劉久月 馬立新 劉海旭 劉菁茹 都姍姍

摘要：為減少焊點(diǎn)打磨工藝成本并控制打磨質(zhì)量，研究一種由機(jī)器人抓持的自動打磨工具及其控制系統(tǒng)。通過力控傳感器實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，在60 ms內(nèi)完成反饋并驅(qū)動柔性控制單元，最終輸出打磨力精度誤差小于1 N，使之可以打磨車身零件的復(fù)雜曲面。根據(jù)車身零件材料特性，通過試驗(yàn)選取合適的磨具，確保打磨質(zhì)量。根據(jù)生產(chǎn)線工藝特性設(shè)計(jì)打磨工藝，最終實(shí)現(xiàn)自動打磨技術(shù)在生產(chǎn)線上應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：車身零件 焊點(diǎn) 機(jī)器人 自動打磨 力控

中圖分類號：U468.2+2? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B? ?DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20220204

Abstract： In order to reduce the cost of the solder joint grinding process and control the grinding quality， this paper studies an automatic grinding tool held by a robot and its control system. The closed-loop control is realized through the force control sensor， the feedback is completed within 60 ms and drive the flexible control unit at the same time. Finally， the precision error of the output grinding force is less than 1 N， so that it can grind the complex surface of the body parts. According to the material characteristics of body parts， appropriate grinding apparatus are selected through experiments to ensure the grinding quality. The grinding process is designed according to the process characteristics of the production line， and finally the automatic grinding technology is applied in the production line.

Key words： Body part， Welding spot， Robot， Automatic grinding， Force control

1 前言

在現(xiàn)有的汽車車身連接工藝中，電阻點(diǎn)焊是最主流的工藝。電阻點(diǎn)焊具有生產(chǎn)效率高、熱變形小、故障率低的工藝優(yōu)勢，但也存在焊點(diǎn)飛濺與焊接毛刺較多的缺點(diǎn)。

焊點(diǎn)的焊接飛濺與毛刺除影響美觀度外，還會導(dǎo)致電泳層和涂裝層的厚度不均甚至產(chǎn)生缺陷，影響防腐蝕性能進(jìn)而減少車身使用壽命。

產(chǎn)生焊點(diǎn)飛濺與毛刺的原因主要有以下4種：焊件表面有雜質(zhì)或污漬導(dǎo)致接觸面的壓強(qiáng)不均，造成熔核局部的電流過大；焊接時(shí)間過長導(dǎo)致車身零件過熔化；焊鉗電極帽表面與焊接板材垂直度不足導(dǎo)致熔核局部電流過大。

為減少焊件產(chǎn)生焊渣與毛刺缺陷，大多數(shù)焊接控制器廠家開發(fā)了自適應(yīng)焊接系統(tǒng)，通過焊接控制器自動調(diào)整焊接過程中的電流，從技術(shù)源頭遏制焊點(diǎn)飛濺的發(fā)生；沖壓件精度的提升、電極修磨技術(shù)的發(fā)展同樣有助于控制焊點(diǎn)表面質(zhì)量；在生產(chǎn)實(shí)際中調(diào)試工程師也會優(yōu)化焊接參數(shù)和焊鉗的焊接姿態(tài)，以降低焊點(diǎn)飛濺發(fā)生概率。但受限于車身零件匹配尺寸波動及表面油污狀態(tài)不同，生產(chǎn)過程中仍會有部分焊點(diǎn)產(chǎn)生飛濺與毛刺。因此，通常在生產(chǎn)線末端車身零件下線后由人工手持打磨工具對焊點(diǎn)飛濺與焊點(diǎn)毛刺打磨，以保證后續(xù)電泳和涂裝工藝質(zhì)量。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，1臺焊裝白車身約有4 000～5 000個(gè)焊點(diǎn)，1條年產(chǎn)量15萬輛汽車的生產(chǎn)線至少需要40名工人對車身焊點(diǎn)質(zhì)量檢修打磨。打磨車身零件極度依賴個(gè)人經(jīng)驗(yàn)；機(jī)械重復(fù)性的勞動嚴(yán)重壓制工人的積極性；打磨工作產(chǎn)生的大量金屬粉塵，影響工人身體健康。

