汽車頂蓋激光焊縫打磨系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

吳焰，葉潘，路華峰，馬飛

(東風(fēng)本田汽車有限公司，湖北武漢 430058)

0 前言

激光填絲釬焊工藝作為一種高效的連接方式，被廣泛應(yīng)用于白車身焊接中[1-3]。為了使激光焊縫成型美觀，無須覆蓋裝飾膠條，國(guó)內(nèi)外主機(jī)廠通常會(huì)在頂蓋激光釬焊完成后增加打磨工序來去除焊縫表面的魚鱗紋、鋸齒邊等缺陷[4]。由于白車身頂蓋均為自由曲面，若采用人工打磨，則無法保證工藝質(zhì)量的一致性和加工效率。近年來基于機(jī)器人技術(shù)構(gòu)建的自動(dòng)打磨系統(tǒng)已被廣泛應(yīng)用于壓鑄件、陶瓷、碳纖維復(fù)合材料等行業(yè)[5-8]，保證了材料表面加工質(zhì)量的一致性，并且極大地提升了加工效率[9]。

為了提高白車身頂蓋激光釬焊的打磨品質(zhì)與效率，本文作者提出了一種基于自適應(yīng)接觸法蘭[10]、電主軸和機(jī)器人的打磨系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了設(shè)備組成及控制方法，并研究了相關(guān)參數(shù)對(duì)打磨品質(zhì)的影響規(guī)律，對(duì)激光釬焊打磨工藝具有指導(dǎo)意義。

1 激光填絲釬焊打磨系統(tǒng)簡(jiǎn)介

激光填絲釬焊工藝摒棄了傳統(tǒng)的連續(xù)點(diǎn)焊與涂膠密封工藝，以焊絲受熱熔化填充搭接斷面實(shí)現(xiàn)頂蓋與側(cè)圍穩(wěn)固連接，兼具加工速度快、焊接變形小、焊縫成型美觀等特點(diǎn)。由于高速焊接過程中的熔池?cái)_動(dòng)引起的焊縫凝固前液態(tài)表面不均勻，導(dǎo)致成型后的焊縫表面存在波浪狀紋路，同時(shí)與母材結(jié)合處有咬邊現(xiàn)象[11-12]。圖1(a)為東風(fēng)本田某款車型激光釬焊后的焊縫形貌，由于波浪狀紋路和咬邊現(xiàn)象的存在，不能達(dá)到激光焊縫的品質(zhì)要求，故需要通過打磨工藝獲得符合要求的焊縫形貌。

圖1(b)為經(jīng)過打磨后的激光焊縫形貌，表面較為平整，有較淺的劃痕。激光填絲釬焊后的頂蓋焊縫經(jīng)過打磨后，需要達(dá)到的表面粗糙度為Ra≤1.0 μm。固定打磨后的白車身，焊縫每50 mm長(zhǎng)度取一個(gè)測(cè)量點(diǎn)，使用粗糙度測(cè)量?jī)x采樣測(cè)量30組數(shù)據(jù)，計(jì)算30組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值，獲得焊縫表面粗糙度，且焊縫粗糙度超過1.6 μm的測(cè)量點(diǎn)不能超過總數(shù)的10%。圖2為該款車型激光焊縫的采樣示意，表1為實(shí)測(cè)的量產(chǎn)白車身表面粗糙度數(shù)據(jù)，其表面粗糙度值為0.526 μm。通過以上焊縫形貌表征及表面粗糙度測(cè)量，可以發(fā)現(xiàn)經(jīng)過打磨的焊縫能夠滿足外觀品質(zhì)要求。

圖1 焊縫表面形貌

圖2 焊縫采樣示意Fig.2 Selection of weld sample

表1 激光焊縫表面粗糙度測(cè)量值Tab.1 Surface roughness measurement values of weld seam

1.1 打磨工藝

激光填絲釬焊打磨工藝是通過高速旋轉(zhuǎn)打磨片里面的磨粒切除釬焊縫表面的細(xì)微金屬層，從而去除焊縫表面魚鱗紋和氧化膜，獲得具有一定粗糙度的焊縫表面的過程。圖3為打磨片切削示意。打磨片與工件的切削過程分為3個(gè)階段：第一階段，打磨片上的磨粒與工件表面接觸，磨粒未切入工件而僅在工件表面摩擦，工件表面產(chǎn)生熱應(yīng)力，此階段為滑擦過程；第二階段，磨粒逐漸切入工件，使該部分材料從兩旁隆起，工件表面形成刻痕，此階段為刻劃過程；第三階段，磨粒切入一定深度，被切處達(dá)到一定溫度，此部分材料沿剪切面滑移形成切屑飛出，在工件表層產(chǎn)生熱應(yīng)力和變形應(yīng)力，此階段為切削過程。磨粒的大小與鋒利程度決定著磨粒在磨削過程中所起到的作用。較鈍的磨粒，僅起到滑擦或刻劃作用；較鋒利的磨粒，才能起到切削作用。

