涂膠機器人在汽車玻璃涂膠及裝配工藝中的運用研究

摘要：隨著汽車制造業的迅速發展，傳統的手工涂膠及裝配工藝已經無法滿足日益增長的生產效率和質量要求。為解決這一問題，首先探討了涂膠機器人在汽車玻璃涂膠及裝配工藝中的運用價值，強調其在提高生產效率和質量穩定性方面的優勢；其次，詳細介紹了涂膠機器人的具體應用，包括機器人選擇、路徑規劃、膠條涂敷、玻璃定位與對接以及質量檢測等環節。

關鍵詞：涂膠機器人；汽車玻璃；裝配工藝

中圖分類號：TP24 收稿日期：2024-08-20

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.10.027

1 前言

隨著工業自動化技術的不斷發展，機器人技術在制造業中的應用越來越廣泛。涂膠機器人作為現代化生產線的重要組成部分，已在多個領域中展現出其卓越的性能和巨大的應用潛力。在汽車制造業中，玻璃涂膠及裝配工藝是一個關鍵環節，直接關系到車輛的密封性能、安全性和整體質量。傳統的手工涂膠方式不僅效率低下，而且容易受到人為因素的影響，導致涂膠質量不穩定。涂膠機器人通過精準地控制和高效地操作，大幅提升了涂膠及裝配工藝的效率和質量。同時，隨著技術的進步，涂膠機器人的智能化和柔性化程度不斷提高，能夠適應不同車型和生產需求，為汽車制造業帶來了前所未有的革新。

2 涂膠機器人的運用價值

涂膠機器人在汽車玻璃的涂膠和裝配工藝中，通過自動化技術顯著提升了生產線的效率和操作的精確度。這些機器人能夠在短時間內準確地完成涂膠任務，極大地加快了生產速度。例如，在汽車玻璃安裝前的涂膠過程，機器人可以連續不斷地進行作業，而不需要休息或輪班更換，這與人工作業相比，顯著縮短了生產周期。此外，機器人可以進行極為精確的涂膠，確保膠水沿著預設的路徑均勻分布，這種精度手工作業難以達到。這不僅優化了膠水的使用量，減少了浪費，也避免了因手工涂膠不均造成的重新作業需要，從而提高了整體生產效率，推動行業可持續發展和進步。

隨著汽車設計的不斷創新和多樣化，玻璃的形狀和大小也越來越復雜多變。涂膠機器人可以通過編程快速適應不同型號和設計的汽車玻璃，輕松調整涂膠路徑和厚度。這種靈活性使得汽車制造商能夠在不犧牲生產速度和質量的前提下，適應市場對新型汽車設計的需求。同時，機器人的使用還支持小批量和定制化生產，能夠滿足特定客戶的特殊需求，從而擴大市場范圍和客戶基礎。

3 涂膠機器人具體的運用實踐

3.1 機器人選擇

在汽車玻璃涂膠及裝配工藝中，涂膠機器人的選擇和應用直接影響到產品的質量和生產效率。涂膠機器人需要滿足高精度、高效率和高穩定性的要求，同時還需適應不同車型和不同玻璃尺寸的變化。

常見的涂膠機器人包括六軸關節機器人和SCARA（選擇性順應裝配機器人）機器人。六軸關節機器人具有較高的靈活性和工作空間，適用于復雜的涂膠路徑和多角度操作。對于汽車玻璃涂膠，推薦選用六軸關節機器人，如FANUC的M-20iA型機器人，其重復定位精度可達±0.02 mm，負載能力為20 kg，最大工作半徑為1 811 mm，能夠滿足大部分汽車玻璃涂膠的需求。

涂膠系統包括膠料供給裝置、涂膠頭和控制系統。膠料供給裝置需要保證膠料的穩定供給和恒定壓力，一般選用帶有恒壓供膠系統的設備，如美國固瑞克Graco C68高壓大流量風擋玻璃涂膠泵，其出膠壓力在3 500 psi，能夠確保涂膠過程中膠料的穩定性和一致性。涂膠時可選用ST10301型號的汽車玻璃涂膠機器人，配備了先進的涂膠頭，是專為自動涂膠工藝而設計的。這款機器人采用三軸機械結構，確保了涂膠動作的精確度，非常適合于汽車玻璃的涂裝作業。

3.2 路徑規劃

在汽車玻璃涂膠及裝配工藝中，涂膠機器人的路徑規劃是關鍵環節，其直接影響涂膠的均勻性、精度以及裝配的最終效果。路徑規劃需要考慮多個因素，包括機器人運動軌跡、速度控制、膠量控制、空間避讓等，確保在整個涂膠過程中，膠線均勻且無中斷，從而保證玻璃與車身的牢固結合。路徑規劃前需要對汽車玻璃及其裝配位置進行詳細測量，生成精確的三維模型。利用三維掃描儀對玻璃邊緣和車身安裝槽進行掃描，生成高精度的點云數據，通過CAD軟件將點云數據轉化為三維模型。然后，根據三維模型確定涂膠路徑，確保膠線能夠均勻分布在玻璃邊緣和車身安裝槽內。

