涂胶自动线的开发与应用

1、涂胶自动线的开发和应用天羽正扬摘要涂胶机是整车生产领域不可缺少的重要设备。随着时代进步和电子技术的不断发展，涂胶设备也由最简单的涂胶机发展到现在的软仿形涂胶系统。所以，有必要对涂胶机系统的设计进行更深入的研究，以便使我们跟上国际涂胶系统发展的步伐。本文主要联系二工厂总装车间涂胶机器人的应用实际，探讨涂胶自动线系统的组成，原理及系统的设计。关键词软仿形；风挡玻璃涂胶；涂胶自动线；机器人控制器；PLC；GOT目录内容提要3目录4正文5第一章 涂胶自动线现状与背景.5第二章 涂胶自动线概况62.1 设备功用62.2涂胶工艺流程6第三章 涂胶自动线机械系统构成83.1 玻璃输送系统83.1.1 无动力

2、辊道83.1.2 皮带输送83.1.3 往复机输送93.1.4 双轨电动小车93.2 热风干装置103.3 供胶系统103.4 对中定位识别机构113.5 涂胶机器人123.6 玻璃翻转装置12第四章 涂胶自动线电控系统构成144.1可编程控制器的硬件系统144.1.1 本机PLC134.1.2PLC的软件设计154.2机器人控制系统154.2.1 NX100控制柜154.2.2 编程方法174.3 GOT（图形操作终端）17第五章 总结185.1 影响涂胶效果的因数185.2 干胶气泡的预防185.3风挡定位识别错误的解决205.4 结束语20参考文献212第一章 涂胶自动线现状与背景现在国

3、际上流行的涂胶自动线系统一般分为三种，第一种是一般涂胶机，这种涂胶机只适合于对简单的工作平面进行涂胶，因为它只有一个运动轴，只能作往复运动（有时也称往复机），被涂胶的工件一般均在自动线上运动，这样，涂胶机与自动线配合起来就可以完成对一个平面的涂胶，但是，要对一些有曲面形状的涂胶对象进行涂胶就无能为力了。第二种是机械硬仿形涂胶机，这种涂胶机的胶枪运动是靠安装在涂胶机内部的仿形导轨来引导喷枪运动的，这种仿形是按照被涂胶对象的外表面设计而成的，导轨的仿形形状有S 形和C 形等，这样胶枪沿着导轨运动时，正好与被涂的对象相吻合。第三种是软仿形涂胶系统，这种涂胶系统在被涂胶表面运动时，一般需要三个运动轴同

4、时运动。胶枪运动的轨迹是靠计算机的软件编程来控制，以达到对不同的涂胶对象涂胶时，只须使用不同的运动程序，这样，使用一套软仿形涂胶设备就可以完成对不同的涂胶对象进行相应的涂胶。同时机器人技术的发展，机器人技术在各行各业中得到了广泛的应用。机器人作为执行机构，具用控制方便，执行动作灵活，可以实现复杂的空间轨迹控制，特别适用于多品种，变批量的柔性化生产。所以，是本文着重介绍应用机器人的软仿形涂胶系统的设计开发和应用实际。第二章 涂胶自动线概况2.1 设备功用涂胶自动线用于完成车辆前后风挡玻璃底胶、密封胶的涂胶作业以及装配到车身的作业，由涂胶系统、定量齿轮泵、机器人、旋转升降装置、输送系统、定位识别夹

5、紧装置、往复输送装置、清胶装置、热风干装置、翻转机和玻璃搬运滑车、搬运吊具等构成，能够适用于多种车型需要的柔性化自动线。为了避免风挡玻璃出现漏雨情况，涂胶轨迹的胶型必须是等腰三角形或近似等腰三角形，底6-9mm，高11-14 mm，截面面积不小于40mm2三角形截面形状，山状对称无偏倒。自动涂胶枪前端抢嘴的设计为空心圆柱形，底部出胶口开有等腰三角形槽，可以保证涂胶轨迹的胶型状态，材料选择铜棒，既耐磨又防止划伤玻璃。胶条高度值玻璃胶条宽度值玻璃胶条形状截面面积11-14 mm6-9mm等腰三角形或近似等腰三角形不小于40mm2 图 2-1 胶型截面示意图2.2涂胶工艺流程玻璃输送由前端的手动输送

