点焊工业机器人修磨压力自适应程序研究.pdf

点焊机器人是现代工业生产中的一种非常重要的自动化设备。在汽车制造行业中，点焊机器人焊接制造的白车身具有质量稳定、生产效率高、成本低等优点，但是在焊接生产过程中，点焊机器人的电极会随着焊接次数的增加，其端面逐渐压堆变形并生成氧化层，为保证焊接品质，需要对电极进行修磨。电极修磨的效果直接影响着焊接品质，因此，对点焊机器人电极修磨进行研究和分析，对于提高点焊机器人的生产效率和产品质量具有非常重要的意义。为解决点焊工业机器人在进行修磨作业的过程中发生修磨不良，造成产品质量缺陷及电极浪费问题，通过一种可以实时监控并自动调节修磨压力的机器人程序，替代传统恒定单一修磨压力，实现一种柔性可自适应的点焊工业机器人修磨方式，从而提升修磨品质，降低电极切削浪费。文/刘晶、邹枫林、侯建伟、李红亮点焊工业机器人修磨压力自适应程序研究MonogrAPhic Topics专题研究 2023 年第 4 期 79自动修磨器构造及修磨原理自动电极修磨器主要由固定支架、控制箱、电动机、浮动装置、齿轮箱、修磨刀具、吹气装置，及收纳装置等组成。其主要工作部分为刀具部分，刀具属于选配模块，为易损件，刀具转速可达到 500r/min。浮动装置可以自动调节修磨器的位置，保证最佳修磨位置。吹气装置可将铜屑等杂物吹落，以避免铜屑堵塞。电极修磨后的碎片或刨花由收纳装置予以回收。点焊机器人电极的修磨时机由机器人程序控制，需要事先设定机器人需要完成的焊点数量，从而明确修磨频次及修磨极限。在机器人编程时，将这些参数输入到程序中，形成机器人电极帽的修磨程序。当点焊机器人电极工作到设定的焊点数量时，机器人就会停止工作，并调用电极修磨程序。进入修磨程序后，机器人焊钳自动移行至修磨器所在处，确保上、下电极移行到修磨器的正中心线位置，修磨刀头两侧与上下电极紧贴，使上下电极与修磨器的刀片同时接触并压紧，修磨器刀具旋转进行电极帽的端面切削研磨，修磨掉少量的碎片或刨花类的铜屑，修出与刀片轮廓一致的上下电极帽端面后即完成电极的修磨程序，如图 1所示。影响修磨的要点因素修磨的焊点数白车身自动化焊接生产线上，当机器人点焊达到设定的焊点数后就会自动去进行修磨。焊点数不能太大也不能太小，太大会导致修磨质量不好造成虚焊等焊接不良，太小则会浪费电极提高生产成本。通常铝板焊接时，100 点左右就需要进行修磨，镀锌板 200 300 点比较合适，冷轧板则可以高达 400 500 点。电极的位置首先将焊钳调整为电极帽高度方向与浮动装置的浮动方向平行。然后静电极移到修磨刀处，与修磨刀距离 3mm 5mm，电极帽尽量对准修磨刀。当条件允许时，至少保证动电极和静电极中有一个轴线能垂直并同轴于修磨刀，垂直度控制在 3 以内。修磨器状态修磨器的状态主要体现在修磨刀具上，刘 晶广汽乘用车有限公司宜昌分公司制造部智造科设备技术系系长侯建伟 广汽乘用车有限公司宜昌分公司制造部智造科设备技术系电气工程师邹枫林 广汽乘用车有限公司宜昌分公司制造部智造科设备技术系机器人工程师李红亮 广汽乘用车有限公司宜昌分公司制造部智造科设备工程师点焊工业机器人修磨压力自适应程序研究图 1 修磨前后对比80 机器人产业|ROBOT INDUSTRYMonogrAPhic Topics专题研究修磨刀具本身属于易损件，随着修磨次数的增多，刀片会逐渐钝化，在刀片钝化以后，以同样的程序和参数去进行修磨时，就会出现因修磨切削量减少而出现修磨不干净的情况。修磨压力和时间修磨压力指修磨时焊钳的闭合压力，也是上下电极夹紧修磨刀的压力。压力过小，使修磨量少，会修磨不干净，还会引起电极在修磨刀上振动；压力过大，会增加修磨刀的切削量，从而产生旋转的阻力，可能导致修磨机停转，或者导致刀片及刀架的损坏。修磨时间是指修磨时焊钳闭合至打开的这段时间。电极修磨的目标是在短时间内去除掉电极端面一定厚度的氧化合金层，比如 1s 磨掉 0.1mm。当修磨机选定时，修磨的厚度则由压力和时间决定。因不同厂家的刀片和修磨机结构不一样，压力和时间应参照修磨机厂家的推荐值进行设定和调整。另外，因为焊接工况不一样，通常需要对压力和时间做微调来达到较好的修磨效果。传统自动修磨方式存在的问题工业机器人进行修磨作业时，移动伺服焊枪运动到修磨器刀具位置，工业机器人通过程序控制伺服焊枪加压，进行电极氧化层切削。传统自动化点焊工业机器人修磨采用单一、恒定的修磨压力，控制电极的切削量，从而将电极头表面氧化层切削修磨干净。在汽车生产制造现场，点焊工业机器人大都是采用单一、恒定的压力进行修磨，但是电极切削量的变化并非只有单一压力变量，还受板材材质、刀片寿命、电极位置的影响，因此电极的切削量并不恒定可靠。这个因素引起的问题主要体现在两个方面，首先是修磨切削量过少会导致电极两端的焊接电阻存在较大波动，根据焊接原理 Q=IRT，电阻 R不稳定易出现虚焊等焊接品质不良等问题；其次是电极切削量过多会造成电极的大量浪费，缩短电极的使用寿命。