汽车涂装生产线智能制造技术的探讨

随着汽车车身涂装线自动化率的不断提高以及数据探测技术、工业物联网的迅速发展，汽车涂装工厂智能制造研究成为一个必然的热门话题。本文结合汽车涂装智能制造的基础和需求，对其发展方向进行了探讨。

21世纪初，中国政府提出了自动化和信息化两化融合的智能化发展理念，随着物联网的发展，智能制造的概念逐渐清晰。2015年5月发布的《中国制造2025》行动纲领，其中心主题是通过智能的数据整合管理实现全生命周期的绿色制造，发展可持续的循环经济，要实现这一目标，其基础是信息技术的企业管理(IT)、车间管理(OT)和物联网(CT)3T融合(见图1)。

图1 物联网创造了3T融合的发展理念

中国制造业目前总体发展水平不均衡，其中汽车行业因为这几年的井喷式发展，新建工厂在环保上实现跨越发展的情况下，高端冲焊生产线已经于几年前实现了高度的自动化和数据化，具备了发展智能化的初步基础。涂装作为复杂的散装化学品施工车间，在自动化和数据化上存在很大的技术发展瓶颈，因为涉及节能环保、职业卫生、安全以及企业成本管理的巨大需求，涂装车间智能制造发展需求尤为迫切。随着近两年涂装自动化作业比例逐步提高，以及生产、能源和环保数据采集技术的发展，涂装智能制造的课题也开始被推向前台。

涂装自动化作业技术的智能化发展

相比于其他专业，在涂装车间采用自动喷涂，除了可以提升效率、稳定质量外，更有消除污染工位作业、提高涂料利用率和实现节能环保的价值。现有汽车涂装生产线底部密封绝大多数都通过改造实现自动化，粗细密封和油漆内喷也成为主流新建线的标配。采用车底密封机器人，可以使送排风量降低80%。在普遍已经实现机器人外喷的基础上采用机器人内喷涂料，在节约涂料、减少风量和减少污染的同时可实现80%以上的循环风应用，既稳定施工参数又使得喷漆室排风量大幅减少，使得新建先进涂装线得以实现所有喷漆(包含水性漆)废气的全部净化处理，该成套方案比人工喷涂解决策略的整体能耗和排放降低了60%以上。机器人内表面涂胶和喷涂如图2所示。

图2 机器人内表面涂胶（左）和喷漆（右）

目前新建的先进涂装生产线，在上述PVC和喷涂作业采用机器人作业的基础上，也在不断优化机器人的作业方式、延伸机器人的应用范围，如在不开门的情况下实现折边胶机器人作业，采用机器人喷涂LASD提高环保和轻量化水平，在油漆喷涂上采用STOP-GO的方式提升涂膜质量的一致性，消除所有在线人员补漆检查工位。标杆水平的涂装线除了作业上大批量应用机器人外，在白车身焊缝质量的检查、车身吹净和擦净、自动水洗、卸遮蔽等辅助工作也逐步采用机器人代替工人进行操作(见图3)。这样高水准的60JPH规模化涂装车间，机器人数目往往达到百台以上，系统复杂程度也大幅度提升。在单独局部区域的机器人管理上，离线仿型和简化仿型技术都在不断完善，但尚没有形成统一的智能系统。现有的系统，因为生产需求复杂、各机器人区域功能各异，在产品导入时会形成巨大的调试灾难，迫切需要发展自动作业程序生成和优化的智能技术。

图3 自动擦净机器人（左）和自动卸遮蔽机器人（右）

其他涂装设备的智能化发展

除了机器人大批量应用外，因为提升质量、降低能耗和强化管理等方面的需求，涂装车间其他设备系统也在逐步向精细控制的智能化方向发展，本文在此举例说明。

原来的电泳整流系统多分是2～3段控制，而车身内外腔的复杂情况和阳极的分片控制之间存在很大的矛盾，经常带来膜厚一致性差的难题。目前新建的一些工厂，采用多段整流单独控制阳极(IGBT)(见图4)，实现质量目标的精确设定。某工厂采用IGBT系统后在内腔电泳效果更好的基础上，同比实现能源节约30%及材料节约10%的效果。

输调漆系统，以往存在一个颜色生产时，其余颜色系统都按照生产状态要求循环的情况，既浪费能源又不利于油漆寿命。随着电动泵技术的发展，输调漆系统的管理更加智能化(见图5)，可以根据喷涂的需要确定系统的运行程度，设置符合生产要求的启动模式和维持最低运行的待机模式，对涂料质量、设备寿命和能源降耗等均有好处。

