螺柱焊技術(shù)穩(wěn)定性研究在裝焊車間的應(yīng)用

李冠群，張澤志，潘曉剛

（北京奔馳汽車有限公司，北京 100176）

0 引言

螺柱焊技術(shù)發(fā)明于20世紀(jì)40年代，主要由德國、美國、前蘇聯(lián)等外國研究機(jī)構(gòu)和商業(yè)公司所發(fā)展和應(yīng)用[1]。其定義為：將金屬螺柱或其他類似的緊固件焊道工件上的方法統(tǒng)稱為螺柱焊。隨著國內(nèi)外螺柱焊技術(shù)的不斷成熟，其廣泛應(yīng)用于汽車、造船、機(jī)車、航空、機(jī)械、醫(yī)療器械、鍋爐、化工設(shè)備、變壓器及大型建筑結(jié)構(gòu)等行業(yè)[1-3]。

螺柱焊設(shè)備是裝焊車間重要的組成部分，不僅數(shù)量眾多，而且隨著螺柱焊設(shè)備技術(shù)的推陳出新、更新?lián)Q代，設(shè)備的技術(shù)含量越來越高，體現(xiàn)在零件數(shù)量增多且越來越先進(jìn)。在設(shè)備功能完善的同時也給日常的維護(hù)帶來了難度。目前，以TUCKER品牌來說，螺柱焊設(shè)備從大的方面可以分為2部分，即手動螺柱焊和自動螺柱焊，而自動螺柱焊又可以分為TH槍和TR槍兩大類（圖1）。其中，TH是Tool Head的縮寫，即直線槍頭式焊槍工具，其槍頭為直線運動模式；TR是Tool Rotary的縮寫，即旋轉(zhuǎn)槍頭式焊槍工具，其槍頭為旋轉(zhuǎn)運動模式。目前，整個工廠擁有上百臺的螺柱焊設(shè)備。

圖1 TH槍（左）與TR槍（右）

由于螺柱焊設(shè)備，尤其是TR系列，構(gòu)造精密，電氣及機(jī)械零件布局緊密（圖2）。這雖然使得設(shè)備功能廣泛，提高焊接效率，但在另一方面也正是由于其構(gòu)造精巧，而造成設(shè)備的穩(wěn)定性欠佳，故障種類繁多，且由于零件數(shù)目多，難以排查出故障的真實原因。針對北京奔馳汽車有限公司裝焊車間發(fā)生的主要問題，提出優(yōu)化方案，保證設(shè)備運行的穩(wěn)定性。

1 現(xiàn)狀分析

螺柱焊技術(shù)在實際應(yīng)用中存在的問題主要有管線包纏繞、備用焊槍三坐標(biāo)尺寸不穩(wěn)定以及小停機(jī)故障頻發(fā)。

圖2 TR槍結(jié)構(gòu)

螺柱焊區(qū)域由于空間狹窄，造成機(jī)器人軌跡復(fù)雜扭曲，由此帶來管線包頻繁損壞的問題，通過統(tǒng)計，每年平均更換63根管線包，其中最頻繁的工位更換了21次，由此造成了大量停機(jī)時間和備件浪費。這些問題的解決需要在現(xiàn)場進(jìn)行軌跡調(diào)試，不斷通過細(xì)小的改變達(dá)到優(yōu)化的目的。但是由于現(xiàn)場生產(chǎn)任務(wù)壓力，在實際操作時經(jīng)常由于時間緊任務(wù)重，而造成效果的不理想。因此利用DELMIA仿真專業(yè)軟件，在線下進(jìn)行離線仿真，對機(jī)器人軌跡進(jìn)行充分的可能性試驗，達(dá)到理想的效果。根據(jù)仿真結(jié)果在進(jìn)行線上的實際應(yīng)用，從而提高了效率。

車身的螺柱三坐標(biāo)位置規(guī)定誤差范圍嚴(yán)格，螺柱焊技術(shù)由于此工藝特點，對焊槍三坐標(biāo)尺寸要求嚴(yán)格。而螺柱焊槍在長期使用后或者在現(xiàn)場發(fā)生碰撞后都可能會引起槍身偏移，從而影響螺柱在車身上的位置。以前遇到此類問題時只能根據(jù)螺柱樣板工具，通過更改機(jī)器人空間坐標(biāo)來恢復(fù)實際焊釘位置，不僅浪費了時間，而且造成線下備槍尺寸不統(tǒng)一，無法進(jìn)行有效管理。通過利用FARO測量臂工具，在線下可以建立測量坐標(biāo)系，對焊槍的三坐標(biāo)尺寸進(jìn)行測量和調(diào)整，從而可以統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，縮短線上調(diào)整時間。

