涂裝車間PVC機器人噴涂系統的工作原理及典型故障解析

劉宗春，馮元科

（一汽?大眾汽車有限公司成都分公司，四川 成都 610100）

汽車行業普遍采用PVC(聚氯乙烯)膠對車身焊縫進行密封和底部噴涂，其主要作用是密封、防腐蝕和防石擊。一汽大眾成都分公司涂裝車間采用杜爾的機器人對車身底盤焊縫、前后艙焊縫及底盤區域進行PVC噴涂，實現對底盤焊縫的全覆蓋，底盤噴涂面積達到5.5 m2，噴涂膜厚300 ~ 1 200 μm不等。由于采用機器人實現自動噴涂過程，因此機器人噴涂系統的質量保障尤為重要。

1 PVC噴涂系統

在涂裝車間，PVC噴涂用的杜爾機器人分為GAD(車身焊縫噴涂)和UBS(車身底部防護)兩種。本文以GAD機器人的噴涂系統為例進行分析。

PVC機器人噴涂系統能夠根據不同車型進行自動噴涂，全過程無人控制，依靠機器人控制器中的仿形程序確定機器人的運動軌跡，同時通過仿形程序中的噴涂流量設定值來控制膠管路各控制元件的開關。

在機器人開始噴涂前，通過校準過程來確定不同噴涂流量對應的控制氣壓，從而形成校準表。在噴涂過程中，控制器根據仿形程序中設定的噴涂流量，通過查找校準表中的參數，確定控制元件的驅動空氣壓力。同時，在噴涂過程中，噴涂系統將實時監控噴涂的壓力及流量，以實現對車身噴涂質量的監控。

如圖1所示，在噴涂系統的膠路中，核心的元件主要有：(1)高壓調節器[1]，通過控制它的驅動空氣壓力可實現高壓調節器不同開度的控制，高壓調節器的驅動空氣壓力通過比例閥來控制，比例閥通過接收機器人控制器從站的西門子模擬量模塊的電信號而控制輸出氣壓；(2)2個壓力傳感器，分別位于高壓調節器后端及3-D槍前端，用于監控噴涂膠管路中膠的壓力；(3)流量計，用于監控噴涂膠管路中的膠流量；(4)開斷控制閥門HelpGun(幫槍)，用于在3-D槍開關槍前實現先開先關的作用，以解決開始噴涂和噴涂結束瞬間膠壓不穩定的問題；(5)3-D槍，即3個不同角度的開斷控制閥門，用于實現不同角度的噴涂。

圖1 機器人PVC膠噴涂的工藝流程Figure 1 Process flow of robotic PVC spraying

綜上所述，高壓調節器的空氣壓力在噴涂的過程中對噴涂的膠量起到至關重要的作用。因此，噴涂膠量和高壓調節器的空氣壓力之間的對應關系在噴涂系統中是關鍵的因素。

2 噴涂系統的校準方法

噴涂系統的校準在噴涂前進行，其目的是建立高壓調節器空氣壓力與噴涂流量之間的關系。校準時，通過控制器給高壓調節器9個不同等級的空氣壓力，通過壓力傳感器和流量計獲得不同空氣壓力下的膠壓力和膠流量。

杜爾的PVC噴涂系統采用壓力控制，即通過流量設定值找到對應的膠壓力值，進而找到所需的空氣壓力值。因此校準過程最終要得到空氣壓力與膠壓力之間的對應關系，即所謂的校準曲線[2]。

從圖2可以看出，在驅動空氣的校準范圍0.14 ~ 0.35 MPa之內，通過高壓調節器的調節，空氣壓力與膠壓力基本上呈線性關系，只是當空氣壓力在0.32 MPa以上時，膠壓力變化較小。因此，機器人控制器將截取具有良好線性關系的一段用于實際控制，從而實現噴涂過程的半閉環控制。

圖2 PVC膠噴涂時的校準曲線Figure 2 Calibration curve for spraying PVC material

在自動噴涂過程中，機器人的仿形程序中將設定噴涂的流量，在校準表中找到對應的膠壓力，機器人控制器再據此查找到所需的空氣壓力。如圖1所示，控制器將此空氣壓力設定值轉換為電信號，傳遞至從站ET200S中，進而控制高壓調節器的開度，從而實現預設膠流量的控制。

同時，機器人自動噴涂系統也對噴涂的實際膠流量進行了監控。隨機抽取某一時間段內20臺車身底板噴涂中單個機器人的出膠量，發現噴涂膠量的誤差在1%以內。另外，機器人控制器實時對噴涂的膠流量進行監控，當實際流量和設定值誤差超過0.3 mL/s時，機器人控制器將報警并停止噴涂。

