郭東棟，張曉樂，鄒尚博，張 明，張博昊，石 鑫

北京奔馳汽車有限公司，北京 100176

0 前言

自動電阻點焊是白車身制造中應(yīng)用最廣泛的焊接技術(shù)，每臺白車身上的焊點數(shù)量超過4 000個，點焊質(zhì)量直接影響車身強度。一條自動化生產(chǎn)線，自動點焊焊槍數(shù)量可達(dá)400個以上，無論是焊點數(shù)量，還是使用的焊槍數(shù)量都非常龐大。隨著自動化技術(shù)越來越成熟，機器人成本越來越低，自動點焊生產(chǎn)線的設(shè)計和使用越來越普遍。自動化生產(chǎn)具有過程穩(wěn)定、重復(fù)性好、生產(chǎn)效率高等優(yōu)勢，但對焊接質(zhì)量控制和過程監(jiān)控準(zhǔn)確度要求更高，否則很容易出現(xiàn)批量質(zhì)量問題。

焊接質(zhì)量控制是車身制造的一項重要課題，包括焊接設(shè)備選型，焊接參數(shù)設(shè)定，工藝過程控制，過程異常識別和焊接質(zhì)量檢測等，這些都是焊接質(zhì)量體系設(shè)計需要考慮的主要方面。電阻點焊最重要的質(zhì)量指標(biāo)是焊核直徑，在確定板材厚度后，焊核直徑?jīng)Q定了焊點強度［1-2］。在實際生產(chǎn)中，零件尺寸、焊接設(shè)備、表面狀態(tài)等都會出現(xiàn)波動，這些波動在一定程度上會影響焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性。為了保證焊接過程穩(wěn)定可控，出現(xiàn)異常波動時能及時發(fā)現(xiàn)問題，工藝過程數(shù)據(jù)監(jiān)控就非常必要。

中頻自適應(yīng)技術(shù)是當(dāng)前先進(jìn)的焊接過程控制技術(shù)之一，其響應(yīng)速度可低于1 ms，能精確監(jiān)控過程電阻，快速根據(jù)實際工況調(diào)整焊接電流和焊接時間，降低過程波動對焊接質(zhì)量的影響［3］。在焊接工藝過程控制的基礎(chǔ)上，國內(nèi)學(xué)者嘗試采用自制軟件和模塊化設(shè)計方法，建立以工控機、數(shù)據(jù)采集卡、信號調(diào)理適配卡和各種傳感器為硬件的信息采集平臺，設(shè)計電阻點焊過程及質(zhì)量在線監(jiān)控信息評價系統(tǒng)，探索用模塊化設(shè)計方法開發(fā)電阻點焊質(zhì)量在線監(jiān)控信息處理系統(tǒng)的可行性［4-5］。基于特征建模、非特征建模和物理模型的質(zhì)量評價方法是目前研究在線質(zhì)量監(jiān)控的主流方法，但現(xiàn)有技術(shù)的檢測精度還不能滿足實際生產(chǎn)需求，無法全面替代傳統(tǒng)人工質(zhì)檢方式，只能作為一種焊點質(zhì)量檢測的輔助手段［6］。

焊接工藝過程的穩(wěn)定性很大程度上取決于焊接設(shè)備狀態(tài)的穩(wěn)定性，如焊鉗實際電流壓力輸出、機器人零點準(zhǔn)確性、導(dǎo)電模塊狀態(tài)、電極修磨狀態(tài)等。在生產(chǎn)現(xiàn)場常見問題就是電極修磨不良。在自動化生產(chǎn)線，電極修磨是根據(jù)設(shè)定焊接點數(shù)自動修磨，修磨后直接進(jìn)行后續(xù)焊接，無法人工檢查修磨狀態(tài)。電極修磨受修磨壓力、修磨位置、修磨時間和修磨器狀態(tài)等影響［7-8］，修磨刀片在使用過程中會出現(xiàn)磨損，修磨量隨著刀頭磨損逐漸降低［9］。另外，修磨器卡屑、粘膠、電極冷卻不良等均會導(dǎo)致電極修磨不良，這些問題無法在生產(chǎn)過程中完全消除。實時采集修磨狀態(tài)等相關(guān)參數(shù)，獲得修磨狀態(tài)的可靠監(jiān)控，降低修磨問題帶來的質(zhì)量風(fēng)險，是數(shù)字化質(zhì)量控制的一項重要工作。

1 電極修磨質(zhì)量智能預(yù)警系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 過程參數(shù)選取與采集

