细密封机器人在车身内部焊缝涂胶的应用研究

张功，梅学华

（一汽轿车股份有限公司，吉林 长春 130012）

引言

随着国内汽车行业竞争日益激烈，提高生产线自动化率、降低人力成本支出成为各大主机厂需要面对的重要问题。以车身细密封涂胶工艺为例，目前大部分主机厂的涂装车间由于建线时间早，生产工艺仍是纯手工涂胶操作，部分主机厂则通过新建生产线或者改造现有手工线的方式引入细密封涂胶机器人。不过后者对于现有手工线体的改造量较大、空间要求较高，但不管怎么说，细密封机器人的应用大大提高了涂胶自动化水平和涂胶质量，减少了操作者作业强度的同时改善了涂胶作业环境。

本文对常见的细密封手工、细密封机器人涂胶方式进行对比，并结合一次细密封涂胶线改造研究，引入介绍了一种应用于车身内部焊缝涂胶的细密封机器人涂胶工艺。

1 常见的车身内部焊缝涂胶方式介绍

1.1 纯手工涂胶

目前，大部分主机厂的涂装车间仍采用纯手工作业的方式。涂胶工序主要为使用胶枪在焊缝上打出圆柱形胶体、使用刷子刷胶操作将焊缝进行覆盖密封、检查及余胶擦净。

1.2 GAD-INNER 机器人涂胶

随着各主机厂对自动化程度要求不断提高，细密封涂胶机器人开始被引入生产线，其中大部分自动线采用1 站（部分节拍高的生产线设置2 站）、每站4 台涂胶机器人和2 台开盖机器人的布局形式。由于车身内部大部分焊缝涂胶均由机器人实现，所以这样的细密封机器人一般称为GAD-INNER机器人。自动站后仅需设置四门两盖涂胶及检查工位，提高涂胶外观质量的同时大大降低了工人劳动量。目前此种设备布局方式已成为主流方式，见图2。

图1 手工涂胶方式

图2 GAD-INNER 机器人涂胶

2 改造线的车身内部焊缝涂胶GAD-INNER 应用研究

某主机厂为平衡产能、提高节拍，拟将涂装车间原有的细密封手工涂胶线改为自动化涂胶线，我们从合理布局生产线、提高自动化程度、改善工人作业环境及提高设备利用率等方面综合考虑，尝试选择了较为先进的车身内部焊缝涂胶GAD-INNER 涂胶方式，并进行了改造方案研究。

应用GAD-INNER 机器人设备的涂胶自动站进行改造方案设计时，需要综合参考车身数模信息、生产线信息。车身数模信息主要包括车身3D 数模与车身涂胶数据，生产线信息主要包括工位尺寸、工位排布、生产节拍和输送能力等。

2.1 车身数模信息对改造的影响

（1）车身3D 数模的影响

通过分析分析车身数模信息，可以获得车体长宽高与地板结构信息，进而进行涂胶机器人的机器人本体选型。以ABB 品牌机器人为例，将车身3D 数模与涂胶数据进行转化后导入Robstudio 软件，可以分析各种规格机器人的涂胶可达性和工作量，最后选择出适合的机器人型号，如图3 所示。根据某机器人的工作范围和车体长宽信息，机器人厂家就可以计算出不产生干涉的最佳的自动站工位长宽。

图3 Robstudio 软件中的机器人选型

（2）车身涂胶数据的影响

车身涂胶数据体现了涂胶长度和空间位置信息，胶条的空间位置信息可以确定机器人型号，涂胶长度和生产节拍可以确定自动站的机器人数量。

2.2 生产线信息对改造的影响

（1）工位尺寸和工位布局的影响

对于改造线来说，工位尺寸和布局基本决定了自动站的数量与布局。以本生产线为例，如图3-1，生产线总长45 米，共有7 个手工工位，工位宽度6m，单班操作人员15 人，工位分布如图4-1 所示，作业内容分布如下：

