基于擺臂式修模器的固定焊槍修磨分析

劉 陽，宋懿群，金 雯

（1. 杭州吉利汽車有限公司，杭州 310000；2. 浙江吉利新能源商用車集團(tuán)有限公司，杭州 310000)

0 引言

焊接技術(shù)是汽車制造業(yè)四大工藝中必不可缺失的環(huán)節(jié)，焊接過程中由高溫高壓的作用導(dǎo)致電極端面的逐漸磨耗，或者端面合金化剝離，都會造成電極端面直徑變大，導(dǎo)致焊接過程電流密度減小，焊核減小，焊接不良發(fā)生[1]。電極帽焊接一定點數(shù)需進(jìn)行自動修磨，以保障產(chǎn)品質(zhì)量。固定式焊槍電極帽修磨需要對焊接件完成一定點數(shù)焊接，抓手機(jī)器人回到HOME位，對固定焊槍焊接點數(shù)檢測確認(rèn)，傳遞修模信號給擺臂修模器，等待擺臂修模器對固定焊槍完成修模后，抓手機(jī)器人才會執(zhí)行下一個任務(wù)工藝，造成生產(chǎn)等待時間浪費。為提高生產(chǎn)效率，降低能耗。本文對擺臂式修磨器對固定焊槍電極帽修磨進(jìn)行分析。

1 現(xiàn)場主要設(shè)備構(gòu)成及作用

1.1 機(jī)器人

本文介紹的是采用ABB 機(jī)器人IRB 7600-325/3.10，該機(jī)器人有6個自由度關(guān)節(jié)，可運動范圍3 100 mm，承載能力325 kg，以其扭矩大、慣性大、剛性結(jié)構(gòu)強(qiáng)及加速能力快特點廣泛應(yīng)用制造業(yè)，作為搬運機(jī)器人使用。IRB 7600-325/3.10機(jī)器人通過六軸安裝抓手用來搬運焊接零部件，機(jī)器人工作流程是將置臺上需要焊接零部件抓起來，通過PLC程序設(shè)定軌跡將抓手上零部件放到固定焊槍動靜電極臂上的電極帽之間等待焊接，焊接完成后將焊接好的零部件放置下一個工序置臺上。

1.2 固定焊槍

此處焊槍采用尼瑪克C型焊槍（焊槍通常喉深≥600 mm）固定焊槍接到焊接指令后將抓手機(jī)器人搬運過來的零部件進(jìn)行不同點位焊接，焊槍通過動臂與靜臂配合使電極臂、電極桿、鋼板零部件和電極帽形成一個閉合回路，將兩電極帽之間的工件加壓，并在焊接處通以電流，利用電流將工件本身的電阻產(chǎn)生熱量進(jìn)行加熱形成局部融化，斷電冷卻時繼續(xù)加壓作用下形成牢固接頭，在焊接過程中要保障電極帽與焊接零部件處于垂直90°的角度，以保障焊接質(zhì)量。

1.3 修模器

根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場要求，本文采用的自動式（搖臂式）修模器。主要構(gòu)造（見圖1）由修磨單元、馬達(dá)（電機(jī)）、可調(diào)支架、吹屑裝置、銅屑收集罩、銅屑收集桶、電控箱等組成。擺臂式修模器作用是當(dāng)固定焊槍焊接一定點數(shù)或電極帽磨損消耗較大會對其表面進(jìn)行修復(fù)打磨，擺臂式修模器在接到機(jī)器人傳遞信號指令電機(jī)帶動連接桿的搖臂曲柄將修模單元（修模單元內(nèi)配備旋轉(zhuǎn)刀具）以水平和垂直方向?qū)?zhǔn)固定焊槍上下電極帽同時進(jìn)行修磨，修磨時間小于2 s，轉(zhuǎn)速＞512 r/min。為保障修模效果，防止銅屑粘在電極帽上，將修模產(chǎn)生削屑統(tǒng)一收集清理，防止雜質(zhì)影響焊接質(zhì)量。