圖3 打磨片切削示意Fig.3 Cutting diagram of grinding piece

1.2 打磨系統(tǒng)構(gòu)成

激光焊打磨工位通常在頂蓋激光焊接工位之后，激光焊打磨硬件系統(tǒng)如圖4(a)所示，圖4(b)為焊縫打磨工位，主要由以下幾個(gè)部分構(gòu)成：

機(jī)器人。它是整個(gè)打磨過程的執(zhí)行裝置與通信控制中心，在打磨過程中，與自適應(yīng)接觸法蘭(Active Contact Flange,ACF)和電主軸通信，可存儲(chǔ)與編輯相關(guān)參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)通過機(jī)器人程序?qū)Υ蚰ミ^程進(jìn)行精細(xì)化調(diào)控。

圖4 激光焊打磨硬件系統(tǒng)Fig.4 Grinding hardware system of laser welding:(a)grinding hardware system;(b)grinding station

打磨頭。打磨頭主要由ACF、電主軸以及打磨片組成。打磨頭固定在機(jī)器人末端法蘭處，通過ACF施加給打磨片一定壓力，電主軸帶動(dòng)打磨片高速旋轉(zhuǎn)，高速旋轉(zhuǎn)的打磨片作用在白車身上進(jìn)行磨削。

ACF。法蘭搭載著打磨片與工件接觸，內(nèi)部的壓力傳感器實(shí)時(shí)反饋氣缸中的氣壓，通過控制器的相關(guān)算法給定控制量來控制比例調(diào)壓閥，對(duì)輸出的氣壓進(jìn)行調(diào)節(jié)控制[13]。當(dāng)接觸力偏小時(shí)，比例調(diào)壓閥進(jìn)氣口打開，向氣缸腔內(nèi)進(jìn)氣來增加壓力；當(dāng)接觸力偏大、氣缸腔內(nèi)的氣壓超過設(shè)定氣壓時(shí)，比例調(diào)壓閥排氣口打開，通過向外排氣來減小壓力，從而使打磨接觸力趨于目標(biāo)值并保持穩(wěn)定。

電主軸。電主軸主要由主軸電機(jī)和拉刀系統(tǒng)構(gòu)成，此系統(tǒng)采用的是INNA Spindle Technology生產(chǎn)的通用電主軸，電機(jī)系統(tǒng)包括油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)、速度編碼器、電機(jī)等部分，拉刀系統(tǒng)在電主軸內(nèi)部起到刀具夾持鎖緊的作用。

吸塵器。打磨片在磨削白車身的過程中，會(huì)產(chǎn)生細(xì)微金屬粒，磨粒也會(huì)發(fā)生脫落，通過吸塵器收集這些雜質(zhì)，避免對(duì)白車身造成污染。因激光釬焊采用的焊絲材質(zhì)為Cu6Mn5Zn(Mn質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%，Zn質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%)，打磨后會(huì)產(chǎn)生Mn的化合物，故需通過吸塵器吸收此類有害物質(zhì)。

刀具庫(kù)?？筛鶕?jù)實(shí)際生產(chǎn)情況配置刀具庫(kù)，即存放打磨片的地方。通過加裝刀具庫(kù)可完成機(jī)器人自動(dòng)更換打磨片，提高生產(chǎn)效率。

1.3 打磨系統(tǒng)通信架構(gòu)