為此，本文研究面向白車身焊接自動打磨系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了焊點(diǎn)自動打磨，提高了打磨后的白車身零件質(zhì)量。

2 自動打磨與人工打磨對比

a.投入成本（以整車生命周期10年計(jì)），自動打磨：單套自動打磨，一次性投入設(shè)備及后續(xù)維護(hù)費(fèi)用約60萬元；人工打磨：單個(gè)工人費(fèi)用約120萬元。

b.占地面積（以某車型后地板總成線體為例），自動打磨：線內(nèi)自動打磨區(qū)域共占地約36 m2，如圖1所示；人工打磨：人工檢查、打磨區(qū)域共占地約48 m2，如圖2所示。

c.打磨質(zhì)量穩(wěn)定性，自動打磨：通過大數(shù)據(jù)積累形成打磨材料庫，指導(dǎo)自動打磨工藝不斷地優(yōu)化升級，確保打磨質(zhì)量穩(wěn)定。人工打磨：質(zhì)量受人為因素影響大，多批次打磨質(zhì)量一致性低。

d.可復(fù)制性，自動打磨：固化的打磨工藝參數(shù)，統(tǒng)一管理，可復(fù)制性強(qiáng)。人工打磨：依賴個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，質(zhì)量控制數(shù)據(jù)以人腦為準(zhǔn)，難以形成有效傳承。

e.環(huán)境與危害，自動打磨：配置相應(yīng)防護(hù)等級的設(shè)備，可不間斷運(yùn)行，適應(yīng)粉塵與高溫環(huán)境。人工打磨：作業(yè)環(huán)境中的金屬粉塵與飛濺危害人體健康，不適宜長期作業(yè)。

綜上，機(jī)器人自動打磨工藝具有成本低、質(zhì)量穩(wěn)定性高、復(fù)制性強(qiáng)與避免作業(yè)環(huán)境危害等優(yōu)勢。但是由于車身零件不規(guī)則性和工藝的復(fù)雜性，對工業(yè)機(jī)器人自動打磨工藝的柔性提出了更高要求，這也是實(shí)現(xiàn)自動打磨面臨的難題。

3 自動打磨系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 自動打磨系統(tǒng)構(gòu)成

自動打磨系統(tǒng)主要由機(jī)器人柜、機(jī)器人本體、打磨工具、打磨控制柜、被打磨車身零件、除塵設(shè)備構(gòu)成。自動打磨系統(tǒng)構(gòu)成如圖3所示。

自動打磨系統(tǒng)的控制邏輯如下。

a.機(jī)器人帶打磨工具到達(dá)指定位置，機(jī)器人控制柜通知打磨控制柜開始打磨；

b.打磨控制柜啟動打磨工具，打磨工具電主軸旋轉(zhuǎn)，帶動磨具打磨車身零件焊點(diǎn)表面；

c.機(jī)器人確認(rèn)打磨工具電主軸啟動旋轉(zhuǎn)后，帶動打磨工具沿預(yù)定打磨路線行進(jìn)；

d.機(jī)器人帶動打磨工具行進(jìn)至預(yù)定路線終點(diǎn)后，機(jī)器人控制系統(tǒng)通知打磨控制系統(tǒng)停止打磨，打磨控制系統(tǒng)控制打磨工具電主軸停止旋轉(zhuǎn)；

e.機(jī)器人行進(jìn)至下條打磨路線并重復(fù)上述流程直至所有焊點(diǎn)打磨完成。

為防止金屬粉塵長時(shí)間堆積造成環(huán)境污染，自動打磨系統(tǒng)配置了高負(fù)壓自動除塵設(shè)備，將金屬粉塵吸至過濾罐中，并由專人定期清理維護(hù)。

3.2 打磨工具構(gòu)成及力控解析

因車身零件表面存在尺寸誤差和定位誤差，如在自動打磨系統(tǒng)中使用恒位置控制，會引起如下缺陷。

a.打磨質(zhì)量不穩(wěn)定，車身零件各位置打磨厚度不均；

b.影響磨具使用壽命，加速損耗帶來更多粉塵；

c.車身零件表面誤差較大時(shí)引發(fā)工具和機(jī)器人過載報(bào)警甚至損壞或造成產(chǎn)線停。

為保證既定且一致的打磨量，自動打磨系統(tǒng)要解決位置控制和打磨力控制2個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。

