汽車油漆車間Dürr 機器人內表面噴涂的模塊化編程

周嘉

（上汽通用汽車有限公司，上海 201206）

隨著整車廠自動化率的不斷提升，在油漆車間工藝中，涂膠及油漆噴涂作業逐漸被機器取代，機器人數量不斷增加。噴涂作業作為油漆車間最早實現自動化的工藝，從外表面自動噴涂加內表面手工噴涂工藝，到現在內外表面全部采用自動機器人噴涂已經成為新工廠的標準工藝流程。此外，由于汽車市場競爭日趨激烈，新車型發布速度也在不斷加快。對于整車廠而言，新車型的機器人自主編程工作也逐漸變成現場的核心業務之一。

1 Dürr 機器人內表面噴涂技術

1.1 噴涂方法

內表面噴涂和外表面噴涂一樣，可以分為跟蹤式噴涂和走停式噴涂，其優缺點見表1。

表1 跟蹤式與走停式內噴機器人站的優缺點對比Table 1 Comparison of advantages and disadvantages of line-tracking and stop-and-go interior spraying robot stations

跟蹤式噴涂和走停式噴涂各有優缺點。采用跟蹤式噴涂的最大優點是輸送方式為輸送鏈，站前站后不需要過渡段，所需的噴房短，可以減少噴房初始投資和日后的運行成本；而采用走停式噴涂的最大優點是有利于車身的準確定位，且系統故障少。

由于白車身內表面結構復雜，在噴涂過程中不可避免地會出現機器人霧化器與車身距離較近的情況(最近處可能小于1 cm)，這就要求車身的定位必須十分精確，定位精度要求達到±1 mm，以防由于車身定位偏差而造成機器人與車身相撞。為了避免此情況發生，大部分汽車主機廠采用走停式噴涂。

走停式噴涂的定位方法有兩種──夾緊定位和定位銷定位，后者往往更加準確且穩定。

1.2 內表面機器人的布置

內表面機器人布置往往分為單層結構及雙層結構，如圖1 所示。單層結構是標準配置，噴涂機器人安裝于同一水平面上；雙層結構為非標準配置，噴涂機器人安裝于兩個水平面上，噴涂機器人數量與單層相比有所增加，詳見表2。

圖1 單層(a)和雙層(b)內噴機器人配置圖Figure 1 Layouts of single-layer (a) and double-layer (b) interior spraying robot stations

表2 內噴機器人配置表Table 2 configuration of internal injection robot

1.3 工藝設備

1.3.1 計量泵

計量泵直接決定了機器人噴涂時的油漆流量，而油漆流量影響漆面的遮蓋力、流掛極限以及整車外觀，一般設置為200～ 400 mL/min，但是在棱角、落水槽等位置會根據具體情況進行設定。噴涂機器人往往使用齒輪泵作為油漆流量的計量泵。計量泵的準確性對油漆流量的影響極為關鍵，需要定期對計量泵進行流量標定。

1.3.2 成型氣

需采用雙環成型氣，即在同一半徑下有相鄰的兩道成型氣孔。如圖2 所示，一道成型氣較寬，另一道成型氣較窄，通過控制兩道成型氣的出氣量就可以更易獲得比單環成型氣精準的噴幅，有利于小面積噴涂，提高噴涂質量。

圖2 成型氣的控制原理Figure 2 Control principle of shaping air

1.3.3 高壓發生器

對水性3C2B 工藝來講，中涂、色漆內表面霧化器不配置高壓電極，清漆才需配置高壓電極。原因如下：

(1) 內板空間狹小，無法使用外置電極，只能使用內加電方式，而中涂、色漆為水性漆，不宜使用內加電方式。

(2) 中涂漆固體含量高(可達65%左右)，即使不加電，也可以通過噴涂參數調整來達到膜厚要求。

(3) 色漆由于膜厚要求低，只需起到覆蓋作用，不加電也可以達到要求。

(4) 清漆一般為2K 溶劑型漆，一方面可以使用內加電模式，另一方面由于其固含量只有45%左右，若要達到膜厚要求，需要施加一定電壓。

1.3.4 旋杯

因噴涂面積小，噴涂槍距短，所需油漆流量小，故使用直徑小的旋杯可以在相對較低的轉速下實現油漆的高效霧化，一般選用直徑為59 mm 的旋杯。

1.4 工裝夾具

前蓋/后蓋夾具的端頭要配置一個圓圈，直徑50～ 100 mm，為豎向，以便開蓋機器人的鉤子可以方便地將前蓋/后蓋掀起，如圖5 所示。需要注意的是，夾具端頭不可超過滑撬的端頭，以免影響安全光柵的正常使用。前門/后門夾具一般采用鉸鏈式，開門機器人可以直接用力將車門打開和關閉。

