由單一機(jī)器人實(shí)現(xiàn)多平臺(tái)鉚接工藝的研究

周纼標(biāo) 趙建姣 孟德峰 陳沖

（一汽模具制造有限公司，長(zhǎng)春 130013）

1 前言

目前，汽車白車身自動(dòng)化生產(chǎn)線工藝分為基礎(chǔ)工藝和特殊工藝，基礎(chǔ)工藝應(yīng)用廣泛，技術(shù)成熟，特殊工藝普遍應(yīng)用在汽車特殊材料和特殊位置處。特殊工藝受到經(jīng)濟(jì)性等條件限制，使用率較低，在一個(gè)生產(chǎn)節(jié)拍內(nèi)特殊工藝的設(shè)備開(kāi)動(dòng)率較低?；诖饲闆r，以鉚接設(shè)備為例，進(jìn)行特殊工藝整合的研究工作。通過(guò)方案設(shè)計(jì)，使一臺(tái)機(jī)器人完成多種工藝工作，同時(shí)可以繼續(xù)融合基礎(chǔ)工藝，減少機(jī)器人的采購(gòu)數(shù)量，降低生產(chǎn)成本。

2 鉚接工藝原理

2.1 自沖鉚接工藝

自沖鉚接工藝（Seif Piercing Rivet，SPR）屬于鉚接的特殊工藝，需要消耗鉚釘。SPR 工藝工作過(guò)程可以分解為3 個(gè)步驟。步驟1 將鉚釘輸送到鉚槍頭位置，鉚槍夾緊準(zhǔn)備鉚接；步驟2 施加壓力，鉚釘因壓力作用穿透板材，然后通過(guò)沖模實(shí)現(xiàn)2 種混合材料的連接；步驟3 鉚接結(jié)束鉚槍離開(kāi)，如圖1所示。

圖1 SPR工藝流程

SPR 工藝通過(guò)鉚釘?shù)男巫儗?shí)現(xiàn)2 種不同材質(zhì)材料的連接，具有對(duì)材料破壞性小、連接強(qiáng)度高、克服電化學(xué)腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，在汽車生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用在鋁材料與其他材料的連接中。但因其成本較高、不能連接脆性材料、只能使用C 型鉚槍、鉚接點(diǎn)有凸起等導(dǎo)致其使用較少。

2.2 無(wú)鉚釘自沖鉚接工藝

無(wú)鉚釘自沖鉚接（Clinch）工藝與SPR 工藝類似，都需要沖模來(lái)實(shí)現(xiàn)2 種材料的連接。與自沖鉚接工藝不同的是Clinch 工藝不需要鉚釘，是將帶有沖模的鉚槍靜極臂接觸板材，然后動(dòng)極臂進(jìn)行沖壓動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)2 種混合材料的連接，如圖2 所示。

圖2 Clinch工藝流程

2.3 旋轉(zhuǎn)攻絲鉚接工藝

旋轉(zhuǎn)攻絲鉚接（Flow Drill Screw，F(xiàn)DS）工藝的鉚釘通過(guò)高頻淬火工藝制作而成，在鉚接過(guò)程中通過(guò)旋轉(zhuǎn)摩擦生熱，在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中用較小的扭矩連接2 種混合材料。如圖3 所示，旋轉(zhuǎn)攻絲鉚接結(jié)束冷卻后，需要很大的松開(kāi)扭矩，使連接更緊固。

圖3 FDS工藝流程

3 單一機(jī)器人實(shí)現(xiàn)多種鉚接工藝的方案

3.1 硬件組成

3.1.1 單一工藝的硬件組成

進(jìn)行多工藝整合前需要了解單一工藝的硬件組成，以焊接機(jī)器人為例，硬件組成主要包括機(jī)器人控制柜、機(jī)器人、焊槍、焊接控制柜，如圖4 所示。以上設(shè)備通過(guò)Profinet 總線進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸并完成自動(dòng)化工作。

