基于發(fā)那科機(jī)器人的熱熔緊固系統(tǒng)及其加工工藝

張坤峰， 陳炎欽， 倪偉峰

上海發(fā)那科機(jī)器人有限公司 上海 201906

1 研究背景

隨著汽車工業(yè)制造技術(shù)的升級(jí)與革新，越來越多的汽車品牌開始關(guān)注汽車車身輕量化問題。車身中高強(qiáng)度輕質(zhì)材料的使用比例正不斷增大［1］，這些輕質(zhì)材料的使用，對(duì)連接工藝提出了更高的要求［2］，目前主流的連接工藝，如焊接、鉚接、電阻點(diǎn)焊等已不能完全滿足生產(chǎn)需求［3-4］。

熱熔緊固是一種可代替電阻點(diǎn)焊的先進(jìn)連接工藝，在連接強(qiáng)度、加工能力、可拆卸性等方面具有巨大優(yōu)勢(shì)，可滿足汽車輕量化和新能源汽車對(duì)連接工藝日益增長(zhǎng)的要求［5］。目前，熱熔緊固工藝在歐美汽車行業(yè)解決車身輕量化領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，如捷豹X150、奧迪A8、奧迪A6等品牌，其中新款?yuàn)W迪A8上有多達(dá)740個(gè)熱熔螺釘。除此之外，日產(chǎn)、寶馬、保時(shí)捷等眾多汽車品牌也開始使用熱熔緊固工藝。配合機(jī)器人的高靈活性，熱熔緊固技術(shù)在汽車裝配連接中展現(xiàn)出巨大優(yōu)勢(shì)，將成為國(guó)內(nèi)汽車車身輕量化裝配及綠色節(jié)能領(lǐng)域非常重要的解決方案之一［6］。

2 系統(tǒng)組成

發(fā)那科機(jī)器人系統(tǒng)由R-2000i C／270F工業(yè)機(jī)器人、R-30i B控制柜、通信軟件、控制程序等組成。熱熔緊固系統(tǒng)由控制器、擰緊頭、送釘器、送釘管等組成［7］?；诎l(fā)那科機(jī)器人的熱熔緊固系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)各類不同類型鈑金件的緊固連接，并確保過程可靠性。例如，汽車白車身連接采用該系統(tǒng)，可以完成鋁件與鋁件、鋁件與鋼件的緊固連接，從而實(shí)現(xiàn)車身輕量化。圖1所示為基于發(fā)那科機(jī)器人的熱熔緊固系統(tǒng)構(gòu)成。

3 系統(tǒng)控制原理

系統(tǒng)控制原理如圖2所示。根據(jù)系統(tǒng)功能需求、外部信號(hào)數(shù)量、內(nèi)存等因素，系統(tǒng)控制柜選用了西門子S7-300可編程序控制器進(jìn)行系統(tǒng)控制，機(jī)器人和熱熔緊固控制器之間通過可編程序控制器基于Profinet總線進(jìn)行通信和信號(hào)交互。機(jī)器人將控制命令發(fā)送給可編程序控制器，由可編程序控制器控制熱熔緊固控制器。熱熔緊固控制器通過內(nèi)部總線控制送釘器和電磁閥，將釘子送到擰緊頭。之后熱熔緊固控制器通過Ether CAT總線控制擰緊頭中的下壓電機(jī)和擰緊電機(jī)進(jìn)行伺服擰緊。在擰緊的同時(shí)，熱熔緊固控制器通過內(nèi)部閉環(huán)實(shí)時(shí)控制擰緊過程，并將完成信號(hào)反饋到可編程序控制器和機(jī)器人。

