機(jī)器人噴涂液態(tài)阻尼膠自動(dòng)校準(zhǔn)流量方法研究

師二虎，劉鵬祥，孫曉杰，張劉斌

(1. 上汽通用東岳汽車有限公司，山東 煙臺(tái) 264006；2. 恒大恒馳新能源汽車研究院(上海)有限公司，上海 201600)

0 前 言

機(jī)器人涂膠技術(shù)在汽車制造中的應(yīng)用越來越廣泛，直接影響到車身的耐蝕防銹、密封防漏、隔熱降噪、外表美觀等方面[1]，因此，對(duì)機(jī)器人涂膠質(zhì)量有著十分嚴(yán)格的要求。機(jī)器人噴涂液態(tài)阻尼膠(Liquid Applied Sound Damping，簡稱LASD)是一種典型涂膠應(yīng)用[2]，是以人工擺放瀝青阻尼墊替代品出現(xiàn)的一種新型環(huán)保的高分子聚合物材料[3]，可顯著降低傳遞到乘客艙的噪聲，提高汽車駕、乘的舒適度。

機(jī)器人噴涂液態(tài)阻尼膠應(yīng)用的控制設(shè)備是氣動(dòng)噴涂設(shè)備，對(duì)于液態(tài)阻尼膠壓流黏度上升導(dǎo)致的噴涂流量下降情況其補(bǔ)償能力有限。機(jī)器人噴涂液態(tài)阻尼膠的方法一般采用預(yù)壓力和瞬時(shí)流量切換的控制方式，其中預(yù)壓力和瞬時(shí)流量是涂膠的主要工藝參數(shù)，預(yù)壓力是噴涂設(shè)備槍嘴開啟前管路中準(zhǔn)備的壓力，瞬時(shí)流量是槍嘴開啟后膠料在管路中流動(dòng)的體積。生產(chǎn)過程中這2個(gè)工藝參數(shù)不受外界因素的影響，是固定不變的，忽略了液態(tài)阻尼膠屬性的變化。因此，這種方法噴涂的車身質(zhì)量存在一定的缺陷，每臺(tái)生產(chǎn)車使用的膠料流量總值波動(dòng)范圍較大，涂膠質(zhì)量一致性較差，尤其是在長期停產(chǎn)后恢復(fù)生產(chǎn)的初始階段，由于停產(chǎn)時(shí)間的影響，管道中的膠料性質(zhì)已經(jīng)發(fā)生改變，直接排空整個(gè)管道中的膠料會(huì)造成大量浪費(fèi)，導(dǎo)致成本上升，這在汽車制造中是不允許的。在此狀況下，實(shí)際生產(chǎn)的前m輛車是使用變質(zhì)的膠料噴涂作業(yè)，與正常噴涂生產(chǎn)車的膠料流量總值相差可達(dá)100～150 cm3，約為總量的15%以上，噴涂實(shí)際流量值與監(jiān)控流量值之間的差值出現(xiàn)較大幅度的波動(dòng)。噴涂用量的減少直接導(dǎo)致膠料覆蓋區(qū)域密封厚度偏薄和噴涂不到位的問題，使得生產(chǎn)的部分汽車無法達(dá)到預(yù)期的減振降噪效果，該問題已成為汽車制造中亟待解決的難題。

為解決機(jī)器人噴涂液態(tài)阻尼膠的流量與膠料屬性變化無法自動(dòng)適應(yīng)的問題，本工作提出一種基于生產(chǎn)大數(shù)據(jù)和機(jī)器人Karel程序的自動(dòng)校準(zhǔn)流量的方法。根據(jù)某款車型生產(chǎn)大數(shù)據(jù)，建立膠料在輸料管道中停滯一定時(shí)間后的恢復(fù)生產(chǎn)的初始階段，前m輛車生產(chǎn)的序號(hào)與噴涂膠料預(yù)壓力和瞬時(shí)流量2個(gè)工藝參數(shù)之間的映射關(guān)系模型，相應(yīng)地調(diào)整每輛車涂膠的工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)每輛車噴涂實(shí)際流量值保持在監(jiān)控流量值上下，保證機(jī)器人噴涂每輛車的流量可監(jiān)測，達(dá)到生產(chǎn)每臺(tái)車要求的減振降噪效果。

1 噴涂流量分析

1.1 液態(tài)阻尼膠屬性

液態(tài)阻尼膠的作用機(jī)制主要是阻尼減振降噪，通過高阻尼材料附著在固有阻尼低的車身鈑金表面以獲得復(fù)合阻尼，耗散結(jié)構(gòu)件振動(dòng)能量實(shí)現(xiàn)降噪，經(jīng)過油漆烘房烘烤后發(fā)生固化，粘貼于鈑金表面[4]。液態(tài)阻尼膠常分為水性丙烯酸型、PVC塑溶膠型、橡膠型和丙烯酸塑溶膠型。考慮到環(huán)保要求，汽車行業(yè)使用的是以水性丙烯酸乳液為主體的材料[5]，其主要屬性見表1。