螺柱焊設(shè)備主要在生產(chǎn)主線，因此對于停機(jī)時間把控嚴(yán)格。而螺柱焊設(shè)備由于設(shè)計精密，5 min以下的小停機(jī)頻繁發(fā)生，這不僅減少了正常生產(chǎn)時間，而且這些小故障，如果沒有及時解決，會造成大停機(jī)的故障隱患。因此，利用螺柱焊工藝軟件TE-LINK，實時搜集現(xiàn)場報警信息，并對報警信息進(jìn)行分析，及時解決，并預(yù)測設(shè)備故障隱患，達(dá)到提升設(shè)備穩(wěn)定性的目的。

2 方案提出

2.1 軌跡優(yōu)化

DELMIA軟件由達(dá)索系統(tǒng)公司研發(fā)，提供了全面，集成和協(xié)同的數(shù)字制造解決方案，通過以工藝為中心的技術(shù)來定義，監(jiān)測和控制各類生產(chǎn)系統(tǒng)，從單個的設(shè)備單元、生產(chǎn)線、工廠物流直到整個企業(yè)的生產(chǎn)過程[4]。其中，DELMIA/Robotics模塊是基于物理的可伸縮機(jī)器人仿真解決方案，理論基礎(chǔ)是機(jī)器人仿真技術(shù)，包含了計算機(jī)技術(shù)，機(jī)器人學(xué)和計算機(jī)圖形學(xué)，而核心難點即是機(jī)器人運動學(xué)逆解的計算過程，要求精確和快速[4-5]。利用DELMIA專業(yè)軟件，可以離線對生產(chǎn)工位進(jìn)行建模[6-7]。

圖3 DELMIA仿真界面

管線包為機(jī)器人具體建模工作可以分為3個步驟：①導(dǎo)入現(xiàn)場工裝與車身數(shù)模，插入對應(yīng)的機(jī)器人模型；②根據(jù)此工位的工藝流程，導(dǎo)入車身的焊點位置信息；③在線下進(jìn)行機(jī)器人軌跡的仿真。線下進(jìn)行機(jī)器人軌跡的仿真主要分為兩部分：一是對機(jī)器人的TCP（工具末端）進(jìn)行軌跡優(yōu)化，可以通過Simulation trace功能實現(xiàn)軌跡的可視化，幫助判斷（圖4）；二是可以對機(jī)器人各個關(guān)節(jié)進(jìn)行監(jiān)測，可通過Sensor功能調(diào)取整個工藝工程中各個關(guān)節(jié)電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度隨時間的變化過程。

圖4 機(jī)器人工具末端軌跡

對于本項目來說，對管線包影響最大的是 4軸、5軸和6軸，所以對這3個軸進(jìn)行數(shù)據(jù)搜集與分析（圖5）。發(fā)現(xiàn)6軸的關(guān)節(jié)在兩處旋轉(zhuǎn)角度發(fā)生較大變化，這較容易造成管線包的纏繞，所以針對這兩處進(jìn)行了軌跡調(diào)整。

因為在線下仿真比較方便，因此在焊點可達(dá)性滿足的條件下，可以對機(jī)器人可能的各種軌跡進(jìn)行嘗試，從而得出最優(yōu)結(jié)果。

圖5 關(guān)節(jié)4～6軸角度變化曲線

2.2 焊槍三坐標(biāo)尺寸測量

FARO測量臂由美國FARO公司研發(fā)，是一套通過接觸式方法完成實物模型表面輪廓快速準(zhǔn)確數(shù)字化的設(shè)備。FARO測量臂質(zhì)量輕，硬度高且關(guān)節(jié)靈活，內(nèi)部有7個旋轉(zhuǎn)編碼器，用于確定探頭中心點位置坐標(biāo)。在具體測量時各關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)編碼器記錄側(cè)頭工作時的任意姿態(tài)的7個旋轉(zhuǎn)信號，通過記錄固定臂長及實時變化的角度，換算出探頭的坐標(biāo)值。測量臂通過探針與軸空間運動的配合，精密的測量出被測零件表面的點在空間3個坐標(biāo)位置的數(shù)值，而其中蘊含的原理是任何幾何特征均由空間點構(gòu)成。收集到坐標(biāo)位置后，計算機(jī)對測量點的坐標(biāo)值進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，擬合形成測量元素。如平面、直線、圓、球、圓柱等，經(jīng)過數(shù)學(xué)計算的方法得出其形狀，位置公差及其他幾何量數(shù)據(jù)。

