汽車涂裝車間LASD噴涂機器人的應用

劉杰 張京川 徐德慶 胡志文

摘要：為滿足汽車產(chǎn)品環(huán)保要求，針對汽車減振阻尼墊的環(huán)保問題，各大汽車制造企業(yè)引入了新型環(huán)保材料LASD（水性阻尼涂料）來替代傳統(tǒng)的含瀝青材料的減振阻尼墊。介紹了涂裝車間LASD噴涂機器人系統(tǒng)的設計和安裝調試過程，以及常見問題的解決辦法。將LASD噴涂機器人系統(tǒng)的組成、各機構功能及安裝調試內容、工藝要求充分展示，對汽車行業(yè)LASD噴涂機器人設備上馬提供一個技術參考，也為汽車企業(yè)環(huán)保工作的實施提供一個成功案例。

關鍵字：LASD；阻尼；機器人系統(tǒng)；安裝調試

伴隨著國家對于汽車材料環(huán)保的要求越來越嚴格，為滿足汽車產(chǎn)品環(huán)保要求，針對汽車減振阻尼墊的環(huán)保提升，各大汽車制造企業(yè)引入了新型環(huán)保材料LASD（水性阻尼涂料）來替代傳統(tǒng)的減振阻尼墊。北京奔馳汽車有限公司投資三千多萬元，在2021年完成了噴漆一工廠的LASD機器人噴涂工藝的應用，實現(xiàn)了所有車型全部應用LASD機器人噴涂工藝，LASD由于是以水為分散介質，VOC含量很低，安全環(huán)保，應用范圍日益廣泛。本論文通過詳細闡述涂裝車間LASD噴涂機器人系統(tǒng)的設計安裝，調試應用及出現(xiàn)問題的解決等技術細節(jié)，對汽車行業(yè)LASD噴涂機器人設備上馬提供一個技術參考，也為汽車企業(yè)環(huán)保工作的實施提供一個成功案例。

LASD噴涂機器人系統(tǒng)的設計

1.LASD噴涂機器人系統(tǒng)的設計背景

北京奔馳汽車有限公司噴漆一工廠建成于2006年，是北京奔馳最老的噴漆車間，生產(chǎn)奔馳E系列和C系列兩款車型。密封膠線在改造前自動化程度較低，生產(chǎn)節(jié)拍48JPH，僅UBS就有13臺ABB機器人，實現(xiàn)車身底涂的自動化涂膠。

LASD噴涂機器人的工藝要求是在車身內部地板噴涂水性阻尼涂料，使車身地板具有消噪、減振作用。以新C系轎車為例，其工藝要求如圖1所示。

圖中車身底盤需要阻尼材料噴涂，膠線寬度不同，分別用粉色（寬55mm）、橙色（寬度65mm）和綠色（寬75mm）表示。這個阻尼材料在車身內側地板，需要機器人從車后蓋或車窗伸入機器人手臂，進行噴涂。由于噴涂量較大，節(jié)拍要求控制在48JPH，也就是每臺車循環(huán)時間要控制在75s之內，其中輸送時間至少15s，LASD噴涂機器人的識別、工作時間要控制在60s之內，故需要多臺機器人，多站噴涂，才能滿足生產(chǎn)。

2.LASD噴涂機器人系統(tǒng)的布局設計

此次增加LASD噴涂機器人工藝，為提高自動化率，并且考慮到應用LASD噴涂機器人后，車頂小天窗密封膠無法人工打膠（之前需要一個人拿膠槍進入車內，進行小天窗密封膠打膠，LASD工藝應用后，人無法進入車內踩踏車身地板）。因此，在LASD噴涂機器人區(qū)，增加一臺車頂小天窗密封膠機器人。涂裝設備安裝調試由ABB工程有限公司負責，根據(jù)工藝要求和對噴涂工作量評估，設計安裝并調試LASD&RoofDitch機器人工作站兩個站，并為以后車身前蓋密封膠涂膠預留ISS、FAD機器人安裝區(qū)域。涂裝車間LASD噴涂機器人工藝布局圖如圖2所示。