工位1：顶盖流水槽、前围挡板涂胶、刷胶，2 人；

工位2：后围流水槽、尾灯涂胶、刷胶、刮胶，2 人；

工位3：发动机舱、驾驶舱、备胎舱涂胶、刷胶，4 人；

工位4：阻尼板铺装，2 人；

工位5：车门涂胶，刮胶，4 人；

工位6：余胶擦净、检查工位，1 人；

工位7：预留工位；

图4 -1 改造前手工工位布局图

图4 -2 改造后自动工位布局图

本次改造主要是为了使内舱涂胶实现自动化，同时能够保证其他工位操作内容不受影响，因此受生产线长度和工位数量限制，细密封涂胶线仅能布置1 个自动化涂胶站。同时为了便于后续手工 工位对涂胶质量进行检查，一般将自动涂胶站设置在生产线的前端。

（2）生产节拍的影响

生产节拍主要影响自动站实际应用的机器人数量与输胶系统能力，快的节拍要求必然需求数量更多的机器人与容量更大、速度更快的输胶系统。

（3）输送系统的影响

自动站输送系统的特点是快进快出的间歇式运动方式，因此对于使用链条输送的生产线来说，需要更换为滚床输送；对于原有输送系统是滚床的改造线来说，仅需将自动站区域由原来连续式作业改为间歇式，同时增加停止位锁紧装置，以满足细密封机器人涂胶对车身输送停止位较高的精度要求。

2.3 本生产线的改造内容

根据以上对应用GAD-INNER 机器人的改造研究，对于本生产线提出以下改造方案：

（1）自动化涂胶作业范围：发动机舱涂胶、驾驶舱涂胶、备胎舱涂胶；

（2）对涂胶工位进行调整：工位宽度不变，将手工涂胶工位1、2 改造成为自动站，并新增室体，布局如图3-2 所示。原手工3 工位操作内容被自动站代替后，其他工位操作工序不变，从工位3 开始依次排列；

（3）自动站涂胶机器人数量为4 台，占用工位数为2（工位设计长度10m），增加1 套车身定位系统，1 套车型识别系统，与机器人数量相同的涂胶装置（定量泵与涂胶枪）、残胶回收装置，如图4-2；

（4）输送系统：将原来连续式作业的滚床改为间歇式，增加电机变频器并对电控程序进行修改，使其具有同进同出的快速输送功能。

3 车身内部焊缝涂胶GAD-INNER 系统选型研究

整个自动化涂胶系统主要由ABB 机器人及控制系统（Robot+IRC5）、流量控制计量泵（Sealing flow control Doser）、涂胶枪（Sealing applicator）、温控系统（Temperature control）、视觉定位系统（Vision Location）、人机化界面（Visual interface）以及输胶系统组成。其中涂胶密封功能的实现主要靠流量控制计量泵（Sealing flow control Doser）、涂胶枪（Sealing applicator），其它部分与常规的机器人功能类似。

3.1 ABB 机器人及控制系统（Robot+IRC5）

涂胶采用4 台ABB IRB4400 机器人用于自动化涂胶、2台ABB IRB2600 机器人用于打开前后盖，机器人自由度为6，外加一个Flextrack 导轨作为第7 轴并扩大机器人的工作范围，如图5。机器人由机器人本体、机器人控制器、机器人触摸屏、示教器及控制柜组成。机器人基于带FlexPendant的IRC5 控制系统，采用Robstudio 和Shopflooreditor 编程件分别实现在线及离线编程功能。

图5 ABB IRB2600/4400 与Flextrack 导轨

图6 SPA415 3D 涂胶枪

3.2 涂胶枪（Sealing applicator）

机器人配备SPA415 3D 涂胶枪，它是ABB 机器人应用的一种轻型、高压多喷嘴喷枪，具有喷涂精度高、喷涂质量可靠的特点，如图6。与普通喷枪相比，3D 涂胶枪枪头小从而更加灵活，细长的枪杆设计保证了最佳的可达性，同时配有的旋转接头使机器人在涂胶作业时可不受喷枪电缆和物料供应管的限制，减少了机器人转动节约节拍时间，实际安装图如图7 所示。

