FANUC機器人點焊應(yīng)用及焊接質(zhì)量缺陷改善＊

劉雙耀，張家豪

（1.浙江機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州310000；2.長安福特汽車有限公司杭州分公司，浙江 杭州310000）

電阻點焊是汽車白車身常用的一種連接方式。它通過加熱等方式，使2種或多種材料的原子、分子之間實現(xiàn)結(jié)合和擴散，進而達到連接在一起的效果[1]。使焊件裝配成搭接接頭，并壓緊在兩電極之間，利用電阻熱熔化母材金屬，形成焊點的電阻焊方法。電阻點焊主要由預(yù)壓、焊接、維持和休止[1]4個階段，與其他焊接方式相比，電阻點焊是一種高速、經(jīng)濟的連接方法。

1 FANUC機器人自動點焊系統(tǒng)

FANUC點焊系統(tǒng)由機器人本體、機器人控制柜、小原27焊接控制系統(tǒng)及附屬裝置等部件組成，如圖1所示。機器人本體是FANUCR-2000iC/210F機器人，額定負載為210 kg，重復(fù)定位精度為0.2 mm，最大工作半徑為3 010 mm。機器人控制柜型號為R-30iB（A柜），主要由主板、電源模塊PSU、伺服驅(qū)動板卡、急停模塊、通訊模塊、示教器、控制柜面板及附屬裝置等組成，用于控制機器人各部件的工作，實現(xiàn)機器人與上位機控制系統(tǒng)、焊接控制系統(tǒng)的通訊，實現(xiàn)機器人焊接工作[2]。

圖1 自動點焊焊接系統(tǒng)

機器人焊接系統(tǒng)由焊接控制柜、焊鉗及附屬裝置等組成。焊接控制柜是日本小原公司生產(chǎn)的SIV-27焊接控制柜?？刂破髯疃嗫删幊?56套規(guī)范，啟動信號開始后即開始焊接過程，焊接結(jié)束后發(fā)出焊接完成信號。

1.1 自動焊接程序

以焊接現(xiàn)場門蓋焊接生產(chǎn)線5B020工位020R3機器人為例，F(xiàn)ANUC機器人可以通過RSR方式和PNS方式啟動，焊接現(xiàn)場采用的是PNS啟動方式，該方式最多可以選擇255個程序，PNS程序號碼通過PNS1~8輸入信號來指定。現(xiàn)場生產(chǎn)4種車型，分別使用PNS0031、PNS0041、PNS0061、PNS0071，如下是PNS0061的程序：

1:UFRAME_NUM=0;調(diào)用0號用戶坐標(biāo)

2:UTOOL_NUM=1;調(diào)用1號工具坐標(biāo)

3:PAYLOAD[1]; 負載設(shè)置

4:CALLCHK_BGLGC_RUNNING;檢測后臺有沒運行

5:WATER_ON; 開水

6:JP[13]100%FINE;

7:ENTER_ZONE(1);進入干涉區(qū)

8:JP[3]100%CNT100;中間點

9:JP[2]100%CNT100;

10:L P[1:81037_02_L]3000mm/sec CNT50焊接點

:SPOT[SD=1,P=41,t=2.3,S=41,ED=1];

11:JP[7]100%CNT100;

12:JP[9]100%FINE;

13:EXIT_ZONE(1);出干涉區(qū)

以上020R3焊接程序中，只列了前一個焊點的程序，后面焊點是相同的程序規(guī)范，伺服焊槍的點焊指令為：SPOT[SD=m,P=n,t=i,S=j,ED=m]伺服焊槍的點焊指令中需要指定如下條件。

開始位置電極頭距離：按所指定的電極頭的打開量通過通向焊接位置的路徑。

加壓條件：按所指定加壓條件進行加壓。

厚度：按所指定的厚度進行加壓。

焊接條件：由控制裝置向焊機發(fā)送所指定焊接條件。

結(jié)束位置電極頭距離：接收到焊接完成信號后，焊槍就打開指定量。

焊接參數(shù)如圖2所示，可以在其中查看焊接壓力等參數(shù)。

圖2 設(shè)置焊接參數(shù)

1.2 電極頭磨損量補償

電極頭磨損量補償是相對基于焊接和電極頭修磨等伺服焊槍的電極頭的修磨，在執(zhí)行點焊指令和加壓指令時進行電極頭前端位置的補償。

電極頭磨損標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置有2種方法：一種是兩步法，即空打+基準(zhǔn)板檢測使用；另一種是單步法，即空打，需要更改$SGSYSCFG.$LOAD_TWD=11程序列表中才會有相應(yīng)程序。目前現(xiàn)場使用單步法測量方法。

