涂裝車間小型半自動發泡產線的集成與應用

馬天宇

（北京奔馳汽車有限公司，北京 100176）

1 前言

隨著人民生活水平的提高和“工業4.0”的蓬勃發展，汽車制造業也迎來了新的挑戰。消費者開始更多地關注汽車質量以及駕駛體驗的提升，這就對汽車制造商提出了更高的要求。尤其是隔音降噪、隔絕熱空氣等感官功能。目前能較好地實現此類型性能改善的做法就是將輕量化的雙組分聚氨酯發泡膠作為填充物對車身腔體進行填充。眾所周知，車身主體結構是由金屬板材件焊接而成，為了實現輕量化和裝配，在機艙焊接過程中會形成一定的腔體縫隙，這些腔體為非真空環境，難以隔絕聲音和外部環境中的熱量。雙組分聚氨酯在進行發泡反應后會瞬間將腔體填滿，可灌注、噴涂等方式施工，對車體內如鋼板夾層等部位，有良好的可操作性。其蓬松的孔狀結構可以很好地吸收隔絕噪音，并且能阻斷車身內外的熱量傳遞，同時其體積大而重量輕，不會對車的動力性能造成影響。良好性能的實現依賴于高精度的設備和加工人員熟練的準確無誤的操作，即生產環節中的“人、機、料、法、環”。綜合加工設備、加工工藝流程、成本以及生產戰略布局，采用小型半自動手持發泡裝置，并進行工藝、輸送系統的接口設計集成，實現整車的高工藝質量。

2 工藝布局

發泡膠噴涂共分為3大區域：存儲緩沖區（Buffer）、遮蔽手工和發泡區（如圖1所示）。Buffer區主要緩存來自注蠟線體的車，用于生產節拍調節和生產緩沖；遮蔽區分為貼遮蔽和去遮蔽，分別置于發泡區前后，在發泡工序前，對車身孔貼上遮蔽，防止發泡膠溢出以及防止孔位注錯。發泡站共3臺發泡設備，2個主站（如圖中實心圓點所示）由2個加工人操作，對車身上的工藝孔進行加注發泡膠，備用站（如圖中虛線外框圓點所示）作為故障時的緩沖站。3個站共用一個供料室，由PLC程序控制加料，供應設備噴涂所使用的A、B雙組分材料。

圖1 發泡站工藝布局

3 發泡設備構成

發泡設備是以西門子PLC1512作為控制系統，將供料裝置，液壓裝置以及手持發泡設備進行集成的小型半自動發泡設備（如圖2所示）。

圖2 發泡設備

半自動裝置需要加工人將槍頭注入孔位，并確認該孔位發泡程序號（每個程序號均對應唯一發泡克數），其余均有PLC自動控制完成。該設備的功能主要分為3個部分：第一是自動加料，發泡設備的料筒中裝有液位檢測傳感器和液位開關，當PLC檢測到液位低時，會自動從供料間加料，至設定液位處時會關閉閥門，停止加料。第二是保持材料恒溫恒壓，發泡設備的儲料罐中裝有加熱裝置和溫度傳感器，通過PLC的PID模塊會自動調節材料溫度在恒定范圍。同時，也會控制電機泵將材料進行循環，再經過PID算法補償，使得管路中材料壓力恒定。第三是按固定克數發泡，根據工藝質量要求和發泡材料性質，會設定A、B兩種材料的混合比，無須二次設定，加工人設定程序好后，PLC會控制電機泵以固定轉速運轉設定程序號對應的時間程序，即以固定流速乘以固定時間即為固定克數。

3.1 控制系統

控制系統是一套自動化設備的重中之重，相當于人的大腦，對設備零件的選型和功能的實現有著至關重要的影響。小型發泡設備采用西門子成熟的1512型號PLC作為控制系統的CPU，將HMI（Human Machine Interface）、I/O模塊（集成在PLC的CPU上）、SEW變頻器進行組態集成（如圖3所示）。

圖3 硬件組態

每部分的功能如下。

（1）HMI。通過西門子工控軟件的界面編寫，HMI屏幕可以對溫度、壓力、材料配比等參數進行設定，并且將報警信息實時地顯示到界面上，提醒加工人實時的設備狀態，并實現觸控的手自動切換，以便調整設備狀態和進行檢修等工作。

（2）PLC及I/O模塊。I/O模塊分為數字輸入/輸出和模擬輸入/輸出，對材料的溫度、壓力、液位狀態、開關槍狀態以及加工人設定的發泡程序號進行采集，并通過PLC的邏輯運算給出輸出量，包含開關槍動作和時間、加熱系統啟停以及泵壓調節等。

