一種單邊伺服點(diǎn)焊機(jī)器人集成工作臺(tái)

韋加業(yè)

（東風(fēng)柳州汽車有限公司，廣西 柳州 545007）

0 前言

在汽車白車身焊接過程中，很多零部件是由內(nèi)外板組成，需同時(shí)滿足內(nèi)板保持強(qiáng)度、外板保持平整、美觀的要求，這樣就需要在內(nèi)外板總成內(nèi)側(cè)形成焊點(diǎn)焊核，外側(cè)外板不形成焊點(diǎn)焊核的工藝要求；分析白車身開合件現(xiàn)有的生產(chǎn)方式，主要存在的問題點(diǎn)是如何使工件在不運(yùn)動(dòng)、有夾具固定、保證精度情況下完成方便、直接、可控、完整的電阻點(diǎn)焊過程，同時(shí)保證開合件的美觀、強(qiáng)度、精度均達(dá)到要求。目前，使用包邊或者機(jī)器人滾邊生產(chǎn)制造白車身開合件（主要包括汽車四門兩蓋）之后，采用拼臺(tái)引出焊接，拼臺(tái)工裝夾具固定住板件，由安裝在拼臺(tái)上角度固定的焊鉗進(jìn)行一次電流焊接，但是這種生產(chǎn)方式容易受到工裝變異的影響，從而造成焊接質(zhì)量下降，美觀性下降等諸多問題；拼臺(tái)引出焊，比較于機(jī)器人單邊點(diǎn)焊，突出了拼臺(tái)引出焊的高成本、柔性低、工裝復(fù)雜、笨重的缺點(diǎn)；機(jī)器人單邊焊在工件不運(yùn)動(dòng)，有夾具固定，保證精度的情況下，利用機(jī)器人的精確控制，準(zhǔn)確找到焊點(diǎn)位置，完成方便、直接、可控、完整的電阻點(diǎn)焊過程，保證開合件的美觀、強(qiáng)度和精度要求，有效減少焊槍尺寸。

1 單邊焊槍的基本結(jié)構(gòu)及工作原理

伺服單邊焊槍主要結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由伺服電機(jī)、變壓器、槍體框架組件、彈簧組件、導(dǎo)軌支架組件、軟連接、動(dòng)電極桿、銅編織塊等組成，其工作原理如圖2所示。

圖1 單邊焊焊槍結(jié)構(gòu)

圖2 焊接原理

（1）焊接過程：板件就位以后，機(jī)器人通過控制焊槍伺服電機(jī)使銅編織塊與工件接觸，同時(shí)驅(qū)動(dòng)動(dòng)電極桿對工件進(jìn)行加壓、焊機(jī)根據(jù)設(shè)定好的參數(shù)輸出電流，在焊接力與電阻熱效應(yīng)的作用下，工件在與動(dòng)電極桿接觸處形成熔核（外板表面不形成焊核），原本分離的工件被焊合在一起，焊接完成后，機(jī)器人回到集成工作臺(tái)進(jìn)行電極帽磨損檢測，進(jìn)行電極帽磨損補(bǔ)償并將此補(bǔ)償應(yīng)用到后續(xù)焊接過程[1]；

（2）自動(dòng)修模過程：利用集成工作臺(tái)模擬靜電極進(jìn)行修模，修模完成后在集成工作臺(tái)上進(jìn)行電極帽檢測；

（3）壓力標(biāo)定過程：利用集成臺(tái)上方的壓力標(biāo)定塊，結(jié)合壓力檢測設(shè)備進(jìn)行每組壓力標(biāo)定并生成壓力曲線；

（4）焊槍伺服電機(jī)自整定過程：在集成臺(tái)焊槍零點(diǎn)標(biāo)定位置與區(qū)域進(jìn)行零點(diǎn)核對后，在該區(qū)域內(nèi)進(jìn)行電機(jī)自整定操作；

（5）空打測試焊接電流：利用集成工作臺(tái)上的導(dǎo)電板，在焊槍零點(diǎn)標(biāo)定位置進(jìn)行焊接參數(shù)空打測試，應(yīng)用于核對焊接參數(shù)以及故障排除。

