楊華 陳快 滕培欣 潘濤

上汽通用五菱汽車股份有限公司 廣西柳州市 545007

1 引言

當(dāng)前，世界經(jīng)濟(jì)和產(chǎn)業(yè)格局正處于大調(diào)整、大變革和大發(fā)展的新的歷史時(shí)期，智能制造已成為國(guó)家工業(yè)發(fā)展的主流趨勢(shì)，汽車工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化、智能化是生產(chǎn)變革的重要內(nèi)容[1]。汽車白車身涂膠工藝作為車身制造最關(guān)鍵的工藝之一，研究工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)化涂膠技術(shù)及其工藝設(shè)計(jì)非常重要。現(xiàn)階段，自動(dòng)化涂膠技術(shù)一般分為膠槍固定式機(jī)器人涂膠、膠槍移動(dòng)式機(jī)器人涂膠等方式[2]，國(guó)內(nèi)外主流自動(dòng)化涂膠設(shè)備廠商，如SCA、大銘等都采用了Fanuc 機(jī)器人內(nèi)置的模擬量出膠控制系統(tǒng)，這一系統(tǒng)調(diào)試簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好，因此得到了廣泛應(yīng)用。本文主要從汽車車身制造的角度研究了Fanuc 機(jī)器人涂膠系統(tǒng)的模擬量控制原理、工藝設(shè)計(jì)相關(guān)內(nèi)容。

2 工業(yè)機(jī)器人涂膠設(shè)備簡(jiǎn)介

機(jī)器人涂膠設(shè)備一般由涂膠泵、高壓軟管、高壓硬管、過濾單元、加熱膠管、膠槍、控制柜等組成。涂膠泵一般為伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)壓盤升降，通過壓盤擠壓膠桶出膠，然后通過加熱軟管、加熱硬管輸送至過濾單元；過濾單元起到平衡壓力、過濾雜質(zhì)及氣泡的作用，然后由過濾單元通過加熱膠管輸送至膠槍，再由膠槍通過伺服電機(jī)控制膠嘴的出膠速率。在固定膠槍式機(jī)器人涂膠系統(tǒng)中，膠槍固定于生產(chǎn)線兩側(cè)的地面或者鋼構(gòu)平臺(tái)，涂膠時(shí)，膠槍固定，由機(jī)器人夾持零件，并控制零件的運(yùn)行軌跡、運(yùn)行姿態(tài)、運(yùn)行速度來完成涂膠。而移動(dòng)膠槍式機(jī)器人涂膠系統(tǒng)中，零件不動(dòng)，膠槍則固定于機(jī)器人六軸終端，跟隨機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。

3 原理分析

3.1 通信原理

機(jī)器人與涂膠設(shè)備控制模塊的通信方式一般分為“I/O”連接及通訊線連接兩種方式?！癐/O”連接屬于硬連接，屬于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)信號(hào)傳輸，其具備高可靠性、高穩(wěn)定性，但缺點(diǎn)是通信量少。通訊線連接屬于大通道通信方式，一般機(jī)器人與涂膠控制系統(tǒng)多采用通訊線連接，且多為兼容性及穩(wěn)定性更佳的DeviceNet通訊協(xié)議，即Can 技術(shù)（控制器局域網(wǎng)）。基于模擬量控制的Fanuc 機(jī)器人涂膠模塊通?？梢蕴峁?2 組模擬“I/O”用于出膠速度的控制，即12 個(gè)AI[i]/AO[i]，換算對(duì)應(yīng)的數(shù)字量為4096，模擬量與涂膠系統(tǒng)控制電壓呈正相關(guān)的關(guān)系。因此，通過控制模擬量的值可以控制涂膠設(shè)備的控制電壓輸出，實(shí)現(xiàn)膠嘴出膠速度實(shí)時(shí)匹配機(jī)器人速度，并通過事先標(biāo)定的出膠速度與機(jī)器人涂膠速度的匹配關(guān)系實(shí)現(xiàn)對(duì)涂膠形狀的控制，如圖1 所示。

