涂装车间PVC机器人喷涂系统的工作原理及典型故障解析

刘宗春，冯元科

（一汽−大众汽车有限公司成都分公司，四川 成都 610100）

汽车行业普遍采用PVC(聚氯乙烯)胶对车身焊缝进行密封和底部喷涂，其主要作用是密封、防腐蚀和防石击。一汽大众成都分公司涂装车间采用杜尔的机器人对车身底盘焊缝、前后舱焊缝及底盘区域进行PVC喷涂，实现对底盘焊缝的全覆盖，底盘喷涂面积达到5.5 m2，喷涂膜厚300 ~ 1 200 μm不等。由于采用机器人实现自动喷涂过程，因此机器人喷涂系统的质量保障尤为重要。

1 PVC喷涂系统

在涂装车间，PVC喷涂用的杜尔机器人分为GAD(车身焊缝喷涂)和UBS(车身底部防护)两种。本文以GAD机器人的喷涂系统为例进行分析。

PVC机器人喷涂系统能够根据不同车型进行自动喷涂，全过程无人控制，依靠机器人控制器中的仿形程序确定机器人的运动轨迹，同时通过仿形程序中的喷涂流量设定值来控制胶管路各控制元件的开关。

在机器人开始喷涂前，通过校准过程来确定不同喷涂流量对应的控制气压，从而形成校准表。在喷涂过程中，控制器根据仿形程序中设定的喷涂流量，通过查找校准表中的参数，确定控制元件的驱动空气压力。同时，在喷涂过程中，喷涂系统将实时监控喷涂的压力及流量，以实现对车身喷涂质量的监控。

如图1所示，在喷涂系统的胶路中，核心的元件主要有：(1)高压调节器[1]，通过控制它的驱动空气压力可实现高压调节器不同开度的控制，高压调节器的驱动空气压力通过比例阀来控制，比例阀通过接收机器人控制器从站的西门子模拟量模块的电信号而控制输出气压；(2)2个压力传感器，分别位于高压调节器后端及3-D枪前端，用于监控喷涂胶管路中胶的压力；(3)流量计，用于监控喷涂胶管路中的胶流量；(4)开断控制阀门HelpGun(帮枪)，用于在3-D枪开关枪前实现先开先关的作用，以解决开始喷涂和喷涂结束瞬间胶压不稳定的问题；(5)3-D枪，即3个不同角度的开断控制阀门，用于实现不同角度的喷涂。

图1 机器人PVC胶喷涂的工艺流程Figure 1 Process flow of robotic PVC spraying

综上所述，高压调节器的空气压力在喷涂的过程中对喷涂的胶量起到至关重要的作用。因此，喷涂胶量和高压调节器的空气压力之间的对应关系在喷涂系统中是关键的因素。

2 喷涂系统的校准方法

喷涂系统的校准在喷涂前进行，其目的是建立高压调节器空气压力与喷涂流量之间的关系。校准时，通过控制器给高压调节器9个不同等级的空气压力，通过压力传感器和流量计获得不同空气压力下的胶压力和胶流量。

杜尔的PVC喷涂系统采用压力控制，即通过流量设定值找到对应的胶压力值，进而找到所需的空气压力值。因此校准过程最终要得到空气压力与胶压力之间的对应关系，即所谓的校准曲线[2]。

从图2可以看出，在驱动空气的校准范围0.14 ~ 0.35 MPa之内，通过高压调节器的调节，空气压力与胶压力基本上呈线性关系，只是当空气压力在0.32 MPa以上时，胶压力变化较小。因此，机器人控制器将截取具有良好线性关系的一段用于实际控制，从而实现喷涂过程的半闭环控制。

图2 PVC胶喷涂时的校准曲线Figure 2 Calibration curve for spraying PVC material

在自动喷涂过程中，机器人的仿形程序中将设定喷涂的流量，在校准表中找到对应的胶压力，机器人控制器再据此查找到所需的空气压力。如图1所示，控制器将此空气压力设定值转换为电信号，传递至从站ET200S中，进而控制高压调节器的开度，从而实现预设胶流量的控制。

同时，机器人自动喷涂系统也对喷涂的实际胶流量进行了监控。随机抽取某一时间段内20台车身底板喷涂中单个机器人的出胶量，发现喷涂胶量的误差在1%以内。另外，机器人控制器实时对喷涂的胶流量进行监控，当实际流量和设定值误差超过0.3 mL/s时，机器人控制器将报警并停止喷涂。

