鋁材連接機器人的仿真要點

崔利昆 胡婷

1. 概述

近幾年來，汽車工業(yè)迅猛發(fā)展，鋁合金在現(xiàn)代汽車的輕量化中扮演著極為重要的角色，被認為是21世紀最富于開發(fā)和應用潛力的“綠色材料”。采用鋁合金材料，還可提高汽車的安全性。因此日益受到汽車企業(yè)的青睞，許多汽車廠家都將其作為研究的重點和減輕質量問題的理想材料。

與此同時我國自動化程度也在迅猛發(fā)展，大量機器人被應用于弧焊、點焊、搬運、噴涂、打磨等領域。機器人仿真和離線編程技術也伴隨著機器人的普遍應用而快速成長。鋁合金車身目前在國內(nèi)的應用較少，相關機器人仿真經(jīng)驗也處于空白階段。因此，本文總結了安川首鋼機器人有限公司鋁車身相關項目的仿真經(jīng)驗，可為機器人仿真人員提供參考。

2. 鋁合金車身連接方法中的仿真要點

目前，鋁車身連接方式可劃分為鋁-非鋁連接和鋁-鋁連接兩大類，目前汽車車身中多為鋁和不銹鋼的連接。由于鋁、鋼材料性能的差異，所以在車身生產(chǎn)上采用多種緊固連接方式。鋁-鋁材連接方式主要為點焊和弧焊。以下針對不同的連接工藝介紹仿真時應注意的事項。

（1）鋁-非鋁連接機器人的仿真要點 第一，流鉆螺釘連接：流鉆螺釘(FDS)工藝通過螺釘?shù)母咚傩D軟化待連接板材，并在巨大的軸向壓力作用下擠壓并旋入待連接板材，最終在板材與螺釘之間形成螺紋連接。該工藝可用于異種材料的連接緊固，目前廣泛應用于鋁制車身制造上（見圖1~圖3）。FDS連接工作時需螺釘與零件垂直，否則連接點為失效點。FDS工藝為單面高壓力操作，自攻螺紋槍對工件的擠壓力較大，需要對工件定位工藝有所要求，定位夾具需要提供可靠支撐。FDS連接時較大的沖擊力反作用于機器人本體，為了最大限度減少震動導致失效點的出現(xiàn)，在機器人操作時應對機器人姿態(tài)有所要求，使反作用力的方向與機器人的軸線方向一致，如圖4、圖5所示。

圖4 中機器人姿態(tài)下反作用力的方向與機器人本體形成自鎖可有效減小震動，圖5機器人姿態(tài)下，較大沖擊力對B軸容易造成失效點。由于機器人工作時承受較大的反作用力，需要選擇大負載機器人，圖中的機器人負載為350kg。為保證后期調試階段能夠使螺釘垂直連接，仿真階段應注意槍體工作過程與定位夾具和車身板件外形的干涉情況，選擇合適的FDS槍。

圖1 流鉆螺釘工作示意

第二，自沖鉚接（SPR）：自沖鉚接(SPR)，通過液壓缸或伺服電動機提供動力將鉚釘壓入待鉚接板材，待鉚接板材在鉚釘?shù)膲毫ψ饔孟潞豌T釘發(fā)生塑性變形，成形后充盈于鉚模之中，從而形成穩(wěn)定連接的一種全新的板材連接技術，如圖6~圖9所示。

圖2 流鉆螺釘槍示意

SPR工藝成形快捷，機器人自動鉚接精度高而且質量可靠，可適用于不同材料兩層或者多層板件連接。由于車身鉚接位置的影響，SPR槍體喉深和喉寬尺寸多樣，造成槍體大小不一，選擇機器人時應根據(jù)槍體自重選擇適用負載的機器人。SPR槍上有鉚釘帶，仿真中需要特別注意鉚釘帶和機器人本體的干涉。仿真階段應注意SPR槍進出夾具空間是否充足，設計人員應根據(jù)仿真中機器人和SPR槍的姿態(tài)設計夾具，避讓干涉。

（2）鋁-鋁連接機器人的仿真要點 第一，鋁點焊：鋁合金具有較強的熱導率和電導率，焊接時需要采用大電流短時間的通電焊接方法。鋁焊鉗往往采用雙變壓器的焊鉗，焊鉗活動極為負極，固定極為正極，如圖10所示。需要注意的是由于搭載雙變壓器，會增加鋁點焊鉗的重量，所以在機器人選型時應根據(jù)焊鉗的重量、重心、慣性矩等參數(shù)，選擇合適的點焊機器人。

鋁點焊仿真時主要是檢查焊鉗與工件、夾具的干涉情況。需要注意的是，使用中頻直流伺服焊鉗焊接時，厚度差別較大的兩層鋁合金板之間的熔核會出現(xiàn)偏移。有研究表明，非等厚兩層鋁合金板材點焊時，熔核向具有大電阻、散熱少的厚板一側偏移。實際焊接結果顯示，鋁點焊焊鉗的正負極方向也會對熔核偏移造成影響。因此需要工藝人員做焊接試驗確定焊鉗正負極在工件上的朝向已達到最佳焊接質量。仿真時需嚴格執(zhí)行焊點工藝要求，采用正確的焊接姿態(tài)避免現(xiàn)場出現(xiàn)正負極反向造成干涉情況。

圖3 流鉆螺釘槍與機器人連接示意

圖4 正確姿態(tài)

圖5 錯誤姿態(tài)

圖6 SPR截面

圖7 SPR槍下鉚模

圖8 SPR槍與機器人連接示意

圖9 自沖鉚接機器人仿真

圖10 鋁點焊鉗

圖11 焊接角度調節(jié)界面

第二，鋁弧焊：鋁弧焊仿真時與普通弧焊區(qū)別不大，主要是對焊接角度的控制，對照工藝文件選擇合適的焊接角度保證焊接過程中無干涉情況。圖11~圖12是焊接角度的調節(jié)方法，其中W為焊接角度，T為推拉角。通過對焊接角和推拉角的調節(jié)控制保證仿真中焊槍的運行軌跡。鋁材焊接時焊接角度要求較高，需要保證焊接角度在35°~50°，推拉角在15°~35°時機器人和焊槍和夾具無干涉。焊接速度可設為60cm/min。夾具設計人員應與仿真人員充分配合，以保證夾具到現(xiàn)場順利進行示教。

3. 結語

本文從仿真的角度入手，介紹了車身中鋁材的不同連接形式，并總結了鋁材連接機器人在選型、機器人姿態(tài)、夾具設計等方面的注意事項。仿真技術的不斷發(fā)展，在項目前期階段即可考慮到現(xiàn)場的各種問題，減少項目風險的同時還能提高機器人的工作效率，為項目的順利實施打下堅實的基礎。

圖12 焊接角度顯示參考

[1] 武仲河，等.鋁合金在汽車工業(yè)中的應用與發(fā)展前景[J]. 內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟，2008(9)：59-60.

[2]胡婷.離線編程應用技術[J].機器人技術與應用，2008(3)：35-38.

[3]李永兵，等.轎車車身輕量化及其對連接技術的挑戰(zhàn)[J]. 機械工程學報，2012，48(18)：44-53.

[4] 楊婻，等.鋁合金材料在汽車車身結構上的應用[J].上海汽車，2014(8)：59-61.