圖1 自動式（搖臂式）修模器

2 影響焊接節(jié)拍原因分析

2.1 電極帽修模等待時間浪費

電極帽在焊接一定時間后，表面會出現(xiàn)變形和氧化層，這種焊接是非常不利的，焊點質(zhì)量會降低[2-3]，固定式焊槍修模需抓手機(jī)器人完成自工序指令，機(jī)器人回到HOME位。擺臂式修模器接到指令才可以進(jìn)行修模，抓手機(jī)器人從置臺上抓取零部件和焊接完成到下工序放件回到HOME位等待修模，檢測修模條件是否滿足，此期間擺臂修模器對固定焊槍修模需要一直處于閑置狀態(tài)，擺臂式修模器在此期間修模對抓手機(jī)器人無任何干涉，因此固定焊槍電極帽等待修模造成大量等待時間浪費[4-5]。

2.2 機(jī)器人等待時間

抓手機(jī)器人主要作用是用來搬運零部件協(xié)助零部件局部焊接，每次完成一個自工序任務(wù)回到HOME位需等待檢測是否滿足修模條件（根據(jù)設(shè)置焊接點數(shù)）。后臺程序檢測需要修模時，擺臂式修模器對固定式焊槍電極帽修模，電極帽達(dá)到使用標(biāo)準(zhǔn)后，抓手機(jī)器人從HOME位開始執(zhí)行第一個任務(wù)去置臺上抓取零部件，擺臂式修模器對固定焊槍修模期間，抓手機(jī)器人處于HOME位等待，此期間擺臂器對固定焊槍修模抓手機(jī)器人抓取零件和離開HOME位對修模無任何影響和干涉，此時抓手機(jī)器人存在等待造成生產(chǎn)節(jié)拍降低，因此需要對此進(jìn)行優(yōu)化，減少不必要等待時間浪費。

3 節(jié)拍優(yōu)化方案

固定焊槍只在焊接時工作，非焊接時處于閑置狀態(tài)（約30 s）且與機(jī)器人無干涉，因此利用固定焊槍的非焊接時間進(jìn)行修模，固定焊槍的修模等待時間和抓手機(jī)器人HOME位等待時間將直接消除，ABB機(jī)器人支Multitask功能，即多任務(wù)功能（機(jī)器人要有623-1 multitasking選項才能使用多任務(wù)），將修模模塊移至輔助任務(wù)中，并用主任務(wù)中的信號來激活輔助任務(wù)，以此來達(dá)成固定焊槍的非焊接時間進(jìn)行修抓手機(jī)器人修模，見圖2。

圖2 多任務(wù)功能

3.1 多任務(wù)模式設(shè)置

ABB 示教器的控制面板選擇配置打開Controller 在Task 中新建一個任務(wù)（見圖3）DDDress（此處DDDress中前二位DD任意任命，下文相同）并將其Main Entry設(shè)置為DDMain（此處DDMain前二位DD同上述），重啟示教器后系統(tǒng)中將會有2個任務(wù)。

圖3 控制面板創(chuàng)建新程序

圖3 控制面板創(chuàng)建新程序（續(xù)）

3.2 修模程序編輯

在DDDress任務(wù)的程序模塊中創(chuàng)建DDDress模 塊（ 見 圖4 ）， 并 創(chuàng) 建DDDressmain 和DDMoveGun1TipDress 2 個例行程序，其中DDDressmain 為 修 模 主 程 序 ，DDMoveGun1TipDress為獨立模式修模軌跡程序。

圖4 DDDress 程序任務(wù)的程序模塊

DDDressmain為修模主程序（見圖5），是一段無限循環(huán)的判斷程序。當(dāng)修模請求信號為真（bDDGun1TipDressReq = TRUE）時，執(zhí)行修模程序，其他情況不執(zhí)行修模程序。同時，為了防止機(jī)器人掃描頻率過快，在判斷之后等待1 s再進(jìn)入下一個循環(huán)。

圖5 DDDressmain 例行程序

DDMoveGun1TipDress為獨立模式修模軌跡程序（見圖6），包含開啟焊槍獨立模式、擺臂修模器移動到Work位、檢查擺臂修模器是否在Work位、獨立模式合槍、獨立模式開槍、擺臂修模器移動到Home位、檢查擺臂修模器是否在Home位、TCP校準(zhǔn)及關(guān)閉焊槍獨立模式等一系列修模流程。