換帽之后設(shè)置變量R[10:Tip wear down]=（1），調(diào)用程序CALL WR_UPD01，磨損量測量（更新），修磨之后設(shè)置變量R[10:Tip wear down]=（0），調(diào)用程序CALL WR_UPD01，磨損量測量（更新）。修磨和換帽程序中使用寄存器R10，新電極為1，舊電極為0。電極磨損量如圖3所示，可以在其中查看當(dāng)前電極磨損量。

圖3 電極磨損量

1.3 焊接后臺程序優(yōu)化

為了防止FANUC機器人焊接使能關(guān)閉仍然焊接而出現(xiàn)的漏焊虛等事故，做了如下程序優(yōu)化。

在焊接主程序增加CHK_BGLGC_RUNNING程序，如果后臺沒有運行，會報錯！在后臺BGLGC_SW_SIM程序中增加3個變量$spotconfig.$stroke_enbl=1（加壓有效）、$spotconfig.$weld_enbl=1（焊接有效）、:$spotconfig.$sim_enbl=0（空運行模式禁用）可以實現(xiàn)機器人自動模式，自動開啟焊接加壓和焊接使能功能以及空運行模式禁用。

焊接后臺程序優(yōu)化如圖4所示。

圖4 焊接后臺程序優(yōu)化

2 自動修磨換帽系統(tǒng)

焊接現(xiàn)場使用的設(shè)備是小原自動修磨換帽一體機，主要由電極修磨單元、電極拆卸單元、電極裝料單元組成。

電極修磨單元確保焊鉗在加壓狀態(tài)下進行電極修磨，可以防止上下電極的對中偏差，刀具高速旋轉(zhuǎn)，可以實現(xiàn)短時間內(nèi)電極修磨，適用于修磨多種電極材料，現(xiàn)場使用的電極帽材料為DHOM材料。電極拆卸單元采用兩級杠桿放大的四連桿結(jié)構(gòu)，最大拆卸力可達15 kN。電極裝料單元配置導(dǎo)向平衡器，借助機器人動力就可以實現(xiàn)裝帽。

2.1 修磨參數(shù)設(shè)置

焊鉗在加壓狀態(tài)下進行電極修磨，可以防止上下電極的對中偏差；刀具高速旋轉(zhuǎn)時，可以實現(xiàn)在短時間內(nèi)對電極進行修磨。電極修磨壓力允許范圍為980～2 450 N，當(dāng)壓力處于980 N以下時，將無法獲取足夠的切削量，當(dāng)超過2 450 N時，有時會造成馬達停轉(zhuǎn)，導(dǎo)致馬達出現(xiàn)故障?，F(xiàn)場使用的修磨壓力為980～1 500 N，對于剛剛換上的新刀片，使用較小的修磨壓力，現(xiàn)場設(shè)置為1 000 N，隨著修磨次數(shù)的增加，修磨效果會變差，調(diào)整為修磨壓力為1 500 N。

2.2 電極帽修磨與換帽流程

當(dāng)需要更換電極帽時，首先切斷冷卻水主回路側(cè)的進、回水，然后對焊鉗側(cè)冷卻水進行抽取，使焊鉗冷卻水管路中形成負壓，確保在更換電極帽過程中無大量冷卻水流出。

動側(cè)電極帽拆卸流程如圖5所示，靜側(cè)電極帽拆卸也是同樣的流程，當(dāng)靜側(cè)與動側(cè)全部更換完成后，需要進行電極頭補償，回水單元開水，最后進行電極帽修磨，最終電極帽自動換帽流程完成。

圖5 自動換帽流程

自動換帽與修磨程序如下：

1:IF($SGGUN1.$SETUP.$DRESS_CNT＞=45)THEN

2：CALL TIP_CHANGE;

3:ENDIF;

4: IF(R[11:Weld Cont]＞=120)

5:CALL TIP_DRESS;調(diào)用修磨程序

6:ENDIF;

7:IF($SGGUN1.$SETUP.$WRDWN_TIP＞=8)

CALL TIP_CHANGE;調(diào)用換帽程序

變量$SGGUN1.$SETUP.$DRESS_CNT為焊接修磨次數(shù)，修磨指令執(zhí)行一次，修磨計數(shù)變量$SGGUN1.$SETUP$DRESS_CNT增加一次，可以查看當(dāng)前修磨次數(shù)，用在check_tip_state程序中作為換帽判斷條件之一；變量$SGGUN1.$SETUP.$WRDWN_TIP為磨損量，可在變量中查看當(dāng)前磨損量，用在check_tip_state程序中作為電極帽換帽判斷條件之一。