在實際路徑規劃中，通常采用基于軌跡的路徑規劃方法。以某型號汽車前擋風玻璃為例，玻璃邊緣的外形呈不規則曲線，涂膠路徑需沿此曲線進行規劃。首先，將玻璃邊緣曲線分段，細分為若干控制點，每個控制點之間的距離控制在5 mm以內，以確保路徑的平滑性。然后，利用B樣條曲線插值算法，通過這些控制點生成連續光滑的涂膠軌跡。在路徑規劃中，需特別注意拐角和曲率變化較大的區域。在拐角處，應適當降低機器人的運動速度，以避免膠線斷裂或膠量過多導致的溢膠現象。例如，當路徑曲率半徑小于50 mm時，機器人的速度應降低至原速度的50%，以確保涂膠質量。對于曲率變化較大的區域，通過增加控制點的密度，使路徑更加細化，從而實現精確控制。

具體操作中，將涂膠機器人校準至初始位置，確定起點和終點坐標。以某品牌涂膠機器人為例，起點設定在玻璃左下角，終點設定在玻璃右下角。路徑規劃中，機器人沿玻璃邊緣進行涂膠，路徑長度約為2.5 m。通過機器人控制系統，將規劃好的B樣條曲線輸入機器人控制程序，設定各段路徑的運動速度和加速度。通常直線段的運動速度設定為100 mm/s，拐角處速度降低至50 mm/s，加速度設定為500 mm/s2，以保證運動的平穩性。路徑規劃還需考慮空間避讓和安全防護。玻璃裝配區域通常較為狹小，周圍存在其他工位和設備。路徑規劃中，需避讓這些障礙物，確保機器人運動路徑安全無誤。例如，在規劃路徑時，需考慮車身A柱、B柱的位置，確保機器人運動時不會碰撞。同時，安裝安全傳感器，在機器人工作區域設定安全圍欄，防止人員誤入[1]。

3.3 膠條涂敷

在涂膠機器人開始工作之前，需要對設備進行全面的準備和校準。選擇適用于玻璃邊緣涂膠的膠水，常見的有聚氨酯粘結劑，具備良好的粘附性和彈性。使用之前，將膠水儲存在20～25 ℃的環境下，并保證濕度控制在50%～60%，以確保膠水性能的穩定性。對涂膠機器人的噴嘴進行清潔和維護，確保噴嘴內部沒有殘留物，噴嘴直徑一般為1.2～1.5 mm，以保證膠條寬度的精確性。開始實際涂膠前，對機器人進行校準，確定膠條寬度和厚度。涂膠過程中，要求膠條寬度在8～10 mm之間，厚度控制在3～5 mm之間。通過調整噴嘴與玻璃表面的距離，通常在5～8 mm，確保膠水均勻涂敷在玻璃邊緣。校準過程中，機器人以恒定速度移動，通常為200～300 mm/s，確保膠水在玻璃表面形成連續、均勻的膠條。

進入實際涂膠環節，機器人根據預設程序，在玻璃邊緣進行涂膠操作。涂膠過程中，噴嘴與玻璃表面保持垂直，避免角度偏差導致膠條厚度不均。機器人沿著玻璃邊緣勻速移動，噴嘴連續出膠，保證膠條的連續性和均勻性。機器人行進速度和出膠量的協調至關重要，通常情況下，膠水出膠量為30～40 g/min，確保每米玻璃邊緣上的膠水量為8～10 g。在涂膠過程中，實時監控膠水的流速和壓力。一般膠水壓力保持在0.3～0.5 MPa之間，通過壓力傳感器監測膠水壓力，確保出膠量的穩定性。如果壓力偏離設定值，機器人會自動調整出膠速度，保持膠條的均勻性。安裝在噴嘴附近的流量傳感器實時監測膠水流量，數據反饋給控制系統，確保每米玻璃邊緣上的膠水量始終在8～10 g之間。

3.4 玻璃定位與對接

在汽車玻璃涂膠及裝配工藝中，涂膠機器人的玻璃定位與對接過程是關鍵環節，直接影響涂膠質量和裝配精度。此過程需要高精度的定位系統和復雜的控制算法，以確保玻璃在涂膠和安裝過程中保持準確的位置和角度。玻璃定位需要精確的初始檢測。安裝在生產線上的光學傳感器和激光測距儀（圖1）負責測量車身和玻璃的相對位置。激光測距儀以0.1 mm的精度測量距離，確保玻璃在初始階段準確對齊。傳感器獲取到的數據被傳輸到中央控制系統，系統對數據進行分析，計算出玻璃的初始位置和角度偏差。如果偏差超過0.5 mm或0.1°，系統會發出警報，要求進行手動調整[2]。