圖6 DDMoveGun1TipDress 例行程序

在DDDress任務(wù)的系統(tǒng)模塊在DDDress任務(wù)的系統(tǒng)模塊中創(chuàng)TipService 模塊，并創(chuàng)建DDTipDress、SwingArm和CheckSwingArmPose 3個例行程序，其中DDTipDress 為修模程序，SwingArm 控 制 擺 臂 修 模 器 動 作 ，CheckSwingArmPose檢查擺臂修模器位置。

3.3 修模檢測位置調(diào)整

原修模檢測程序（見圖7）位置在抓手機(jī)器人放件完成回Home位之后，即一個工作循環(huán)之后開始檢測是否需要修模，在進(jìn)行下一個工作流程；新修模檢測程序（見圖8）位置在抓手機(jī)器人焊接完成之后進(jìn)行檢測，并根據(jù)修模檢測數(shù)據(jù)確定是否直接修模。

圖7 原修模檢測程序位置

圖8 新修模檢測程序位置

3.4 修模安全控制

為了與HMI上手動發(fā)送的修模請求信號進(jìn)行區(qū)分，同時防止焊接時誤發(fā)送修模請求信號造成工件與修模器碰撞，新建修模檢測程序DDTipDressChk并將其發(fā)送的修模請求信號修改為bGun1TipDressReq，見圖9。

圖9 修模安全控制

在開始焊接之前需要檢查焊槍是否修模完成，我們使用修模請求信號bGun1TipDressReq =FALSE（只有獨立修模過程中其值為TRUE）作為判斷條件；出于安全考慮，增加修模器位置的判斷，即修模器必須要在Home位。

4 案例應(yīng)用

以某汽車制造廠焊裝車間三大件后地板線為例，后地板安裝固定焊槍焊接，當(dāng)抓手機(jī)器人完場焊接后，回到HOME位后，抓手機(jī)器人等待修模檢測信號，擺臂修模器進(jìn)行修模，通過上述分析采取視頻監(jiān)控計算，抓手機(jī)器人和擺臂式修模等待浪費時間20 s，固定焊槍非焊接時處于閑置狀態(tài)（約30 s）且與機(jī)器人無干涉，每生產(chǎn)10輛車進(jìn)行一次修模，該汽車制造業(yè)上一年度生產(chǎn)33 000輛，共計一臺固定焊槍等待修模時間浪費66 000 s，該后地板一條線有3臺固定焊槍，每次固定焊槍修模時間不統(tǒng)一，3臺焊槍等待修模時間需浪費198 000 s。假設(shè)固定焊槍能做到同時修模是最理想狀態(tài)，為了減少等待時間成本浪費，該公司采取第四章節(jié)的改善措施，通過現(xiàn)場驗證該改善可實施并投入使用，通過前面的分析，我們以最理想的情況計算每年至少能節(jié)約66 000 s，焊裝廠節(jié)拍為88 s，即每年至少能多生產(chǎn)750臺車，采用對固定焊槍、擺臂式修模器和抓手機(jī)器人三者關(guān)系工作配合關(guān)系，識別找出改善措施，進(jìn)行合理優(yōu)化，不僅可以提高員工技能水平還可以為企業(yè)節(jié)省能源成本，提升生產(chǎn)效率。

5 結(jié)論

白車身焊接質(zhì)量好壞，車身強(qiáng)度由焊接焊點決定，定期對焊槍電極帽修磨是必不可缺少工作，在滿足修磨工作，減少等待時間浪費，優(yōu)化產(chǎn)線平衡，生產(chǎn)節(jié)拍的提升，本文在對采取固定焊槍、抓手機(jī)器人和擺臂式修磨器工作現(xiàn)狀進(jìn)行介紹并通過在ABB機(jī)器人示教器建立多任務(wù)模式、修磨程序優(yōu)化、檢測位置優(yōu)化及安全互鎖檢查方案設(shè)定來提升生產(chǎn)效率，自動化水平應(yīng)用。