螺柱焊技術(shù)穩(wěn)定性研究在裝焊車間的應(yīng)用

李冠群，張澤志，潘曉剛

（北京奔馳汽車有限公司，北京 100176）

0 引言

螺柱焊技術(shù)發(fā)明于20世紀(jì)40年代，主要由德國(guó)、美國(guó)、前蘇聯(lián)等外國(guó)研究機(jī)構(gòu)和商業(yè)公司所發(fā)展和應(yīng)用[1]。其定義為：將金屬螺柱或其他類似的緊固件焊道工件上的方法統(tǒng)稱為螺柱焊。隨著國(guó)內(nèi)外螺柱焊技術(shù)的不斷成熟，其廣泛應(yīng)用于汽車、造船、機(jī)車、航空、機(jī)械、醫(yī)療器械、鍋爐、化工設(shè)備、變壓器及大型建筑結(jié)構(gòu)等行業(yè)[1-3]。

螺柱焊設(shè)備是裝焊車間重要的組成部分，不僅數(shù)量眾多，而且隨著螺柱焊設(shè)備技術(shù)的推陳出新、更新?lián)Q代，設(shè)備的技術(shù)含量越來(lái)越高，體現(xiàn)在零件數(shù)量增多且越來(lái)越先進(jìn)。在設(shè)備功能完善的同時(shí)也給日常的維護(hù)帶來(lái)了難度。目前，以TUCKER品牌來(lái)說(shuō)，螺柱焊設(shè)備從大的方面可以分為2部分，即手動(dòng)螺柱焊和自動(dòng)螺柱焊，而自動(dòng)螺柱焊又可以分為TH槍和TR槍兩大類（圖1）。其中，TH是Tool Head的縮寫(xiě)，即直線槍頭式焊槍工具，其槍頭為直線運(yùn)動(dòng)模式；TR是Tool Rotary的縮寫(xiě)，即旋轉(zhuǎn)槍頭式焊槍工具，其槍頭為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模式。目前，整個(gè)工廠擁有上百臺(tái)的螺柱焊設(shè)備。

圖1 TH槍（左）與TR槍（右）

由于螺柱焊設(shè)備，尤其是TR系列，構(gòu)造精密，電氣及機(jī)械零件布局緊密（圖2）。這雖然使得設(shè)備功能廣泛，提高焊接效率，但在另一方面也正是由于其構(gòu)造精巧，而造成設(shè)備的穩(wěn)定性欠佳，故障種類繁多，且由于零件數(shù)目多，難以排查出故障的真實(shí)原因。針對(duì)北京奔馳汽車有限公司裝焊車間發(fā)生的主要問(wèn)題，提出優(yōu)化方案，保證設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性。

1 現(xiàn)狀分析

螺柱焊技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中存在的問(wèn)題主要有管線包纏繞、備用焊槍三坐標(biāo)尺寸不穩(wěn)定以及小停機(jī)故障頻發(fā)。

圖2 TR槍結(jié)構(gòu)

螺柱焊區(qū)域由于空間狹窄，造成機(jī)器人軌跡復(fù)雜扭曲，由此帶來(lái)管線包頻繁損壞的問(wèn)題，通過(guò)統(tǒng)計(jì)，每年平均更換63根管線包，其中最頻繁的工位更換了21次，由此造成了大量停機(jī)時(shí)間和備件浪費(fèi)。這些問(wèn)題的解決需要在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行軌跡調(diào)試，不斷通過(guò)細(xì)小的改變達(dá)到優(yōu)化的目的。但是由于現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)任務(wù)壓力，在實(shí)際操作時(shí)經(jīng)常由于時(shí)間緊任務(wù)重，而造成效果的不理想。因此利用DELMIA仿真專業(yè)軟件，在線下進(jìn)行離線仿真，對(duì)機(jī)器人軌跡進(jìn)行充分的可能性試驗(yàn)，達(dá)到理想的效果。根據(jù)仿真結(jié)果在進(jìn)行線上的實(shí)際應(yīng)用，從而提高了效率。

車身的螺柱三坐標(biāo)位置規(guī)定誤差范圍嚴(yán)格，螺柱焊技術(shù)由于此工藝特點(diǎn)，對(duì)焊槍三坐標(biāo)尺寸要求嚴(yán)格。而螺柱焊槍在長(zhǎng)期使用后或者在現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生碰撞后都可能會(huì)引起槍身偏移，從而影響螺柱在車身上的位置。以前遇到此類問(wèn)題時(shí)只能根據(jù)螺柱樣板工具，通過(guò)更改機(jī)器人空間坐標(biāo)來(lái)恢復(fù)實(shí)際焊釘位置，不僅浪費(fèi)了時(shí)間，而且造成線下備槍尺寸不統(tǒng)一，無(wú)法進(jìn)行有效管理。通過(guò)利用FARO測(cè)量臂工具，在線下可以建立測(cè)量坐標(biāo)系，對(duì)焊槍的三坐標(biāo)尺寸進(jìn)行測(cè)量和調(diào)整，從而可以統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，縮短線上調(diào)整時(shí)間。