由于機(jī)器人單邊伺服焊槍一端帶有電極帽，另一端為銅編織，位于相互平行的方向上，無法像普通焊槍一樣能夠使本身動(dòng)、靜臂相互貼合完成加壓動(dòng)作，借助集成工作臺(tái)可完成正常作業(yè)。

2 普通焊槍的基本結(jié)構(gòu)及工作原理

普通伺服焊槍和單邊伺服焊槍焊接相比，基本原理一致，只是結(jié)構(gòu)有所差別，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 普通焊槍結(jié)構(gòu)

普通伺服焊槍主要由伺服電機(jī)、變壓器、槍體框架組件、導(dǎo)軌支架組件、電極臂、動(dòng)電極、靜電極桿等組成，其工作過程如下：

（1）焊接過程：板件就位以后，機(jī)器人通過控制焊槍伺服電機(jī)使靜電極與工件接觸，同時(shí)驅(qū)動(dòng)動(dòng)電極對工件進(jìn)行加壓，焊機(jī)根據(jù)設(shè)定好的參數(shù)輸出電流，在焊接力與電阻熱效應(yīng)的作用下，工件在動(dòng)靜電極間形成熔核，焊接完成后，機(jī)器人回到設(shè)定點(diǎn)使動(dòng)靜電極帽加壓進(jìn)行電極帽磨損檢測，進(jìn)行電極帽磨損補(bǔ)償并將此補(bǔ)償應(yīng)用到后續(xù)焊接過程；

（2）電極帽修模過程：直接在修模器上進(jìn)行修模，修模完成后關(guān)槍使自身動(dòng)靜電極帽貼合進(jìn)行電極帽檢測；

（3）壓力標(biāo)定過程：可直接利用壓力檢測設(shè)備在HOME位進(jìn)行每組壓力標(biāo)定并生成壓力曲線；

（4）焊槍伺服電機(jī)自整定過程：可直接在HOME位進(jìn)行電機(jī)自整定操作；

（5）空打測試焊接電流過程：可直接在HOME位進(jìn)行焊接參數(shù)空打測試，應(yīng)用于核對焊接參數(shù)以及故障排除。

綜上分析，普通C型伺服焊槍工作過程相對獨(dú)立，而單邊伺服焊槍在整個(gè)工作過程中需要借助集成臺(tái)才能更好的進(jìn)行工作。

3 伺服單邊點(diǎn)焊機(jī)器人集成工作臺(tái)結(jié)構(gòu)

集成工作臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 集成工作臺(tái)

為實(shí)現(xiàn)伺服單邊點(diǎn)焊機(jī)器人能夠高效工作，集成工作臺(tái)在結(jié)構(gòu)上做了各項(xiàng)優(yōu)化，新增改進(jìn)點(diǎn)有：

（1）為了方便進(jìn)行焊槍零點(diǎn)標(biāo)定以及電極帽磨損補(bǔ)償，在工作臺(tái)上安裝了高強(qiáng)度的鋼結(jié)構(gòu)平面；

（2）為了方便進(jìn)行焊槍壓力標(biāo)定以及進(jìn)行伺服電機(jī)自整定，結(jié)合壓力設(shè)備結(jié)構(gòu)，布置了壓力檢測塊，由于受力部位，特意安裝在了立柱上方，提高整個(gè)集成臺(tái)的穩(wěn)定性；

（3）為了能夠進(jìn)行日常焊接參數(shù)檢測以及設(shè)備故障時(shí)的排除，在立柱上方安裝一塊導(dǎo)電板，連通空打時(shí)銅編織與動(dòng)電極；

（4）為了保證修模時(shí)動(dòng)電極與刀片的同心度，在刀片正上方增加一個(gè)圓形導(dǎo)向；

（5）為了模擬靜電極，在集成臺(tái)上增加了一個(gè)模擬靜臂。

4 集成工作臺(tái)設(shè)計(jì)開發(fā)要點(diǎn)

集成工作臺(tái)設(shè)計(jì)開發(fā)的要點(diǎn)如下：

（1）確保用于零點(diǎn)標(biāo)定以及磨損補(bǔ)償?shù)匿摻Y(jié)構(gòu)的平面度、硬度以及耐磨性能；

（2）壓力檢測塊的安裝位置，需考慮焊槍施加壓力的大小與方向，確保整個(gè)集成臺(tái)的穩(wěn)定性，同時(shí)需要確保高度的耐磨性能以及抗打擊能力；