表1 液態(tài)阻尼膠的屬性

該材料易揮發(fā)，接觸空氣極易硬化，長期停滯在輸料管道中時(shí)，膠料的屬性會(huì)發(fā)生改變，主要表現(xiàn)在壓流黏度增大、含水量降低、流動(dòng)性變差等多個(gè)方面。

膠料屬性中壓流黏度對(duì)機(jī)器人噴涂至關(guān)重要，是影響噴涂流量的主要因素，相同預(yù)壓力下，壓流黏度越大，噴涂流量越小，導(dǎo)致汽車的減振降噪效果不佳[6]。因此，需要研究膠料在管路中長期放置時(shí)壓流黏度的變化情況。圖1是管路取樣測量膠料的壓流黏度與停產(chǎn)時(shí)間的關(guān)系。從圖1可以看出，涂裝車間管路中的膠料6 d基本處于不流動(dòng)狀態(tài)時(shí)，壓流黏度達(dá)到120 s，遠(yuǎn)高于正常生產(chǎn)時(shí)膠料的壓流黏度90～100 s，已不符合汽車生產(chǎn)的良品條件。

1.2 噴涂流量統(tǒng)計(jì)

噴涂流量大小是否符合監(jiān)控流量范圍是衡量一輛生產(chǎn)車涂膠質(zhì)量優(yōu)良的標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)某款車型生產(chǎn)大數(shù)據(jù)，依次統(tǒng)計(jì)停產(chǎn)1～6 d后生產(chǎn)開線前200輛車的實(shí)際噴涂流量數(shù)據(jù)，其結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出，前150輛車的噴涂流量與監(jiān)控流量相差較大，且呈逐步上升趨勢；停產(chǎn)時(shí)間越長，生產(chǎn)開線后實(shí)際噴涂流量越低。

機(jī)器人噴涂液態(tài)阻尼膠的過程中，噴涂流量大小的控制因素主要是預(yù)壓力和瞬時(shí)流量，這2個(gè)工藝參數(shù)是預(yù)先設(shè)定的。這樣使得噴涂工藝參數(shù)與膠料屬性的改變無法自動(dòng)適應(yīng)，噴涂實(shí)際流量與監(jiān)控流量之間會(huì)出現(xiàn)較大幅度的差值，發(fā)生少噴現(xiàn)象。

2 流量校準(zhǔn)模型

2.1 量變因子

規(guī)定監(jiān)控流量與原始噴涂流量之間的比值為量變因子Δy，車輛序號(hào)為Δx，建立二者的映射關(guān)系模型：

Δy=F(Δx)

(1)

以n次多項(xiàng)式擬合二者之間的函數(shù)關(guān)系，即

G(Δx)=a0+a1Δx+a2Δx2+…+anΔxn

(2)

若要計(jì)算多項(xiàng)式系數(shù)a0,a1,…,an，按非線性回歸最小二乘法原理，應(yīng)該選擇a0,a1,…,an使得下面的函數(shù)值取最小值[7]。

(3)

求S(a0,a1,…,an)對(duì)a0,a1,…,an的偏導(dǎo)數(shù)，并令其等于0，即

(4)

(5)

其系數(shù)行列式為：

(6)

那么線性方程組的解為

(7)

其中，Dk(k=1,2,…,n)是將行列式D中的第k列的元素用方程組的常數(shù)項(xiàng)μ0，μ1，…,μn代換所得的一個(gè)n級(jí)行列式。

根據(jù)量變因子計(jì)算方法，計(jì)算不同停產(chǎn)時(shí)間情況下量變因子Δy與車輛序號(hào)Δx的映射關(guān)系。結(jié)合實(shí)際噴涂流量計(jì)算精度，以n=2和n=3對(duì)比分析計(jì)算的量變因子擬合實(shí)際量變因子的效果。圖3和圖4分別是n=2和n=3時(shí)計(jì)算的量變因子、實(shí)際量變因子與車輛序號(hào)的關(guān)系。

由求解的多項(xiàng)式系數(shù)評(píng)價(jià)非線性回歸模型擬合效果，使用式(8)計(jì)算得到相關(guān)指數(shù)R2作為評(píng)價(jià)指標(biāo)[8]，表2是n=2和n=3時(shí)計(jì)算最大殘差、最小殘差與R2的結(jié)果。

(8)

表2 殘差和R2計(jì)算結(jié)果

從圖3、圖4及表2可以看出， 計(jì)算量變因子與實(shí)際量變因子擬合效果較佳，基本可以表征實(shí)際量變因子的變化規(guī)律；n的階次越大，殘差絕對(duì)值越小，R2越接近1，說明擬合原始數(shù)據(jù)效果良好。

2.2 流量校準(zhǔn)