6、滚道段和后接的自动输送线段组成。为了方便人工操作，前端人工操作输送滚道与后段自动输送段存在高度差，即，前高后低。 手动输送滚道段由无动力滚轮输送线和两个旋转式升降台组成（长度5米）。滚轮为聚氨酯材料，防止玻璃因碰撞破损，工位1、2，两个旋转式升降台由轴承、导杆和气缸组成，人工控制升降（脚踏开关），目的是便于涂布操作的方便。操作者将前后风窗玻璃放置在旋转式升降台上，踩下脚踏开关，回转台升起，锁销打开，人工涂清洁剂、或安装后视镜、或涂底胶，完成后，回转台复位（零位）检测、锁销工作（防止转台未到位的情况下，下降时与滚道干涉），再次踩下脚踏开关，旋转升降台下降。涂完底胶后 ，调整玻璃长边的方向与生产线

7、方向垂直。人工推玻璃向后滚动至工位3，挡块挡止。手动输送滚道末端设有升降挡块和倾斜滚道（工位3），当工位4没有工件时，4工位倾斜升降滚道及端部挡块上升后，工位3挡块下降，在重力的作用下，玻璃从工位3上倾斜滚道输送至工位4的倾斜滚道，玻璃在重力的作用下继续下滑，由挡块挡停。传感器检测到玻璃后，斜滚道下降，玻璃落到工位4-5之间输送皮带上。工位4上部装有热风吹干装置，目的是加快底胶的干燥速度。玻璃由工位4-5之间皮带送至工位5，顶升气缸顶起玻璃，带有位移传感器的气动夹紧机构，夹紧对中玻璃并测量玻璃的尺寸，据此尺寸系统自动识别车型，机器人据此选择涂胶程序。车型识别后，吸盘升起并吸住玻璃，防止玻璃滑动

8、。夹紧机构松开。玻璃被吸住固定，由往复输送机构将其输送到涂胶工位6，顶升定位机构通过定位销将溜板的X、Y向精确定位。往复输送机构（移载机）有两套，采用三菱伺服电机直线导轨定位机构等驱动、定位，交替输送玻璃，互不干涉，在工位5与工位6之间运行。工位6，往复输送机构（移载机）到位后，定位支柱升起将玻璃高度定位，机器人根据五工位识别的玻璃型号调出相应的程序进行自动涂胶。完毕后，玻璃降落到工位6-7之间输送皮带上，往复机构返回。工位7，玻璃由皮带（工位6-7之间）送至出料翻转工位。旋转顶升机构顶起玻璃（根据玻璃是前风挡、还是后风挡，决定是否旋转180°），翻转机上的吸盘下降将玻璃吸起，顶升机

9、构下降，翻转机翻转180°。吸盘上升将玻璃送至停在上方的搬运小车（玻璃安装辅助装置），输送小车上的四个吸盘将玻璃吸住，确认吸牢后，翻转机吸盘释放并下降。人工确认后按输送小车扶手上的按钮（玻璃安装辅助装置）输送小车自动将玻璃带到Y轴原点、人工再将输送小车移到轿车上方后、将玻璃安装到轿车上。人工确认后按输送小车扶手上的安装完成按钮空的输送小车（玻璃安装辅助装置）自动回到取料搬运起点。第三章 涂胶自动线机械系统构成3.1 玻璃输送系统3.1.1 无动力辊道由无动力滚轮输送线、倾斜滚道输送、滚道末端设有升降挡块，铝合金型材结构，滚轮为橡胶材料，倾斜滚道可调节余量35度。 360°自