（3）導(dǎo)電板兩端鏈接處的安裝形式、材料選擇，需確保導(dǎo)電性能；

（4）圓形導(dǎo)向的安裝形式，需是X方向與Y方向均可調(diào)節(jié)的；

（5）模擬靜電極的安裝及要求，電極錐度匹配所使用的電極帽并強(qiáng)度高于電極帽材質(zhì)，靜電極與圓形導(dǎo)向的距離要合理，確保能夠方便進(jìn)行電極帽更換操作。

5 機(jī)器人修模可行性簡易分析

以品牌型號為SGWA-059E的RAVITEX修磨器為例，機(jī)器人修模壓力為1 200 N，修磨器本身緩沖彈簧最大力F1≈300 N，設(shè)伺服電機(jī)輸出的壓力為F2，焊槍綜合阻力為Fz，隨著電極的往下施壓，修模器產(chǎn)生形變，反作用力在刀片中心產(chǎn)生了橫向的分力Fx，電極的垂直力Fy，模擬靜臂電極承受壓力F3；普通伺服焊槍修模，通過上下電極帽貼合加壓，受力如圖5所示[2]：

圖5 普通焊槍修磨受力

式中，f 2為靜電極帽給刀片的反作用力。

單邊伺服焊槍修模時(shí)，由于刀片下部無支撐，刀片受力傾斜如圖6所示。

圖6 單邊焊修磨傾斜受力

由于此時(shí)f 2=0 N，可知F 2遠(yuǎn)大于F 2′，是達(dá)不到修模所需壓力的，同時(shí)Fx cosβ的橫向力作用于刀片傳動(dòng)機(jī)構(gòu)上，將加速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的損壞；因此，增加集成工作臺(tái)，模擬靜臂充當(dāng)普通伺服焊槍靜電極帽端，受力如圖7所示：

圖7 單邊焊在集成臺(tái)上修磨受力

因?yàn)镕 3≈ f 2，所以F 2=F 2″，即通過集成臺(tái)，可將單邊伺服焊槍修模轉(zhuǎn)換為普通伺服焊槍修模方式，解決修模壓力不足以及質(zhì)量、刀片壽命問題。

6 性能檢驗(yàn)

與本集成工作臺(tái)配合的是R2000IB/210F/R-30IA發(fā)那科機(jī)器人，已成功在集成工作臺(tái)上進(jìn)行焊槍零點(diǎn)設(shè)定、焊槍伺服電機(jī)自整定、壓力標(biāo)定、空打電流測試等功能應(yīng)用，伺服單邊焊槍壓力標(biāo)定數(shù)值如表1所示，生成相應(yīng)的壓力曲線如圖8所示。

表1 壓力標(biāo)定

圖8 壓力曲線

焊槍成功自整定畫面如圖9所示。

圖9 焊槍自整定

單邊伺服點(diǎn)焊機(jī)器人工作集成臺(tái)，已成功應(yīng)用于現(xiàn)有車型某汽車公司尾門自動(dòng)化線上，從現(xiàn)場安裝、調(diào)試到后期維護(hù)、車間運(yùn)營生產(chǎn)，都得到了良好的口碑，使用效果良好，運(yùn)行穩(wěn)定。

7 結(jié)束語

本文通過介紹機(jī)器人伺服單邊焊槍，引入新的單邊焊機(jī)器人集成工作機(jī)構(gòu)。重點(diǎn)介紹了機(jī)器人伺服單邊焊的焊接原理以及集成工作臺(tái)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，得出集成工作臺(tái)在確保焊接質(zhì)量、修模質(zhì)量、過程維護(hù)中發(fā)揮的重要作用，已成功應(yīng)用于車身自動(dòng)化門蓋線，效果良好，可以積極推廣在機(jī)器人單邊伺服焊接中的應(yīng)用。

[1]曾東建.汽車制造工藝學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[2]機(jī)械設(shè)計(jì)手冊（第三卷）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995.