噴涂流量主要是受預(yù)壓力和瞬時(shí)流量的影響，因此，流量校準(zhǔn)是基于這2個(gè)工藝參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整控制參數(shù)。根據(jù)機(jī)器人噴涂液態(tài)阻尼膠的控制原理，開發(fā)Karel程序直接校準(zhǔn)每輛車噴涂的預(yù)壓力和瞬時(shí)流量的底層變量，以車輛序號(hào)Δx為輸入量，以預(yù)壓力P和瞬時(shí)流量V為輸出量。每輛生產(chǎn)車的預(yù)壓力和瞬時(shí)流量會(huì)隨著車輛數(shù)量發(fā)生改變，機(jī)器人噴涂液態(tài)阻尼膠的工藝參數(shù)與過車數(shù)量自動(dòng)適應(yīng)。圖5是機(jī)器人Karel程序根據(jù)建立的車輛序號(hào)與工藝參數(shù)模型自動(dòng)計(jì)算工藝參數(shù)的流程。

3 遠(yuǎn)程控制

為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人噴涂系統(tǒng)全自動(dòng)校準(zhǔn)流量，需要檢測停產(chǎn)時(shí)間。不同的停產(chǎn)間隔，機(jī)器人Karel程序運(yùn)行不同的流量校準(zhǔn)模型。上位機(jī)PLC通過檢測機(jī)器人非作業(yè)時(shí)間判定停產(chǎn)間隔，機(jī)器人根據(jù)上位機(jī)輸出的交互信號(hào)自動(dòng)獲取計(jì)算模型參數(shù)，直接控制噴涂設(shè)備，實(shí)時(shí)更新每輛車的工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)流量的自動(dòng)校準(zhǔn)，保證流量趨于監(jiān)控流量。圖6是上位機(jī)PLC自動(dòng)檢測非作業(yè)時(shí)間輸出至機(jī)器人進(jìn)行作業(yè)的通信流程。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

以某汽車廠涂裝車間生產(chǎn)某款車型為例，停產(chǎn)時(shí)間為3 d。正常情況下，噴涂膜厚要求(3.0±0.3) mm，寬度(75±2) mm。通過測定材料參數(shù)和設(shè)定機(jī)器人噴涂參數(shù)，驗(yàn)證流量校準(zhǔn)前后的噴涂效果，表3是試驗(yàn)測試的具體條件。

表3 試驗(yàn)測試條件

圖7為流量校準(zhǔn)前后的噴涂結(jié)果。從圖7可知，流量校準(zhǔn)前的表面噴涂不均勻，膠條寬度70 mm， 整體偏窄，膜厚2.4 mm，出現(xiàn)漏底板情況，不符合厚度要求；流量校準(zhǔn)后的表面噴涂均勻，寬度74 mm，膜厚3.0 mm，符合涂膠質(zhì)量要求。

按照n=3設(shè)計(jì)流量自動(dòng)校準(zhǔn)模型，統(tǒng)計(jì)生產(chǎn)某款車型校準(zhǔn)前后流量數(shù)據(jù)如圖8所示，發(fā)現(xiàn)前150輛車的實(shí)際噴涂流量全部在監(jiān)控流量560.00 cm3上下波動(dòng)，其中最大值為573.96 cm3，最小值為546.12 cm3，流量控制范圍保持在±3%以內(nèi)，整輛車噴涂質(zhì)量穩(wěn)定，基本達(dá)到精準(zhǔn)流量監(jiān)控的目標(biāo)。

5 結(jié) 論

(1)分析了液態(tài)阻尼膠的壓流黏度與停產(chǎn)時(shí)間之間的關(guān)系，得出管路中的膠料基本不流動(dòng)時(shí)，停產(chǎn)時(shí)間越長，壓流黏度變化越大，停產(chǎn)6 d以上，壓流黏度高于120 s，不符合生產(chǎn)良品條件。

(2)基于最小二乘法原理，建立監(jiān)控流量和原始流量的比值與車輛序號(hào)的函數(shù)關(guān)系模型，驗(yàn)證了n=2和n=3時(shí)，計(jì)算量變因子和實(shí)際量變因子的擬合效果良好。

(3)根據(jù)預(yù)壓力和瞬時(shí)流量是影響噴涂流量的主要因素，開發(fā)了機(jī)器人Karel程序直接控制工藝參數(shù)底層變量，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人噴涂液態(tài)阻尼膠的工藝參數(shù)與車輛序號(hào)自動(dòng)適應(yīng)。

(4)通過機(jī)器人自動(dòng)噴涂試驗(yàn)和生產(chǎn)實(shí)踐，驗(yàn)證了流量自動(dòng)校準(zhǔn)模型的有效性，能夠達(dá)到噴涂流量的自動(dòng)校準(zhǔn)，流量控制精度保持在±3%以內(nèi)，保證了生產(chǎn)質(zhì)量的穩(wěn)定性。

下一步將以自動(dòng)校準(zhǔn)流量模型為基礎(chǔ)，以達(dá)到噴涂流量精準(zhǔn)控制為目標(biāo)，結(jié)合生產(chǎn)大數(shù)據(jù)分析，優(yōu)化計(jì)算模型的理論方法。