10、由旋转升降装置，行程900mm，主要由转台、升降装置、粗定位柱、转台旋转到位识别装置和底架构成。当转台上有玻璃时，通过托盘、粗定位柱把玻璃粗定位在旋转台上，用手可自如使转台旋转，不会刮蹭辊轮，便于人工完成清理、涂底胶等工作。3.1.2 皮带输送皮带式自动传送系统，由驱动装置、张紧装置皮带、铝合金机架等构成，由三菱伺服电机驱动，用于4-5工位、6-7工位输送，介质选用能有效防止玻璃的滑动、并保护玻璃表面O型皮带传动输送、辊轮为尼龙材料。输送速度为18米/分（13-30米/分钟内速度可调），可以手动调整皮带紧度和水平度。玻璃输送过程采用交流伺服放大器控制伺服电机加编码器反馈组成伺服系统，上位机采用

11、FX2N系列PLC基本单元，外加两个扩展单元和脉冲发生器单元，通过编码器反馈上来的位置信息进行编程，向伺服电机上口的伺服放大器发送定量脉冲实现简单定位。 3.1.3 往复机输送图3-1 往复机吸附式传送系统，有吸附装置、驱动装置、顶升气缸等构成。往复机有两套，采用三菱伺服电机直线导轨定位机构等驱动、定位，交替输送玻璃，互不干涉，在工位5与工位6之间运行，顶升定位机构通过定位销将溜板的X、Y向精确定位。往复输送机到位后，定位支柱升起将玻璃高度定位，机器人根据五工位识别的玻璃型号调出相应的程序进行自动涂胶。完毕后，玻璃降落到工位6-7之间输送皮带上，往复机构返回。导轨选用德国NCF导轨,移载装置在

12、2800mm范围内，直线度为0.021mm，保证了横向的定位精度；纵向的定位精度由升降锥形定位销、定位套保证，定位精度为0.050mm；高度由升降定位柱保证，精度±0.10mm。 3.1.4 双轨电动小车输送滑车为双轨电动小车，小车下部装有4个缓冲吸盘，吸盘具有防跌落设计，小车通过滑轨可沿X、Y轴向移动,X、Y方向均由减速电机、摩擦轮驱动，变频器控制，通过导轨上布设相应的感应器，能使小车记忆方向，自动回搬运起点。双轨轨道上分别设有原点位，小车行驶到该处能识别并自动定位锁止；小车上吸盘（带有安全阀，防止玻璃跌落）吊具通过平衡器（气动平衡与机械平衡相结合）和定位装置与小车连接，便于玻璃的

13、安装操作。系统采用悬挂移动基础，有效服务范围：L=8.0m。系统有效作业行程H1200mm。3.2 热风干装置热风干装置装备两套，由电加热装置和吹风管路等组成，可对清洁剂及底胶进行加热吹干,缩短底涂晾置时间。加热功率为3KW，风机为180W。出口接环形不锈钢风管，用于加快清洁剂及底胶的干燥。风量及温度可控制调整。烘干时间可以在主柜触摸屏上修改设定。3.3 供胶系统供胶系统由以下几大部分组成：Ø 供胶泵：含气动马达、下缸体、下压压盘、升降机立柱、气控部分等；Ø 自动切换系统：行程控制机控阀、主气路换向阀、泵排气用卸压阀、手动切换阀、低料位报警控制阀等；Ø 泵出口流体

14、混合系统：泵出口单向阀、泵出口软管、集流器；Ø 流体输送管路系统：混合器出口软管、定量泵出口软管、高压球阀等；Ø 定量控制系统：电控系统、直流伺服马达、定量齿轮泵、离合器、制动系统、压力传感器等；Ø 自动涂胶系统：自动阀软管、自动阀二次关断阀、自动涂布阀、气控阀等；Ø 温度控制部分：共控制四区的加热温度；定量供胶系统采用美国CRACO D200s产品，自动双泵切换全程加热供胶系统，用于胶的输出；密封胶的输出量由伺服马达与减速机组成的精密定量齿轮泵控制。输入输出端设置机械式压力计，在仪表上以数值的形式显示定量泵入口出口的压力值，当压力异常时有报警，当定量泵

