细密封喷涂机器人应用概述

陈家俭

（一汽-大众汽车有限公司，吉林 长春 130000）

引言

车身涂胶工作作为车身涂装的重要组成部分，在以往的生产工艺中，很多涂胶工艺都采用手工喷涂的方式，随着人工成本的不断增加，机器人技术的应用逐渐推广，自动喷涂设备成本也不断降低，机器人在自动涂胶领域应用范围不断扩大，以一汽-大众建厂的先后顺序及自动涂胶应用范围为例：

可以看出机器人自动涂胶应用领域和范围不断得到推广和应用。

车身细密封涂胶全自动化喷涂，需要采用先进的技术手段，解决细密封自动涂胶的各项技术难点。使用机器人喷涂替代人工进行细密封自动喷涂，结合以往的车身底板和座舱自动喷涂技术，一汽-大众率先在国内实现全车身涂胶无人化，提升了车间生产的自动化率，减少了自动涂胶尤其是细密封自动喷涂对于高技能人员的依赖性。

表1

该技术的应用使得车身密封的自动化率得到大幅提升，可以实现车身的100%全自动涂胶。

图1 机器人自动细密封涂胶

1 细密封自动喷涂的优势及必要性

机器人替代手工作为新工业时代的一个大趋势，机器人自动涂胶相较于手工涂胶有以下几个优势：

（1）更好的工作环境，避免了人员恶劣的工作环境，减少了人员与PVC胶（毒性）的接触；

（2）更高效的喷涂效率，降低了人员的劳动负荷，降低人工成本；

（3）更稳定的喷涂质量，减少了人员技能、情绪波动等带来的质量波动问题；

细密封喷涂主要集中在车身四门两盖折边和流水槽等车身可视区域，作为车身涂装外观的重要组成部分。人工细密封涂胶除了以上几点缺点之外，还有一个重要问题是：外观的苛刻要求对于人员技能和稳定性要求非常高。一个操作工至少要培训一个月甚至更长的时间才能完成车身一条或两条胶的熟练操作，对人员的多技能率和顶岗操作也非常不利，尤其是在车身结构复杂的情况下，该问题更为突出。

目前的车身设计也越来越新锐，车身结构也导致了手工细密封涂胶越加困难。例如全新A4L车型，车身前门与翼子板之间的间隙最小仅有 2.9mm，手工枪嘴根本无法进入，此外车身锐利的腰线也给手工打胶带来了很大的困难。因此在特定情况下必须使用机器人自动涂胶来完成车身的细密封涂胶工作。

2 细密封自动喷涂的设计思想

细密封自动喷涂由于涂胶质量要求高，对设备的精度、稳定性和适应性要求非常高，涂胶的尺寸偏差必须控制在毫米以下的尺度范围内才能保证胶条外观质量。

由于细密封的外观要求，胶条必须准确、稳定、均匀一致，这就对设备、车身、材料等因素提出了很高的技术要求：

图2 奥迪A4L车型的细密封喷涂范围

（1）设备必须具备极高的精度和很大的灵活性，精度级别必须要达到0.1mm级别，该精度不仅是定位精度，必须是运动时的轨迹重复精度，因此需要应用高精度的机器人技术；

（2）设备必须具备一定的工作范围，以便机器人可以覆盖车身细密封的全部区域，如四门两盖、轮罩、流水槽、尾灯等区域；

（3）车身不同位置的涂胶由于车身结构不同，因此枪嘴形式不同，同一条生产线要生产不同的车型，为了充分利用机器人资源，有限的机器人数量要完成所有的胶条喷涂，机器人就必须具备不同的喷嘴的更换能力，在喷涂不同胶条时使用不同的枪嘴。

（4）因为精度要求比较高，因此车身的定位精度也必须非常高，由于现有的机械化运输设备无法达到毫米级以下的定位精度，因此必须使用先进的技术手段对车身进行精确定位。

（5）细密封很多区域都是对车门和前后盖进行涂胶，由于这些部件在车身上属于非固定件，这些件的位置在不同车身上定位存在差异，因此设备必须能够识别这些件的具体精确位置。

（6）除了精确的定位以外，为了获得良好的外观，胶条的出胶流量必须配合机器人的运动进行精确控制，必须要用非常精确的胶体流量控制系统；

（7）环境、材料的温度对胶条的外观影响也至关重要，因此，必须配合精密的温控系统才能获得稳定均匀的胶条外观。

3 细密封自动喷涂技术方案

3.1 采用高精度控制的七轴工业机器人

该技术需采用高精度的六轴工业机器人，机器人重复定位精度需达到 0.05mm-0.07mm，为了获得更好的轨迹精度，还必须要配合机器人的高精度运动控制软件。为了扩大机器人的工作范围，配合使用七轴直线轴,七轴定位精度达0.1mm，七轴长度根据机器人站的长度进行配置，可以按需扩展机器人的喷涂范围，以便覆盖整个车身。

图3 A4L车型细密封自动喷涂站机器人工作划分

3.2 采用视觉识别系统识别车身位置

为了精确定位车身，系统需要配备视觉3D测量系统，通过布置在机器人站中的4个（或以上）摄像头，拍摄车身上的特征孔位，通过图形像素计算和坐标转换，可以计算得出实际车身与理论车身的位置偏差，该偏差值由通信网络发送给机器人，由机器人在喷涂时进行位置补偿。该系统可以识别偏差在50mm范围的车身并进行精确校正。