在確定初始位置后，涂膠機器人開始進行精細調整。機器人配備了六軸機械臂，能夠靈活調整玻璃的位置和角度。中央控制系統根據傳感器提供的數據，計算出最佳調整路徑，并通過實時控制算法驅動機械臂進行精細調整。這一過程的關鍵在于閉環控制系統的應用，實時監控和調整確保玻璃在涂膠前保持最佳位置。機械臂的重復定位精度達到±0.05 mm，能夠保證每次調整都精確到位。完成精細調整后，涂膠機器人開始玻璃對接準備。對接過程中，機器人需要同時考慮玻璃的平面度和曲率，以確保涂膠均勻。使用的夾具通過真空吸附和機械夾持兩種方式固定玻璃，夾持力可調，最大可達300 N，以避免玻璃在涂膠過程中發生位移。夾具設計時考慮了玻璃的幾何特性和力學性能，確保玻璃在夾持過程中不受損傷。

在對接階段，機器人通過視覺系統進一步確認玻璃的位置和角度。高分辨率攝像頭與圖像處理軟件結合，檢測玻璃邊緣和參考點的位置，并計算出玻璃的最終調整參數。視覺系統的檢測精度可達到0.1 mm，通過實時反饋調節機械臂的位置，確保玻璃在涂膠時與車身完全對齊。機械臂需要精確對接車身的安裝孔位，安裝誤差不得超過0.2 mm。機器人通過夾具的微調功能，結合激光測距和視覺系統，確保玻璃與車身的對接精度。安裝過程中，控制系統實時監控力傳感器的數據，確保夾具施加的壓力均勻分布，避免玻璃受力不均而破損。

3.5 3D質量檢測

涂膠機器人在涂膠過程中采用激光掃描技術獲取玻璃表面的三維形狀信息。激光掃描器通常安裝在機器人的末端執行器上，其精度達到微米級別，可以捕捉到玻璃表面微小的凹凸。激光掃描過程中，掃描器會以固定的速度移動，以確保數據的連續性和完整性。掃描得到的原始數據為點云數據，這些點云數據記錄了玻璃表面的每一個細小點的位置坐標。

由于原始點云數據可能包含冗余信息，需要通過過濾算法進行處理。通過有效的過濾技術，可以去除多余數據，同時保留玻璃表面的關鍵細節。處理后的點云數據將被用于生成玻璃表面的三維模型，這個模型不僅能夠精確地反映玻璃的幾何形狀，還能夠展示任何微小的表面缺陷，如劃痕或凹陷［3］。利用過濾后的數據，可以更準確地分析和檢測玻璃的質量，從而提高生產工藝的可靠性和產品的質量。

在生成三維模型之后，接下來是模型匹配。通過將實測模型與CAD設計模型進行比較，可以確定涂膠的實際效果是否符合設計要求。這個過程中使用ICP（迭代最近點）算法，能夠在幾何上精確對齊兩個三維模型，從而可以計算出實際涂膠路徑與設計路徑之間的偏差。這些偏差數據能夠以納米級別的精度進行測量，從而確定任何超出公差范圍的誤差。例如，如果設計要求涂膠寬度為5 mm，實際測量結果為5.1 mm，則偏差為0.1 mm。這些偏差信息將反饋給涂膠機器人，以便其在后續操作中進行調整[4]。

偏差分析是整個3D質量檢測過程中最重要的環節之一。通過對偏差數據的統計分析，可以發現系統性的誤差和偶發性誤差。系統性誤差可能來源于機器人的校準問題或者工具磨損，而偶發性誤差可能由于環境因素如溫度變化導致。為了確保涂膠質量，工廠通常設定嚴格的公差范圍。如果檢測結果超出這一范圍，系統會自動標記異常區域并發送警報。

4 結語

涂膠機器人在汽車玻璃涂膠及裝配工藝中的運用不僅提高了生產效率和產品質量，還顯著降低了人工成本和生產風險。通過對其技術特點和應用效果的詳細分析，可以看到涂膠機器人在提升汽車制造工藝水平方面的巨大潛力。未來，隨著人工智能和自動化技術的進一步發展，涂膠機器人將朝著更加智能化和多功能化的方向發展，進一步優化生產流程，滿足不斷變化的市場需求。

參考文獻：

[1]龐猛.基于ABB工業機器人涂膠工作站的設計與研究[J].裝備制造技術，2023（8）：211-214.

[2]陸佳偉.某汽車車窗玻璃門夾涂膠機器人系統設計與開發[J].汽車測試報告，2023（2）：22-26.

[3]張洪亮.機器人涂膠系統的常見問題與維護技術分析[J].時代汽車，2021（13）：151-152.

[4]孫鵬濤.汽車玻璃涂膠裝配的工業機器人實訓系統結構設計[J].科學技術創新，2021（10）：153-154.

作者簡介：

高磊，男，1986年生，工程師，研究方向為機械工程，涂膠機器人在汽車玻璃涂膠及裝配工藝中運用。