螺柱焊設(shè)備主要在生產(chǎn)主線，因此對(duì)于停機(jī)時(shí)間把控嚴(yán)格。而螺柱焊設(shè)備由于設(shè)計(jì)精密，5 min以下的小停機(jī)頻繁發(fā)生，這不僅減少了正常生產(chǎn)時(shí)間，而且這些小故障，如果沒(méi)有及時(shí)解決，會(huì)造成大停機(jī)的故障隱患。因此，利用螺柱焊工藝軟件TE-LINK，實(shí)時(shí)搜集現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警信息，并對(duì)報(bào)警信息進(jìn)行分析，及時(shí)解決，并預(yù)測(cè)設(shè)備故障隱患，達(dá)到提升設(shè)備穩(wěn)定性的目的。

2 方案提出

2.1 軌跡優(yōu)化

DELMIA軟件由達(dá)索系統(tǒng)公司研發(fā)，提供了全面，集成和協(xié)同的數(shù)字制造解決方案，通過(guò)以工藝為中心的技術(shù)來(lái)定義，監(jiān)測(cè)和控制各類生產(chǎn)系統(tǒng)，從單個(gè)的設(shè)備單元、生產(chǎn)線、工廠物流直到整個(gè)企業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程[4]。其中，DELMIA/Robotics模塊是基于物理的可伸縮機(jī)器人仿真解決方案，理論基礎(chǔ)是機(jī)器人仿真技術(shù)，包含了計(jì)算機(jī)技術(shù)，機(jī)器人學(xué)和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)，而核心難點(diǎn)即是機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解的計(jì)算過(guò)程，要求精確和快速[4-5]。利用DELMIA專業(yè)軟件，可以離線對(duì)生產(chǎn)工位進(jìn)行建模[6-7]。

圖3 DELMIA仿真界面

管線包為機(jī)器人具體建模工作可以分為3個(gè)步驟：①導(dǎo)入現(xiàn)場(chǎng)工裝與車身數(shù)模，插入對(duì)應(yīng)的機(jī)器人模型；②根據(jù)此工位的工藝流程，導(dǎo)入車身的焊點(diǎn)位置信息；③在線下進(jìn)行機(jī)器人軌跡的仿真。線下進(jìn)行機(jī)器人軌跡的仿真主要分為兩部分：一是對(duì)機(jī)器人的TCP（工具末端）進(jìn)行軌跡優(yōu)化，可以通過(guò)Simulation trace功能實(shí)現(xiàn)軌跡的可視化，幫助判斷（圖4）；二是可以對(duì)機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可通過(guò)Sensor功能調(diào)取整個(gè)工藝工程中各個(gè)關(guān)節(jié)電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度隨時(shí)間的變化過(guò)程。

圖4 機(jī)器人工具末端軌跡

對(duì)于本項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，對(duì)管線包影響最大的是 4軸、5軸和6軸，所以對(duì)這3個(gè)軸進(jìn)行數(shù)據(jù)搜集與分析（圖5）。發(fā)現(xiàn)6軸的關(guān)節(jié)在兩處旋轉(zhuǎn)角度發(fā)生較大變化，這較容易造成管線包的纏繞，所以針對(duì)這兩處進(jìn)行了軌跡調(diào)整。

因?yàn)樵诰€下仿真比較方便，因此在焊點(diǎn)可達(dá)性滿足的條件下，可以對(duì)機(jī)器人可能的各種軌跡進(jìn)行嘗試，從而得出最優(yōu)結(jié)果。

圖5 關(guān)節(jié)4～6軸角度變化曲線

2.2 焊槍三坐標(biāo)尺寸測(cè)量

FARO測(cè)量臂由美國(guó)FARO公司研發(fā)，是一套通過(guò)接觸式方法完成實(shí)物模型表面輪廓快速準(zhǔn)確數(shù)字化的設(shè)備。FARO測(cè)量臂質(zhì)量輕，硬度高且關(guān)節(jié)靈活，內(nèi)部有7個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼器，用于確定探頭中心點(diǎn)位置坐標(biāo)。在具體測(cè)量時(shí)各關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)編碼器記錄側(cè)頭工作時(shí)的任意姿態(tài)的7個(gè)旋轉(zhuǎn)信號(hào)，通過(guò)記錄固定臂長(zhǎng)及實(shí)時(shí)變化的角度，換算出探頭的坐標(biāo)值。測(cè)量臂通過(guò)探針與軸空間運(yùn)動(dòng)的配合，精密的測(cè)量出被測(cè)零件表面的點(diǎn)在空間3個(gè)坐標(biāo)位置的數(shù)值，而其中蘊(yùn)含的原理是任何幾何特征均由空間點(diǎn)構(gòu)成。收集到坐標(biāo)位置后，計(jì)算機(jī)對(duì)測(cè)量點(diǎn)的坐標(biāo)值進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，擬合形成測(cè)量元素。如平面、直線、圓、球、圓柱等，經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算的方法得出其形狀，位置公差及其他幾何量數(shù)據(jù)。