圖5為打磨系統(tǒng)通信架構(gòu)。機(jī)器人控制系統(tǒng)與ACF和電主軸系統(tǒng)通過DeviceNet遠(yuǎn)程I/O網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)雙向同步交互。機(jī)器人控制柜作為DeviceNet主站，控制包括ACF、主軸變頻器、拉刀系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、吸塵系統(tǒng)等從站。ACF采集機(jī)器人控制系統(tǒng)的輸出數(shù)據(jù)，主要為初始?jí)毫?、爬坡時(shí)間、目標(biāo)壓力、負(fù)載等數(shù)據(jù)，同時(shí)向機(jī)器人控制系統(tǒng)反饋實(shí)際壓力、ACF位移量、連接狀態(tài)等信息。機(jī)器人控制系統(tǒng)通過DeviceNet給定變頻器的頻率，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并得到變頻器的狀態(tài)信息。機(jī)器人控制系統(tǒng)通過DeviceNet控制電磁閥動(dòng)作，從而使拉刀系統(tǒng)夾緊或松開刀柄，拉刀系統(tǒng)將刀柄夾緊、松開或在位信號(hào)發(fā)送給機(jī)器人控制系統(tǒng)。機(jī)器人控制系統(tǒng)通過DeviceNet控制主軸潤(rùn)滑系統(tǒng)，從而對(duì)主軸進(jìn)行潤(rùn)滑。機(jī)器人控制系統(tǒng)通過DeviceNet控制吸塵系統(tǒng)啟停，并監(jiān)控吸塵系統(tǒng)的狀態(tài)。

圖5 打磨系統(tǒng)通信架構(gòu)Fig.5 Communication architecture of grinding system

1.4 激光填絲釬焊打磨流程

激光焊打磨系統(tǒng)的流程如圖6(a)所示。首先由伺服夾具對(duì)白車身進(jìn)行定位，機(jī)器人啟動(dòng)，通過外部輸出控制吸塵器打開，然后機(jī)器人移動(dòng)到打磨片標(biāo)定臺(tái)，獲得打磨片的磨耗量，從而確認(rèn)打磨片直徑是否在允許范圍內(nèi)。若打磨片不在允許范圍內(nèi)，則機(jī)器人執(zhí)行打磨片更換程序；若打磨片在允許范圍內(nèi)，則開始進(jìn)行打磨。

打磨前，機(jī)器人將設(shè)定好的下壓力等相關(guān)參數(shù)傳遞給ACF，電主軸帶動(dòng)打磨片以一定的線速度開始旋轉(zhuǎn)，機(jī)器人沿焊縫軌跡移動(dòng)過程中，ACF以近似恒定的力控制打磨片對(duì)焊縫進(jìn)行磨削；打磨結(jié)束后，ACF停止加壓，電主軸停止旋轉(zhuǎn)，機(jī)器人通過外部輸出將吸塵器關(guān)閉，完成打磨全過程。如果打磨過程中機(jī)器人或打磨設(shè)備等外部設(shè)備出現(xiàn)報(bào)警等異常情況，機(jī)器人會(huì)立即調(diào)用中斷程序，停止電主軸旋轉(zhuǎn)，并向上偏移，避開干涉，并沿著已加工方向回退一定距離。當(dāng)外部故障解除后，機(jī)器人電主軸重新啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)，并回到停止位置，繼續(xù)完成剩余部分焊縫的加工。

由于焊縫打磨系統(tǒng)是以機(jī)器人為核心進(jìn)行構(gòu)建，故需通過編寫相應(yīng)的機(jī)器人程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)打磨工藝全過程控制。按照系統(tǒng)功能要求，編寫的機(jī)器人程序如圖(b)所示。首先，機(jī)器人確認(rèn)打磨片在位，并控制吸塵器的開啟，通過寄存器賦值指令設(shè)置ACF的初始?jí)毫Α⒇?fù)載等參數(shù)，使變頻器處于準(zhǔn)備狀態(tài)，完成打磨片直徑范圍的設(shè)置(打磨片直徑范圍為150～210 mm)，并通過子程序測(cè)量打磨片直徑，若直徑超出允許范圍，則調(diào)用更換打磨片程序。直徑檢測(cè)完成后，機(jī)器人通過DeviceNet控制電主軸旋轉(zhuǎn)并開始打磨，根據(jù)不同位置設(shè)置相應(yīng)的ACF下壓力，機(jī)器人移動(dòng)軌跡通過前期白車身示教完成，每50 mm焊縫設(shè)置一條移動(dòng)命令。最后，打磨完成后，機(jī)器人控制電主軸停止轉(zhuǎn)動(dòng)，并關(guān)閉吸塵器。

圖6 打磨工藝流程Fig.6 Grinding process flow chart：(a)grinding flow；(b)grinding program

2 激光填絲釬焊打磨工藝相關(guān)參數(shù)