自動打磨工具結(jié)構(gòu)如圖4所示。電主軸驅(qū)動磨具旋轉(zhuǎn)，打磨車身零件，當(dāng)車身零件Z向尺寸出現(xiàn)偏差或行進(jìn)至復(fù)雜曲面時(shí)，力控傳感單元通過感知打磨力的變化并反饋給柔性伸縮機(jī)構(gòu)，調(diào)整磨具位置，保持前端磨具恒定輸出正壓力，以此補(bǔ)償機(jī)器人精度誤差以及其它外界擾動，實(shí)現(xiàn)精確打磨去除量。自動打磨工具的控制邏輯如圖5所示。

此自動打磨工具有如下功能：

a.柔性控制：當(dāng)接觸力發(fā)生變化時(shí)，柔性控制能夠做出相應(yīng)的伸縮；

b.恒力控制：設(shè)備能保持恒定的輸出力，精度控制在±1 N；

c.實(shí)時(shí)響應(yīng)：實(shí)時(shí)地感知外力的變化，在60 ms內(nèi)恢復(fù)到設(shè)定輸出力；

d.狀態(tài)監(jiān)控：能夠?qū)崟r(shí)的反饋柔性力控伸縮量；

e.重力補(bǔ)償：可以設(shè)定質(zhì)量并自動補(bǔ)償力影響，保持恒力打磨；

f.多種通信：支持多種工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信，和上位機(jī)保持實(shí)時(shí)的通信。

g.磨具保護(hù)：即在磨具消耗到一定程度時(shí)（消耗程度可以采用實(shí)時(shí)檢測形式，也可以采用預(yù)防性維護(hù)形式），系統(tǒng)發(fā)出預(yù)警提示需要更換磨具，當(dāng)消耗完成仍未更換，系統(tǒng)會停止打磨，等待更換。

4 自動打磨工藝設(shè)計(jì)

4.1 自動識別缺陷焊點(diǎn)的技術(shù)路線

在設(shè)計(jì)前期，考慮應(yīng)用視覺設(shè)備自動判別焊點(diǎn)質(zhì)量，即通過相機(jī)拍照，識別發(fā)生焊渣與毛刺區(qū)域，而后記錄缺陷區(qū)域的車身坐標(biāo)，通過軟件自動規(guī)劃機(jī)器人軌跡，實(shí)現(xiàn)自動打磨。但上述方案存在2點(diǎn)問題。

一是節(jié)拍問題：為獲得較好的成像效果，視覺設(shè)備需要在較近位置、對車身進(jìn)行多次拍照或掃描，單次拍照及分析計(jì)算時(shí)間約3 s，完成識別中后地板件單側(cè)需要約18 s，嚴(yán)重占用生產(chǎn)工藝節(jié)拍；

二是視覺識別的準(zhǔn)確性：部分焊點(diǎn)飛濺痕跡較淺、單個(gè)焊渣直徑較小，視覺設(shè)備無法準(zhǔn)確判定是否為質(zhì)量缺陷。

基于上述2個(gè)缺點(diǎn)，本項(xiàng)目排除應(yīng)用視覺設(shè)備檢測。

為了實(shí)現(xiàn)缺陷焊點(diǎn)的自動識別，通過與自適應(yīng)焊接控制器廠家聯(lián)合研討，分析積累了大量焊接參數(shù)曲線，發(fā)現(xiàn)飛濺、焊渣的焊點(diǎn)焊接參數(shù)曲線都呈同樣規(guī)律：焊接電流發(fā)生突降的幅度＞20%。焊接前期發(fā)生飛濺參數(shù)曲線如圖6所示，焊接中后期發(fā)生飛濺參數(shù)曲線如圖7所示。

