车身涂装智能输送装备的研究与开发

陈刚程文明王辉易继强 AI汽车制造业 2026-03-19

以构建车身涂装高效、简捷和智能化输送线为目标，围绕相关机构设计与控制技术开展研究。在充分考虑产品成本、性能指标、技术先进性以及系统性、可扩展性和可维护性等因素的基础上，设计了一种基于现场总线控制的新型旋转式智能小车输送机。该系统可有效提升汽车涂装生产的柔性化、智能化与可靠性水平。

0 前言

在全球技术竞争加剧、供应链安全风险上升的背景下，国产化替代已成为实现科技自立自强与产业升级的重要举措。在车身涂装领域，高端涂装输送设备长期被杜尔、艾森曼等国外企业垄断，自主研发智能化涂装设备具有重要意义。本文聚焦涂装生产线的高效、简捷与智能输送技术及装备研发，旨在降低生产线建设成本与整车制造成本，改善车身涂装质量，并提升我国汽车产业的国际竞争力。

1 国内外涂装输送技术发展现状

目前涂装输送设备中具有典型代表性的包括推杆悬链、摆杆链、旋转浸渍式输送机（RoDip）以及多功能穿梭输送机（Vario Shuttle）。推杆悬链投资少、运行速度快，但链条一旦发生故障往往会导致全线停机。摆杆链运行速度快、调节范围大，装挂方式灵活，入槽与出槽角度较大，设备长度短且投资较省，但其链条故障同样会引发全线停机。

RoDip可实现车身在槽内360°翻转，使槽液充分流入内腔，从而消除内腔顶盖气泡、改善内腔膜薄问题，显著提高电泳质量。然而，由于其对锁紧功能、定位精度、结构强度及通过性等要求较高，传统工装夹具往往难以满足输送需求，给柔性化生产带来一定挑战。

Vario Shuttle可针对不同车型设置不同的浸入角度、翻转方式与运行速度，通过PLC控制，使车身以不同位置与姿态通过槽体，从而显著缩短线体长度。但其结构复杂、投资成本较高，且维护与维修成本较大。

2 新型车身涂装智能输送系统设计和开发

2.1 系统方案

涂装输送系统不仅要求性能稳定、运行可靠、操作简单及维护方便，还应具备良好的扩展性与较高的性价比。为实现上述目标，本文研发了一种新型车身涂装智能旋转输送小车。系统主要由行走机构、翻转机构和平移机构等组成，可完成行走、翻转和平移等动作。

旋转式智能输送小车采用“集中管理、分散运行与控制”的模式，每台智能小车均为独立控制单元，可按不同涂装工艺需求实现差异化运行，其原理如图1所示。

图1 新型车身涂装智能输送设备原理

智能输送小车的行走机构采用反向EMS车组形式；翻转机构配置独立驱动装置，可实现车身360°任意角度旋转；平移机构借用翻转机构从动齿轮的旋转扭矩作为动力源。当车身入槽时，翻转机构开始翻转，同时带动平移机构使车身向槽体方向平移，以避免车身或滑橇旋转时与槽体边缘发生干涉。当车身翻转至90°后继续翻转时，平移机构使车身向运行方向的反方向平移，以保证车身完全浸入槽液前尽量不远离槽口位置，如图2所示；出槽过程则执行相反动作。

图2 搭载车身通过槽体前后位置对比

该联动设计具有两方面优势：

（1）车身出入槽时需要翻转，若出入槽角度过大或输送速度过快，易造成槽液剧烈搅动，使槽内电泳漆气泡溶解量增加，进而导致漆膜产生微小气孔。平移与翻转联动可有效降低槽液扰动幅度，提高电泳质量。

（2）充分利用槽体空间，可减小槽体长度与槽液用量，从而降低建设及运行成本。

行走轨道安装在钢平台上，轨道内侧布置用于取电与通信的滑触线。每台小车均配备独立电气控制系统，采用滑触线供电与Profibus通信方式，并结合集散控制、变频分时控制及编码定位等技术，形成分布式控制架构。为进一步提升柔性化水平，系统引入视觉识别模块：工业摄像头采集车身信息并将数字信号传至控制系统，控制软件完成车型识别后，将指令下发至PLC，由PLC协调控制智能小车、翻转机构和平移机构。智能小车驱动翻转与平移机构沿轨道运行，伺服电动机实现翻转机构动作，并同步控制平移机构移动。每台智能小车的行走速度、翻转速度及翻转角度均根据承载车型与工艺需求进行自适应匹配。