图7 3D 喷枪与普通喷枪管线安装方式对比

3D 喷嘴头安装了3 个可独立控制的喷嘴，分别可从0°/45°/75°三个方向出胶，可同时进行喷胶和挤胶作业，其中45°角为喷胶枪嘴，0°/75°为挤胶枪嘴，如图8 所示。

图8 -1 3D 喷嘴头

图8 -2 普通喷嘴头

3D 涂胶枪一般通过法兰连接于机器人的第6 轴位置，通过连接两根高压软管来实现物料供应与回流。与普通喷胶枪单独在高压软管末端集成压力、温度传感器以实现涂料温度的自动监测相比，SPA 415 3D 涂胶枪可以喷枪末端集成压力、温度传感器，使温度控制更加精确。

3.3 流量控制计量泵（Sealing flow control Doser）

流量控制计量泵系统是实现机器人精确涂胶的重要系统之一，通过它实现涂胶时出胶量的精确控制，保证机器人喷涂顺利进行。其主要由计量泵总成和控制用的电控柜、通讯线缆等部分组成，如图9 所示。控制中心与流量控制计量泵总成通信以控制流体压力和分注阀操作；流量控制计量泵总成包括了伺服电机、驱动单元、集胶室等部分，如图10 所示。

流量控制计量泵属于电动柱塞泵的一种，不同的是，伺服电机不通过驱动液压泵来控制柱塞运动，而是通过驱动齿轮、螺纹机构来控制柱塞，大大简化了流量泵结构、缩小了的尺寸。

图11 流量控制计量泵的工作流程

图11 表示流量控制计量泵的工作流程：当涂胶枪处于间隙时间时，伺服电机驱动柱塞向上运动，柱塞和缸体形成的密封体积增大，这时控制模块使集胶室入口分注阀打开，涂料从输胶管路注入到密封体积中，填充结束后控制模块控制入口分注阀关闭；当涂胶枪处于工作时间时，伺服电机驱动柱塞向下运动，柱塞和缸体形成的密封体积减小，这时控制模块使集胶室出口分注阀打开，涂料从密封体积中排除通过高压软管进入涂胶枪中。控制模块从压力传感器和流量计处接受压力读数，从而通过调节伺服电机运行状态控制涂料的输出流量与压力。伺服电机通过电机转速控制系统流量、电机转矩控制系统压力，并会对电子指令产生快速反应，保证了精确而持续的物料流动。闭环压力设计与闭环流量控制设计保证了持续的物料流动与精确控制。

在开始涂胶前计量泵中充入足量的胶量，在涂胶过程中与供胶管路断开，该特点不仅可隔离供胶管路中的压力波动， 而且可以降低供胶管路压力，减少供胶系统负荷。

3.4 视觉定位系统（Vision Location）

视觉系统由4 个相机单元（由相机、镜头和保护罩组成）、4 个卤素聚光灯照明单元、控制柜及操作装置组成，控制系统为VMT 系统。通过视觉系统实现对车身准确定位，从而实现机器人焊缝挤胶的准确性。

3.5 人机化界面（Visual interface）

得益于ABB 系列产品模块化设计的优点，机器人示教器人机化界面可以集成涂胶系统中所有设备的状态信息，包括3D 涂胶枪喷涂涂料的压力与流量、计量泵的运行状态与参数信息、温控系统控制的涂料温度与输胶系统参数等。这样的人机化界面可以同时控制机器人和工艺，使编程更加方便，工艺系统控制更加容易。

图12 人机化界面

4 结束语

可以看出，细密封机器人自动涂胶与手工涂胶在技术上有很大的不同，原因就在于内舱地板结构复杂、空间狭小，会使相邻机器人的逻辑关系变得复杂，这就需要设计者们进行细致的考虑与处理。本文结合笔者所经历过的一次生产线改造研究，简要阐述了细密封机器人涂胶工艺设计应用方案要点，并列举了一些改造采用的设备类型与优缺点，总结了部分经验，供各位同仁参考。