汽車涂裝電氣自動(dòng)化關(guān)鍵技術(shù)分析

劉海偉 宋愛(ài)婷

摘要：黨的十八大以來(lái)，全國(guó)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(qiáng)的單一性，難以適應(yīng)新時(shí)期汽車涂裝生產(chǎn)的需要。越來(lái)越多的汽車生產(chǎn)企業(yè)意識(shí)到汽車行業(yè)批量小、品種多、個(gè)性化的發(fā)展趨勢(shì)，在汽車涂裝生產(chǎn)線上注重資金與技術(shù)的投入，希望通過(guò)改進(jìn)生產(chǎn)工藝和提升生產(chǎn)效率。因此，本文主要對(duì)家用汽車在柔性涂裝中的電氣自動(dòng)化技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析和梳理，以實(shí)現(xiàn)多車型、同平臺(tái)、智能化生產(chǎn)的需要。

關(guān)鍵詞：汽車涂裝;柔性涂裝;電氣自動(dòng)化;關(guān)鍵技術(shù)

中圖分類號(hào)：U472.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）11-0096-02

0? 引言

多車型、同平臺(tái)、智能化的涂裝離不開(kāi)電氣自動(dòng)化技術(shù)的支持，而其技術(shù)就是借助柔性化的輸送設(shè)備設(shè)備與機(jī)器人自動(dòng)噴涂的方式，從而實(shí)現(xiàn)多車型的車身識(shí)別與車型切換而導(dǎo)致的輸送鏈擾動(dòng)等方面的問(wèn)題。因此，本文主要是將電氣自動(dòng)化關(guān)鍵技術(shù)作為研究的重點(diǎn)，為智能控制的實(shí)現(xiàn)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

由于汽車行業(yè)近年來(lái)日益呈現(xiàn)出批量小、品種多、批次變化快的特點(diǎn)，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(wù)的實(shí)施，所以需要應(yīng)用機(jī)器人噴涂系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)噴涂，在機(jī)器人噴涂系統(tǒng)中，采用的電氣自動(dòng)化技術(shù)較多，對(duì)于確保涂裝線的產(chǎn)品覆蓋率更強(qiáng)，噴涂柔性更高，生產(chǎn)穩(wěn)定性更強(qiáng)。

1? 高壓靜電噴涂技術(shù)

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

高壓靜電噴涂技術(shù)在機(jī)器人噴涂系統(tǒng)中的電氣自動(dòng)化技術(shù)之一，其技術(shù)要點(diǎn)如下：從圖1不難發(fā)現(xiàn)，油氣涂料與壓縮空氣從管道進(jìn)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(guò)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(xì)小的霧滴，同時(shí)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(kù)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(shù)有著較高的優(yōu)勢(shì)。在油漆霧化系統(tǒng)中，主要包含了自動(dòng)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(dòng)控制模塊主要是對(duì)旋杯的動(dòng)作進(jìn)行控制，比如設(shè)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(duì)車身的油漆厚度進(jìn)行閉環(huán)控制。

2? RFID識(shí)別傳遞技術(shù)

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(jìn)行共線涂裝生產(chǎn)，噴涂機(jī)器人就需要利用車型顏色識(shí)別系統(tǒng)來(lái)識(shí)別不同的車型。在識(shí)別過(guò)程中，則是利用RFID載碼體信息傳遞，并與形成開(kāi)關(guān)和光電開(kāi)關(guān)來(lái)配合，在整個(gè)環(huán)節(jié)，具有較高的自動(dòng)化水平，能自動(dòng)檢測(cè)車型，掌握車身信息的同時(shí)及時(shí)地傳遞信息。在實(shí)際運(yùn)行中，主要是在滑撬上安裝載碼體來(lái)存儲(chǔ)和傳遞車型信息。在這一過(guò)程中載碼體與光電開(kāi)關(guān)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(shè)置傳感器來(lái)檢測(cè)車身信息，比如對(duì)車型代碼、油漆顏色代碼，編程時(shí)采用預(yù)設(shè)的代碼來(lái)編寫機(jī)器人的動(dòng)作，并利用觸摸屏手動(dòng)掃描操控臺(tái)，針對(duì)車身難以識(shí)別的問(wèn)題，現(xiàn)場(chǎng)人員利用掃描槍歲隨車條形碼自動(dòng)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(shí)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(guò)。

