點焊機器人電極帽自動換帽裝置的研發及應用

黎哲成　莫文將

摘 要：為解決汽車白車身焊裝生產線的點焊機器人電極帽更換存在的安全、效率和質量的問題，本文提出一種點焊電極帽自動換帽裝置的研發方案。分別介紹了裝置的技術方案、設計方案、工作原理和應用實例。最后總結了該裝置的優點和應用效果。

關鍵詞：點焊 電極帽 自動換帽 研發 應用

Development and Application of Automatic Cap Changing Device for Electrode Cap of Spot Welding Robot

Li Zhecheng，Mo Wenjiang

Abstract：In order to solve the problems of safety， efficiency and quality in the electrode cap replacement of spot welding robot in automobile body in white welding production line， a research and development scheme of automatic cap replacement device for spot welding electrode cap is proposed in this paper. The technical scheme， design scheme， working principle and application example of the device are introduced respectively. Finally， the advantages and application effects of the device are summarized.

Key words：spot welding， electrode cap， automatic cap changing， R & D， application

1 引言

電阻點焊是目前汽車白車身焊裝的重要工藝，一臺白車身大約四五千個焊點，這些焊點通過點焊焊槍焊接完成。以點焊機器人為核心的生產線是汽車車體焊接裝配車間的一個非常重要的組成部分，也能體現一個汽車制造企業的車體焊接工藝水平[1]。點焊焊槍的兩個電極上安裝有電極帽，在焊接一定數量的焊點后，電極帽會被損耗，這時就需要進行更換電極帽。

在此之前，由于技術和成本方面的原因，主要靠人工手動完成更換電極帽的工作，如圖1所示。人工操作存在以下問題：第一，人員今日機器區域，安全風險高;第二，人工更換電極帽的效率低;第三，受人為因素影響，更換操作標準難以統一。同時，隨著車身焊裝線自動化程度越來越高，焊接作業逐漸由機器人取代人工完成[2]。因此，安全風險高、效率低、質量難以保證的人工更換電極帽操作已經不適應高節拍自動化生產線。為了解決這一“瓶頸”問題，優化焊裝生產線，提高效率，需要開發出一種能夠自動更換點焊電極帽的裝置。

2 裝置的研發

2.1 技術方案

整個裝置總體分為夾緊單元、脫帽單元、裝帽單元和通訊單元共四個部分。夾緊單元采用齒輪式卡尺夾緊裝置利用可調行程感應氣缸帶動實現自動夾緊。脫帽單元利用可調行程感應氣缸伸出/收縮完成電極帽與電極分離、脫帽工作。裝帽單元制作彈夾，利用鋼珠和高彈性彈簧制作卡位有效的固定電極帽;采用高強度鋼板，根據電極帽直徑鉆孔，形成電極帽存儲點。通訊單元主要由電磁閥、I/O模塊和檢測開關組成。I/O模塊與電磁閥連接，通過發送和接收信號，指令自動換帽程序執行完成電極帽的更換操作;檢測開關負責存儲電極檢測，同時監測彈夾電極帽使用量及電極拆/裝帽后的狀態。

2.2 設計方案

根據技術方案的總體要求，設計了一種電氣自動控制的立式的自動更換電極帽的裝置，如圖2所示。整個裝置主要由14個結構單元組成，包括下電極帽安裝組、脫帽升降氣缸、電極帽存量檢測開關、安裝基座、電極帽更換檢測開關、電磁閥與I/O模塊、電極帽脫帽卡板、電極帽脫帽卡錐、脫帽卡錐氣缸、舊電極帽收集盤、上電極帽安裝板、上電極帽安裝孔、粘釘與彈簧和鋼珠組合、電極帽安裝擋板。

裝置的每個結構單元都有著其獨特的功能作用：安裝基座固定在現場焊槍更換電極帽的位置，并用于安裝各個部件;脫帽升降氣缸為焊槍上電極帽的脫開提供動力;電極帽存量檢測開關實時檢測彈夾上新電極帽的數量，小于設定的存量時會發出警報提醒;電極帽更換檢測開關在裝置進行更換電極帽動作時檢測電極是否脫開舊電極帽或更換安裝完成;電磁閥與I/O模塊負責發送和接收信號，觸發自動換帽程序執行;脫帽卡錐氣缸提供動力推進電極帽脫帽卡錐鎖死需要更換的電極帽;電極帽脫帽卡板和電極帽脫帽卡錐配合鎖死需要更換的電極帽;舊電極帽收集盤用于收集更換下的舊的電極帽;上電極帽安裝板用于將新電極帽安裝在上電極帽安裝孔中并固定;粘釘與彈簧和鋼珠組合是將新電極帽固定在上電極帽安裝孔中;電極帽安裝擋板是焊槍在安裝新電極時擋住新電極帽使之不發生竄動。