焊接過程測量數(shù)據(jù)眾多，包括過程穩(wěn)定性、質(zhì)量穩(wěn)定性、時間、電流、電阻、電壓等，當(dāng)修磨狀態(tài)不良時，這些焊接過程參數(shù)會發(fā)生變化。與修磨直接相關(guān)的參數(shù)有新電極帽試焊電流、電阻、電機位置，以及修磨前后的電流、電阻等。焊接控制器內(nèi)置電流監(jiān)控，通過對比修磨前后的電流變化來監(jiān)控修磨質(zhì)量，但準(zhǔn)確度不高，在生產(chǎn)現(xiàn)場頻發(fā)實際修磨不良而控制器內(nèi)置修磨監(jiān)控未檢測出異常的現(xiàn)象。

當(dāng)修磨狀態(tài)不良時，電極帽之間的電阻會明顯增大，并且試焊電阻可以被測量記錄。因此，選擇采集試焊電阻作為判斷修磨狀態(tài)的強相關(guān)參數(shù)。如圖1所示，虛線框內(nèi)為正常狀態(tài)下的修磨前電阻，實線框內(nèi)為正常狀態(tài)下的修磨后電阻，橢圓內(nèi)為修磨不良時的電阻。

圖1 焊接控制器中的電阻值記錄Fig.1 Resistance record in controller

1.2 數(shù)據(jù)處理與可視化

如表1所示，試焊電阻可以從試焊程序的電阻記錄中獲取。在生產(chǎn)現(xiàn)場焊鉗數(shù)量達(dá)到約400個的情況下，很難關(guān)注到每個焊鉗的修磨狀態(tài)，為了高效地發(fā)現(xiàn)異常焊鉗，獲取修磨數(shù)據(jù)后需要設(shè)定電阻的公差范圍，超過公差范圍的焊鉗將會被重點關(guān)注。根據(jù)監(jiān)控設(shè)定，需要直觀地展示超差數(shù)據(jù)，讓技術(shù)人員及時發(fā)現(xiàn)異常焊鉗。

表1 部分焊接過程參數(shù)Table 1 Parameter in welding process

1.3 定制化監(jiān)控范圍

實際上，每把焊鉗的自身電阻受結(jié)構(gòu)、安裝方式、焊鉗類型、電極接觸面大小等影響，其正常狀態(tài)修磨前后的電阻都不相同，所以需要對每把焊鉗的修磨電阻分別設(shè)置上下公差。設(shè)定上下公差的方法采用統(tǒng)計過程控制方法，統(tǒng)計在無異常狀態(tài)下一定時間內(nèi)的修磨前后電阻值，計算出中心線X和上下控制限UCL/LCL=X±3σ，即平均值和上下公差值。

1.4 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)通過現(xiàn)場搭建服務(wù)器，定期采集焊接控制器SQL server數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了每分鐘一次的數(shù)據(jù)采集頻次。采集的數(shù)據(jù)通過設(shè)備號、程序號、焊接計數(shù)，區(qū)分焊鉗修磨前后電阻測量值。在Web端按照超差數(shù)量生成柱狀圖，置頂超差頻繁的焊鉗。搭建的修磨質(zhì)量智能預(yù)警系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 修磨質(zhì)量智能預(yù)警系統(tǒng)架構(gòu)Fig.2 Structure of tip dressing intelligent waring system

2 電極修磨質(zhì)量智能預(yù)警系統(tǒng)的實現(xiàn)方法

2.1 數(shù)據(jù)采集服務(wù)器建立

在生產(chǎn)線網(wǎng)絡(luò)建立數(shù)據(jù)采集服務(wù)器，在服務(wù)器上編寫掃描程序，持續(xù)掃描焊接控制器數(shù)據(jù)庫，檢索焊接過程和修磨數(shù)據(jù)。首先需要建立焊點和焊鉗列表，這是獲取數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)。從焊接控制器采集數(shù)據(jù)時，按照列表中的焊點號讀取相應(yīng)數(shù)據(jù)，并儲存在服務(wù)器。如圖3所示，根據(jù)焊點號，程序自動采集相應(yīng)數(shù)據(jù)，保證采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，增大數(shù)據(jù)庫的利用率。