15、出口高压时，机器人自动到废胶桶处吐胶泄压。为保障自动线出现故障时正常生产，系统可实现自动/手动涂胶的切换，手动涂胶的按钮可根据涂胶工作速度、涂胶轨迹调整涂胶量。自动涂胶枪用于胶的输出和涂布，为了防止胶管的缠绕，涂胶枪带有活结头可360度旋转，可实现胶嘴旋转而胶管不随其旋转，避免胶管缠绕，涂胶枪结构设计要求保证涂胶嘴不拉胶，从而起到既省胶又提高涂胶质量、操作环境干净的效果。供胶系统分区分别加热，加热温度在0-45摄氏度任意可调。输胶软管选用TEFLON（聚四氟乙烯）涂层加热保温高压软管；可防止空气中的湿气渗透到软管内部造成材料固化。软管外层为不锈钢编丝并带有保温加热层。软管两头采用活接型式，拆装

16、方便，密封可靠。在安全护栏上设置一个维修清理窗口和一个维修清理操作盒，清胶装置用于清理胶嘴和排胶。旁边安装硅油杯对涂胶嘴进行浸入式防护，每次涂胶后涂胶嘴浸入硅油杯中。 3.4 对中定位识别机构对中定位夹紧机构由一套x方向及一套y方向的可读行程气缸和直线导轨滑块、齿轮齿条等机构组成。举升机构由两组气缸和吸盘、定位柱组成，由每组(每组2个)气缸带动吸盘固定玻璃，定位柱(4个)用于玻璃的Z向定位。采用6点对中定位（长向4点，宽向2点）的对中方式，夹具的对中重复精度±0.5mm，检测数据由可读行程气缸的内置位移传感器读出与设定值比较，辨别车型，当前值在设定的正常范围之内时，机器人自动调用程序

17、涂胶，否则输出报警信号，交由人工处理。设定值可在操作面板的触摸屏上修改。该装置对不同尺寸、不同类型的玻璃具有良好的适应性，可适用于多车型的柔性生产，对外形差异不明显的玻璃，也能识别。3.5 涂胶机器人机器人单元选用MOTOMAN-HP20机器人本体（壁挂式）和控制系统。机器人具有更快的轴动作速度9000cm/min，轻型机体和具备轨迹精度控制及振动抑制控制的NX100控制柜的有机结合，减弱了机器人启动和停止瞬间的颤动，大大缩短机器人的运行周期。六轴机器人具有最大的工作范围1717mm和最小的干涉半径412mm，工作范围变大，增大机器人灵活性。HP20机器人手首部采用防尘防水构造，可应用恶劣环境

18、。高精度轨迹控制运算缩短了机器人对命令响应的滞后时间，它是安川独有的高级机器人动作控制特点之一，重复精度+0.06mm，误差补偿功能使机器人绝对位置精度提高2-5倍。u 安装方式：壁挂式u 关节方式：6 轴关节型 u 最大负荷：20公斤u 机器人配备吊装专用孔位机器人在起停、转弯、减速时能提供给控制系统相应信号并控制定量泵伺服电机的转速，从而控制供胶系统的出胶量、保持涂胶均匀。机器人每涂完一块玻璃枪嘴通过清胶装置自动清洁胶嘴，每日工作完毕枪嘴自动浸入专用油杯隔绝空气，防止枪内胶体固化。3.6 玻璃翻转装置翻转机构由转臂、支座、带刹车的伺服电机和控制系统组成。通过伺服电机带动转臂旋转，转臂上有玻

19、璃吸附支架，伺服电机可正、反向旋转，翻转角度为180°，传动轴上设置有一个感应块，由接近开关感应并控制伺服电机的加速、减速和停止，控制玻璃平稳的输送。球头真空吸盘可适应不同弧面玻璃，将玻璃吸住后，随转臂翻转180°，使未涂胶面朝向操作工。翻转装置由交流伺服电机（SEW HC-SFS52B）驱动，电机带有制动器，在发生异常情况时，翻转臂能在任意位置紧急停止，翻转速度可以根据实际使用情况进行调节。第四章 涂胶自动线电控系统构成本涂胶自动线软仿形电控系统主要分为三大部分：GOT、机器人控制器、PLC。4.1可编程控制器的硬件系统PLC 是微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物，