其中共有兩個LASD噴涂機器人工作站，黃色機器人為預留的FAD和ISS機器人，不是本次LASD噴涂機器人。本次共增加6臺LASD噴涂機器人，兩臺開蓋機器人和一臺車頂天窗打膠機器人，共計9臺機器人。天窗打膠機器人設置在機器人1站車身正上方，為吊掛型機器人，如圖3所示。在LASD噴涂機器人1站，共有5臺機器人，布置如圖4所示。

1站寬6m，長10m，3臺LASD噴涂機器人IRB4400分設在兩邊軌道，左側軌道1臺，右側軌道2臺；1臺開蓋機器人IRB4600設置在左后方；小天窗機器人IRB2600設置在車身小天窗正上方。

1站后方為LASD噴涂機器人2站，共有4臺機器人，布置圖如圖5所示。

2站寬6m，長10m，3臺LASD噴涂機器人IRB4400分設在兩邊軌道，左側軌道2臺，右側軌道1臺；1臺開蓋機器人IRB4600設置在右后方。

3.LASD噴涂機器人系統(tǒng)的組成

北京LASD噴涂機器人系統(tǒng)是由機器人系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)、LASD涂膠系統(tǒng)、LASD供膠系統(tǒng)、膠清洗系統(tǒng)及安全系統(tǒng)等各大系統(tǒng)組成，以及與之配套的輸送系統(tǒng)、隔離室體、平臺等。

（1）機器人系統(tǒng)? 機器人系統(tǒng)是機器人工作的主體，其主要包括：機器人本體9臺，機器人控制柜9個，機器人導軌4條，機器人示教器9個，機器人安全鏈1套，以及機器人操作臺（含人機操作界面）2個（每個站1個）

LASD噴涂機器人系統(tǒng)，每臺6軸機器人由各自的控制柜控制，開門機器人為固定位置，噴涂機器人設置在導軌上，便于前后移動，因此也稱為7軸機器人。每個機器人站有一個操作臺，用于操作和監(jiān)控機器人狀態(tài)，每個機器人控制柜上連接機器人示教器，在機器人出現(xiàn)故障和機器人調試中，手動操作示教器，來移動機器人。

機器人安全鏈，系統(tǒng)設有2條雙通道的安全鏈：緊急停止鏈和運行鏈。緊急停止鏈包括主操作面板緊急停止按鈕和示教器緊急停止按鈕，也可設一個或多個外部緊急停止按鈕，所有停止屬于0類停止。運行鏈包括自動模式停止、試驗模式停止、一般模式停止和延遲停止。除延遲停止（1類）外，其他停止均屬0類。

緊急停止復位在緊急停止后，正常的標準要求必須執(zhí)行以下兩項不同的操作，方可在緊急停止后恢復運行模式：必須手動釋放按下的緊急停止開關；必須重新向機器人各軸馬達送電（按馬達上電按鈕）。

（2）視覺系統(tǒng)? 視覺系統(tǒng)是機器人工作的眼睛，用來識別并準確定位加工的車身位置，并將信號傳輸給機器人系統(tǒng)，自動補償偏差，達到噴涂準確，其主要包括：相機8臺，相機照明燈8臺，相機保護罩8臺，以及視覺系統(tǒng)控制柜（含人機操作界面）2臺。

LASD噴涂機器人系統(tǒng)的兩個站，每個站分布4臺相機，每個相機下方是各自的相機照明燈，被設置在相機保護罩內，各設備由電纜連接匯集到視覺系統(tǒng)控制柜上，通過圖像處理計算偏差，再通過機器人PLC計算出機器人的補償值，機器人從而在噴涂中進行補償，達到車身噴涂位置的準確。

（3）LASD涂膠系統(tǒng)? LASD涂膠系統(tǒng)指的是機器人的噴涂工具，由定量機、膠管、膠槍等構成。

定量機由電動機、絲杠驅動單元、齒輪箱及材料儲存室等構成，其功能是將噴涂材料以定量、定壓的方式輸出，從而保證噴涂的量精確。定量機簡圖如圖6所示。定量機是涂膠系統(tǒng)的關鍵硬件，其工作邏輯如圖7所示。