圖3 對應(yīng)焊點號的數(shù)據(jù)采集Fig.3 Data collection for spots

程序?qū)崿F(xiàn)了對應(yīng)焊點的大數(shù)據(jù)采集，包括每輛車的時間、控制器名、焊接程序號、修磨次數(shù)、修磨后焊接的次數(shù)、焊接過程參數(shù)、報錯信息等。從試焊程序的焊接過程參數(shù)中可以獲得修磨前后的試焊電阻數(shù)據(jù)。參數(shù)記錄的采集程序如圖4所示。

圖4 參數(shù)記錄采集程序Fig.4 Program of parameter record collection

2.2 數(shù)據(jù)處理與可視化交互

獲取修磨數(shù)據(jù)之后，根據(jù)修磨后焊接次數(shù)，區(qū)分電阻值是修磨前還是修磨后，電極修磨時序如圖5所示。修磨后第1次焊接時，控制器wear值計1，每焊接1次，wear值累加1次。按照此對應(yīng)關(guān)系可知，wear值等于1所對應(yīng)的電阻值，為修磨后的試焊電阻，wear值大于1所對應(yīng)的電阻值，為修磨前的電阻值。對修磨前后的電阻分別設(shè)置公差范圍，web端與數(shù)據(jù)庫交互，實現(xiàn)電阻值分布的實時展示。

圖5 修磨試焊時序Fig.5 Sequence of tip dressing test welding

根據(jù)電極修磨前后電阻設(shè)置的公差實施監(jiān)控，只要發(fā)生超差，系統(tǒng)中該焊槍自動計數(shù)1次，發(fā)生多次超差時，按照相同邏輯依次累計。按照超差次數(shù)，從高到低展示。如圖6所示，系統(tǒng)中分別按照機器人島和焊槍排列出超差數(shù)量。工藝技術(shù)人員可以從圖表中直觀的了解到修磨超差次數(shù)最多的焊鉗，并對該焊鉗進(jìn)行檢查調(diào)整。

圖6 修磨電阻超差問題展示形式Fig.6 Chart for tip dressing resistance out of tolerance

根據(jù)一定時間內(nèi)的實際電阻值，計算出電極修磨前后電阻的平均值與上下公差值。公差設(shè)置通過點擊公差線，彈出窗口進(jìn)行編輯，如圖7所示。

圖7 修磨電阻監(jiān)控公差編輯界面Fig.7 Setting interface of tip dressing resistance tolerance

2.3 監(jiān)控定制化實現(xiàn)

由于每把焊鉗的自身電阻不同，其修磨前后的試焊電阻也不相同。如果設(shè)置相同的試焊電阻上下限，就會出現(xiàn)焊鉗無問題，但數(shù)值超差，即誤報錯；或者焊鉗出現(xiàn)問題，而數(shù)值未超差，即漏報錯的現(xiàn)象。因此，針對每個焊鉗無異常狀態(tài)下的實際試焊電阻，分別求出公差上下限。具體操作步驟如下：

①導(dǎo)出每把焊鉗一天內(nèi)的修磨試焊電阻數(shù)據(jù)，篩選出發(fā)生異常的焊鉗。當(dāng)修磨后試焊電阻最大值與最小值的差值大于20 μΩ，即Rmax-Rmin>20 μΩ時，判定為異常。異常焊鉗需要逐個手工計算上下限。

②對于無異常的焊鉗，根據(jù)修磨前后實際值，分別按照UCL/LCL=X±3σ的方法計算出上下限。

③批量導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫程序，按照計算值進(jìn)行監(jiān)控。

3 電極修磨質(zhì)量智能預(yù)警系統(tǒng)的現(xiàn)場應(yīng)用

建立電極修磨質(zhì)量智能預(yù)計系統(tǒng)，可以直觀得到修磨超差焊鉗分布，實現(xiàn)在web端查詢實際修磨電阻曲線功能，為解決現(xiàn)場問題提供了極大便利，是一個實用性很強的數(shù)字化工具。

3.1 大端面電極帽修磨堵刀頭問題解決

20×22電極帽是一種大端面電極帽，主要焊接厚板組合。在修磨過程中，這種電極帽頻發(fā)修磨刀堵塞問題，單班發(fā)生堵刀頭問題超過10次以上。當(dāng)堵刀頭后，現(xiàn)場控制器自身的電流監(jiān)控發(fā)生報錯停機，生產(chǎn)人員需要清理刀頭，耽誤生產(chǎn)時間。當(dāng)現(xiàn)場控制器自身的電流監(jiān)控未能發(fā)現(xiàn)堵刀頭時，生產(chǎn)人員無法發(fā)現(xiàn)問題，造成焊接質(zhì)量風(fēng)險。修磨預(yù)警系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)此類問題后，通過調(diào)整修磨位置、修磨壓力、修磨圈數(shù)等均未解決。檢查修磨發(fā)現(xiàn)大端面電極帽修磨碎屑過大，很容易卡在修磨刀頭，造成堵塞，如圖8所示。鑒于此，測試了某品牌四刃修磨刀頭（見圖9），四刃修磨刀修磨產(chǎn)生的碎屑更加細(xì)碎，不易卡滯在刀頭造成堵塞。通過更換修磨刀頭，消除了大端面電極帽堵刀頭問題。

