涂裝車間PVC機(jī)器人噴涂系統(tǒng)的工作原理及典型故障解析

劉宗春，馮元科

（一汽?大眾汽車有限公司成都分公司，四川 成都 610100）

汽車行業(yè)普遍采用PVC(聚氯乙烯)膠對(duì)車身焊縫進(jìn)行密封和底部噴涂，其主要作用是密封、防腐蝕和防石擊。一汽大眾成都分公司涂裝車間采用杜爾的機(jī)器人對(duì)車身底盤焊縫、前后艙焊縫及底盤區(qū)域進(jìn)行PVC噴涂，實(shí)現(xiàn)對(duì)底盤焊縫的全覆蓋，底盤噴涂面積達(dá)到5.5 m2，噴涂膜厚300 ~ 1 200 μm不等。由于采用機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自動(dòng)噴涂過(guò)程，因此機(jī)器人噴涂系統(tǒng)的質(zhì)量保障尤為重要。

1 PVC噴涂系統(tǒng)

在涂裝車間，PVC噴涂用的杜爾機(jī)器人分為GAD(車身焊縫噴涂)和UBS(車身底部防護(hù))兩種。本文以GAD機(jī)器人的噴涂系統(tǒng)為例進(jìn)行分析。

PVC機(jī)器人噴涂系統(tǒng)能夠根據(jù)不同車型進(jìn)行自動(dòng)噴涂，全過(guò)程無(wú)人控制，依靠機(jī)器人控制器中的仿形程序確定機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡，同時(shí)通過(guò)仿形程序中的噴涂流量設(shè)定值來(lái)控制膠管路各控制元件的開(kāi)關(guān)。

在機(jī)器人開(kāi)始噴涂前，通過(guò)校準(zhǔn)過(guò)程來(lái)確定不同噴涂流量對(duì)應(yīng)的控制氣壓，從而形成校準(zhǔn)表。在噴涂過(guò)程中，控制器根據(jù)仿形程序中設(shè)定的噴涂流量，通過(guò)查找校準(zhǔn)表中的參數(shù)，確定控制元件的驅(qū)動(dòng)空氣壓力。同時(shí)，在噴涂過(guò)程中，噴涂系統(tǒng)將實(shí)時(shí)監(jiān)控噴涂的壓力及流量，以實(shí)現(xiàn)對(duì)車身噴涂質(zhì)量的監(jiān)控。

如圖1所示，在噴涂系統(tǒng)的膠路中，核心的元件主要有：(1)高壓調(diào)節(jié)器[1]，通過(guò)控制它的驅(qū)動(dòng)空氣壓力可實(shí)現(xiàn)高壓調(diào)節(jié)器不同開(kāi)度的控制，高壓調(diào)節(jié)器的驅(qū)動(dòng)空氣壓力通過(guò)比例閥來(lái)控制，比例閥通過(guò)接收機(jī)器人控制器從站的西門子模擬量模塊的電信號(hào)而控制輸出氣壓；(2)2個(gè)壓力傳感器，分別位于高壓調(diào)節(jié)器后端及3-D槍前端，用于監(jiān)控噴涂膠管路中膠的壓力；(3)流量計(jì)，用于監(jiān)控噴涂膠管路中的膠流量；(4)開(kāi)斷控制閥門HelpGun(幫槍)，用于在3-D槍開(kāi)關(guān)槍前實(shí)現(xiàn)先開(kāi)先關(guān)的作用，以解決開(kāi)始噴涂和噴涂結(jié)束瞬間膠壓不穩(wěn)定的問(wèn)題；(5)3-D槍，即3個(gè)不同角度的開(kāi)斷控制閥門，用于實(shí)現(xiàn)不同角度的噴涂。

圖1 機(jī)器人PVC膠噴涂的工藝流程Figure 1 Process flow of robotic PVC spraying

綜上所述，高壓調(diào)節(jié)器的空氣壓力在噴涂的過(guò)程中對(duì)噴涂的膠量起到至關(guān)重要的作用。因此，噴涂膠量和高壓調(diào)節(jié)器的空氣壓力之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系在噴涂系統(tǒng)中是關(guān)鍵的因素。

2 噴涂系統(tǒng)的校準(zhǔn)方法

噴涂系統(tǒng)的校準(zhǔn)在噴涂前進(jìn)行，其目的是建立高壓調(diào)節(jié)器空氣壓力與噴涂流量之間的關(guān)系。校準(zhǔn)時(shí)，通過(guò)控制器給高壓調(diào)節(jié)器9個(gè)不同等級(jí)的空氣壓力，通過(guò)壓力傳感器和流量計(jì)獲得不同空氣壓力下的膠壓力和膠流量。