圖1 基于發(fā)那科機(jī)器人的熱熔緊固系統(tǒng)構(gòu)成

圖2 系統(tǒng)控制原理

4 熱熔緊固工藝概述

4.1 原理

如圖3所示，在緊固過程開始時(shí)，熱熔螺釘預(yù)先通過送釘管送至鋁板或薄鋼板的表面，然后螺釘在高速旋轉(zhuǎn)的同時(shí)向工件表面施加高下壓力，產(chǎn)生極高的摩擦熱，熔化金屬。接著螺釘穿透材料，形成穿孔，并開始攻絲。一旦螺紋形成，螺釘會(huì)按照預(yù)設(shè)的扭矩進(jìn)行擰緊，并達(dá)到預(yù)設(shè)的轉(zhuǎn)角［8］。

圖3 熱熔緊固工藝原理

4.2 特點(diǎn)

針對(duì)汽車白車身鈑金件的連接裝配，熱熔緊固工藝具有以下特點(diǎn)：① 可實(shí)現(xiàn)單工作方向的應(yīng)用需求，從單側(cè)即可完成緊固連接；② 連接材料無需預(yù)沖孔；③ 可連接不同材料和厚度的鈑金件，以及連接包括碳鋼、鋁合金、復(fù)合材料在內(nèi)的同種材料或異種材料；④ 螺釘可拆卸性好；⑤ 連接的動(dòng)態(tài)疲勞強(qiáng)度高，無需增加防松件，并且可通過對(duì)擰緊參數(shù)的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，對(duì)擰緊質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估［9］。熱熔緊固工藝與汽車車身常見連接工藝特點(diǎn)對(duì)比見表1，表1中“○”代表具有，“—”代表不具有。

表1 汽車車身連接工藝特點(diǎn)對(duì)比

5 緊固性能分析

對(duì)于熱熔緊固的緊固性能，可以從兩個(gè)方面進(jìn)行分析：① 緊固外觀及斷面成型情況；② 拉伸剪切強(qiáng)度測(cè)試及數(shù)據(jù)分析。

5.1 緊固外觀及斷面成型

可以從外觀對(duì)緊固性能進(jìn)行初步判斷，如圖4所示，主要觀察螺釘帽是否與工件緊密貼合，工件是否存在彎曲變形等。另外，可以切割一個(gè)打釘?shù)钠拭鎭碛^察斷面成型情況，如圖5所示。主要觀察上部擠出板料是否嵌入螺帽凹槽，下部擠出板料是否夾緊螺帽，形成缺口，以及螺紋成型情況等。

圖4 緊固外觀

圖5 斷面成型

5.2 拉伸剪切強(qiáng)度測(cè)試

拉伸剪切強(qiáng)度測(cè)試是靜強(qiáng)度分析中最基本的測(cè)試，也是研究板料連接接頭質(zhì)量最重要的測(cè)試類型之一［10］。可以使用拉伸剪切強(qiáng)度測(cè)試來檢驗(yàn)熱熔緊固的緊固性能，圖6所示為熱熔緊固連接的兩種拉伸剪切強(qiáng)度測(cè)試模型。表2列舉了熱熔緊固、自沖鉚接、電阻點(diǎn)焊三種連接工藝的鋁板連接拉剪力［11-12］，其中板厚1-2表示1 mm厚鋁板與2 mm厚鋁板連接，后文同。

圖6 拉伸剪切強(qiáng)度測(cè)試模型

6 熱熔緊固工藝測(cè)試分析

6.1 試驗(yàn)平臺(tái)

測(cè)試基于發(fā)那科R-2000i C／270F工業(yè)機(jī)器人、DEPRAG熱熔緊固設(shè)備、阿諾德Flowfor m M5×22 mm螺釘進(jìn)行。鋁板材料為5系鋁合金，鋼板材料為Q235碳鋼，板厚誤差為±0.05 mm。

表2 常見連接工藝?yán)袅?duì)比

筆者共測(cè)試6種鋁板與鋁板組合、4種鋼板與鋼板組合、5種鋁板與鋼板組合，其中，鋁板與鋁板組合中要求總厚度不超過6 mm，鋼板與鋼板、鋁板與鋼板組合中要求鋼板厚度不超過3 mm，總厚度不超過5 mm，否則容易出現(xiàn)連接工藝缺陷。