3 典型故障——阀岛卡顿导致喷涂中断问题的分析及改进

GAD机器人喷涂系统通过实时对胶流量的监控，实现了对喷涂质量的保证。在喷涂过程中，如果出现喷涂胶流量误差超过设定值的20%时，喷涂系统将报警并停止设备运行。

在机器人喷涂过程中，易出现机器人因喷涂中断而导致系统报“流量误差超出误差范围”的故障。如图1所示，机器人喷涂过程中主要涉及3个设备的开关控制：(1)高压调节器，控制器将仿形程序设定的喷涂量转换为电信号并传递至比例阀，从而控制比例阀给高压调节器的供气量，实现对高压调节器开关量的控制；(2)HelpGun，其功能是在机器人喷涂过程中先开先关，以保证喷涂开枪和关枪时的喷涂外观；(3)3-D枪阀，通过开关枪阀实现终端出胶的控制。

当现场出现喷涂中断的情况时，主要存在如下原因：(1)高压调节器内部卡顿；(2)HelpGun或者3-D枪阀门卡阻；(3)供气管路的弯折导致供气中断；(4)阀岛卡顿导致空气气压输出中断。

凭笔者10年的PVC喷涂机器人设备管理经验，阀岛卡顿是最常见的喷涂问题，因此本文重点对阀岛卡顿的现象进行分析。

阀岛卡顿后将导致由阀岛控制的压缩空气无法供给至HelpGun和3-D枪，无法实现通过阀门开关来进行喷涂控制。当出现阀岛卡顿时，由于控制阀门无法实现实时开关，因此流量监控将起作用。例如，当仿形程序要求流量为20 mL/s，而实际喷涂过程中由于阀门未打开而无胶流量时，机器人喷涂系统将报“流量监控超出误差范围”故障而停止喷涂，需要维修人员进行故障排查。在杜尔的机器人喷涂系统中，阀岛采用二位五通的阀片进行开关控制，由端口2/4作为输出口，关断时通过2/4端口和阀片的3/5端口连通泄气。经排查发现，阀岛上的阀片在有驱动信号的情况下并不动作，应是阀片内部卡死所致。进一步拆开阀片和阀岛底座的连接，发现阀片底部有明显的胶雾，显然是胶雾导致了阀片内部粘连，从而出现卡顿问题。HelpGun和阀片间只有一根气管连接，胶雾来源于HelpGun控制气孔和阀片的4端口的连接气管。

HelpGun内部分为气路和胶路两部分，它们之间通过密封圈进行隔离。长期的运动将导致HelpGun内部密封圈磨损，由于胶路中为10 MPa左右的高压胶，密封圈的轻微磨损将导致胶路中的胶渗透至气路中。渗透至气路中的胶经过HelpGun气孔在排气时返至阀岛的阀片中。因此，导致阀片卡顿的本质原因为HelpGun密封圈磨损后胶进入气路中，又再进入阀片中。一般的措施是及时发现HelpGun密封圈的磨损并更换。但由于HelpGun为耐高压全密闭元件，轻微的密封圈磨损不易被发现，同时密封圈的频繁更换将导致备件成本增加。

基于上述分析，在现场对HelpGun和阀片间的气路连接进行了改进，如图3所示，在连接气管靠近HelpGun端增加快速泄气阀。此时，在HelpGun中的阀门从打开到关闭的过程中，内部的压缩空气通过气孔连接的气管泄气，在经过快速泄气阀时，通过快速泄气阀进行泄压，避免了可能含有胶雾的压缩空气返至阀片中，从而避免了阀岛卡顿的问题。经过现场的长期运行，HelpGun的气孔连接端的气管确实有明显的胶雾堆积，含胶雾的空气通过快速泄气阀排出，而未进入阀片中，对阀片起到了保护作用。通过一个低成本的改进，节约了备件费用并缩短了设备的停台时间。

图3 HelpGun连接的快速泄气阀改进Figure 3 Improvement of quick relief valve for HelpGun connection

4 结语

综上所述，杜尔机器人喷涂系统通过校准过程、实时监控，能够对喷涂的胶压力、胶流量进行有效的监控，为终端喷涂质量提供保障。但是由于整个喷涂过程为半闭环控制，在原有的机器人喷涂系统中并无闭环检测对车身的最终质量进行检测监控，即无直接的终端喷涂质量的检测和验证。在机器人喷涂过程中，如果胶管路中的压力、流量传感器失效，质量监控环将失效。同时，车身的实际喷涂状态受到喷嘴雾化效果、机器人运动轨迹及材料特性的影响，可能会出现喷涂位置偏移、膜厚不均匀等情况。

为了更可靠地向客户提供高品质汽车，建立车身质量的终端自动检测将会是未来的趋势，即通过视觉系统、膜厚检测等手段监控车身实际喷涂质量，在出现质量缺陷时及时发出警报，从而避免缺陷车身流入市场。