圖1 通信原理（簡(jiǎn)）

3.2 模擬量控制原理

3.2.1 機(jī)器人速度與出膠速度的關(guān)系

在基于模擬量控制的Fanuc 機(jī)器人涂膠系統(tǒng)中，膠嘴的出膠速度與機(jī)器人速度是具有相關(guān)性的，本質(zhì)上，模擬量就是這一相關(guān)性的數(shù)值體現(xiàn)。車身涂膠一般為圓柱狀膠、點(diǎn)狀膠、螺旋膠等，圓柱形涂膠是典型的條狀膠，點(diǎn)狀膠可以看做是條狀膠的一種，螺旋狀膠則是條狀膠的特殊形式。為方便闡述，本文所述推理都采用標(biāo)準(zhǔn)圓柱形條狀膠作為分析樣本。

假定某車身有一段典型的標(biāo)準(zhǔn)圓柱形條狀膠設(shè)計(jì)，且使用圓形膠嘴的膠槍設(shè)備涂膠，車身上該圓柱形條狀膠長(zhǎng)度為固定值L，如圖2 所示。使用膠槍涂膠時(shí)，膠槍從涂膠的A端均勻施膠到B 端，此時(shí)，膠槍相對(duì)零件的涂膠時(shí)間（即機(jī)器人涂膠速度）與膠嘴的出膠時(shí)間一致，此時(shí)：

圖2 車身涂膠

涂膠體積（V）為：V=πR2*L，機(jī)器人涂膠速度為VR，則機(jī)器人涂膠時(shí)間（t1）為：t1=L/VR；

總出膠量（C）為：C=Q*t，出膠速度為Q，則膠槍出膠時(shí)間（t2）為：t2=C/Q。

涂膠總體積（V）理論上等于總出膠量（C），且機(jī)器人涂膠時(shí)間與膠槍出膠時(shí)間為一致，即t1=t2，則可以推算出機(jī)器人涂膠速度與膠槍出膠速度（體積流量）的關(guān)系：

其中：

（1）R：涂膠直徑，單位：mm；

（2）VR：機(jī)器人涂膠速度（即機(jī)器人運(yùn)行速度），單位mm/s；

（3）Q：膠槍出膠速度（體積流量），單位：cc/s（即cm3/s）；

（4）V：涂膠體積，單位：mm3；

（5）L：涂膠長(zhǎng)度，單位：mm；

（6）C：總出膠量，單位：cc（即cm3）；

此關(guān)系用于表述機(jī)器人涂膠速度、膠槍出膠速度與涂膠直徑之間的關(guān)系，通過此公式可以得到機(jī)器人涂膠速度、出膠速度的匹配規(guī)律。實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)我們確定了產(chǎn)品輸入的涂膠直徑后，一旦設(shè)置好機(jī)器人的涂膠速度范圍，就可計(jì)算涂膠設(shè)備膠槍的出膠速度，應(yīng)用見本文5.3 節(jié)。

3.2.2 模擬量匹配關(guān)系

由章1 我們可知，當(dāng)模擬量（Flow command）位于最大值時(shí)，即二進(jìn)制對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)為4096，此時(shí)定量機(jī)壓力最大，膠嘴的出膠速度也為最大值。模擬量是機(jī)器人控制膠槍最大出膠速度的重要參數(shù)，其與涂膠速度成正比。本文結(jié)合Fanuc 機(jī)器人涂膠控制系統(tǒng)，直接給出這一關(guān)系：

其中：

（1）Fm：Flow command，即指機(jī)器人發(fā)送給涂膠設(shè)備的模擬量，單位：1；

（2）Q：Flow rate，指膠嘴的出膠速度（體積流量），單位：cc/s；

（3）SC：Scale factor，指比例因子，單位：1；

（4）δ：Material factor，指材料系數(shù)，單位：1；

（5）Cf：Correction factor，指比例因子的修正系數(shù)，單位：1；

（6）VR：Robot speed，指機(jī)器人運(yùn)行速度，單位：mm/s；

（7）Pb：PNT bias，PNT 偏差，單位：1；

（8）Fb：Flow rate bias，流量偏差，單位：1；

一般，Pb、Fb的值屬于機(jī)器人缺省值，δ 值僅與涂膠材料有關(guān)，當(dāng)涂膠材料一致時(shí)，δ 值一致。SC值為比例因子，默認(rèn)為1。此時(shí)，上述關(guān)系中在一般場(chǎng)景下僅存在3 個(gè)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)變量：Fm、Q、VR值。根據(jù)上述2.1 章節(jié)可知，Q、VR值的關(guān)系為已知，因此通過公式2 可以完整表述機(jī)器人相關(guān)參數(shù)、涂膠設(shè)備相關(guān)參數(shù)與模擬量之間的關(guān)系。