（3）SEW。發泡系統采用SEW電機作為雙組分物料管路循環，槍頭供料加壓的動力來源，接收來自PLC的控制字對電機的扭矩轉速進行調控，以達到定壓定速的功能。

3.2 供料系統

雙組分聚氨酯發泡由兩種材料組成，每種材料有單獨的供料系統，在發泡反應前，嚴禁混合。兩種材料供料系統相同，本文僅展示其中一種。

供料系統主要由儲料罐、管路、加料泵、截止閥等組成（如圖4所示）。儲料罐中安裝有液位傳感器和液位開關，管路上裝有溫度和壓力傳感器。當液位計檢測液位低時，發泡設備的PLC通過PN/PN coupler向加料間的PLC發送信號，驅動供料間的泵體向儲料罐輸料，直至液位檢測開關處，給出停止信號，加料后，溫度傳感器向PLC反饋材料溫度值，通過PLC的PID模塊驅動加熱棒使得材料溫度在恒定范圍內。

圖4 供料系統

在未開槍的狀態下，圖中所示的截止閥打開，加料泵會驅動物料在儲料罐和槍頭之間的管路中循環，在開槍時，截止閥關閉，加料泵使得物料以固定壓力從槍嘴噴出，與另一種材料混合，迅速反應，在車身腔體中形成發泡。

3.3 液壓系統

由于雙組分材料的特殊性質，管路中的材料壓力非常大，在執行開關槍動作時，需要強大的推力來帶動槍針在槍嘴中往復運動，基于此，發泡設備采用液壓裝置（如圖5所示）作為執行動力來源。

圖5 液壓系統

在未執行開關強動作時，圖中的單向閥關閉，液壓油在管路中循環；執行開槍動作時，單向閥打開，液壓系統停止循環，再通過換向閥的開閉，通過嵌在槍頭內部的執行機構帶動槍針運動。同時，液壓系統在管路中加入蓄能器和安全閥，當管路壓力過高時，液壓油會繞過槍頭循環回液壓泵，避免壓力過高，保證加工人的安全。

3.4 手持發泡設備

手持發泡設備由機械執行機構、管路以及控制器組成（如圖6所示）。管路分別對接供料系統和液壓系統。安裝在槍柄上的控制器由急停、放行按鈕，指示燈和字母數字程序號按鍵組成。需要加工人輸入由字母和數字組成的程序號，并按下確認鍵確認運行程序?？刂破魃系淖帜笖底职存I以及放行按鍵均對應一個唯一的數字輸入量，指示燈代表輸出量，即將信號給到PLC的數字輸入模塊上。PLC根據不同的I點組合，通過邏輯識別出程序號對應的材料參數，驅動系統完成車身孔位發泡任務。

圖6 手持發泡設備

同時，針對半自動發泡工藝，引入防錯程序設計。如圖7所示，車身腔體共有18個孔位需要加注發泡膠，每個孔位所對程序號均唯一，室體中的屏幕會顯示車身信息、需要加注的點位以及點位對應的程序信息。在發泡室體每進入一輛新車時，所有的信息均會實時刷新，并且通過梯形圖運算，將已經加注過的孔位進行標注，并將注過的發泡重量和車身需要加注的總重量進行百分比運算，當達到100%時，才可以給出放車信號，這樣可以避免半自動化中的人為因素導致漏注從而影響工藝質量。

圖7 孔位加注狀態

4 接口設計

如上文中介紹，小型半自動發泡站共有3臺發泡設備，并且每臺設備均有置于系統內部的獨立PLC控制。發泡設備自身無法對車型信息和車所在線體位置進行獲取，這就需要對發泡設備以及產線輸送系統進行信息交互，即接口設計。由于使用西門子PLC作為控制器，所以采用PN/PN Coupler作為媒介進行信息交互，如圖8所示。

圖8 發泡系統接口設計

前文中提到，供料間的運行也由獨立PLC控制，故此，以供料間的PLC作為中間媒介進行信息整合，三臺發泡設備均通過組態PN/PN Coupler將溫度、壓力、孔位加注情況以及工藝釋放等信號傳遞給供料間PLC,供料間PLC再通過組態的PN/PN Coupler將信息傳遞給輸送系統。輸送系統則通過逆向路徑將車型、位置等信息傳遞給發泡設備。

同時，在發泡產線的入口裝有光電檢測以及讀寫站比對系統，將需要發泡的車身放入，其余車型繞過發泡產線進入下一道工序。至此，通過發泡系統的設計與集成，能完整地實現發泡工藝流程，為高標準地完成發泡工藝提供了強有力的保障。

5 結語

綜合加工設備、加工工藝流程、成本以及生產戰略布局，通過發泡工藝以及輸送設備的設計與集成，能較好地完成生產任務，并保證工藝質量。同時，引入的人機交互設計，使得參數修改更加便捷，避免復雜的程序改動。該系統的搭建，為企業自動化、智能化產線提供了一定的參考。