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(yīng)用AVI系統(tǒng)，而RFID技術(shù)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(shí)別技術(shù)，對(duì)車身信息進(jìn)行采集與儲(chǔ)存。RFID系統(tǒng)主要包含電子標(biāo)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(shè)備來(lái)支持，達(dá)到車體信息通信的目的，所以RFID系統(tǒng)結(jié)構(gòu)詳見(jiàn)圖2所示。

如圖2所示，其中的電子標(biāo)簽就是載碼體，在RFID系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，主要用途是存儲(chǔ)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(shí)，滑撬始終載著車身運(yùn)行，從而形成隨車移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)，電子標(biāo)簽的作用就是在涂裝時(shí)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的載體。而天線介于載碼體與讀寫器間進(jìn)行無(wú)線射頻信息的傳遞，比如車身工藝要求、顏色、型號(hào)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(gè)導(dǎo)體，當(dāng)存在交流電流、脈沖電流時(shí)，就會(huì)在導(dǎo)線周圍形成電磁場(chǎng)，且磁場(chǎng)的強(qiáng)度會(huì)隨著電流發(fā)生變化。讀寫器則是讀寫載碼體中存儲(chǔ)的相關(guān)涂裝數(shù)據(jù)，并從設(shè)備網(wǎng)向PLC傳輸并處理。

3? 柔性涂裝自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)的變頻技術(shù)

在家用汽車柔性生產(chǎn)線中，變頻技術(shù)是一項(xiàng)十分重要的技術(shù)，且變頻技術(shù)的應(yīng)用十分廣泛，也是電氣自動(dòng)化的關(guān)鍵技術(shù)。以下筆者選取柔性涂裝自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)為例，對(duì)其變頻技術(shù)的應(yīng)用要點(diǎn)進(jìn)行梳理。

3.1 設(shè)備選型

PLC在柔性涂裝線自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)中十分重要，為滿足模糊PID控制速度和電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定的需要，尤其是解決柔性化過(guò)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(wèn)題，需要在硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)中注重PLC的選型，在PLC選型中，應(yīng)結(jié)合設(shè)備成本與后續(xù)開(kāi)發(fā)因素，對(duì)PLC的CPU、DI、AI、電源、AO、DO等模塊進(jìn)行選型和確定數(shù)量，并做好對(duì)其的配置，這樣在選擇變頻器時(shí)，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(yīng)采用380V的電源模式，從而控制輸送帶電機(jī)。而在電機(jī)方面，采用三相異步電動(dòng)機(jī)，并對(duì)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(jí)、接線等有一個(gè)全面的了解，而在減速機(jī)方面采用RV系列即可。而在光電編碼器方面，因?yàn)槠渲饕菍?duì)傳送帶上的電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量，所以采用定時(shí)器與計(jì)數(shù)器相配合的編碼器即可，通過(guò)所輸出脈沖數(shù)據(jù)對(duì)輸送帶的電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量。測(cè)速時(shí)若轉(zhuǎn)速較高，則采用M法，轉(zhuǎn)速較低則采用T法測(cè)速。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

在做好設(shè)備選型的基礎(chǔ)上，因?yàn)樵谌嵝酝垦b自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)中主要是采用PLC控制涂裝工藝流程。應(yīng)確保所選的PLC具有可靠和流程簡(jiǎn)單以及控制性較強(qiáng)的特點(diǎn)。因?yàn)镻LC在整個(gè)柔性涂裝自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)中屬于核心，也是電氣自動(dòng)化中最為關(guān)鍵的基礎(chǔ)，不僅要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)運(yùn)輸鏈的運(yùn)行和采集處理信號(hào)，而且還要調(diào)動(dòng)整個(gè)生產(chǎn)線的運(yùn)行狀態(tài)。因此主要是采用AB-PLC控制器。在對(duì)PLC進(jìn)行專業(yè)編程之后，需要對(duì)變頻器的初始參數(shù)做好設(shè)置，并利用PLC控制器來(lái)優(yōu)化變頻器的頻率，從而在調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的同時(shí)控制輸送帶的鏈速，再配合機(jī)器人達(dá)到自動(dòng)噴涂的目的。