本項目的測量過程一般步驟為：規(guī)劃焊槍放置姿態(tài)→實物表面清潔→測量系統(tǒng)開啟，激活關(guān)節(jié)臂→掃描輪廓數(shù)據(jù)→焊槍三坐標(biāo)結(jié)果。

FARO工作平臺的建立主要由焊槍工裝與FARO測量臂組成：將焊槍豎直放在工裝上，方便緊固、固定；將FARO臂在工裝旁邊固定（圖6）。

圖6 焊槍工裝與FARO測量臂

此工作平臺的操作步驟如下：①在焊槍工裝上建立坐標(biāo)系；②通過對標(biāo)準(zhǔn)焊槍的三坐標(biāo)測量得到焊槍標(biāo)準(zhǔn)值。因為TR焊槍的槍頭可以旋轉(zhuǎn)，因此取3個槍頭角度，3個角度的X方向距離都為24 mm，槍頭90°時的Z方向為666 mm，槍頭180°時的Y方向為85.8 mm以及槍頭在270°時的Z方向為526 mm。3個槍頭角度的焊槍姿態(tài)如圖7所示，標(biāo)準(zhǔn)值如表1所示；③利用FARO公司研發(fā)的CAM2 Measure軟件，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)值對線下備槍的三坐標(biāo)進(jìn)行測量對比（圖8）；④對于超出預(yù)先設(shè)定誤差值的焊槍進(jìn)行調(diào)整，直到尺寸在誤差之內(nèi)。

2.3 故障預(yù)測

利用TE-LINK工藝軟件可以對現(xiàn)場螺柱焊設(shè)備的報錯信息進(jìn)行實時收集（圖9）。

除了進(jìn)行實時觀測，還可以將收集到的報錯信息進(jìn)行整理歸納，找到每個工位在每種報錯上的具體分布（圖10）。這樣一方面可以及時在現(xiàn)場進(jìn)行臨時處理，另一方面可以對可能存在的故障隱患進(jìn)行預(yù)測。

主要應(yīng)對措施如表2所示。

圖7 TR焊槍三坐標(biāo)槍頭角度

表1 TR螺柱焊槍標(biāo)準(zhǔn)值mm

圖8 CAM2 Measure軟件使用界面

3 效果反饋及結(jié)論

3.1 管線包更換數(shù)量

圖11為2018年更換管線包數(shù)量的趨勢，可以看出，從CW38優(yōu)化軌跡結(jié)束后，超過2周沒有更換管線包，說明取得了效果。

3.2 焊槍尺寸

自使用FARO測量臂統(tǒng)一線下備槍三坐標(biāo)尺寸后，還沒有發(fā)生因為備槍尺寸不合格而導(dǎo)致的換槍停機(jī)。

3.3 小停機(jī)穩(wěn)定性（圖12）

設(shè)備可利用率是設(shè)備正常使用時間與總生產(chǎn)時間的比值，記為TA（Technology Availability，技術(shù)可利用率），通過觀察TA值的變化趨勢可以判斷設(shè)備的穩(wěn)定性。圖12為2018年設(shè)備可利用率變化趨勢，可以看出，自9月中旬開始使用TE-LINK軟件對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行實時監(jiān)控后，設(shè)備可利用率明顯上升。

圖9 TE-LINK界面

圖10 工位報錯分析

表2 主要應(yīng)對措施舉例

圖11 2018年管線包更換數(shù)量趨勢

由以上分析說明，針對管線包頻繁損壞、焊槍尺寸不穩(wěn)定以及設(shè)備小停機(jī)頻繁這3個問題所開展的解決措施取得了正向的反饋效果，螺柱焊設(shè)備的穩(wěn)定性得到了顯著提高。

圖12 設(shè)備可利用率變化趨勢