3 焊接工藝參數(shù)

點焊工藝參數(shù)如表1所示。

表1 點焊工藝參數(shù)

4 焊接質(zhì)量缺陷及改善

4.1 炸槍

炸槍是點焊時電極與零件之間產(chǎn)生瞬間強電弧并發(fā)出爆炸聲的異?，F(xiàn)象，容易造成零件與電極燒損，甚至可將零件燒穿，電極燒毀[3]。

以焊接車間門區(qū)左前門010工位為例，如圖6所示，在焊接A轉(zhuǎn)轂零件時炸槍，同時報警SRVO-068，現(xiàn)場測量焊接電流和焊接壓力，輸入輸出正常，右側(cè)鎖扣處3個點（焊點編號：53219_07 L、53219_08 L、53219_09 L）焊接壓力為2 800 N，增加至3 500 N，焊接3臺車后又炸槍，手動示教發(fā)現(xiàn)靜臂未與零件貼合，修改焊接軌跡，保證靜臂與零件貼合、焊槍與零件的垂直度。

圖6 010工位焊接

繼續(xù)做2個件后，右側(cè)鎖扣處3個焊點恢復(fù)正常，左側(cè)焊點（編號53218_05 L）炸槍，發(fā)現(xiàn)此零件焊點與膠條有重疊，經(jīng)工藝確認，調(diào)整焊點位置，將焊接壓力由2 800 N增加至3 500 N，連續(xù)生產(chǎn)焊點正常，質(zhì)量測量超聲波正常。

焊點編號及參數(shù)如圖7所示。

圖7 焊點編號及參數(shù)

綜上例子，炸槍的解決方法為：由零件間隙過大而造成的，應(yīng)在消除間隙后進行焊接；由焊接壓力不足的，應(yīng)當(dāng)調(diào)整焊接壓力。

4.2 虛焊

虛焊是電阻點焊最常見的缺陷之一，其表現(xiàn)形式為板材接觸面之間并未形成有效的焊核，即無熔核或熔核尺寸小于規(guī)定值。一旦遭受外力，板材就會分離。導(dǎo)致虛焊形成的因素較多，如修磨參數(shù)不合理、焊接電流過小、焊接壓力不足、修磨器刀片鈍化。

分析現(xiàn)場出現(xiàn)的虛焊質(zhì)量問題，利用魚骨圖分析虛焊原因，對發(fā)生問題的焊接電流進行測試，均在標(biāo)準(zhǔn)輸入上下極限±5%范圍內(nèi)，未有異常；對發(fā)生問題的焊接壓力進行測試，均在標(biāo)準(zhǔn)輸入上下極限±20%范圍內(nèi)，未有異常；展開了每天對所有電極帽換帽工作，換帽前修磨一次查看電極帽狀態(tài)，判斷電極帽狀態(tài)，統(tǒng)計所有電極帽狀態(tài)，30%的電極帽狀態(tài)不佳。對發(fā)現(xiàn)問題的工位的修磨參數(shù)適當(dāng)加大，將修磨壓力逐漸加到1.5 kN，修磨時間逐漸加到2 s。對統(tǒng)計的8個修磨器設(shè)備刀片拆下來進行狀態(tài)檢查，發(fā)現(xiàn)均有不同程度的損傷。點焊電極帽狀態(tài)如圖8所示。

圖8 點焊電極帽狀態(tài)

對以上區(qū)域和工位的修磨器刀片進行了更換。正常生產(chǎn)一周，并隨時更新修磨器變化點檢表及修磨器跟蹤表，對更換下來的電極帽做好記錄。

5 總結(jié)

本文以汽車白車身的點焊應(yīng)用為例，介紹了FANUC機器人的自動點焊程序、自動修磨換帽程序以及后臺的優(yōu)化程序，驗證了其生產(chǎn)穩(wěn)定性，主要針對實際生產(chǎn)中的炸槍缺陷進行了優(yōu)化改進，驗證連續(xù)運行焊點正常，質(zhì)量檢測正常。利用魚骨圖分析虛焊產(chǎn)生的原因，最終找到產(chǎn)生虛焊的主要因素，并進行修正，連續(xù)生產(chǎn)質(zhì)量正常。