为提升设备智能化管理能力，系统搭建集中监控平台，实现对现场各工位状态、车身数量、设备报警及工艺参数等信息的动态显示与实时采集，并支持与上层管理系统的数据共享，以满足企业信息化建设需求。

2.2 旋转式智能小车机械结构

2.2.1 行走机构结构设计

本文采用反向EMS结构形式，即车组为支撑式结构而非悬挂式结构，其结构如图3所示。行走机构采用重型四车组形式，包含1个主车和3个副车。

图3 旋转式智能小车结构

行走机构如图4所示，主车驱动装置采用SEW专用悬挂HS系列电动机减速机，且在主动轮与减速机之间设置离合装置，具备“排障离合”功能。行走轮采用钢芯包胶轮，可降低轮轨冲击与运行噪声，提高轨道使用寿命。在主车与副车上均设置导向轮，每个车组配置8组导向轮，可有效防止小车运行过程中偏离轨道；主车上可安装集电器，滑触线固定于铝合金轨道腹板上。

图4 行走机构

与传统自行小车行走机构不同，自行小车副车与主车通常采用均衡梁铰接式连接；本文将副车与主车改为均衡梁螺接式连接，使副车与主车，以及副车之间构成刚性结构。前后均衡梁与支撑台采用铰接式连接，以保证各车组载荷分配均匀。同时，主车与副车取消底部吊挂交接点，并在车组顶部设置螺栓连接法兰板，从而提升整体结构的可靠性与维护便利性。

2.2.2 翻转机构、平移机构及其联动设计

翻转机构是本研究的核心部件之一，其功能是实现车身与滑橇在槽液中360°任意翻转，主要结构如图5所示。

图5 翻转机构

（1）阴极电泳过程中车身需持续带电，翻转过程中必须确保车身连续导电。为实现稳定导电，电极采用4块电刷，沿翻转轴轴心均匀分布在回转支撑轮端部。翻转过程中电刷随轴心旋转，无论转至何位置，至少有1块电刷始终与导电铜板保持接触并通电，从而保证持续导电。

（2）翻转轴与车身之间需可靠绝缘。电极安装支座采用聚四氟乙烯材料；电刷连接电源线，电源线穿过旋转轴轴心并从滑橇支架开孔处引出，与车身取电端连接。车身取电端底座同样采用聚四氟乙烯，并通过螺栓与滑橇支架连接；滑橇上设置取电机构与车身连接。

（3）滑橇支架设置定位锁紧装置，确保翻转过程中车身与滑橇不会发生滑落。

（4）翻转轴采用一侧驱动、另一侧自由随动结构，以保证翻转轴及轴承座具有足够的强度与可靠性。平移机构如图6所示，用于带动翻转机构及车身整体平移。车身入槽时，翻转机构翻转并带动平移机构，使翻转机构和车身向槽体方向平移，以避免旋转干涉；当车身翻转至90°后继续翻转时，平移机构使其向运行方向反方向平移，使车身在完全浸入槽液前尽量不远离槽口。出槽过程则动作相反，其目的在于尽可能减小槽液扰动，并缩短槽体长度。

图6 平移机构

联动杆上设置卡槽，与翻转机构从动齿轮侧面的滚轮配合形成凸轮机构。当从动齿轮旋转时，驱动联动杆摆动。联动杆一端与翻转机构基座铰接，另一端设置导向轮，可在联动导向槽中上下移动；导向槽固定于行走机构支撑台上。因此，联动杆摆动时，一端绕铰接点旋转，另一端导向轮在导向槽约束下移动，从而驱动平移滑轨副滑块沿轨道运动，实现翻转机构与行走机构之间的相对位移。

2.3 控制系统

2.3.1 监控系统

现场总线是连接设备与自动化系统的全数字化、双向、多站通信系统，具有开放性、互用性以及系统结构高度分散等特点，已在工业过程控制中得到广泛应用。车身涂装生产线车型种类越多，对柔性化要求越高，现场环境也越复杂，因此，选择合适的现场总线分布结构，使系统结构简洁、维护便捷且抗干扰能力强，是控制系统设计的关键。