因此，本項(xiàng)目采用如下方式實(shí)現(xiàn)自動判定及自動打磨：焊接控制器監(jiān)控焊接曲線，識別電流突降幅度＞20%的焊點(diǎn)并標(biāo)記焊點(diǎn)名稱，通過線體制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Execution System，MES）及PLC將焊點(diǎn)的名稱與坐標(biāo)傳輸至打磨系統(tǒng)，打磨系統(tǒng)通過內(nèi)置軟件自動規(guī)劃機(jī)器人軌跡，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自動打磨缺陷焊點(diǎn)。

4.2 生產(chǎn)線工藝設(shè)計(jì)

在某車型后地板總成生產(chǎn)線中，梁架總成與面板總成經(jīng)過合拼焊接成為后地板總成。車身零件裝配如圖8所示。

由于焊點(diǎn)飛濺發(fā)生位置無法預(yù)判，因此判定在車身零件搭接的2側(cè)都需要對焊點(diǎn)進(jìn)行打磨。本工位使用轉(zhuǎn)轂設(shè)備實(shí)現(xiàn)車身零件翻轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)轂夾具如圖9所示。

轉(zhuǎn)轂夾具的工作原理為：轉(zhuǎn)轂支座與地面相連并固定，當(dāng)夾具檢測到車身零件在位且機(jī)器人狀態(tài)正常，夾緊單元執(zhí)行夾緊；當(dāng)機(jī)器人打磨完成車身正面焊點(diǎn)后，打磨完成信號反饋給變頻器驅(qū)動轉(zhuǎn)轂電機(jī)進(jìn)行翻轉(zhuǎn)動作；此時(shí)轉(zhuǎn)轂電機(jī)旋轉(zhuǎn)，以轉(zhuǎn)轂主動軸、從動軸為約束，帶動夾具框架翻轉(zhuǎn)180°后停止，機(jī)器人繼續(xù)打磨車身反面；整體打磨完成后，轉(zhuǎn)轂夾具翻轉(zhuǎn)回初始狀態(tài)并打開夾緊單元。

結(jié)合線體實(shí)際布局，機(jī)器人自動打磨工位實(shí)際工藝動作順序?yàn)椋簷C(jī)器人A將車身零件放置在轉(zhuǎn)轂夾具上；夾具夾緊后機(jī)器人B、C開始打磨；打磨完成后轉(zhuǎn)轂夾具帶車身零件翻轉(zhuǎn)180°；機(jī)器人B、C繼續(xù)打磨車身零件反面；打磨完成后轉(zhuǎn)轂轉(zhuǎn)回0°位置；機(jī)器人D抓取車身零件進(jìn)行下一工序工作。自動打磨工位布局結(jié)構(gòu)如圖10所示。

工位打磨工位節(jié)拍如表1所示，由于線體總節(jié)拍88.4 s，若車身零件正反兩面的打磨時(shí)間一致，則可得出留給機(jī)器人打磨車身零件單側(cè)的時(shí)間T約為32.2 s，可連續(xù)打磨20個(gè)焊點(diǎn)。

4.3 打磨磨具材質(zhì)的確定

打磨后的表面應(yīng)該干凈順滑，表面粗糙度Ra＜0.1，避免電泳后的質(zhì)量缺陷；不能在局部區(qū)域打磨過量導(dǎo)致鍍鋅層磨穿，破壞防腐蝕效果。

為滿足上述打磨質(zhì)量要求，常用打磨磨具有如下3種可選。

a.扭絲鋼刷，用于打磨冷軋板、鍍鋅板上的毛刺，理論使用壽命一般為6萬個(gè)焊點(diǎn)毛刺；

b.砂紙，用于打磨熱成形鋼板上的毛刺，理論使用壽命約為100個(gè)點(diǎn)焊毛刺；

c.百葉輪，用于熱鍍鋅板及熱成型鋼板，理論使用壽命約為打磨200 m長度（百葉輪采用連續(xù)打磨的形式，約4 000個(gè)焊點(diǎn)）。

對后地板車身零件信息提取匯總，如表2所示，明確車身零件包含熱鍍鋅鋼板和熱成型鋼板。因此磨具材質(zhì)排除扭絲鋼刷。

為了選擇最終磨具的材質(zhì)，對本車身試片進(jìn)行打磨試驗(yàn)，車身零件打磨質(zhì)量判斷標(biāo)準(zhǔn)如下。

a.打磨后的肉眼觀察的外觀不能存在棱線；

b.打磨后焊點(diǎn)殘根的高度要求不超過零件厚度的10%，母材去除量不超過零件厚度10%，自動打磨質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)如圖11所示。

