淺談車底自動涂膠系統(tǒng)質(zhì)量優(yōu)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(jī)器人自動噴涂對車身需要防止進(jìn)水的部位進(jìn)行噴涂，從而達(dá)到防止焊縫進(jìn)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(yè)勞動強(qiáng)度大、精度要求較高，在使用人工作業(yè)時生產(chǎn)節(jié)拍較低，而且容易出現(xiàn)涂膠偏差、均勻一致性差等問題，在質(zhì)量和產(chǎn)能要求不斷提升的大趨勢下，生產(chǎn)節(jié)拍更快、涂膠精度更高的機(jī)器人全車底自動涂膠系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各主機(jī)廠涂裝車間。

北京奔馳涂裝車間對于車底自動涂膠系統(tǒng)質(zhì)量控制的標(biāo)準(zhǔn)要求：密封膠要與車身焊縫貼合緊密過度平滑，車身焊縫應(yīng)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(xù)人工刷膠工位外不得出現(xiàn)吹試漏水。這樣的質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)即使對于機(jī)器人自動噴涂也有著不小的挑戰(zhàn)，為了使產(chǎn)品質(zhì)量得到提升、設(shè)備運(yùn)行維護(hù)成本得到節(jié)約，生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行過程中的優(yōu)化顯得尤為重要，是每個主機(jī)廠都必須持續(xù)深入研究的課題。

2 系統(tǒng)概述

2.1 車底自動涂膠系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

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(tǒng)構(gòu)成，各個系統(tǒng)相互聯(lián)系、緊密配合完成車身底部全自動涂膠工作；系統(tǒng)主要包含涂膠應(yīng)用系統(tǒng)、工業(yè)機(jī)器人、涂膠站PLC控制器、車身輸送系統(tǒng)、視覺定位系統(tǒng)以及材料供應(yīng)系統(tǒng)（圖1）。

圖1 車底自動涂膠系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 系統(tǒng)各部分功能介紹

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

圖2 涂膠應(yīng)用系統(tǒng)

（2）工業(yè)機(jī)器人。UBS車底自動涂膠系統(tǒng)中一共配備了13臺ABB提供的IRB2600工業(yè)機(jī)器人，機(jī)器人本體帶有6個活動軸并配有附加軌道系統(tǒng)，機(jī)器人通過上位機(jī)軟件或示教器進(jìn)行編程后可以執(zhí)行涂膠動作，機(jī)器人控制器網(wǎng)絡(luò)與車底自動涂膠系統(tǒng)中其他設(shè)備通訊，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的協(xié)同控制功能。

（3）視覺相機(jī)系統(tǒng)。視覺相機(jī)系統(tǒng)包含視覺相機(jī)和視覺系統(tǒng)主機(jī)，其中視覺相機(jī)負(fù)責(zé)對進(jìn)站車身進(jìn)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(jī)聯(lián)合完成；視覺系統(tǒng)主機(jī)收到相機(jī)照片信息后通過自帶的軟件與標(biāo)準(zhǔn)庫進(jìn)行比對計算，之后將車身位置偏差數(shù)據(jù)傳輸給機(jī)器人進(jìn)行位置補(bǔ)償。

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

（5）供膠系統(tǒng)。UBS線供膠系統(tǒng)主要由供膠泵組、供膠管路和穩(wěn)壓閥組成，其中供膠泵組由兩套雙泵壓盤泵組構(gòu)成，每個泵組容量為1000L，泵組運(yùn)行采用一用一備方式并配有自動切換功能，可以連續(xù)不斷地向涂膠應(yīng)用系統(tǒng)供應(yīng)密封膠原料；穩(wěn)壓閥安裝在涂膠應(yīng)用系統(tǒng)定量機(jī)的入口，用于抵消壓盤泵組柱塞泵工作時產(chǎn)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(tǒng)中的連鎖信號協(xié)調(diào)系統(tǒng)中個部分的工作，同時，控制整個系統(tǒng)的急停功能。