智能输送小车集中监控系统的软件功能模块如图7所示。根据应用特点与实时性要求，系统由PLC与监控上位机协同实现。

图7 监控软件主要功能模块

在人机界面（HMI）方面，采用西门子HMI完成参数设定与修改、信号状态监测以及停机故障定位等功能。该系统界面友好、操作直观，可缩短故障处理时间，提高维护效率，并支持远程维护。

2.3.2 电控系统

电控系统由工业控制计算机、PLC系统、HMI、现场总线及总线单元等组成。系统采用集中调度控制方式，主控PLC选用西门子S7-300系列安全PLC（兼容Profibus-DP现场总线与Profinet网络）。

主控PLC通过以太网与MES系统连接，并与车间其他设备通过以太网实现信息交互。安装在智能小车行走车组上的PCV读码器采用图像识别技术读取布置于轨道上的二维码码带，解码后输出X轴与Y轴位置数据，实现精确定位。利用EMS车载控制器提供的SSI接口，配置支持SSI接口的旋转编码器检测翻转装置位置，从而控制车身在前处理电泳槽中的浸入角度与平移距离。控制流程如图8所示。

图8 控制流程

行走电动机采用SEW MDX61B系列变频器驱动，变频器配置总线通信卡，PLC可通过现场总线对变频器进行控制。电动机轴端安装旋转编码器，编码器数据直接反馈至变频器，实现电动机转速闭环控制。为避免行走轮打滑造成定位误差，小车上配置绝对位置编码器用于位置校核。

行走电动机位置识别与定位采用倍加福PCV DataMatrix系统，由二维码读写头、码带、通信电缆及附件组成。读写头安装于小车上，通过调整其相对于二维码码带的X、Y、Z方向距离与姿态，保证X、Y方向偏转角不超过10°，Z方向读取距离不超过80mm，以确保高速运行过程中的稳定读码。系统通过读取轨道码带数据实时获取小车当前位置。采用扩展总线控制模式时，仅需设定小车目标地址，变频器即可根据当前位置判断电机正反转及加减速状态，实现速度闭环控制，定位精度可达±1mm。

智能小车与主控制柜之间采用菲尼克斯WLAN5100无线通信。PLC通过网线连接一台WLAN5100（AP模式，固定在线体中间位置），智能小车上配置一台或多台WLAN5100（EC模式），并通过网线连接PN耦合器。通过对AP与EC参数设置，实现控制数据的稳定无线传输。

2.3.3 智能识别系统

智能识别系统布置于车身上线工位，是实现涂装柔性化生产的关键模块之一。本文采用欧姆龙FH/FZ5系列传感器控制器，通过以太网基于Ether Net协议与主PLC通信。系统配置两个摄像头，分别采集车身侧面与顶部图像；图像信号经视频转换开关输入传感器控制器并记录拍照信息。控制器将图像存储器中的数字图像读入内存并进行实时处理，通过智能识别算法提取车型外形特征，再与已建立的车身特征数据库进行匹配，从而完成车型识别。

车型特征提取算法是智能识别系统的核心。车型识别的关键在于提取车身外轮廓特征，对二值图像进行轮廓跟踪，最终得到车身轮廓曲线。本文采用两种轮廓算法交叉执行：轮廓方向序列计算法（T算法）与轮廓起点计算法（IP算法）。系统首先搜索轮廓起点并计算其方向序列，随后继续寻找下一轮廓起点并计算方向序列，直至完成全部轮廓计算。

当智能识别系统完成车型识别后，将车型信息传递给主控PLC；主控PLC进一步下发至各智能小车，使其根据所承载车型匹配最佳入槽起点、入槽角度、行走速度与旋转速度等工艺参数，实现多车型条件下的定制化柔性生产。

为验证系统性能，本文搭建了一条试验线并进行了长时间试运行。结果表明：所开发的旋转式智能小车可实现单车独立运行，柔性化水平更高；输送系统长度更短且无须润滑；设备与槽液基本不接触，维护便利且污染较少；涂装质量更稳定。同时，该系统一次性投入成本显著低于进口RoDip与Vario Shuttle。

将本研究系统与现有涂装电泳输送设备进行对比，结果见表所示。