以上述最薄車身車身零件厚度為0.60 mm計(jì)算，即焊點(diǎn)殘根高度和母材去除均≤0.06 mm。

打磨試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，結(jié)論為：砂紙與百葉輪均適用此車身零件板材的自動打磨。

在試驗(yàn)過程中，磨具的使用壽命測試結(jié)果如表4所示。

經(jīng)測試對比，確定百葉輪作為打磨工具，具有單位時(shí)間打磨量多、使用壽命高的優(yōu)勢，避免了線體頻繁更換打磨工具造成的開動率不足。

4.4 應(yīng)用Process Simulate仿真軟件明確打磨焊點(diǎn)

雖已明確車身零件單側(cè)打磨時(shí)間不超過32.2 s，但由于無法預(yù)估現(xiàn)場實(shí)際焊接中發(fā)生飛濺的焊點(diǎn)位置，因此在設(shè)計(jì)階段，仍然需要對全部工藝焊點(diǎn)進(jìn)行仿真驗(yàn)證，篩選可以進(jìn)行自動打磨的焊點(diǎn)。后續(xù)現(xiàn)場調(diào)試階段，依據(jù)車身零件實(shí)際情況，在理論可行的焊點(diǎn)中挑選飛濺嚴(yán)重的焊點(diǎn)進(jìn)行自動打磨。其余飛濺程度較為輕微及無法實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自動打磨的焊點(diǎn)仍然采用車身零件下線后人工打磨的處理方式。

在Process Simulate仿真軟件中，創(chuàng)建車身零件庫、焊點(diǎn)庫；將車身零件投影到所在夾具上，在車身零件上為所有焊點(diǎn)建立坐標(biāo)投影；機(jī)器人攜帶打磨工具對車身零件焊點(diǎn)位置打磨，分析工藝可行性。判斷是否可行的技術(shù)要點(diǎn)如下。

a.機(jī)器人帶打磨工具能夠到達(dá)被打磨焊點(diǎn)；

b.打磨工具不與車身零件非打磨面干涉；

c.打磨工具不與夾具干涉。

為保證焊點(diǎn)所在打磨面可控，在打磨時(shí)，百葉輪面與車身零件表面夾角約為7°，打磨角度如圖12所示。

經(jīng)過對158個(gè)焊點(diǎn)逐一驗(yàn)證分析，篩選出2側(cè)都可應(yīng)用自動打磨工藝的89個(gè)焊點(diǎn)。

此89個(gè)焊點(diǎn)作為最終自動打磨備選焊點(diǎn)庫，輸入自動打磨系統(tǒng)，線生產(chǎn)階段在每臺車身中匹配缺陷焊點(diǎn)名稱，選定飛濺最大的20個(gè)焊點(diǎn)作為最終應(yīng)用焊點(diǎn)，自動規(guī)劃打磨路徑，執(zhí)行自動打磨。若有缺陷焊點(diǎn)飛濺未處理，仍使用車身零件下線后人工打磨形式。

5 結(jié)束語

受限于磨料規(guī)格尺寸與特殊焊點(diǎn)的位置，目前并非所有焊點(diǎn)飛濺都能夠?qū)崿F(xiàn)自動打磨，這也是需要繼續(xù)探索的方向，即開發(fā)更小巧、便捷的磨料形式及適合尺寸，能夠在滿足打磨質(zhì)量的前提下，適應(yīng)車身零件的特殊型面，直至完全取代人工打磨。

自動打磨系統(tǒng)最大的價(jià)值在于，在車身生產(chǎn)領(lǐng)域，將不規(guī)則的、零件型面復(fù)雜的打磨工藝使用自動化工具代替，把知識的形式由人員傳承轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)據(jù)積累，極大地減少了車身表面質(zhì)量與人員經(jīng)驗(yàn)之間的正向強(qiáng)關(guān)聯(lián)，在車身制造領(lǐng)域的數(shù)字化、智能化方向前進(jìn)了一步。