4? 柔性涂裝自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)的模糊PID控制技術(shù)

在柔性涂裝自動(dòng)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(jìn)行計(jì)算，得出差值與差值變化率，再采取科學(xué)的控制測(cè)量算法，從而得到輸出量，并利用輸出量對(duì)變頻器工作頻率進(jìn)行控制，從而對(duì)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(dòng)調(diào)速系統(tǒng)在給定的轉(zhuǎn)速下得以平穩(wěn)運(yùn)行。由此可見(jiàn)，在整個(gè)PLC控制中，控制策略是十分關(guān)鍵的。由于柔性涂裝自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)控制過(guò)程較為復(fù)雜，常見(jiàn)的控制策略主要有以下三種，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)經(jīng)過(guò)理論與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)檢驗(yàn)而針對(duì)性的選擇。

一是PID控制，這一控制技術(shù)操作簡(jiǎn)單，具有較強(qiáng)的可靠性，且容易實(shí)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(duì)被控對(duì)象精確的數(shù)學(xué)模型精準(zhǔn)了解，同時(shí)外界擾動(dòng)也會(huì)對(duì)系統(tǒng)帶來(lái)較大的影響。

二是模糊控制，這一控制技術(shù)雖然不用精準(zhǔn)掌握被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，能滿足控制系統(tǒng)時(shí)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(shù)，難以及時(shí)地將控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差消除，導(dǎo)致其精度難以達(dá)標(biāo)。

三是模糊PID控制技術(shù)，主要是對(duì)上述兩種控制技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)集合起來(lái)，不僅不用精準(zhǔn)掌握被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，而且系統(tǒng)控制性能好，通過(guò)計(jì)算誤差和誤差變化率，就能從既定模糊規(guī)則對(duì)系統(tǒng)參數(shù)及時(shí)地修訂，使得系統(tǒng)的運(yùn)行更加穩(wěn)定。

由此可見(jiàn)，模糊PID控制技術(shù)也是柔性涂裝自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)中的電氣自動(dòng)化關(guān)鍵技術(shù)，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，應(yīng)緊密結(jié)合實(shí)際，加強(qiáng)對(duì)模糊PID控制方案的設(shè)計(jì)。由于模糊PID算法綜合了PID與模糊控制兩種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，結(jié)合偏差的切換控制策略，其具體的控制原理詳見(jiàn)圖3所示。

在圖3中，首先是利用光電編碼器對(duì)實(shí)際電子及轉(zhuǎn)速與給定轉(zhuǎn)速進(jìn)行檢測(cè)和對(duì)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(yīng)的模糊控制規(guī)則而獲得輸出量，并通過(guò)模糊求解得到最終修正量，從而實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)的實(shí)時(shí)更新，并結(jié)合常規(guī)PID控制獲得最終輸出。

由此可見(jiàn)，模糊PID控制是結(jié)合偏差來(lái)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(duì)性的模糊控制規(guī)則，從而達(dá)到減少超調(diào)量的目的，調(diào)節(jié)時(shí)間也能得到相應(yīng)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(hào)，并利用功率放大器將其放大之后，對(duì)變頻器頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，達(dá)到控制輸送帶電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。

5? 結(jié)語(yǔ)

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(gè)性化和多樣化的追求，柔性化生產(chǎn)已成為關(guān)鍵所在。因此，本文主要從高壓靜電噴涂技術(shù)、RFID識(shí)別、變頻技術(shù)傳遞技術(shù)、模糊PID控制技術(shù)四個(gè)方面，對(duì)汽車涂裝電氣自動(dòng)化關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析，以更好地促進(jìn)汽車涂裝的電氣自動(dòng)化水平得到提升和優(yōu)化。

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