在打磨作業(yè)完成后，一般用表面粗糙度來表征焊縫打磨質(zhì)量，即打磨后焊縫表面粗糙度為Ra≤1.0 μm。在保證焊縫品質(zhì)的前提下，需要保證單臺(tái)打磨耗時(shí)少與打磨片利用率高。而影響打磨品質(zhì)、速度以及打磨片使用率的主要因素為ACF壓力、電主軸旋轉(zhuǎn)方向、轉(zhuǎn)速和打磨姿勢(shì)。

2.1 ACF壓力

實(shí)際打磨過程中，機(jī)器人會(huì)將初始力Fzero、爬坡時(shí)間tramp、目標(biāo)力Ftarget和負(fù)載Pload等設(shè)定傳遞給ACF，ACF則會(huì)將實(shí)際力、ACF位移、連接狀態(tài)和錯(cuò)誤代碼等信息反饋給機(jī)器人，如圖7所示。當(dāng)壓力較小時(shí)，會(huì)出現(xiàn)焊縫打磨殘余現(xiàn)象；當(dāng)壓力較大時(shí)，會(huì)造成焊縫打磨量過大，不滿足工藝品質(zhì)要求，同時(shí)打磨片消耗過快，單片打磨片的打磨臺(tái)數(shù)會(huì)減少。實(shí)際生產(chǎn)過程中，需根據(jù)工件表面硬度以及打磨片材質(zhì)選取不同壓力范圍的自適應(yīng)接觸法蘭。為了獲取ACF在激光釬焊打磨過程中的工作效果，同時(shí)分析其接觸力的穩(wěn)定性，采用控制打磨片線速度、姿勢(shì)與角度的方式，調(diào)節(jié)ACF壓力，設(shè)計(jì)單變量實(shí)驗(yàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：對(duì)于激光填絲釬焊的頂蓋焊縫打磨，ACF壓力為25～40 N時(shí)，既能滿足焊縫打磨品質(zhì)，又能保證打磨片的使用效率。

圖7 ACF設(shè)置參數(shù)Fig.7 Parameter settings of ACF

2.2 電主軸旋轉(zhuǎn)方向及轉(zhuǎn)速

電主軸旋轉(zhuǎn)方向與加工方向一致時(shí)，鐵屑不易殘留在打磨痕處，但當(dāng)電主軸旋轉(zhuǎn)方向與加工方向相反時(shí)，鐵屑會(huì)被壓入表面的打磨痕，見圖8。故在實(shí)際生產(chǎn)過程中，電主軸旋轉(zhuǎn)方向與加工方向保持一致。

圖8 電主軸旋轉(zhuǎn)方向與加工方向示意

為了保持打磨片的線速度恒定，電主軸的轉(zhuǎn)速需根據(jù)打磨片的直徑變化做出調(diào)整。每次打磨完成后，機(jī)器人移動(dòng)到標(biāo)定臺(tái)，通過ACF記錄的位移可知打磨片半徑的變化量，從而通過計(jì)算公式計(jì)算出電主軸所需轉(zhuǎn)速。如圖9所示，標(biāo)定臺(tái)高度h一定，打磨頭頂部距離標(biāo)定臺(tái)底部距離H一定，打磨前后，機(jī)器人移動(dòng)到相同位置，則打磨前后ACF的位移變化x2-x1就是打磨片半徑的變化量r1-r2。

圖9 打磨片直徑變化示意

當(dāng)設(shè)定好打磨片的線速度v(m/s)后，電機(jī)轉(zhuǎn)速n(r/min)與打磨片半徑r(m)的相互關(guān)系為

(1)

設(shè)定第n次打磨后，ACF的位置數(shù)據(jù)為xn，第n+1次打磨后，ACF的位置數(shù)據(jù)為xn+1，打磨片的初始半徑為r0，第n次打磨后，打磨片的半徑為rn，則打磨片半徑rn、rn+1與ACF位置數(shù)據(jù)xn、xn+1關(guān)系如下：

(2)