图4 车身定位识别系统

3.3 采用光学扫描系统识别车身部件精确位置

为了精确得知车门、前后盖等这些部件的实际位置，机器人系统配备了一套光学扫描设备，在喷涂前，机器人携带该扫描设备对车门和后盖进行一周的扫描，通过图形和标准位置的比对，得出门盖的实际偏差位置，然后由机器人在涂胶前进行补偿计算。

图5 车身部件位置扫描系统

3.4 采用高精度伺服控制计量泵系统

为了精确控制胶的出胶量，传统的涂胶压力式控制系统已经无法适应如此高的要求了，因此该系统需要配备先进的高精度伺服控制计量泵系统。PVC胶通过一定的压力进入计量泵活塞缸体后，活塞被精密的滚珠丝杠推动，由于运动源来自于带位置反馈的精密控制伺服电机，由机器人控制器直接进行运动控制，因此出胶量的大小可以被精确控制，控制精度可达1%。配合喷枪处的压力传感器对出胶压力进行实时监控和反馈，可以形成闭环控制系统，提升了出胶的稳定均匀性，并能结合车身结构和机器人速度进行适应性调整。

图6 带伺服电机的计量泵系统

3.5 高精度温度控制系统

涂胶外观会受到材料粘度的影响，而材料的粘度对温度非常敏感，为了保证稳定良好的胶条外观，需要对胶温进行精确的控制。传统的胶温控制系统采用水域换热系统，使胶和受控温度的水进行热交换，但该系统温控精度稍差，且该系统对水质要求高，长时间运行之后系统容易腐蚀泄露。目前细密封自动喷涂系统大都采用先进的电控Peltier进行温控，可以直接对胶进行加热和制冷，反应迅速，配合PID和枪嘴的温度检测传感器可以实现闭环控制，控制精度可以达到±1.5℃。

图7 珀尔帖Peltier效应

图8 风冷Peltier温控系统

3.6 采用精细枪嘴实现精细化涂胶

由于车身结构的限制，车门缝隙等位置空间狭小（A4L最窄处仅有2.9mm）。常规的枪嘴尺寸无法满足细密封自动喷涂的要求。细密封自动喷涂需采用高精度的加工技术，枪嘴外径尺寸可以达到 1.6mm，中空结构用于输送胶材料，材料压力可达100Bar左右，枪嘴的出口尺寸仅0.3mm，枪嘴的加工精度需要控制在0.2mm。

图9 奥迪A4L前门细密封枪嘴

3.7 采用全自动化换枪嘴系统

图10 自动换枪站

图11 枪嘴基座及枪嘴更换部分

为了使细密封自动喷涂机器人得到充分的利用，同一台机器人喷涂相同车身的不同的部位，或同一台机器人喷涂不同的车身，都需要使用不同的枪嘴，因此枪嘴在机器人上的安装和拆卸需要一套自动换枪系统， 快速地进行切换，全过程实现智能化全自动过程，并且在更换枪嘴之后会使用压缩空气对枪嘴进行吹扫，并使用枪嘴自动检测系统对枪嘴进行位置精确校正。

3.8 枪嘴自动检测系统

由于枪嘴非常纤细，在设备故障或车身变形时，枪嘴可能会受到碰撞，或在更换枪嘴后枪嘴的位置会发生轻微的变化，为了精确定位枪嘴偏差尺寸便于机器人进行校正，细密封自动涂胶系统采用一套光学摄像头设备，每次喷涂前对枪嘴进行定位拍照，然后和标准位置进行比对计算坐标得出准确的偏差值，如果在偏差范围之内会对机器人的轨迹进行补偿，如果超出偏差允许范围则直接自动更换新的枪嘴。

图12 枪嘴自动检测系统

3.9 涂胶实施流程

当上一台车身喷涂完成之后，下一台车身同时进入机器人站，在机器人进入室体的过程中，机器人会根据车身类型更换枪嘴，并进行枪嘴吹扫和枪嘴检测得出枪嘴偏差值，同时计量泵会启动胶循环以控制和保持胶温，当车身进入室体后，车身被机械锁定，然后由3D摄像系统对车身进行定位计算出车身准确位置，机器人再对车身的各个涂胶部位进行扫描计算出车身部件的偏差位置进行轨迹补偿，然后经过偏差叠加计算，以精确的运动控制携带枪嘴进入车身门缝等空间，配合精确的计量泵系统保持稳定的涂胶流量进行涂胶，待完成一个部件涂胶之后，再次更换枪嘴继续进行下个部件的涂胶直至所有部件完成涂胶工作。

4 总结

该技术由于技术难度大，应用经验少，国内其它车企尚未有应用案例。经调查国内主流的品牌和汽车厂，我司是采用该细密封全自动喷涂技术在国内属于唯一批量使用且应用广泛的车企：

表2

随着工业自动化程度的不断提高，该应用也会在各个车企逐渐推广使用。截止目前，东方本田、广汽、上汽大众等多个车企前来交流借鉴经验，也准备在其生产线适时引进该技术进行应用和推广。

通过该技术的应用，可以全面实现涂胶的自动化喷涂，提升自动化生产率，降低劳动负荷，改善工作环境，属于涂胶领域的必然发展趋势。