圖4 單一工藝機(jī)器人硬件組成

3.1.2 多工藝的硬件組成

通過(guò)快換工具（以史陶比爾快換工具為例）可以解決機(jī)器人多工藝整合的問(wèn)題。在單一工藝機(jī)器人的硬件基礎(chǔ)上，加入快換工具可以實(shí)現(xiàn)工具與機(jī)器人分離，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)工具切換。工具與機(jī)器人的連接包括電源、網(wǎng)絡(luò)通訊、水氣介質(zhì)，快換工具可實(shí)現(xiàn)以上介質(zhì)的連接和斷開(kāi)。如圖5 所示，快換工具的組成包括用于向工具側(cè)提供水氣介質(zhì)的氣源模塊，向工具側(cè)提供380 V 焊接電源及24 V 模塊電源的電源模塊，用于確?？梢赃M(jìn)行工具安全切換的安全模塊。只有當(dāng)安全模塊有反饋信號(hào)時(shí)，才可以進(jìn)行工具和機(jī)器人的分離和連接動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)工具的切換。

圖5 快換工具結(jié)構(gòu)

3.1.3 限制條件及解決方案

此課題的工具切換基于快換工具進(jìn)行調(diào)整，鉚接工具不同于其他焊接工具，在每個(gè)鉚接點(diǎn)都需要進(jìn)行鉚釘?shù)膫鬏攧?dòng)作，而不同的鉚接工具需要不同規(guī)格的鉚釘。基于此情況，若想實(shí)現(xiàn)鉚接工具的切換需要改良送釘管，解決鉚釘持續(xù)傳輸?shù)膯?wèn)題，對(duì)于送釘管的改良目前制定了2 種解決方案。

方案1：通過(guò)快換工具進(jìn)行直連，將送釘管在快換工具處斷開(kāi)，連接工具時(shí)送釘管兩端接觸，實(shí)現(xiàn)鉚釘?shù)膫鬏敼ぷ鳌?/p>

方案2：通過(guò)在工具側(cè)添加儲(chǔ)料器來(lái)儲(chǔ)存鉚釘，如圖6 所示，工具脫離后送釘管仍可以工作。在每次工作前后判斷儲(chǔ)料器是否低于鉚釘最少儲(chǔ)存量，若儲(chǔ)存不足則進(jìn)行鉚釘?shù)奶畛洹?/p>

圖6 鉚接槍添加儲(chǔ)料器結(jié)構(gòu)

對(duì)2 種方案的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行多方面對(duì)比分析，如表1 所示，經(jīng)過(guò)對(duì)比可知，不同規(guī)格的鉚釘不便于使用同一種鉚釘傳輸方案。FDS 工藝的鉚釘較長(zhǎng)，不宜用儲(chǔ)料器進(jìn)行儲(chǔ)存，且較長(zhǎng)的鉚釘不易在送釘管內(nèi)發(fā)生反轉(zhuǎn)，對(duì)送釘管的精度要求較低，方案1 更適合FDS 鉚接設(shè)備。SPR 工藝的鉚釘較短，為避免鉚釘在送釘管內(nèi)發(fā)生旋轉(zhuǎn)對(duì)設(shè)備造成損壞，該工藝適合儲(chǔ)料器儲(chǔ)存，方案2 更適合SPR 工藝鉚接設(shè)備。

表1 方案對(duì)比分析

3.2 軟件組成

3.2.1 設(shè)備通訊

此項(xiàng)目研究所用的設(shè)備通過(guò)Profinet 進(jìn)行通訊，在進(jìn)行通訊設(shè)備的配置時(shí)，需要利用Work Visual 軟件對(duì)SPR 工藝的填充器和儲(chǔ)料器進(jìn)行I/O 信號(hào)點(diǎn)模塊的配置。如圖7 所示，選擇32 字節(jié)I/O 信號(hào)的配置，與單一工藝不同的是輸入輸出端分別預(yù)留1 byte 的信號(hào)用于儲(chǔ)料器、填充器與機(jī)器人的交互使用。

圖7 儲(chǔ)料器的通訊模塊配置

對(duì)儲(chǔ)料器和填充器的通訊模塊進(jìn)行輸入和輸出的信號(hào)點(diǎn)映射，如圖8 所示，定義機(jī)器人與儲(chǔ)料器的信號(hào)點(diǎn)。只有當(dāng)儲(chǔ)料器出現(xiàn)儲(chǔ)料下限報(bào)警，同時(shí)填充器正常的情況下，才可以進(jìn)行鉚釘?shù)奶畛涔ぷ鳌?/p>