2 Dürr 機器人模塊化編程研究

2.1 常規編程模式

通常在進行機器人編程時都會采用先離線后在線的線性編程模式，但是由于整車廠的項目周期往往比較緊湊，在線調試時間又比較零散，只能利用停產時間進行在線調試。如果使用傳統的線性編程模式，整個調試周期會被拉長，時間利用率不高，且易造成項目中錯誤發生率上升。故針對整車廠新車型編程環境，研究了模塊化編程方式。

2.2 模塊化編程模式

通過對離線編程和在線調試的任務進行歸納分配，將整個編程階段分為車身測量、離線仿形、開門開蓋仿型調試、在線調試及參數優化五塊，如圖3 所示。通過合理的時間分配及離線模擬，減少現場調試時間，從而縮短整個項目周期，提升人員工作效率。

圖3 模塊化編程流程Figure 3 Modular programming process

2.2.1 車身測量

車身測量，即測量車身在噴涂站內的精確位置，通過在離線數模(Local 程序)上的特征點軌跡，與實際站內車身(World 程序)上的特征點軌跡對應，從而獲得車身在站內的實際空間位置(如圖4 所示)，這樣通過編程軟件所完成的機器人仿形就可以精準地應用到生產現場。

圖4 車身坐標測量Figure 4 Coordinate measurement of car body

由于內表面噴涂的精度要求比外表面噴涂更高，在時間充裕的情況下，現場往往會在車前部和后部各尋找一組特征點軌跡，分別應用于前部和后部的機器人，已滿足更高的噴涂精度要求。

2.2.2 離線仿形

與外表面仿形編程一樣，內表面仿形同樣需要先進行離線編程，流程如圖5 所示。首先需要確定好四門兩蓋的打開角度，一般會確定全開、半開、全關三個角度。由于之后的編程中這個角度一旦出現變化，大部分的仿形程序都需要重新制作，因此這個角度選擇一定要慎重，一經確定，在離線過程中不能更改。完成開門開蓋的角度確認后，就可以利用停產時間進行開門開蓋機器人的仿形調試。

圖5 離線仿形模塊化編程流程Figure 5 Modular programming process of offline profiling

在之后的噴涂機器人離線仿形編程中，需要注意以下幾點：

(1) 機器人的移動速率一般在700～ 800 mm/s，加速度約為3 500 mm/s2。

(2) 由于內表面噴涂時空間都比較狹小，一定要注意機器人與車身之間保持好安全距離，避免與車身發生擦碰。

(3) 在轉向位置尤其是急轉彎時要設置過渡點，保證霧化器轉向時軌跡較平順，并且與車身表面保持一定距離。如果轉向角度過大，建議先關槍，以避免流掛。

(4) 對于后舉門頂部鉸鏈的落水槽位置，由于后蓋全開位置往往無法對此區域進行噴涂，需在一個半開位置從后舉門上方對此區域進行噴涂。

(5) 由于內板結構復雜，無法如外表面噴涂一樣能保證較為一致的槍距，因此在離線編程中需要多設置不同的參數，以保證噴涂質量。

完成了噴涂機器人的仿形編程后，需要對各機器人的噴涂邏輯及碰撞區進行設定。由于內表面噴涂站較外表面噴涂站有更多的機器人，因此在碰撞區設定時不僅要考慮相鄰噴涂機器人直接的邏輯關系，還要考慮到與開門開蓋機器人的邏輯關系。在編程時，除了使用碰撞區設置(set collision(n，high/low))外，還可以通過讀取開門開蓋機器人的位置狀態來設置各機器人的噴涂邏輯。

在所有程序都編寫完成后，可以使用simulation(模擬)功能對整個程序進行驗證，在程序運行過程中通過人為暫停某一臺機器人來測試對應的碰撞區域是否生效，并且通過對碰撞區位置的不斷優化來減少操作時間，達到仿形程序的精益化，提升產能。

2.2.3 開門開蓋仿形調試

開門機器人往往為三軸機器人，其前端配有專門的開門鉤用于開關車門，開門鉤上往往還裝有傳感器以檢測是否鉤到車門或有無插到門外板。在離線仿形完成門的開度確定后(一般為80°～ 110°)即可進行開門機器人的仿形調試。一般來說，先在數模上量出此開度下鎖孔到鎖扣的距離，在現場打開至同樣距離來確定開度。調試仿形時需注意在仿形運行中開門鉤上頂針相對于門板的位置要比較固定，以減少開門鉤與門板摩擦而導致的漆片掉落。如果開門機器人使用的是力矩傳感器，那么需要在連續運行時記錄傳感器數值，以找到合理的傳感器設定值。