圖8 單刃修磨刀頭Fig.8 Four blades tip dresser

圖9 四刃修磨刀頭Fig.9 Single blade tip dresser

3.2 冷卻水芯脫落問題解決

焊接時，電極與板材接觸的部位會產(chǎn)生很高的熱量，需要循環(huán)冷卻水降低電極溫度。當(dāng)電極臂中冷卻水芯脫落或者損壞時，電極帽冷卻不足，造成氧化過度，無法修磨干凈。這些異常都會導(dǎo)致修磨后試焊電阻過大，通過電阻監(jiān)控可以及時發(fā)現(xiàn)問題。電極帽過熱后，焊接端面發(fā)生變形和內(nèi)陷，如圖10、圖11所示。這兩種缺陷均會產(chǎn)生批量質(zhì)量問題，對生產(chǎn)質(zhì)量造成巨大影響。

圖10 電極端面過熱變形Fig.10 Tip overheating deformation

圖11 電極端面過熱內(nèi)陷Fig.11 Tip overheating collapse

針對冷卻水芯易脫落或損壞問題，對水芯連接頭材質(zhì)進(jìn)行優(yōu)化。如圖12所示，原水芯接頭為鋼質(zhì)螺紋和銅管通過釬焊連接，在使用過程中釬焊部位容易發(fā)生斷裂。通過工藝改進(jìn)，將螺紋材質(zhì)也改為銅，和銅管通過熔焊連接，增加了接頭強度。

圖12 冷卻水芯接頭改進(jìn)Fig.12 Cooling water tube connection improvement

3.3 電極修磨不良常見問題解決

除了上述兩種常見的修磨不良問題，修磨質(zhì)量還很大程度上取決于修磨壓力、修磨圈數(shù)、修磨位置、修磨刀性能、電極頭狀態(tài)等。通過數(shù)字化手段獲取修磨質(zhì)量信息，對問題焊鉗進(jìn)行現(xiàn)場檢查和調(diào)整，高效地解決了修磨問題。如圖13所示，問題解決前后的修磨前試焊電阻對比，豎線后為恢復(fù)正常后，修磨前試焊電阻由高變低，且每次修磨后電阻非常平穩(wěn)。

圖13 問題解決前后修磨電阻對比Fig.13 Tip dressing resistance contrast before/after problem solving

4 總結(jié)與展望

在車身焊接制造中，電極修磨不良是一個常見問題。但由于設(shè)備數(shù)量巨大，工藝技術(shù)人員無法關(guān)注到每臺設(shè)備。通過建立修磨質(zhì)量智能預(yù)警系統(tǒng)，采集了大量的焊接和修磨數(shù)據(jù)，并直觀展示了修磨前后試焊電阻相關(guān)參數(shù)。通過定制化公差設(shè)置，將焊鉗按照超差頻次排列，實現(xiàn)了修磨電阻數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控和問題嚴(yán)重性排序，實現(xiàn)了試焊電阻的實時數(shù)據(jù)查詢，直觀地展示了修磨問題，大大提升了工藝技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的效率。

修磨狀態(tài)的智能監(jiān)控已經(jīng)在生產(chǎn)現(xiàn)場使用，但該系統(tǒng)的工作卻并未結(jié)束。電極帽的磨損與焊點的板材厚度、粘膠情況、參數(shù)設(shè)置都有一定的關(guān)系。但是基于當(dāng)前設(shè)備能力，修磨和電極帽更換頻次的設(shè)定為固定值，這種設(shè)置能夠保證現(xiàn)場所有正常工況下的焊接質(zhì)量，但是相對保守，存在很大電極帽的浪費。通過采集焊接過程數(shù)據(jù)、電極磨損值、焊接試焊電阻值等，進(jìn)行焊接過程與質(zhì)量的大數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，計算出最佳修磨和換帽時機，即能最大限度的使用電極帽，又能保證焊接質(zhì)量，是未來智能化電極修磨的研究方向。