3.2.3 瞬時(shí)出膠速度的計(jì)算

由上述公式1、公式2 推演，可以得到模擬量與出膠速度的匹配關(guān)系（用于瞬時(shí)出膠速度（體積流量）的計(jì)算）：

公式3：

通過公式3，當(dāng)涂膠直徑、比例因子一定時(shí)，在機(jī)器人自動(dòng)涂膠過程中，通過機(jī)器人示教器中得到某一時(shí)間點(diǎn)的模擬量，可以通過此公式計(jì)算出膠嘴的瞬時(shí)體積流量。

3.2.4 瞬時(shí)機(jī)器人速度的計(jì)算

由上述公式1、公式2 推演，還可以得到模擬量與機(jī)器人速度的匹配關(guān)系（用于瞬時(shí)機(jī)器人速度的計(jì)算）：

公式4：

通過公式4，當(dāng)涂膠直徑、比例因子一定時(shí)，在自動(dòng)涂膠過程中隨機(jī)器人瞬時(shí)速度變化，可以計(jì)算機(jī)器人輸出實(shí)時(shí)的模擬量；同時(shí)，也可以從機(jī)器人示教器中讀取當(dāng)前的模擬量，通過此公式反求計(jì)算出機(jī)器人此時(shí)的瞬時(shí)速度。

同時(shí)，可以通過上述公式2、公式3、公式4，我們也可以計(jì)算δ 值、計(jì)算Cf值的有效范圍，對(duì)機(jī)器人涂膠過程進(jìn)行量化，為實(shí)現(xiàn)涂膠的自動(dòng)化、智能化奠定理論基礎(chǔ)。

4 涂膠設(shè)備工藝設(shè)計(jì)

4.1 涂膠設(shè)備的工藝參數(shù)

一般，基于模擬量控制原理的不同廠家涂膠設(shè)備的工藝參數(shù)不一，常見的基于Fanuc機(jī)器人的SCA/大銘品牌涂膠設(shè)備的常見工藝參數(shù)推薦值如下：

①初始?jí)毫刂扑俣龋?.5～1cc/sec，一般按廠家設(shè)置。

②自動(dòng)充膠速度：3～5cc/sec，一般按廠家設(shè)置。

③初始?jí)毫Γ?～100bar，根據(jù)起始涂膠質(zhì)量可調(diào)整參數(shù)，一般地選擇與現(xiàn)場(chǎng)氣流壓力泵實(shí)際壓力接近的值（推薦50～100 bar）。

④ 最大出膠速度：0～20cc/sec，根據(jù)實(shí)際涂膠直徑可以調(diào)整參數(shù)最大涂膠速度和機(jī)器人發(fā)送的最大模擬量相關(guān)，一般各類型機(jī)器人涂膠設(shè)備的最佳值為15cc/s。

4.2 涂膠形狀工藝參數(shù)

涂膠形狀一般根據(jù)產(chǎn)品發(fā)布的涂膠文件要求，需要計(jì)算理論工藝涂膠直徑（因涂膠文件給出是直徑范圍，因此取平均值），并確定涂膠總量。在實(shí)際工藝設(shè)計(jì)中，一般根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的涂膠效果，選擇評(píng)審合格涂膠樣件的均值，然后根據(jù)樣本均值修正給出基準(zhǔn)涂膠量，并計(jì)算涂膠上、下限（常取基準(zhǔn)涂膠量20%）。理論涂膠總量可根據(jù)公式5 計(jì)算：

公式5：

其中：

（1）理論涂膠總量，單位：cc（即cm3）；

（2）理論涂膠半徑，單位：mm；

（3）涂膠總長(zhǎng)度，單位：mm；

5 機(jī)器人涂膠系統(tǒng)設(shè)計(jì)