3 典型故障——閥島卡頓導致噴涂中斷問題的分析及改進

GAD機器人噴涂系統通過實時對膠流量的監控，實現了對噴涂質量的保證。在噴涂過程中，如果出現噴涂膠流量誤差超過設定值的20%時，噴涂系統將報警并停止設備運行。

在機器人噴涂過程中，易出現機器人因噴涂中斷而導致系統報“流量誤差超出誤差范圍”的故障。如圖1所示，機器人噴涂過程中主要涉及3個設備的開關控制：(1)高壓調節器，控制器將仿形程序設定的噴涂量轉換為電信號并傳遞至比例閥，從而控制比例閥給高壓調節器的供氣量，實現對高壓調節器開關量的控制；(2)HelpGun，其功能是在機器人噴涂過程中先開先關，以保證噴涂開槍和關槍時的噴涂外觀；(3)3-D槍閥，通過開關槍閥實現終端出膠的控制。

當現場出現噴涂中斷的情況時，主要存在如下原因：(1)高壓調節器內部卡頓；(2)HelpGun或者3-D槍閥門卡阻；(3)供氣管路的彎折導致供氣中斷；(4)閥島卡頓導致空氣氣壓輸出中斷。

憑筆者10年的PVC噴涂機器人設備管理經驗，閥島卡頓是最常見的噴涂問題，因此本文重點對閥島卡頓的現象進行分析。

閥島卡頓后將導致由閥島控制的壓縮空氣無法供給至HelpGun和3-D槍，無法實現通過閥門開關來進行噴涂控制。當出現閥島卡頓時，由于控制閥門無法實現實時開關，因此流量監控將起作用。例如，當仿形程序要求流量為20 mL/s，而實際噴涂過程中由于閥門未打開而無膠流量時，機器人噴涂系統將報“流量監控超出誤差范圍”故障而停止噴涂，需要維修人員進行故障排查。在杜爾的機器人噴涂系統中，閥島采用二位五通的閥片進行開關控制，由端口2/4作為輸出口，關斷時通過2/4端口和閥片的3/5端口連通泄氣。經排查發現，閥島上的閥片在有驅動信號的情況下并不動作，應是閥片內部卡死所致。進一步拆開閥片和閥島底座的連接，發現閥片底部有明顯的膠霧，顯然是膠霧導致了閥片內部粘連，從而出現卡頓問題。HelpGun和閥片間只有一根氣管連接，膠霧來源于HelpGun控制氣孔和閥片的4端口的連接氣管。

HelpGun內部分為氣路和膠路兩部分，它們之間通過密封圈進行隔離。長期的運動將導致HelpGun內部密封圈磨損，由于膠路中為10 MPa左右的高壓膠，密封圈的輕微磨損將導致膠路中的膠滲透至氣路中。滲透至氣路中的膠經過HelpGun氣孔在排氣時返至閥島的閥片中。因此，導致閥片卡頓的本質原因為HelpGun密封圈磨損后膠進入氣路中，又再進入閥片中。一般的措施是及時發現HelpGun密封圈的磨損并更換。但由于HelpGun為耐高壓全密閉元件，輕微的密封圈磨損不易被發現，同時密封圈的頻繁更換將導致備件成本增加。

基于上述分析，在現場對HelpGun和閥片間的氣路連接進行了改進，如圖3所示，在連接氣管靠近HelpGun端增加快速泄氣閥。此時，在HelpGun中的閥門從打開到關閉的過程中，內部的壓縮空氣通過氣孔連接的氣管泄氣，在經過快速泄氣閥時，通過快速泄氣閥進行泄壓，避免了可能含有膠霧的壓縮空氣返至閥片中，從而避免了閥島卡頓的問題。經過現場的長期運行，HelpGun的氣孔連接端的氣管確實有明顯的膠霧堆積，含膠霧的空氣通過快速泄氣閥排出，而未進入閥片中，對閥片起到了保護作用。通過一個低成本的改進，節約了備件費用并縮短了設備的停臺時間。

圖3 HelpGun連接的快速泄氣閥改進Figure 3 Improvement of quick relief valve for HelpGun connection

4 結語

綜上所述，杜爾機器人噴涂系統通過校準過程、實時監控，能夠對噴涂的膠壓力、膠流量進行有效的監控，為終端噴涂質量提供保障。但是由于整個噴涂過程為半閉環控制，在原有的機器人噴涂系統中并無閉環檢測對車身的最終質量進行檢測監控，即無直接的終端噴涂質量的檢測和驗證。在機器人噴涂過程中，如果膠管路中的壓力、流量傳感器失效，質量監控環將失效。同時，車身的實際噴涂狀態受到噴嘴霧化效果、機器人運動軌跡及材料特性的影響，可能會出現噴涂位置偏移、膜厚不均勻等情況。

為了更可靠地向客戶提供高品質汽車，建立車身質量的終端自動檢測將會是未來的趨勢，即通過視覺系統、膜厚檢測等手段監控車身實際噴涂質量，在出現質量缺陷時及時發出警報，從而避免缺陷車身流入市場。