20、是在程序控制器、1 位微处理机和微机控制及其基础上发展起来的新型控制器。从广义上讲，PLC 是一种计算机系统，只不过它比一般的计算机具有更强的与工业工程相接的输入/输出接口，具有更适合用于控制用的编程语言，具有更适合应用于工业环境的看干扰能力。4.1.1 本机PLC触摸屏CC-Link主站搬运小车从站伺服控制从站机器人从站远程I/O从站终端电阻终端电阻伺服放大器伺服电机主柜选用的MITSUBISH Q02H系列PLC，是电控系统的控制核心，通过独立的输入/输出模块和CC-Link模块来实现对外围设备的控制，运动控制选用FX2N系列PLC作为基本单元，外加两个扩展单元和脉冲发生器单元，向伺服电机

21、的伺服放大器发送定量脉冲实现简单定位。系统上电后，就在PLC程序的监控下，周而复始地按固定顺序对系统内部的各种任务进行查询、判断和执行，这个过程实质是一个不断循环的顺序扫描过程。PLC 采用周期扫描机制，简化了程序设计，提高了系统的可靠性。具体表现在：在一个扫描周期内，前面执行的任务结果立即就可被后面将要执行的任务所用；可以通过设定一个监视定时器来监视每个扫描周期的时间是否超过规定值，避免某个任务进入死循环而引起故障。PLC 在一个扫描周期内基本上要执行以下六个任务：运行监视任务、与编程器交换信息任务、与数字处理器（DPU）交换信息任务、与外部设备交换信息任务、执行用户程序任务、输入/输出信息

22、处理任务。电控系统具有故障提示及报警功能，并且每次出现故障时都能准确的反映出故障具体位置，便于迅速排除故障，主要包括：工件的错装；机器人碰撞保护功能；工件安装不到位或没有装工件的检测与报警；重复涂胶的检测，进行重复涂胶时系统拒绝执行；胶桶的缺胶报警，光幕安全保护等。4.1.2 PLC的软件设计应用三菱公司的PLC配套软件GX Develop，根据被控对象的输入/输出信号及所选的PLC型号分配PLC 的硬件资源，为梯形图的各种继电器或接点进行编号，再根据软件规格说明书，用梯形图进行编程。此外，由于运行轨迹的规划是在机器人控制器中实现，PLC编程还需涉及到机器人的安全控制和顺序的逻辑编程，以I/O

23、形式与机器人控制器进行通信。4.2 机器人控制系统4.2.1 NX100控制柜机器人控制器选用日本安川公司的产品，型号为NX100，控制器的特点为：CPU 控制板可实现高速、高精度的直线、圆弧、曲线插补控制，和大容量的I/O 接口配置。其控制原理分四个过程：第一个过程在机器人控制中称作示教，也就是通过计算机可接受方式告诉机器人去做什么，这里为涂胶枪的走行轨迹；第二个过程则是机器人控制系统中的计算机部分，它负责整个机器人系统的管理、信息获取及处理、控制策略的制定，作业轨迹的规划等任务，这是机器人控制系统的核心部分；第三个过程是机器人控制中的伺服驱动信号，驱动伺服电机，实现机器人的高速、高精度运动

24、，去完成指定的作业。最后一个过程则是机器人控制中的传感器部分，通过传感器的反馈，保证机器人去正确地完成指定作业，同时也将各种姿态反馈到计算机中，以便计算机实时监控整个系统的运动情况。下图是机器人控制的基本原理框图：本体1BC2BC3BC控制柜1BC，2BC是给传输编码器数据和伺服马达供电NX100控制柜控制机的主要性能指标如下： I/O模组伺服模组CPU模组电源供应模组轴控制模组6 轴交流伺服驱动，轴控制基本控制；存储容量：60000个程序点，10000 条命令；存储理电池的使用寿命：5 年；接口容量： 40点输入，40点输出，19点专用输入，3点输出；外部通电接口：RS232C、CF卡插槽、