修磨不良的原因及解决思路在工业机器人进行修磨作业时，修磨图 2 现场电极切削情况统计现场工业机器人电极单次铣削量统计现场工业机器人电极铣削电阻统计切削量：mm电阻：0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 200 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20MR09R1MR09R1铣削次数：次铣削次数：次更换基准上极限下极限0.40.35 0.3 0.25 0.20.150.10.0505004003002001000 2023 年第 4 期 81品质主要受板材材质、刀片寿命、电极位置、修磨程序参数等因素的影响，这些因素大部分是不受人员或设备调控的，因此要解决修磨不良问题的发生，解决措施只能是在修磨程序的参数上。考虑到调整修磨时间可能会影响节拍，因此直接对修磨压力的大小进行调整是改变修磨切削量最为简单有效的方式之一。传统自动化点焊工业机器人修磨的压力参数设置依据通常是来自于厂家的推荐值，或者是结合现场实际情况调整，程序里的压力参数值在设定完成后一般是不会再进行修改，但是随着使用时间的推移，影响修磨质量的各项因素会不断发生变化，恒定不变的修磨压力值与不断变化其他各项因素所产生的矛盾，是导致修磨不良问题发生的关键原因。因此，要保证修磨品质，需要的是能够实时自动调整的动态压力参数，需要通过程序让机器人能够实时运算得出一个最合适当前工作情况的修磨压力参数。自适应修磨程序实现原理及效果影响修磨品质的各项因素虽然大部分都是不可控的，但是在长期修磨的过程中，这些因素的变化也是存在一定的客观规律。修磨刀具会随着使用次数的逐渐累积而钝化，结合现场实际更换维保的记录，在机器人程序中添加机器人对修磨器刀具使用次数的记录，设定 15,000 次为刀具使用状态的分水岭，即使用不超过 15,000 次判定为新刀片，使用超过 15,000 次则会判定为钝化的旧刀片。另外，电极在焊接的过程中一直处于一个高温高压的环境中，电极本身的质地会犹如锻造一般逐渐变硬，因此结合现场电极的实际使用状况，设定电极长度小于 8mm 为新电极，超过则为旧电极，电极的长度变化通过机器人的补偿程序获取，工业机器人在每次修磨结束后会对电极做一个补偿测量，这是由于修磨会使电极帽的长度发生变化，需要对焊枪焊点的位置偏差进行补偿。以上，结合新旧刀具及新旧电极进行排列组合，就可以得到四种工作状态，结合现场试验数据，对于旧刀片及旧电极需要加大压力以保证修磨效果，因此，对于四种工作状态设置了四个初始的修磨压力参数 Pre_Force，机器人会根据数据进行简单运算后自行选择。并且，机器人在修磨结束后还会空焊一次，通过空焊对电极的电阻值进行测量，若电阻值小于 200，机器人就会报警停止，需点焊工业机器人修磨压力自适应程序研究图 3 自适应程序工作流程82 机器人产业|ROBOT INDUSTRYMonogrAPhic Topics专题研究表 1 改善效果对比要工作人员确认现场情况；超过 400 则会运行 adjust_Force 程序在下次修磨时增加修磨压力，电阻值在 200 至 400 之间则保持修磨压力参数不变。总结而言，就是在修磨之前会结合机器人记录测量的数据运算得到一个初始修磨压力参数，随后在每次修磨完成后，空焊检测修磨完成情况，并在下次修磨时对修磨压力参数进行调节。周而复始的循环运行自适应修磨程序，就可以确保每次修磨都会选择最合适的修磨压力参数，得到最优的修磨效果，如图 2所示。结合现场导入自适应修磨程序后的效果来看，与旧版程序相比，电极修磨切削 量 控 制 在 0.15mm 0.25mm 区 间，电极修磨后的空焊电阻控制在 200 400区间，在提升电极使用寿命，降低电极使用成本的同时，还提高了焊接品质，如表 1所示。结语本方法是通过一种可以实时监控并自动调节修磨压力的机器人程序，来替代传统恒定单一修磨压力，实现一种柔性可自适应的点焊工业机器人修磨方式，从而提升修磨品质，降低电极切削浪费，成功地解决点焊工业机器人在进行修磨作业的过程中发生修磨不良，造成产品质量缺陷及电极浪费等问题。参考文献1 党 红 霞.机 器 人 点 焊 电 极 修磨 器 在 焊 接 工 艺 中 的 应 用 J.焊 接 技术,2017,46(04):44-47.2 龚勇镇,黄永生,邓宇,王宇,周长青.机器人点焊工作站电极修磨试验研究J.铸造技术,2017,38(04):914-916.3 刘源,焦锋,王晓亮.电极修磨刀片磨损预测模型及磨损规律性研究 J 工具技术.2017.比较项目改善前改善后差异修磨故障率0.2%0.05%降低 0.15%电极更换频次400 台600 台提升 200 台年产能 60554 台计算302.72200.18102.54电极单价12 元/个12 元/个12 元/个点焊机器人台数299 台299 台299 台电极采购成本108.6159 万元71.8246 万元36.7913 万元在线阅读（节选）