杜爾的PVC噴涂系統(tǒng)采用壓力控制，即通過(guò)流量設(shè)定值找到對(duì)應(yīng)的膠壓力值，進(jìn)而找到所需的空氣壓力值。因此校準(zhǔn)過(guò)程最終要得到空氣壓力與膠壓力之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即所謂的校準(zhǔn)曲線[2]。

從圖2可以看出，在驅(qū)動(dòng)空氣的校準(zhǔn)范圍0.14 ~ 0.35 MPa之內(nèi)，通過(guò)高壓調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)，空氣壓力與膠壓力基本上呈線性關(guān)系，只是當(dāng)空氣壓力在0.32 MPa以上時(shí)，膠壓力變化較小。因此，機(jī)器人控制器將截取具有良好線性關(guān)系的一段用于實(shí)際控制，從而實(shí)現(xiàn)噴涂過(guò)程的半閉環(huán)控制。

圖2 PVC膠噴涂時(shí)的校準(zhǔn)曲線Figure 2 Calibration curve for spraying PVC material

在自動(dòng)噴涂過(guò)程中，機(jī)器人的仿形程序中將設(shè)定噴涂的流量，在校準(zhǔn)表中找到對(duì)應(yīng)的膠壓力，機(jī)器人控制器再據(jù)此查找到所需的空氣壓力。如圖1所示，控制器將此空氣壓力設(shè)定值轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，傳遞至從站ET200S中，進(jìn)而控制高壓調(diào)節(jié)器的開(kāi)度，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)膠流量的控制。

同時(shí)，機(jī)器人自動(dòng)噴涂系統(tǒng)也對(duì)噴涂的實(shí)際膠流量進(jìn)行了監(jiān)控。隨機(jī)抽取某一時(shí)間段內(nèi)20臺(tái)車身底板噴涂中單個(gè)機(jī)器人的出膠量，發(fā)現(xiàn)噴涂膠量的誤差在1%以內(nèi)。另外，機(jī)器人控制器實(shí)時(shí)對(duì)噴涂的膠流量進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)實(shí)際流量和設(shè)定值誤差超過(guò)0.3 mL/s時(shí)，機(jī)器人控制器將報(bào)警并停止噴涂。

3 典型故障——閥島卡頓導(dǎo)致噴涂中斷問(wèn)題的分析及改進(jìn)

GAD機(jī)器人噴涂系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)對(duì)膠流量的監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了對(duì)噴涂質(zhì)量的保證。在噴涂過(guò)程中，如果出現(xiàn)噴涂膠流量誤差超過(guò)設(shè)定值的20%時(shí)，噴涂系統(tǒng)將報(bào)警并停止設(shè)備運(yùn)行。

在機(jī)器人噴涂過(guò)程中，易出現(xiàn)機(jī)器人因噴涂中斷而導(dǎo)致系統(tǒng)報(bào)“流量誤差超出誤差范圍”的故障。如圖1所示，機(jī)器人噴涂過(guò)程中主要涉及3個(gè)設(shè)備的開(kāi)關(guān)控制：(1)高壓調(diào)節(jié)器，控制器將仿形程序設(shè)定的噴涂量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并傳遞至比例閥，從而控制比例閥給高壓調(diào)節(jié)器的供氣量，實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓調(diào)節(jié)器開(kāi)關(guān)量的控制；(2)HelpGun，其功能是在機(jī)器人噴涂過(guò)程中先開(kāi)先關(guān)，以保證噴涂開(kāi)槍和關(guān)槍時(shí)的噴涂外觀；(3)3-D槍閥，通過(guò)開(kāi)關(guān)槍閥實(shí)現(xiàn)終端出膠的控制。

當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)噴涂中斷的情況時(shí)，主要存在如下原因：(1)高壓調(diào)節(jié)器內(nèi)部卡頓；(2)HelpGun或者3-D槍閥門卡阻；(3)供氣管路的彎折導(dǎo)致供氣中斷；(4)閥島卡頓導(dǎo)致空氣氣壓輸出中斷。

憑筆者10年的PVC噴涂機(jī)器人設(shè)備管理經(jīng)驗(yàn)，閥島卡頓是最常見(jiàn)的噴涂問(wèn)題，因此本文重點(diǎn)對(duì)閥島卡頓的現(xiàn)象進(jìn)行分析。

