涂裝車間新型膜厚檢測系統的開發及應用

程小輝，操金明，趙晨思，宋衍國

（1.一汽-大眾汽車有限公司，吉林 長春 130011；2.機械工業第九設計研究院有限公司，吉林 長春 130011）

1 新型膜厚檢測系統研制的背景

汽車涂裝行業中，部分主流企業要求在涂裝線上增設膜厚檢測設備（比如大眾集團、菲亞特集團），用于在線測量閃干后的本色漆膜厚，監控其穩定性，出現膜厚波動時及時發出報警信息，提醒操作者檢查分析原因，避免出現批量的車身油漆膜厚不良等質量問題。

目前，全球較流行的膜厚在線測量系統是CO2氣體激光膜厚測量系統，以德國Phototherm公司為主，居壟斷地位。其系統基于獨立的激光控制主機為主站，不足之處主要表現在以下方面：

1）系統結構復雜，需要空冷，水冷等輔助設備；

2）基于獨立的控制系統為主站，導致系統響應時間延長(理論上單個循環延長0.4s以上)；

3）附屬設備多，造價昂貴；

4）測量時間通常在2s以上，不能滿足日益增加的高產能需求。

工藝過程如下：ECU控制激光發生器產生間斷激光脈沖—激光脈沖加熱油漆涂層—加熱的油漆涂層經底層反射衰減熱波—熱敏傳感器感應熱量衰減波(不同的厚度對應不同的衰減波) —控制系統采集不同的熱量衰減值經換算得到膜厚值并保存—上位機顯示保存數據。

圖1 CO2激光膜厚測量系統工作原理圖

2 新型膜厚檢測系統測量原理

1）測量過程。新膜厚檢測系統的測量過程：機器人按軌跡將激光探測頭靠近測量點(距離 90～110mm)—機器人發送膜厚測量指令—激光控制箱ECU接到機器人測量指令后，觸發激光探測頭進行膜厚檢測—激光控制箱 ECU將檢測的數據送給機器人控制柜—機器人控制柜將數據傳給上位機—上位機進行數據的采集、分析、存儲—上位機向機器人控制柜反饋必要的指令—下一個測量循環。

圖2 膜厚測量原理圖

圖3 厚涂層的信號波形

圖4 薄涂層的信號波形

2）測量的標定。如圖2所示，激光頭(Laser Head)產生一定頻率的激勵激光(Pulse)；激光透過涂層(Paint Film)，將涂層加熱；熱量經過基層(Steel Panel)反射(Heat Radiation)，不同的厚度反射的時間不同(相位值不同，如圖3、圖4所示)；反射的熱波經光學傳感器(Optic, Sensor)測定及轉換，即得到不同的膜厚值。

3）電泳補償。實際測量時，由于受鍍鋅層，電泳層工藝的限制，某個測量點的厚度會上下浮動，最高會有2μm左右的誤差產生。另一方面，當所測量的涂層在基層(鍍鋅層)以上有多于2個涂層，由于涂層材料不同，干濕度不同，導致激光在加熱及輻射過程工況不同?；谝陨锨闆r下要想得到準確的色漆涂層厚度，就需要做電泳補償的處理。其處理公式如下：

其中：

BC為電泳補償后的準確色漆膜厚值；

BCLaser為激光測量系統測定的色漆漆膜厚值

V=Trefi– A10points，Trefi為調試車身上的某個點，A10points為生成擬合公式的楔形板所取10個點電泳值的平均值。

ε= Tactui– A50points，Tactui為實際生產車身上某個點的電泳值，A50points為調試車身上50個點的平均值。

3 新型膜厚檢測系統硬件結構

新膜厚系統的硬件結構如圖5所示。其主要構成如下：①測量探頭，用來進行涂層的加熱及測量；②電控單元盒，控制測量探頭的開關，并轉換測量的膜厚相位值為膜厚值；③連接盒，當線纜進入坦克鏈時，需要使用超柔線纜，而坦克鏈外圍普通線纜，需要使用連接盒過渡；④機器人控制柜，作為整個系統的主站，一方面控制機器人運動，另一方面進行測量系統數據的采集；⑤PLC控制柜，負責系統安全信號及故障信號的采集與反饋；⑥上位機，系統數據的采集與分析反饋。

圖5 新膜厚系統硬件結構示意圖

4 新型膜厚檢測系統的優勢及經濟效益

新型膜厚檢測系統適應市場需求，基于德國 OptiSense固體激光測量單元，開發出相應的測量軟件，創新集成系統，解決技術瓶頸，體現以下幾個方面：

（1）系統基于機器人為主站，響應時間較傳統系統縮短(理論上單程0.4s以上)；

（2）測量時間縮短，產能提高：現行系統2s以上，新系統0.5 s以內；

（3）系統結構簡單，較現行系統，削減了空冷、水冷單元；

（4）較現行測量系統，投資成本降低50%以上；

（5）開發的測量軟件高效簡潔，便于使用和維護。

新型膜厚檢測系統的經濟效益體現在以下幾個方面：

（1）節約一次性投資成本50%以上；

（2）產能提升187.5%以上；

（3）長期使用成本下降70%以上；

（4）使用簡化，安全性能提高；

（5）故障率降低，維修方便。

5 總結

新型膜厚檢測系統，經一汽-大眾汽車有限公司青島工廠（一期）新建涂裝車間項目實施驗證，投資成本降低，重復精度高，測量節拍快（整車70個測量點可在一個生產節拍內完成），結構簡單，操作維護方便，達到了項目任務的各項指標。