開蓋機器人采用與噴涂機器人一樣的六軸機器人，只是沒有噴涂所需的工藝設備，第四、五、六軸前端配有開蓋鉤，開蓋鉤法蘭面上配有力矩傳感器來識別是否正常勾住前后蓋或者前后蓋有無被卡住。在離線仿形完成前后蓋的開度確定后即可進行開蓋機器人的仿形調試。一般來說，開蓋機器人在運行過程中有5 個位置點：初始位(home)，等待位(wait position)，全關(full close)，全開(full open)，半開(half open)。其中全關、全開、半開這3 個位置通過在數模上測量發動機前杠至前蓋鎖扣距離來確定開度。調試中注意運行軌跡要盡量平滑，且開蓋鉤與前后蓋夾具的接觸點盡量保持不變，以保證開蓋順暢。在連續運行過程中要記錄力矩傳感器數值，以確定防錯用的傳感器設定值。

另外為了主程序調用方便，開門、開蓋機器人仿形在各個位置點直接單獨設置程序模塊。

2.2.4 在線調試

噴涂機器人離線仿形完成后就可以進行在線調試(如圖6 所示)，按照以下步驟進行：

圖6 在線調試模塊化流程Figure 6 On-line commission modular process

(1) 對單臺噴涂機器人的仿形進行調試，考察它在運行中與開門、開蓋機器人的配合。由于離線編程時程序往往是通過復制鏡像的方式來加快編程進度，因此在線調試時需要觀察機器人有無與車身發生碰撞。如果有發生碰撞，就需要對此臺機器人的仿形進行單獨調試，確保機器人不與車身發生碰撞。

(2) 對機器人噴涂過程中霧化器離車身的距離以及噴涂區域進行標定，可以將霧化器上的旋杯拆除，利用扎帶等工具模擬霧化器噴涂距離(一般為200 mm)，通過運行程序來確定霧化器與車表面的距離，并確保霧化器扇面對準所要噴涂的型面。

(3) 對每個機器人的碰撞區進行驗證。可以在將一臺機器人開入碰撞區域后，運行與之相干涉的機器人仿形，檢查兩臺機器人是否發生碰撞。

(4) 將所有機器人切換至自動模式，將運行速率設置成正常速率的10%后開始運行程序，確保所有機器人運行正常后，逐步將速率提升至正常速率的50%再運行，最后提升至正常速率運行一次，其間可以暫停任意一臺機器人以驗證碰撞區邏輯，直到所有機器人都可以在100%的速率下運行。

2.2.5 參數優化

在仿形能夠正式使用后，需要對噴涂參數進行優化，在離線編程時各參數往往按照經驗值來進行設定，見表3。由于內表面噴涂的扇面要求比外表面噴涂時小，因此轉速相應也小于外表面噴涂，而在兩道成型氣的設定中，成型氣1 的流量大于成型氣2，這樣使得整體噴幅更小，而且更易精確控制。一般只有2K 清漆可以施加電壓，且內表面結構復雜，邊緣較多，所以內表面只施加10～ 20 kV 的高壓。

表3 不同區域的工藝參數設定值Table 3 Process parameters in different areas

但是在實際應用中，由于每個項目的車身內表面結構都不盡相同，因此需要注意以下參數優化要點：

(1) 內表面常見的噴涂缺陷有流掛、漆薄、針孔、干噴等，需要特別注意。可以使用蝴蝶圖記錄缺陷位置，有針對性地進行參數優化。

(2) 對于一些不易噴涂的位置(如鉸鏈、凹槽)，可以通過調整成型氣量，減少噴幅，多次多角度進行噴涂等方法提升上漆量。

(3) 由于水性色漆需要有一個預烘烤過程，因此內表面色漆漆膜不宜過厚，轉向及彎角區域需要適當關槍，以防止油漆積聚造成脫水率不足而產生缺陷。

(4) 每做一個新顏色需要重新建立顏色參數表，以達到各顏色精細化的優化管理。

3 結語

車間通過模塊化的自主編程流程梳理，大大提高了編程效率，實現多人合作編程，在人力資源投入有限的情況下同時滿足了現場調試進度及新車型啟動需求。不論是內表面還是外表面自動噴涂工藝，又無論是跟蹤式還是走停式機運方式，模塊化編程思路對加速整車廠自主編程推進都具有一定的參考價值。