图5 输调漆电动泵智能管理系统

车身物流方面，近年来也发展了各种识别系统，在工厂设计中也力求集中储存，但仍然存在调度难题。目前也有先进的汽车工厂，将立体库(见图6)从白车身、油漆车身储存为主逐步发展到涂装车间储存区，未来解决了出入库的瓶颈难题后，可进一步用立体库统一所有的储存、排空和编组区域，使得车身存取更加智能化。

图6 电泳车身立体库存储

设备自动诊断技术的智能化发展

随着现代化涂装车间大量精密自动化设备的应用，以及涂装设备工作环境的特殊情况，涂装车间日常设备管理面临的挑战越来越大，自动诊断、管理设备状态的智能技术(见图7)受到空前的重视，目前杜尔等公司都开发了此类系统，正在进行可靠性的调试研究，有望在近两年应用于国内的新建高端涂装车间中。

图7 设备状态的自动诊断和智能管理

数据采集发展的迫切需求

对于涂装车间智能化来说，多种数据的准确有效采集才是未来智能化发展的最大瓶颈。相比于以前的手工作业参数精确统计的难题，自动化系统在末端都集成了越来越精确的数据采集系统，可以基于现在的分散智能系统对参数进行管理，未来可以持续发展更上层的集成智能参数优化系统。机器人参数采集和控制如图8所示。

 
图8 机器人参数采集和控制

随着外观更加数据化、准确化评判的需求及跨国汽车集团颜色开发系统的建立，颜色开发、零部件匹配、外观理论完善和日常管理等方面，已经成功形成了数据化的采集、传输和评价系统。空调系统的参数采集和自动控制、颜色数字化采集管理系统如图9和图10所示。

图9 空调系统的参数采集和自动控制

图10 颜色数字化采集管理系统

在日常质量管理方面，已有先进的涂装制造车间采用了自动化的湿膜在线检测和干膜离线抽样的外观数据采集系统，消除了人为外观评价的数据采集量小、误差大和评价滞后等诸多问题。机器人自动检测外观如图11所示。

图11 机器人自动检测外观

节能环保是目前汽车涂装行业最被重视的热点，可以说目前汽车涂装行业技术开发的第一目标，就是如何在达到不断提高的环保要求前提下尽量保持原有质量水准，但能源和环保数据的采集管理是现阶段的最大难点。已有厂家开发了给排水的职能管理系统(见图12)，正在逐步推广完善。在废气有组织排放检测和在线检测逐步完善的同时，无组织排放的数据采集系统也开始进入系统研究，无组织排放数据采集中出现了一台监测仪器多个点分别收集检测的新数据采集技术(见图13)。

图12 用于前处理和污水管理的智能给排水管理系统

虚拟仿真技术的发展

涂装车间自动化、数据化、信息化以及系统集成化技术应用，必然会随着大环境陆续提升，但要真正形成智能制造系统，还需要基于这些基础完善虚拟制造技术。国内外顶尖的工程设计公司，已经在这方面努力提升，在工厂设计中研究全仿真技术，力求模拟真实的生产情况。未来按此建设涂装车间，在产品设计时，可以将数据导入虚拟车间进行虚拟调试，得出分析结果和生产数据，这种方式的SE分析结果可以更好的优化产品数据，经过产品优化后形成车间运行程序，在产品导入时现场的调试工作量就会大幅减少，并使数据完全可控。

智能化涂装车间的阶段性概念

《中国制造2025》中写道：“我国制造业仍然大而不强，以企业为主体的制造业创新体系不完善;资源能源利用效率低，环境污染问题较为突出;高端装备制造业和生产性服务业发展滞后;信息化水平不高，与工业化融合深度不够。”《中国制造2025》制定了到2049年新中国成立100年时进入世界制造强国前列、建成全球领先的技术体系和产业体系的目标。要完成这一艰巨的历史任务，核心是依靠智能制造。汽车涂装较高的生产、质量和环保等要求和复杂的施工条件，决定了其智能制造的研究应用更加任重而道远。目前新建高端汽车涂装工厂在自动化方面都达到了较高基准，局部智能管理也有所突破，而具有判断学习能力的智能系统，由于数据的准确、全面采集难度和信息化的通道限制，还无法建立起来。长期来说，希望建设的汽车涂装工厂能够像汽车导航或者AlphaGo一样，具有根据边界条件变化始终自动完善最佳生产模式的能力。近期来说，智能化涂装工厂的理念可以理解为：按高度仿真实施、在产品导入时可以根据数据输入自动生成基本作业程序;以尽可能标准的生产线生产尽可能多样的产品;能源、环保和生产数据精确监控。这些需求会促使汽车涂装相关的自动化、信息化和数据采集设备迎来新的发展挑战和机遇。