從圖7中可以看到，當活塞在最下端，進口閥打開時，開始填充進料，活塞隨著絲杠的懸轉精確上升，填充完成后，進口閥關閉，出口閥打開，定量機定量輸出膠，按照參數(shù)設定的流量和壓力出膠，直到輸出完成。為保障輸出的連續(xù)性，一般都是兩個定量缸并聯(lián)，從而保證輸出連續(xù)。

膠槍是機器人手臂上的作業(yè)工具，其主要構成如圖8所示。

膠槍的構成主要由槍頭、槍體、鎖環(huán)、旋轉機構、傳感器單元、缸塞系統(tǒng)、安裝法蘭及連接元件等構成，槍頭有三個頭，每個頭的方向角度不同，機器人在工作中，選擇最合適的槍頭來噴涂，膠槍和機器人本體由法蘭連接。

（4）LASD供膠系統(tǒng)? LASD為水性阻尼涂料，也稱可噴涂液態(tài)阻尼材料或液態(tài)可噴涂型阻尼隔聲材料，是一種以高分子樹脂聚合物為基本成膜物，以水為分散介質，輔以填料和助劑等制備的水性高分子減振降噪阻尼材料。汽車噴涂常用的LASD為水性丙烯酸液態(tài)阻尼涂料，其主要成分和各成分功能見表1。

LASD材料選用德國漢高公司TEROSONAL7173，其濕膜密度1.45～1.55g/cm?，干膜密度0.7～0.9g/cm?，發(fā)泡率接近80%，輕量化效果顯著，使每輛車的阻尼材料控制在2～3kg，大大優(yōu)于傳統(tǒng)的瀝青阻尼墊。

該材料塑性黏度2.1MPa?s，由膠泵供給機器人涂膠系統(tǒng)，從圓形不銹鋼噸桶中抽取，采用美國固瑞克公司的25A454高黏度膠泵兩組，安裝在1000L壓盤升降架上，每組膠泵由兩個泵并聯(lián)，交替打膠，保證了膠的連續(xù)供給，控制系統(tǒng)有控制柜、氣動控制面板組成，可實現(xiàn)手動和自動控制，采用自動控制模式下，當一個膠泵的膠桶用完，另一個膠泵會自動工作，使膠可以源源不斷的供給。機器人需求供膠壓力為5～10MPa，膠泵出口壓力控制在20～25MPa，通過500μm的高壓過濾器，供給到涂膠機器人區(qū)，再經(jīng)過6個高壓調壓器，供給每個機器人。膠泵結構如圖9所示。

（5）膠清洗系統(tǒng)? 膠清洗系統(tǒng)由清洗吹掃單元、氣控單元、電控單元及膠槍噴板等組成，是清潔槍頭，防止槍堵塞的重要設備，其構成如圖10所示。其中，清洗吹掃單元主要包括吹嘴、風刀、毛刷、傳感器、加熱器及供排水管路及超聲波陣子等，如圖11所示。該設備具有通過毛刷配合超聲波清洗的功能，可有效實現(xiàn)固化殘膠的清理，配合加熱器對清洗液進行加溫，大大提高清潔效率。

（6）安全系統(tǒng)? 安全系統(tǒng)包括機器人區(qū)域安全網(wǎng)、安全鎖、光柵、安全門及急停按鈕等，將機器人區(qū)域保護成一個封閉區(qū)域，避免人員在生產(chǎn)時闖進機器人工作區(qū)，做到人員誤入后設備急停，從而保證人員安全，在緊急情況下，做到立刻停止設備。

LASD噴涂機器人系統(tǒng)的安裝調試

1.LASD噴涂機器人系統(tǒng)的安裝

LASD噴涂機器人系統(tǒng)在假期24h不間斷集中安裝，詳細安裝內容及進度見表2。LASD噴涂機器人系統(tǒng)設備安裝完成后，主要檢查內容見表3。

2.LASD噴涂機器人系統(tǒng)的調試

廢氣LASD噴涂機器人系統(tǒng)的安裝完成后，進入調試階段，首先要調好供膠系統(tǒng)，然后做供膠測試，噴板實驗。根據(jù)工藝要求，機器人噴涂寬度有55mm、65mm、70mm及75mm等不同要求，機器人槍嘴距離噴涂鐵板保持在50mm，通過控制噴涂的壓力和流量，使噴板能達到要求，并且穩(wěn)定噴涂。噴涂厚度工藝要求LASD干膜后，滿足3mm，厚度可以由機器人噴涂時速度控制。