5.1 機(jī)器人涂膠距離的確定

涂膠距離，一般指位于機(jī)器人末端膠槍的膠嘴與鈑金表面的垂直距離，如圖3 所示。為提高設(shè)備響應(yīng)速度，同時(shí)減少外界自然風(fēng)等因素的影響，常規(guī)涂膠設(shè)備的膠槍與零件距離通常設(shè)置值為≤3mm。如果膠槍與零件的距離過近，容易導(dǎo)致膠槍碰撞零件，涂膠堆積等問題；如果膠槍與零件的距離過遠(yuǎn)，則容易導(dǎo)致涂膠成形不好，涂膠位置偏差大，飛膠等問題。因此，常見機(jī)器人涂膠設(shè)備的涂膠距離通常設(shè)置為標(biāo)定推薦值2mm。但通過膠嘴設(shè)計(jì)氣道吹風(fēng)形成螺旋的螺旋膠涂膠設(shè)備，為了讓出噴膠空間，因此標(biāo)定推薦值一般為10-15mm。

圖3 涂膠距離示意

5.2 機(jī)器人涂膠標(biāo)定

機(jī)器人在工件涂膠前，需要進(jìn)行涂膠標(biāo)定，主要是通過模擬量建立涂膠機(jī)流速、機(jī)器人速度之間關(guān)系（公式1、公式2）建立機(jī)器人、涂膠設(shè)備之間的相關(guān)性，推薦涂膠標(biāo)定規(guī)范如下：

（1）工藝輸入標(biāo)定涂膠直徑；

（2）涂膠設(shè)備初始參數(shù)確定，見4.1 節(jié)所述；

（3）機(jī)器人速度：根據(jù)“涂膠速度與機(jī)器人速度匹配表”選擇（見下表）；

（4）標(biāo)定涂膠：涂一段長(zhǎng)度為300～500mm 直線段膠；

（5）一般設(shè)計(jì)冗余，規(guī)定標(biāo)定過程中模擬量的最大值不超過4000；

同時(shí)，在機(jī)器人涂膠標(biāo)定程序中，機(jī)器人CNT 的取值一般為80 ≥CNT ≥50，軌跡點(diǎn)應(yīng)盡可能少，且涂膠軌跡應(yīng)為連續(xù)的、均勻的。

5.3 涂膠速度的設(shè)計(jì)

涂膠速度的值不是唯一固定的，但涂膠速度的最高閾值相對(duì)固定，其影響涂膠設(shè)備的選型、涂膠工藝設(shè)計(jì)、生產(chǎn)線工藝節(jié)拍設(shè)計(jì)等諸多環(huán)節(jié)。因此確定涂膠速度的最高閾值，給出涂膠速度的推薦值非常重要。由上述章節(jié)2.1 的公式2 可知涂膠速度與出膠速度的關(guān)系，按一般涂膠設(shè)備的最大出膠速度為20cc/s 計(jì)算。

本文直接給出速度推薦表，如表1 所示：

表1 機(jī)器人速度與出膠速度匹配表

由表1可知，對(duì)于直徑在2mm～8mm的大部分車身?xiàng)l狀膠涂膠工藝，機(jī)器人涂膠速度上限一般在500mm/s，推薦值為300mm/s 左右。

6 結(jié)論

1、基于模擬量控制的Fanuc 機(jī)器人涂膠系統(tǒng)中的機(jī)器人涂膠速度與出膠速度具有穩(wěn)定的相關(guān)性，涂膠設(shè)備可以通過機(jī)器人涂膠速度控制實(shí)時(shí)的出膠速度。

2、基于模擬量控制的Fanuc 機(jī)器人涂膠系統(tǒng)中的核心變量，如機(jī)器人涂膠速度、出膠速度、模擬量等都是可以實(shí)時(shí)量化的，本文給出了各主要參數(shù)的關(guān)系。

3、目前該類型設(shè)備已在汽車制造業(yè)大范圍應(yīng)用，因此研究其控制理論對(duì)優(yōu)化汽車涂膠工藝設(shè)計(jì)具有重要意義。