上述公式可通過編輯變量與相關(guān)運(yùn)算，計(jì)算出每次打磨后，打磨片的半徑數(shù)值以及需要的電機(jī)轉(zhuǎn)速。

相關(guān)研究表明[14]：隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速增大，焊縫與打磨片界面的摩擦因數(shù)降低，溫度變化增大，焊縫的磨損量、表面硬度和塑性變形層厚度也會(huì)變大，焊縫表面粗糙度會(huì)減小，表面會(huì)變得更加光滑，但同時(shí)也會(huì)加速打磨片的消耗，增加單臺(tái)車生產(chǎn)成本。實(shí)際生產(chǎn)過程中，需根據(jù)打磨片磨粒材質(zhì)與尺寸、焊縫材質(zhì)設(shè)計(jì)不同打磨線速度的實(shí)驗(yàn)，獲取最佳線速度工藝區(qū)間。迄今為止，基于打磨片即砂輪磨削工藝的相關(guān)參數(shù)計(jì)算主要依靠實(shí)驗(yàn)確定，然后根據(jù)實(shí)驗(yàn)擬合出特定經(jīng)驗(yàn)公式，通過查閱相關(guān)磨削方面文獻(xiàn)[15-16]，設(shè)定打磨線速度實(shí)驗(yàn)區(qū)間為0～40 m/s。此系統(tǒng)采用的電機(jī)最高轉(zhuǎn)速為3 803 r/min，打磨片能使用的最小直徑為155 mm，通過對(duì)所生產(chǎn)車型進(jìn)行不同打磨線速的測(cè)試，在獲得符合要求的焊縫表面粗糙度且滿足打磨片最低消耗量的前提下，當(dāng)前系統(tǒng)采用的打磨線速度最優(yōu)區(qū)間為25～35 m/s。

2.3 打磨姿勢(shì)

由于頂蓋為自由曲面，需通過示教確定打磨軌跡，確保打磨軌跡貼合焊縫。若采用的打磨片厚度小于焊縫寬度，則需要將打磨片角度進(jìn)行調(diào)整，避免焊縫過寬時(shí)部分區(qū)域無法打磨。

當(dāng)ACF與焊縫的角度發(fā)生變化時(shí)，實(shí)際作用于焊縫上的下壓力也會(huì)發(fā)生變化。如圖10所示，F(xiàn)P為工件反饋打磨力，F(xiàn)A為ACF在軸向上施加給打磨片的力，F(xiàn)R為打磨片在垂直于ACF軸向上所受的力，打磨片受到三者的合力為零。當(dāng)FP恒定時(shí)，ACF與工件的夾角α為銳角時(shí)，F(xiàn)A最小，即ACF提供給打磨片的壓力最小。結(jié)合白車身外形及打磨設(shè)備結(jié)構(gòu)，在實(shí)際生產(chǎn)中，ACF與工件呈銳角(60°～85°)時(shí)，打磨效果最佳。

圖10 不同角度打磨片受力分析

3 結(jié)論

針對(duì)白車身頂蓋激光釬焊打磨工藝，提出一種由自適應(yīng)接觸法蘭、電主軸和機(jī)器人構(gòu)成的全自動(dòng)打磨系統(tǒng)，此系統(tǒng)具有如下的特點(diǎn)：

(1)以機(jī)器人為核心，結(jié)合自適應(yīng)接觸法蘭、高轉(zhuǎn)速電主軸、打磨片構(gòu)建起一套用于激光釬焊的打磨系統(tǒng)。通過機(jī)器人程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)打磨全過程的精細(xì)調(diào)控。首先，加工前測(cè)量打磨片當(dāng)前直徑，計(jì)算出恒定線速度下所需的電機(jī)轉(zhuǎn)速，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給變頻器，從而保證不同直徑打磨片加工后的焊縫品質(zhì)穩(wěn)定性；然后，通過示教軌跡確定打磨路徑，避免切削到車身母材；最后，根據(jù)實(shí)際焊縫材質(zhì)特性與加工效果，不斷優(yōu)化打磨工藝相關(guān)參數(shù)。

(2)采用簡(jiǎn)單高效的DeviceNet現(xiàn)場(chǎng)總線通信方式，以機(jī)器人為主站，可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，增加從站專用設(shè)備進(jìn)行特定功能擴(kuò)展，從而實(shí)現(xiàn)打磨片自動(dòng)更換、切削雜質(zhì)吹氣清掃、焊縫品質(zhì)檢測(cè)等功能。

(3)根據(jù)不同車型所面臨的實(shí)際工況(焊縫材質(zhì)、加工節(jié)拍、打磨片材質(zhì)等因素)，設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，獲取最佳工藝區(qū)間(ACF壓力、電主軸轉(zhuǎn)速、打磨姿勢(shì)等參數(shù))，從而滿足批量化白車身焊縫品質(zhì)一致性要求。