2.3 車底自動涂膠系統(tǒng)工作流程

全車底自動涂膠系統(tǒng)的工作流程從車身輸送開始，在車身進(jìn)站之前輸送系統(tǒng)通過AVI識別車身信息并通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給機(jī)器人，之后在收到機(jī)器人站放行信號后，將車身輸送至機(jī)器人站；車身輸送到位后，VMT視覺定位系統(tǒng)啟動相機(jī)進(jìn)行車身位置測量，完成后將車身位置信息發(fā)送給機(jī)器人進(jìn)行位置補(bǔ)償；機(jī)器人收到車型信息和位置補(bǔ)償信號后，開始運(yùn)行噴涂程序?qū)嚿眍A(yù)定位置進(jìn)行涂膠作業(yè)；在機(jī)器人噴涂過程中，供膠系統(tǒng)將密封膠材料由膠泵房供應(yīng)到涂膠應(yīng)用系統(tǒng)并在涂膠應(yīng)用系統(tǒng)內(nèi)完成溫度、壓力調(diào)節(jié)，之后材料被輸送至涂膠槍，膠槍根據(jù)機(jī)器人涂膠程序給出的開關(guān)信號進(jìn)行控制，配合機(jī)器人運(yùn)動軌跡在預(yù)定的位置完成涂膠作業(yè)。涂膠作業(yè)完成后，機(jī)器人向輸送發(fā)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(jìn)站的循環(huán)作業(yè)。

3 車底自動涂膠系統(tǒng)質(zhì)量問題及優(yōu)化

3.1 涂膠位置偏差問題優(yōu)化

在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的密封膠涂膠位置偏差表現(xiàn)為涂膠位置偏離預(yù)設(shè)點(diǎn)，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(yōu)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(zhì)進(jìn)行取樣分析，可以判定污染物主要來源于供膠管路雜質(zhì)和槍頭噴涂過程中產(chǎn)生的殘膠；此類問題優(yōu)化方法以控制供膠系統(tǒng)清潔度為主，可以根據(jù)堵槍發(fā)生頻率有針對性地對供膠管路上的濾芯進(jìn)行清洗或者更換，對于碳鋼管路的供膠管路應(yīng)該至少每年使用專用清洗劑進(jìn)行循環(huán)清洗；另外，在機(jī)器人站設(shè)置空氣噴嘴，在生產(chǎn)過程中定期將機(jī)器人運(yùn)行至清洗位置對膠槍噴嘴進(jìn)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(yōu)化。對于膠條偏離焊縫的情況，其產(chǎn)生原因可能是機(jī)器人軌跡偏差、輸送系統(tǒng)硬件偏差或者視覺系統(tǒng)補(bǔ)償偏差；在涂膠系統(tǒng)中，機(jī)器人軌跡偏差必然會影響涂膠軌跡，但是，大多在機(jī)器人示教過程中已經(jīng)被修復(fù)，而ABB2600機(jī)器人本體的重復(fù)定位精度可達(dá)0.05mm，能有效保證涂膠軌跡的一致性，因此，機(jī)器人在沒有機(jī)械故障的前提下不考慮機(jī)器人軌跡偏差問題。視覺相機(jī)系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人相同，都具有較高的定位精度，作為輸送系統(tǒng)和工業(yè)機(jī)器人的輔助定位設(shè)備，在硬件沒有故障情況下出錯的概率極低；而輸送設(shè)備相對與工業(yè)機(jī)器人和視覺相機(jī)其控制精度明顯要粗糙許多，往往也是產(chǎn)生車身位置偏差的主要原因。

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

3.2 涂膠形狀不良問題優(yōu)化

在生產(chǎn)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(xì)、膠條過軟流掛等情況。造成此類問題的原因可能是系統(tǒng)預(yù)壓參數(shù)設(shè)置不合理、溫度控制效果不佳或者機(jī)器人軌跡程序問題。

（1）定量機(jī)預(yù)壓優(yōu)化。膠條形狀不均勻多表現(xiàn)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(yīng)用系統(tǒng)中定量機(jī)的預(yù)壓設(shè)置問題；為了達(dá)到定位精確、相應(yīng)快速、出膠定量且流速均勻的要求，定量機(jī)的涂膠動作被分解為預(yù)壓、涂膠和填充三個過程，其中預(yù)壓的作用就在于涂膠初始階段的涂膠形狀優(yōu)化，過高的預(yù)壓會導(dǎo)致膠條起始出現(xiàn)錘頭（圖4），過低則會導(dǎo)致起始膠條過細(xì)影響覆蓋效果。