在機器人調試前，已用Robot Studio軟件完成兩個車型的離線編程仿形工作，將LASD工作量分配給6臺機器人，然后將仿形好的程序復制到現(xiàn)場，在現(xiàn)場用示教器進行軌跡優(yōu)化，達到工藝要求，調試機器人時，盡量讓槍頭噴涂扇面和施工表面垂直，從而實現(xiàn)平滑的噴涂效果。無法保證垂直的情況下，應盡量保持出膠口方向與機器人移動（開槍到關槍）方向成銳角，通俗的說即拉著膠條進行噴涂。在距離鈑金較近的位置，可以降低zone值與噴涂速度，使之更加平滑通過狹小區(qū)域。

以奔馳新C系車局部為例，駕駛室地板有較多阻尼需求，具體噴涂工藝要求如圖12所示。為滿足其工藝，機器人從流量、速度上控制，其控制參數(shù)見表4。

實際噴涂出的LASD不會是完全理想化的長方體，會和數(shù)模中形狀略有差別，但只要控制在工藝偏差±5mm，厚度2.4～4mm，均為符合工藝，如圖13所示。

LASD噴涂機器人系統(tǒng)的常見問題及解決辦法

LASD供膠系統(tǒng)的最大問題是LASD膠容易干結，造成堵塞，膠暴露在空氣中，會造成膠中水分流失，形成干結。因此，整個循環(huán)系統(tǒng)，都要做好密封防護，如在膠泵壓盤邊緣涂抹凡士林，隔絕空氣，在高壓調壓閥排膠口末端，定期保養(yǎng)，更換密封，否則容易產(chǎn)生干膠，造成槍頭堵塞等問題，干結的LASD膠甚至會堵塞末端膠管路。為避免生產(chǎn)涂膠后未及時進入烤箱烘干膨脹，在長假期間，不能在生產(chǎn)線存留未經(jīng)烘烤，噴涂過LASD膠的車身。

LASD噴涂機器人系統(tǒng)的常見問題及解決辦法如下：

1）厚度不良。膠條寬度不變的情況下，可通過增加或減小涂膠速度來降低或增加膜厚。

2）寬度不良。修改涂膠指令中的流量（bead）參數(shù)可調整膠條寬度。bead參數(shù)值越大，膠條越寬。最大值建議不超過75mL/s。寬度調整合適后，測量膜厚確認是否需要對膜厚進行調整。

3）干涉。針對干涉位置的膠條，通過手動示教涂膠位置點遠離干涉位置；若不方便進行示教，可使用ShopFloor Editor軟件對軌跡進行離線修改。

4）分叉。膠條出現(xiàn)分叉的主要原因為槍嘴出現(xiàn)干膠或異物造成堵塞。需使用塞尺對槍嘴進行清理，去除異物保持出膠通暢。

結語

涂裝車間LASD噴涂機器人系統(tǒng)的安裝調試，在規(guī)定時間內完成，這一新工藝的應用，解決了傳統(tǒng)瀝青阻尼墊的環(huán)保弊端，有益于車身輕量化，為北京奔馳汽車有限公司創(chuàng)建綠色工廠提供了有力的支持。

這一項目得到了公司高度重視，前期論證充分，設計合理，準備工作到位，使這一項目能夠按計劃順利實施，在短期內完成了LASD噴涂機器人系統(tǒng)的應用。為企業(yè)的環(huán)保材料的應用做出了貢獻。同時也看到，LASD材料在車身減重、環(huán)保等方面發(fā)揮著積極的意義，為了保護生態(tài)環(huán)境，節(jié)能降耗，實現(xiàn)經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展，需要在工業(yè)生產(chǎn)中的各環(huán)節(jié)都考慮環(huán)保材料的應用。

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