2.3 工作原理

2.3.1 脫落舊電極帽

電極帽是一種工業消耗品，常見的電極帽材料有鉻銅（ C u C r）、鉻鋯銅（ C u C r Z r ）、氧化鋁銅（CuAl2O3）以及鈹銅（ BeCu）[3]。一對新電極帽的生命周期呈階梯狀，從電極帽投入使用到壽命終止通常經歷 7 次修磨， 當焊點總數超過 420 時電極帽達到最大允許損耗厚度H，因此壽命終止，需更換新電極帽。

使用本裝置，焊接機器人在焊槍焊接打點數量達到設定數量時，電磁閥和I/O模塊與焊接機器人交互發送、接收電極帽更換信號。焊槍沿設定軌跡將舊電極帽伸入電極帽脫帽卡板孔中，脫帽卡錐氣缸推動電極帽脫帽卡錐將需要更換的電極帽鎖死，脫帽升降氣缸下降或上升，機器人焊槍實現舊電極脫開。

2.3.2 更換新電極帽

已經完成脫落舊電極帽的機器人焊槍經電極帽更換檢測開關檢測脫帽成功后即可安裝新電極帽。新電極帽被安裝在電極帽安裝板的電極帽安裝孔里，經粘釘與彈簧和鋼珠組合卡住與電極帽安裝擋板擋住。已脫帽焊槍沿設定軌跡到達指定位置，焊槍上頂（或下壓），安裝新電極帽。經電極帽更換檢測開關檢測安裝新電極帽成功后，整個電極帽自動更換完成。

2.3.3 人工補充新電極帽

當電極存量帽檢測開關檢測到新電極帽數量低于設定值時，就在人機交互界面提示需要填充新電極帽，工人就可以進行添加新電極帽。本自動更換電極帽裝置設計有8個孔位安放新電極帽，經過測試，在設計節拍為45JPH 的焊接生產線體上，一個班次只要在開班TPM點檢時安放一次就能滿足整個班次使用。

3 應用實例

該裝置已經制造出來了，如圖3所示。目前在SGMW河西基地車身車間投入使用了3臺，安裝在焊裝線的總拼區域。

根據現場使用情況評估，各項數據表明該裝置的運行狀態達到了預期的設計目標，大大提高了生產線的效率，具體收益主要有以下三個方面。第一，節約焊接機器人電極帽更換時間，由原來人工更換的120秒每臺下降到現在的20秒每臺，效率提升了83%;第二，節約電極帽成本，該裝置可以配合焊接機器人實現電極帽損耗的檢測，從而做到精準更換電極帽，減少了電極帽的浪費;第三，自主研發裝置，節約設備開發成本，經過測算，每臺裝置平均節約0.98萬元的開發成本。

4 結語

本文介紹了一種自動更換焊接機器人電極帽裝置的技術方案、設計方案、工作原理和應用實例，旨在解決汽車白車身焊裝生產線焊接機器人電極帽更換的效率和安全問題。

該裝置自主研發，擁有核心技術，完全使用國產材料制作，成本低。倒T型設計，使得機器人更換電極帽軌跡最優化，整個電極帽更換過程只要20秒，效率高。采用模塊化分體式結構，可根據現場空間大小，分體裝配，實用性強。采用齒輪式卡齒咬緊方式提升脫帽效率，排序卡扣夾緊安裝方式彈夾使電極帽安裝快速、準確，多重檢測裝置監控機器人更換過程，穩定性好。

裝置在實際應用當中，運行狀態非常理想，在效率、安全和經濟效益方面都取得了很好的效果。

參考文獻：

[1]訾進鋒，王勤.基于自動分組的機器人集中換電極帽工藝[J].裝備維修技術，2011（1）：51-54.

[2]E.Busnati. FER-PSA-200 Standard. P.S.A. PEUGEOT CITROEN， 2007：31～33.

[3]朱鴻博，田坤，王志娟.氧化鋁銅電極帽在鍍鋅板焊接中的應用[J].汽車裝備，2015（8）：62-64.