基于川崎機器人的激光釬焊打磨應用

（長安福特汽車有限公司杭州分公司，杭州 311228）

0 引言

20世紀80年代中期，激光焊接作為新技術在，歐洲、美國、日本得到了廣泛的關注[1]。激光焊接技術與傳統的焊接技術相比，具有能量密度高、變形小、熱影響區窄、焊接速度高、易實現自動生產等優點，近年來已成為金屬材料加工與制造的重要手段，并越來越廣泛地應用在汽車、航空航天、國防工業、造船、核電設備等領域[2]。

激光釬焊應用于汽車制造，能夠加強生產線的自動化，對于車型改造和升級十分有利。激光釬焊車身頂蓋，不僅可縮短原制造所需要的點焊時間，同時也節省后續密封條工序。

為使激光釬焊后焊縫表面更加平滑均勻，且便于其后續工位的噴涂油漆。國外汽車制造商通常會在激光釬焊后增加打磨工位，利用特殊磨料制成的打磨片高速自轉，并與激光釬焊焊縫摩擦而去除焊縫表面的魚鱗紋、鋸齒邊等缺陷。國內汽車廠近幾年隨著合資品牌高端車型不斷引進，漸有相關應用，但由于使用自動打磨工藝對于車身精度要求高，同時出于成本考慮，并未得到大規模應用，仍以人工返修為主。本文從某款SUV車型頂蓋激光釬焊后的自動打磨工藝入手，詳細介紹設備組成及控制方法，進行工藝參數研究，對該工藝的推廣應用具有重要的理論和實踐指導意義。

1 激光釬焊打磨工位布局及主要設備

1.1 工位布局

激光釬焊打磨工位通常位于頂蓋焊接工位之后、人工檢查工位之前，工位布置如圖1所示。激光釬焊打磨工位通常有打磨頭（機器人）、除塵設備、光柵等。

圖1 激光焊工位布置圖

1.2 主要設備及參數

1）川崎機器人。本文介紹的打磨應用中使用川崎BX200L型機器人，如圖2所示，6軸自由度，最大負載200kg，水平伸展距離2579mm，重復精度±0.2mm。配備E12控制柜，控制器體積小，功能強大，它除了提供其他品牌機器人所共有的示教編程外，還提供（標準配置）功能強大的AS高級語言，AS語言有點類似BASIC或C語言，是種全開放的語言，編程非常方便，可讀性強，幾乎可適用任何場合任何要求。提供有從運算指令到運動指令的11類，超過120種指令。所有的運動位姿、速度、精度等均可用變量來生成，最適合復雜的應用場合。

圖2 川崎BX200L機器人

2）打磨頭。打磨頭上配置除塵吸風口，可產生4.9m3333/min風量，280mbar負壓，能夠有效收集打磨過程中的粉塵，起到保護環境，避免粉塵揮發導致的設備問題。打磨壓力可實時線性設定，壓力可調范圍0～300N，打磨片厚度3.5mm/4mm，直徑200mm，最高打磨轉速2810rpm，詳細結構如圖3所示。

圖3 打磨頭結構圖

3）檢測光柵。用于檢測計算打磨片的磨耗量，如圖4所示。光柵響應時間＜50μm，重復精度＜5 μm。

圖4 光柵檢測示意圖

2 控制流程

激光釬焊打磨應用通過PLC控制器和機器人相結合的方式實現，PLC作為控制核心，主要完成自動化生產線的車型傳輸、流程控制、步序管理及相應的傳感器檢測等工作，機器人作為PLC的從站，通過現場總線與PLC進行信號交互，根據PLC發送的指令按照預先示教的軌跡動作，并對其從站設備進行控制，在此應用中打磨頭作為機器人的從站，受機器人控制。控制結構如圖5所示。

圖5 控制結構圖

3 磨耗檢測及補償算法

對于打磨應用來說，打磨片的磨耗檢測是整個應用的重點也是難點，它將直接影響到打磨質量。檢測磨耗如果小于打磨片的實際磨損量，會出現打磨片無法接觸到焊縫表面，或者打磨深度不足；檢測磨耗如果大于打磨片的實際磨損量，將會造成焊縫磨穿，或者損壞車身等嚴重質量事故。以下將基于川崎機器人的應用，說明磨耗檢測及補償算法。

3.1 磨耗檢測方法

位姿信息。川崎機器人用位姿信息來指定給定工作區域中機器人的位置和姿態，機器人的位置和定向指的是機器人工具中心點TCP的位置和工具的定向，此位置和姿態被稱為機器人的位姿。

變換值（X，Y，Z，O，A，T）。用于參考坐標系的關系描述坐標系的位姿，它是指機器人的工具坐標系相對于基礎坐標系的變換值。位置由基礎坐標系的TCP的XYZ值給定，定向有基礎坐標系的工具坐標的歐拉OAT角度給定。通常使用的轉換值是：工具變換值，描述工具坐標系相對于空工具坐標系的位姿，空工具坐標系有他們自己的原點，此原點在機器人工具安裝法蘭表面的中心，它們用TOOL變換值（0，0，0，0，0，0）描述。川崎機器人的坐標系如圖6所示。

圖6 川崎機器人坐標系

基于川崎機器人位置表示的特點，在每次打磨之前打磨頭豎直向下，光柵捕捉到打磨片下端，機器人停止并記錄當前變換值，通過和基準值比較，計算出打磨片Z向差值即磨損量。

3.2 磨耗補償方法

磨耗值獲取以后，下一步就需要對機器人軌跡進行正確的補償，通過對機器人的TCP的修正實現機器人打磨軌跡的動態補償，如圖7所示，假設打磨片的磨耗值為brushwear，機器人TCP的變化如下：

1）X向無變化；

2）Y向的投影為-brushwear×sin（60）；

3）Z向的投影為brushwear×cos（60）。

利用川崎機器人SHIFT指令修正新的TCP：

POINT brushtool =SHIFT(brushtcp BY 0，-SIN(60)*brushwear,COS(60)*brushwear)

圖7 打磨機器人TCP補償示意圖

4 實際應用

影響打磨效果的主要參數是機器人的運行速度和打磨壓力。速度太快打磨的效果不明顯，表面出現可能出現毛刺等缺陷，速度過慢會影響工位節拍，同時可能會出現過打磨影響焊縫熔深造成焊接缺陷。壓力過大會導致打磨片變形損壞車身，同時打磨片加速磨損，造成浪費，壓力設置過小也會出現打磨效果不佳等現象。利用以上打磨設備，使用在某款SUV車型頂蓋激光釬焊后的自動打磨工位，通過試驗在機器人的運行速度為100mm/s，打磨壓力設置為150N情況下，能獲得最佳的性能效果。如圖8所示為使用自動打磨后的激光釬焊焊縫，表面光滑平整，無魚鱗紋、鋸齒邊等缺陷。

圖8 激光釬焊打磨

5 結論

激光以其光束能量密度高、熱影響區域小、焊接速度快、變形小等優點，在白車身制造領域得到廣泛應用，激光釬焊已逐漸成為汽車頂蓋加工的標準工藝。而激光釬焊外觀質量和后期涂漆效果都將受到考驗，本文從某款SUV車型頂蓋激光釬焊后的自動打磨工藝入手，詳細介紹設備組成及控制方法，進行工藝參數研究，實際應用中能有效優化激光釬焊外觀質量問題，

對該工藝的推廣應用具有重要的理論和實踐指導意義。