閥島卡頓后將導(dǎo)致由閥島控制的壓縮空氣無(wú)法供給至HelpGun和3-D槍，無(wú)法實(shí)現(xiàn)通過(guò)閥門開(kāi)關(guān)來(lái)進(jìn)行噴涂控制。當(dāng)出現(xiàn)閥島卡頓時(shí)，由于控制閥門無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)開(kāi)關(guān)，因此流量監(jiān)控將起作用。例如，當(dāng)仿形程序要求流量為20 mL/s，而實(shí)際噴涂過(guò)程中由于閥門未打開(kāi)而無(wú)膠流量時(shí)，機(jī)器人噴涂系統(tǒng)將報(bào)“流量監(jiān)控超出誤差范圍”故障而停止噴涂，需要維修人員進(jìn)行故障排查。在杜爾的機(jī)器人噴涂系統(tǒng)中，閥島采用二位五通的閥片進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制，由端口2/4作為輸出口，關(guān)斷時(shí)通過(guò)2/4端口和閥片的3/5端口連通泄氣。經(jīng)排查發(fā)現(xiàn)，閥島上的閥片在有驅(qū)動(dòng)信號(hào)的情況下并不動(dòng)作，應(yīng)是閥片內(nèi)部卡死所致。進(jìn)一步拆開(kāi)閥片和閥島底座的連接，發(fā)現(xiàn)閥片底部有明顯的膠霧，顯然是膠霧導(dǎo)致了閥片內(nèi)部粘連，從而出現(xiàn)卡頓問(wèn)題。HelpGun和閥片間只有一根氣管連接，膠霧來(lái)源于HelpGun控制氣孔和閥片的4端口的連接氣管。

HelpGun內(nèi)部分為氣路和膠路兩部分，它們之間通過(guò)密封圈進(jìn)行隔離。長(zhǎng)期的運(yùn)動(dòng)將導(dǎo)致HelpGun內(nèi)部密封圈磨損，由于膠路中為10 MPa左右的高壓膠，密封圈的輕微磨損將導(dǎo)致膠路中的膠滲透至氣路中。滲透至氣路中的膠經(jīng)過(guò)HelpGun氣孔在排氣時(shí)返至閥島的閥片中。因此，導(dǎo)致閥片卡頓的本質(zhì)原因?yàn)镠elpGun密封圈磨損后膠進(jìn)入氣路中，又再進(jìn)入閥片中。一般的措施是及時(shí)發(fā)現(xiàn)HelpGun密封圈的磨損并更換。但由于HelpGun為耐高壓全密閉元件，輕微的密封圈磨損不易被發(fā)現(xiàn)，同時(shí)密封圈的頻繁更換將導(dǎo)致備件成本增加。

基于上述分析，在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)HelpGun和閥片間的氣路連接進(jìn)行了改進(jìn)，如圖3所示，在連接氣管靠近HelpGun端增加快速泄氣閥。此時(shí)，在HelpGun中的閥門從打開(kāi)到關(guān)閉的過(guò)程中，內(nèi)部的壓縮空氣通過(guò)氣孔連接的氣管泄氣，在經(jīng)過(guò)快速泄氣閥時(shí)，通過(guò)快速泄氣閥進(jìn)行泄壓，避免了可能含有膠霧的壓縮空氣返至閥片中，從而避免了閥島卡頓的問(wèn)題。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的長(zhǎng)期運(yùn)行，HelpGun的氣孔連接端的氣管確實(shí)有明顯的膠霧堆積，含膠霧的空氣通過(guò)快速泄氣閥排出，而未進(jìn)入閥片中，對(duì)閥片起到了保護(hù)作用。通過(guò)一個(gè)低成本的改進(jìn)，節(jié)約了備件費(fèi)用并縮短了設(shè)備的停臺(tái)時(shí)間。

圖3 HelpGun連接的快速泄氣閥改進(jìn)Figure 3 Improvement of quick relief valve for HelpGun connection

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，杜爾機(jī)器人噴涂系統(tǒng)通過(guò)校準(zhǔn)過(guò)程、實(shí)時(shí)監(jiān)控，能夠?qū)娡康哪z壓力、膠流量進(jìn)行有效的監(jiān)控，為終端噴涂質(zhì)量提供保障。但是由于整個(gè)噴涂過(guò)程為半閉環(huán)控制，在原有的機(jī)器人噴涂系統(tǒng)中并無(wú)閉環(huán)檢測(cè)對(duì)車身的最終質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)監(jiān)控，即無(wú)直接的終端噴涂質(zhì)量的檢測(cè)和驗(yàn)證。在機(jī)器人噴涂過(guò)程中，如果膠管路中的壓力、流量傳感器失效，質(zhì)量監(jiān)控環(huán)將失效。同時(shí)，車身的實(shí)際噴涂狀態(tài)受到噴嘴霧化效果、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡及材料特性的影響，可能會(huì)出現(xiàn)噴涂位置偏移、膜厚不均勻等情況。

為了更可靠地向客戶提供高品質(zhì)汽車，建立車身質(zhì)量的終端自動(dòng)檢測(cè)將會(huì)是未來(lái)的趨勢(shì)，即通過(guò)視覺(jué)系統(tǒng)、膜厚檢測(cè)等手段監(jiān)控車身實(shí)際噴涂質(zhì)量，在出現(xiàn)質(zhì)量缺陷時(shí)及時(shí)發(fā)出警報(bào)，從而避免缺陷車身流入市場(chǎng)。