本項(xiàng)目的測(cè)量過(guò)程一般步驟為：規(guī)劃焊槍放置姿態(tài)→實(shí)物表面清潔→測(cè)量系統(tǒng)開(kāi)啟，激活關(guān)節(jié)臂→掃描輪廓數(shù)據(jù)→焊槍三坐標(biāo)結(jié)果。

FARO工作平臺(tái)的建立主要由焊槍工裝與FARO測(cè)量臂組成：將焊槍豎直放在工裝上，方便緊固、固定；將FARO臂在工裝旁邊固定（圖6）。

圖6 焊槍工裝與FARO測(cè)量臂

此工作平臺(tái)的操作步驟如下：①在焊槍工裝上建立坐標(biāo)系；②通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)焊槍的三坐標(biāo)測(cè)量得到焊槍標(biāo)準(zhǔn)值。因?yàn)門R焊槍的槍頭可以旋轉(zhuǎn)，因此取3個(gè)槍頭角度，3個(gè)角度的X方向距離都為24 mm，槍頭90°時(shí)的Z方向?yàn)?66 mm，槍頭180°時(shí)的Y方向?yàn)?5.8 mm以及槍頭在270°時(shí)的Z方向?yàn)?26 mm。3個(gè)槍頭角度的焊槍姿態(tài)如圖7所示，標(biāo)準(zhǔn)值如表1所示；③利用FARO公司研發(fā)的CAM2 Measure軟件，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)線下備槍的三坐標(biāo)進(jìn)行測(cè)量對(duì)比（圖8）；④對(duì)于超出預(yù)先設(shè)定誤差值的焊槍進(jìn)行調(diào)整，直到尺寸在誤差之內(nèi)。

2.3 故障預(yù)測(cè)

利用TE-LINK工藝軟件可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)螺柱焊設(shè)備的報(bào)錯(cuò)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)收集（圖9）。

除了進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)，還可以將收集到的報(bào)錯(cuò)信息進(jìn)行整理歸納，找到每個(gè)工位在每種報(bào)錯(cuò)上的具體分布（圖10）。這樣一方面可以及時(shí)在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行臨時(shí)處理，另一方面可以對(duì)可能存在的故障隱患進(jìn)行預(yù)測(cè)。

主要應(yīng)對(duì)措施如表2所示。

圖7 TR焊槍三坐標(biāo)槍頭角度

表1 TR螺柱焊槍標(biāo)準(zhǔn)值mm

圖8 CAM2 Measure軟件使用界面

3 效果反饋及結(jié)論

3.1 管線包更換數(shù)量

圖11為2018年更換管線包數(shù)量的趨勢(shì)，可以看出，從CW38優(yōu)化軌跡結(jié)束后，超過(guò)2周沒(méi)有更換管線包，說(shuō)明取得了效果。

3.2 焊槍尺寸

自使用FARO測(cè)量臂統(tǒng)一線下備槍三坐標(biāo)尺寸后，還沒(méi)有發(fā)生因?yàn)閭錁尦叽绮缓细穸鴮?dǎo)致的換槍停機(jī)。

3.3 小停機(jī)穩(wěn)定性（圖12）

設(shè)備可利用率是設(shè)備正常使用時(shí)間與總生產(chǎn)時(shí)間的比值，記為TA（Technology Availability，技術(shù)可利用率），通過(guò)觀察TA值的變化趨勢(shì)可以判斷設(shè)備的穩(wěn)定性。圖12為2018年設(shè)備可利用率變化趨勢(shì)，可以看出，自9月中旬開(kāi)始使用TE-LINK軟件對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控后，設(shè)備可利用率明顯上升。

圖9 TE-LINK界面

圖10 工位報(bào)錯(cuò)分析

表2 主要應(yīng)對(duì)措施舉例

圖11 2018年管線包更換數(shù)量趨勢(shì)

由以上分析說(shuō)明，針對(duì)管線包頻繁損壞、焊槍尺寸不穩(wěn)定以及設(shè)備小停機(jī)頻繁這3個(gè)問(wèn)題所開(kāi)展的解決措施取得了正向的反饋效果，螺柱焊設(shè)備的穩(wěn)定性得到了顯著提高。

圖12 設(shè)備可利用率變化趨勢(shì)