圖4 預(yù)壓過高導(dǎo)致的錘頭

對于車底自動涂膠系統(tǒng)預(yù)壓的優(yōu)化需要綜合考慮系統(tǒng)中其他設(shè)備的硬件配置，如定量機(jī)出口膠管路長度、膠槍噴嘴類型、噴嘴寬度等，在進(jìn)行參數(shù)調(diào)整時，不能采取一刀切的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，而是應(yīng)該根據(jù)每套涂膠應(yīng)用系統(tǒng)膠槍的實(shí)際噴板測試結(jié)果進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，通過反復(fù)測試優(yōu)化現(xiàn)場各套系統(tǒng)的預(yù)壓設(shè)置在70～80bar，優(yōu)化后的噴板測試結(jié)果如圖5所示。

圖5 預(yù)壓參數(shù)優(yōu)化后膠條形狀（左側(cè)為起始位）

（2）溫度控制不良問題優(yōu)化。在車底自動涂膠系統(tǒng)運(yùn)行中膠條干硬過細(xì)、膠條過軟流掛問題也比較常見，其產(chǎn)生的原因主要是材料溫度控制不良引起的黏度變化所導(dǎo)致的；在車身密封膠工藝中使用的密封膠主要是PVC材質(zhì)，是由性能各異的聚氯乙烯樹脂為基料樹脂與增塑劑、補(bǔ)強(qiáng)劑、增黏劑、穩(wěn)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(yīng)關(guān)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(xiàn)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(zhì)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(nèi)來解決，因?yàn)橛绊懖牧蠝囟鹊囊蛩夭粌H包含車底自動涂膠系統(tǒng)內(nèi)溫控單元和材料供應(yīng)系統(tǒng)，同時還包括材料存儲溫度和車間環(huán)境溫度因素的影響；在車底自動涂膠系統(tǒng)工作時材料的最佳黏度應(yīng)該保持在210000～215000MPa·s，從圖6中我們可以看到有兩個溫度區(qū)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(tǒng)溫度控制器的控制指標(biāo)，原因是涂裝車間本身對溫度有比較嚴(yán)格的要求，材料存儲間和車間環(huán)境溫度通?？刂圃?3℃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(yīng)用系統(tǒng)之前保持在23℃左右，這樣就大大減輕了涂膠系統(tǒng)溫控器的運(yùn)行負(fù)荷。選定溫度控制指標(biāo)后，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際溫度控制的需求我們還需要對溫度控制器的控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整；涂膠系統(tǒng)的溫度控制和其他溫控系統(tǒng)一樣，是一個具有蓄熱能力和自平衡能力的滯后系統(tǒng)，因此溫度控制器采用了PID控制，控制器參考參數(shù)設(shè)置如圖7所示，類似預(yù)壓參數(shù)設(shè)置，溫控系統(tǒng)中的中P、I、D參數(shù)設(shè)置也需要根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，溫控反饋無法到達(dá)設(shè)定值時，可以微調(diào)Ki參數(shù)或者溫度設(shè)定值，系統(tǒng)調(diào)溫響應(yīng)慢可以適當(dāng)增大Kp參數(shù)，溫度反饋波動較大則降低Kp參數(shù)；另外，需要注意的是，在溫控系統(tǒng)中，溫控設(shè)定值指的是膠槍出口溫度，溫控單元的溫度設(shè)定值實(shí)際上是動態(tài)值，它是根據(jù)膠槍出口溫度的偏差由系統(tǒng)自動設(shè)定的，因此，當(dāng)出現(xiàn)溫控單元設(shè)定值波動時，并非系統(tǒng)發(fā)生故障。