25、LAN；运动控制方式：关节运动、直线/圆弧插补、工具姿态控制；速度设定：百分比设定（对于关节运动），0.1mm/s设定（对于插补运动），角速度设定（工具姿态控制）干涉控制：S轴扇形干涉监视区域，立方体干涉监视区域（用户坐标）NX100 HP20控制箱内部构成： I/O模组、CPU模组、伺服模组、电源供应模组、轴控制模组和CC-Link。机器人支持CC-Link现场总线通讯方式，通过开关变量（#OT、#IN）和系统区握手信号，与PLC主站通讯。4.2.2 编程方法l 示教编程：在前后风挡玻璃涂胶轨迹上，先描出数个特征点（如直线与直线的衔接点，直线与圆弧的连接点，圆弧与圆弧的连接点），然后手动操作

26、机器人，切换直角坐标系和关节坐标系，使胶枪头逐一对准特征点，确认并记忆这些点的坐标，控制系统自动将这些点联接成一条完整的平滑曲线。l 按图编程：按照绘好的风挡玻璃图纸，将复杂的曲线分割成若干标准的直圆弧、抛物线等，确保这些线单元能够用控制系统固有函数描述。用固有的函数按顺序描述这些线单元，使图纸描绘的曲线变为机器人的运动曲线。4.3 GOT（图形操作终端）本系统的触摸屏采用日本三菱GOT1000系列，其图形操作终端是新一代高科技人机界面产品。用于在恶劣的工业环境中应用，可代替工控计算机作为人机界面，具有交互性好、可靠性高、编程简单，与PLC 联接简便等特点。其使用RS-232C 与PLC 进行

27、通信，使用GT-Designer编程软件实现对触摸屏内部画面及其功能的方便编辑。采用触摸屏作为人机交互界面，作为操作人员和机器设备之间双向沟通的桥梁，可以通过文字、按钮、图形、数字等来处理或控制管理及应付随时可能的变化信息，能明确指示并了解各工位当前的状况，具有自动控制、状态显示、检测、保护、报警等功能，能够进行系统故障自诊断极大提高了设备的附加性。第五章 总结基于PLC、机器人控制器、GOT技术设计的涂胶自动线组成系统比较容易，设计所须的时间相对比较短，编程操作简单，涂胶控制可视化操作简单易学，可以随意调用和修改涂胶程序。缺点是系统成本相对较高，并且针对高精密涂胶不能完好的保证涂胶精度。5.

28、1 影响涂胶效果的因数光滑的空间三维曲线，是工件需要涂胶的运动轨迹。示教编程方式克服了数控编程以涂胶轨迹数据输入，必须借助准确的零件图纸及事先计算出轨迹曲线节点的坐标，逐步输入的烦琐方式。采用示教编程方式后，仅需工件实物即可快捷方便地完成编程。适用于三维空间内任意曲线轨迹的涂胶和材料均匀涂布。机器人示教编程方式，使设备的操作更趋柔性化与智能化，可以随意调用和修改涂胶程序。经过查阅资料和现场应用总结，影响涂胶效果的因数有以下几点：机器手的重复精度、运动速度、机械刚性、轨迹的特性、胶的状态、供胶系统的特性、控制系统的特性等。所以在设计图胶机器人时，必须把所有的问题分析透彻，才有可能设计出好用的产品。机器人的重复精度机器人轴运动速度机械刚性PLC控制特性供胶系统特性胶的状态轨迹的特性示教精度涂胶效果5.2 干胶气泡的预防涂胶自动线经历安装调试、TTO、PP和MP，系统程序不断完善，故障率不断下降，截至11月统计发现，干胶和气泡造成的停台占总停台48%。 下图所示为供胶系统管路：压 盘旋