試驗(yàn)平臺(tái)如圖7所示。

圖7 試驗(yàn)平臺(tái)

6.2 數(shù)據(jù)分析

熱熔緊固工藝分為五個(gè)過程：擰緊軸預(yù)到達(dá)、擰緊軸與螺釘嚙合、穿孔、攻絲、擰緊，其中，前兩個(gè)過程的工藝參數(shù)可適用于所有的板厚組合，后三個(gè)過程的工藝參數(shù)則需要根據(jù)連接工件的材料、厚度、強(qiáng)度及熱傳導(dǎo)等影響因素進(jìn)行合理選擇。表3為1 mm厚鋁板與2 mm厚鋁板組合的工藝參數(shù)。

由于工藝參數(shù)過多，可選取后三個(gè)工藝過程中較為關(guān)鍵的幾個(gè)工藝參數(shù)進(jìn)行分析。工藝測(cè)試結(jié)果如圖8～圖10所示。圖10中AT代表鋁板，ST代表鋼板。

圖8中，通過對(duì)鋁板與鋁板組合工藝參數(shù)進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)隨著板厚的增大，三個(gè)工藝過程的扭矩也相應(yīng)增大，最大設(shè)定值為15 N·m。穿孔過程轉(zhuǎn)速逐漸降低，但絕對(duì)值仍較大，高于5 000 r／min。攻絲過程轉(zhuǎn)速逐漸提高，但絕對(duì)值不超過3 000 r／min，防止螺紋成型不良。擰緊過程轉(zhuǎn)速不超過400 r／min，防止滑牙。

圖8 鋁板與鋁板組合工藝參數(shù)

圖9 鋼板與鋼板組合工藝參數(shù)

表3 1 mm厚鋁板與2 mm厚鋁板組合工藝參數(shù)

圖10 鋁板與鋼板組合工藝參數(shù)

圖9 中，通過對(duì)鋼板與鋼板組合工藝參數(shù)進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)隨著板厚的增大，三個(gè)工藝過程的扭矩也相應(yīng)增大，最大設(shè)定值為15 N·m，連接所需的扭矩大于相應(yīng)板厚的鋁板與鋁板組合工藝參數(shù)。穿孔過程轉(zhuǎn)速逐漸降低，但由于鋼板硬度較大，要求轉(zhuǎn)速低于3 000 r／min。攻絲過程轉(zhuǎn)速逐漸提高，但需低于2 000 r／min，防止螺紋成型不良。擰緊過程轉(zhuǎn)速不超過400 r／min，防止滑牙。

圖10中，通過對(duì)鋁板與鋼板組合工藝參數(shù)進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)隨著板厚的增大，三個(gè)工藝過程的扭矩也相應(yīng)增大，最大設(shè)定值為15 N·m，連接所需的扭矩處于相應(yīng)板厚的鋁板與鋁板組合工藝參數(shù)和鋼板與鋼板組合工藝參數(shù)之間。穿孔過程轉(zhuǎn)速逐漸降低，但由于鋼板硬度較大，要求轉(zhuǎn)速低于3 000 r／min。攻絲過程轉(zhuǎn)速逐漸提高，但需低于2 000 r／min，防止螺紋成型不良。擰緊過程轉(zhuǎn)速不超過400 r／min，防止滑牙。

7 結(jié)語

常見的傳統(tǒng)連接工藝已經(jīng)不能完全滿足汽車車身輕量化目標(biāo)對(duì)連接工藝提出的更高要求。隨著機(jī)器人技術(shù)的日益成熟，基于發(fā)那科機(jī)器人的熱熔緊固系統(tǒng)在鋁合金及鋼鋁混合材料的連接方面表現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)和強(qiáng)勁的競(jìng)爭(zhēng)力，必將有更多的汽車廠家引進(jìn)這一技術(shù)進(jìn)行汽車白車身的緊固連接。這一技術(shù)未來可以成為國(guó)內(nèi)汽車車身輕量化裝配及綠色節(jié)能領(lǐng)域非常重要的解決方案。