圖7 涂膠溫控系統(tǒng)控制系統(tǒng)參考設(shè)置

在車底自動涂膠系統(tǒng)中設(shè)備運(yùn)行中的發(fā)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(tǒng)中的熱源主要來于定量機(jī)伺服電機(jī)的發(fā)熱和供膠系統(tǒng)膠泵的發(fā)熱；其中定量機(jī)伺服電機(jī)的發(fā)熱受到設(shè)備功率和產(chǎn)能需求的限制很難做出調(diào)整，但是，由于電機(jī)不與材料直接接觸，所以電機(jī)對材料溫度的影響相對較小，我們只針對供膠泵發(fā)熱問題進(jìn)行優(yōu)化；在供膠系統(tǒng)中膠泵使用的是柱塞泵，膠泵在供膠時依靠空氣馬達(dá)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(dǎo)致溫度升高，泵體溫度也會隨之升高。另外，泵內(nèi)活塞與缸體摩擦也會產(chǎn)生熱量，在供膠流量需求不高的前提下膠泵工作中產(chǎn)生的多余熱量會被材料帶走，泵體不會持續(xù)升溫，但是，在生產(chǎn)線產(chǎn)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(xiàn)泵體溫度偏高問題，通過對設(shè)備溫度的監(jiān)控，我們發(fā)現(xiàn)在持續(xù)2小時的供膠后泵體溫度可以超過40℃，這就導(dǎo)致密封膠材料經(jīng)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(jìn)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(xù)工作后膠泵溫度與環(huán)境溫度機(jī)泵相當(dāng)，有效解決了膠泵發(fā)熱導(dǎo)致的材料溫度異常問題。

（3）工業(yè)機(jī)器人軌跡優(yōu)化。在車底自動涂膠系統(tǒng)運(yùn)行中，膠槍涂膠位置的變化是由工業(yè)機(jī)器人的程序來控制的，不良的機(jī)器人軌跡是自動涂膠系產(chǎn)生批量質(zhì)量問題的主要原因。

對于機(jī)器人軌跡的優(yōu)化，主要工作在于細(xì)節(jié)的處理上；在UBS線我們涂膠的位置在車身底部，其特點(diǎn)是線條多、曲線多、變化多，除了車身左右兩側(cè)的對應(yīng)關(guān)系外，涂膠的軌跡沒有規(guī)則可言；在涂膠機(jī)器人軌跡示教過程中，連續(xù)的曲線變化往往造成涂膠不良的質(zhì)量缺陷；如圖8所示，在機(jī)器人軌跡短距離連續(xù)的曲線變化處，涂膠的形狀雖然配合軌跡進(jìn)行連續(xù)變化，但是，膠條的厚度變得非常不規(guī)則，屬于較嚴(yán)重的質(zhì)量缺陷，必須在手工工位進(jìn)行補(bǔ)刷處理。

圖8 機(jī)器人軌跡導(dǎo)致的涂膠形狀不良

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

圖9 涂膠軌跡優(yōu)化結(jié)果

4 結(jié)語

通過對車底自動涂膠系統(tǒng)的運(yùn)行過程中問題的分析，我們對系統(tǒng)生產(chǎn)流程、各系統(tǒng)控制參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整，對供膠系統(tǒng)的硬件進(jìn)行了升級，這些工作的完成使車身自動涂膠質(zhì)量有了長足的進(jìn)步，自動涂膠線一次性合格率可達(dá)98%以上，質(zhì)量的提升大幅度減少了手工線停線補(bǔ)膠的時間，平均每個班次可以減少質(zhì)量停線20分鐘，生產(chǎn)效率得到了提升；供膠系統(tǒng)膠泵的升級改造還帶來了運(yùn)行成本的節(jié)約，由于更換新泵后泵頻降低50%，驅(qū)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(yùn)行磨損程度，膠泵維修保養(yǎng)所需的備件費(fèi)用和人力資源消耗得到相應(yīng)的降低，單泵運(yùn)行成本對比見圖10。

圖10 膠泵升級后運(yùn)行成本對比

當(dāng)今的汽車制造業(yè)面臨著嚴(yán)峻的市場競爭壓力和考驗(yàn)，生產(chǎn)過程中的精細(xì)化管理已經(jīng)成為各大主機(jī)廠的運(yùn)營理念，對于現(xiàn)有設(shè)備運(yùn)行優(yōu)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(chǎn)進(jìn)程中。