(jī)器人運(yùn)行正常后，逐步將速率提升至正常速率的50%再運(yùn)行，最后提升至正常速率運(yùn)行一次，其間可以暫停任意一臺(tái)機(jī)器人以驗(yàn)證碰撞區(qū)邏輯，直到所有機(jī)器人都可以在100%的速率下運(yùn)行。

2.2.5 參數(shù)優(yōu)化

在仿形能夠正式使用后，需要對(duì)噴涂參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，在離線編程時(shí)各參數(shù)往往按照經(jīng)驗(yàn)值來進(jìn)行設(shè)定，見表3。由于內(nèi)表面噴涂的扇面要求比外表面噴涂時(shí)小，因此轉(zhuǎn)速相應(yīng)也小于外表面噴涂，而在兩道成型氣的設(shè)定中，成型氣1 的流量大于成型氣2，這樣使得整體噴幅更小，而且更易精確控制。一般只有2K 清漆可以施加電壓，且內(nèi)表面結(jié)構(gòu)復(fù)雜，邊緣較多，所以內(nèi)表面只施加10～ 20 kV 的高壓。

表3 不同區(qū)域的工藝參數(shù)設(shè)定值Table 3 Process parameters in different areas

但是在實(shí)際應(yīng)用中，由于每個(gè)項(xiàng)目的車身內(nèi)表面結(jié)構(gòu)都不盡相同，因此需要注意以下參數(shù)優(yōu)化要點(diǎn)：

(1) 內(nèi)表面常見的噴涂缺陷有流掛、漆薄、針孔、干噴等，需要特別注意?？梢允褂煤麍D記錄缺陷位置，有針對(duì)性地進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。

(2) 對(duì)于一些不易噴涂的位置(如鉸鏈、凹槽)，可以通過調(diào)整成型氣量，減少噴幅，多次多角度進(jìn)行噴涂等方法提升上漆量。

(3) 由于水性色漆需要有一個(gè)預(yù)烘烤過程，因此內(nèi)表面色漆漆膜不宜過厚，轉(zhuǎn)向及彎角區(qū)域需要適當(dāng)關(guān)槍，以防止油漆積聚造成脫水率不足而產(chǎn)生缺陷。

(4) 每做一個(gè)新顏色需要重新建立顏色參數(shù)表，以達(dá)到各顏色精細(xì)化的優(yōu)化管理。

3 結(jié)語

車間通過模塊化的自主編程流程梳理，大大提高了編程效率，實(shí)現(xiàn)多人合作編程，在人力資源投入有限的情況下同時(shí)滿足了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試進(jìn)度及新車型啟動(dòng)需求。不論是內(nèi)表面還是外表面自動(dòng)噴涂工藝，又無論是跟蹤式還是走停式機(jī)運(yùn)方式，模塊化編程思路對(duì)加速整車廠自主編程推進(jìn)都具有一定的參考價(jià)值。