圖8 儲(chǔ)料器和填充器的信號(hào)映射

將Work Visual 軟件做好的項(xiàng)目下載到機(jī)器人系統(tǒng)中，并檢查機(jī)器人與鉚接控制器是否通訊成功。如圖9 所示，在示教器上輸出相應(yīng)的信號(hào)點(diǎn)，然后檢查鉚接控制器是否收到對(duì)應(yīng)的信號(hào)點(diǎn)，如果能收到則表示通訊成功。

圖9 機(jī)器人信號(hào)點(diǎn)的輸出檢查

3.2.2 程序制定

對(duì)儲(chǔ)料器和填充器的信號(hào)點(diǎn)在機(jī)器人系統(tǒng)中的Configdate 文件進(jìn)行變量定義，如圖10 所示，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在程序中調(diào)用變量名稱即可完成與設(shè)備的信息交互。

圖10 信號(hào)點(diǎn)定義名稱

對(duì)儲(chǔ)料器的填充進(jìn)行機(jī)器人程序的編寫，如圖11 所示。首先需要判斷填充器是否準(zhǔn)備就緒，只有填充器發(fā)出準(zhǔn)備就緒信號(hào)，機(jī)器人才可以執(zhí)行填充程序。當(dāng)機(jī)器人到達(dá)填充位時(shí)，啟動(dòng)填充器開(kāi)始填充，直到收到填充完成信號(hào)后，才可以停止填充。若填充過(guò)程中出現(xiàn)故障，需要進(jìn)行故障消除，然后利用程序跳轉(zhuǎn)標(biāo)簽跳轉(zhuǎn)程序繼續(xù)進(jìn)行填充，直到填充完成。

圖11 儲(chǔ)料器填充程序

對(duì)工具切換進(jìn)行程序編寫，如圖12 所示，在工具與機(jī)器人分離前需要將機(jī)器人與工具的網(wǎng)絡(luò)斷開(kāi)。這里用到了2 個(gè)交互信號(hào)點(diǎn)，只有當(dāng)機(jī)器人請(qǐng)求斷開(kāi)網(wǎng)絡(luò)，然后鉚接控制器反饋已斷開(kāi)才可以使機(jī)器人與工具分離，若斷開(kāi)故障則提示報(bào)警信息，需要檢查后繼續(xù)執(zhí)行程序?qū)崿F(xiàn)工具的切換。同樣在機(jī)器人與工具連接時(shí)，仍需要2 個(gè)信號(hào)點(diǎn)交互成功后才可以進(jìn)行下一步動(dòng)作。FDS 工藝的送釘管采用快換工具直連的方式進(jìn)行送釘動(dòng)作，所以不需要進(jìn)行儲(chǔ)料程序的編寫，只需編寫工具切換程序即可，工具切換程序同SPR 工藝相同。

圖12 工具切換程序

3.2.3 功能流程

圖13 為項(xiàng)目功能流程，在每次鉚接工作前需要判斷儲(chǔ)料器情況，若儲(chǔ)料器低于設(shè)置的下限則進(jìn)入填充程序。儲(chǔ)料器下限值可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)需求調(diào)整，可調(diào)節(jié)性較高。

圖13 項(xiàng)目功能流程

4 應(yīng)用驗(yàn)證

對(duì)此課題提出的改進(jìn)項(xiàng)目進(jìn)行驗(yàn)證，檢查其是否滿足實(shí)際生產(chǎn)需求，并進(jìn)行記錄，如表2 所示。

表2 改進(jìn)項(xiàng)驗(yàn)證

5 結(jié)束語(yǔ)

目前國(guó)內(nèi)的白車身連接工藝以電阻點(diǎn)焊工藝為主，部分合資汽車采用Clinch 及SPR 工藝。雖然國(guó)內(nèi)外使用鉚接設(shè)備較多，但是多以單一工藝進(jìn)行使用，多工藝的鉚接市場(chǎng)使用量仍然較少?；谀壳拔覈?guó)白車身的生產(chǎn)使用較少的鉚接工藝的情況下，通過(guò)使用多工藝結(jié)合的方法可以減少機(jī)器人的采購(gòu)數(shù)量，降低能源消耗，減少生產(chǎn)成本，提高設(shè)備使用率。此課題研究結(jié)果可以應(yīng)用到具有少量特殊工藝的生產(chǎn)線中，可以與其他基礎(chǔ)工藝進(jìn)行整合，達(dá)到降本增效的目的。