機器人點焊電極磨損的視覺檢測補償應用研究＊

童 洲 韓 偉 談 毅 鄒 昊

（廣州城市理工學院機械工程學院，廣東 廣州 510800）

隨著國內外汽車制造企業之間生產技術和成本管控競爭的不斷加劇，采用智能化視覺技術對汽車覆蓋件電阻焊過程電極修磨的精度、質量和更換成本進行管理控制，已成為汽車制造精細化管理的廣泛應用模式。大批量的機器人點焊在提高生產效率的同時，也使得電極磨損、修整和更換頻次速度加快。經過修磨的電極長度不斷減短，如不通過及時檢測及補償，則點焊時會偏離機器人焊槍編程時設定的電極與工件距離。同時每一次點焊時的電極力作用，都會使電極桿微量漸進嵌入電極頭，從而使電極總長度發生變化。視覺系統能及時精確檢測上述電極長度的改變，再通過伺服焊槍宏程序補償變化的距離[1]。當經過多次電極修磨后，電板頭的實際長度越來越短超過電極的補償行程限度時，需要更換新電極，則通過視覺系統檢測新換電極的長度進行重新標定。在如圖1所示的車門翼板機器人點焊工作站中，使用0.8 mm厚度的DP590雙相鋼高強鋼材料作為翼板板材。運用FANUC視覺系統檢測電極修磨量、磨損速度和電極桿嵌入速度數據，生成DP590雙相鋼高強鋼車門翼板點焊的電極修磨、更換預設條件和壽命管理數據庫，避免主觀臆斷和人工經驗積累確定電極修磨頻次和使用壽命[2]。在滿足高效汽車覆蓋件生產質量的同時，控制電極損耗數量節約成本，實現汽車覆蓋件電阻焊生產的精細化管理。

圖1 車門翼板點焊工作站和電極修磨損耗示意圖

1 車門翼板點焊工作站的組成及工作流程

機器人電阻焊連續高速作業過程中，隨著焊點數的增加，電極頭會發生墩粗現象，端面直徑變大，接觸表面產生化合物，降低焊接時焊點區域內通過的電流密度值，容易產生飛濺和表面燒損等質量問題，因此需要運用電極修磨器及時對經過n個焊點作業的電極進行修磨[3]。如圖1b所示，電極因經過N次修整后長度變短，超過使用補償行程極限后，則需要及時更換。原有電極的每一次修磨和新電極的更換，都會形成機器人TCP位置的變化。需要進行電極頭位置坐標零位的重新標定，以免影響下次的修磨量和修磨精度。視覺系統對電極頭修磨量、修磨后的形狀、電極頭移動端與固定端之間同軸度的變化檢查，自動計算補償值并運用FANUC宏程序功能進行補償。避免焊槍電極頭修磨或更換后的編程距離與實際距離偏差等，保證點焊精度質量持續穩定[4]。

1.1 車門翼板點焊工作站的組成

如圖2所示為國內廣東省某汽車零部件企業的車門翼板機器人點焊工作站、修磨器和視覺系統。工作站主要由機器人、電極修磨器、夾具、視覺檢測系統和FANUC控制器組成。其中視覺系統則由相機、相機蓋罩、校準板、擴散板、LED光源燈和繼電器等組成，視覺系統使用iRVision軟件進行檢測控制和數據匯總。運用FANUC的R-30iB型控制器集中控制系統各部分有序高效協調運行。電極修磨前后的長度變化需要通過視覺系統測量獲得，測量時焊槍深入遮光板內。視覺系統觸發拍照相機拍照。

圖2 車門翼板機器人點焊工作站及視覺系統組件圖

1.2 電極頭磨損及更換的工作流程

如圖3所示為電極修磨視覺檢測補償工作流程，在快速自動化點焊生產，n為新電極達到使用限度需要修磨的點焊數量，N則為一個電極在達到損耗極限值必須進行更換時經歷過的修磨次數。在經過n次點焊后，使用修磨器及時對電極頭進行修磨。經過數次修磨后的電極頭長度將會逐步變短，達到預設的N次修磨極限值時則需更換新品電極頭，并根據視覺系統的檢測長度值進行重新標定。伺服焊槍上的電極桿和支架通過錐度進行連接，因經過長時間的點焊電極力沖擊，錐度部分的磨損會使電極桿凹陷，產生電極桿嵌入電極的現象。造成電極頭前端實際位置與理論位置距離偏差，因此需要對這兩種距離變化分別進行監測和補償，如圖3所示。

圖3 伺服焊槍電極修磨視覺檢測補償工作流程圖

2 視覺檢測技術在電極磨損檢測中的應用

電極頭與板材工件之間的距離變化由電極頭磨損量和電極嵌入量兩部分疊加組成，如圖4所示。視覺系統對修磨后的電極頭修磨量、修磨后的形狀、電極頭移動端與固定端之間同軸度的變化檢查，并自動計算補償值。避免焊槍電極頭修磨或更換后的編程距離與實際距離偏差等。其次，電極頭的材料使用導電性能極佳的軟銅合金材料制成，而電極內部的電極桿材料卻是由硬度較強的鎢鋼制成。故每一次點焊的電極力作用，都會使電極桿發生微量嵌入電極頭從而使電極總長度發生變化。運用FANUC的檢測數據，R-30iB型控制系統可生成電極磨損量和電極桿嵌入量等形狀變化數據庫，再應用FANUC宏程序功能進行補償，從而保證點焊過程中電極與翼板板材的接觸距離和面積持續穩定。

圖4 電極修磨長度變化和電極桿嵌入示意圖

2.1 視覺檢測的工作過程

工作過程和數據處理由FANUC 視覺控制系統iRVision系統完成。將事先拍攝標準新品電極頭的形狀并儲存在視覺控制裝置中作為電極頭長度和形狀的基準模板，測量時焊槍攜帶電極深入遮光板內，視覺系統觸發拍照相機拍照。如圖5所示，左邊的圖像為新品電極頭事先標定的標準模板，右邊的則為檢測時拍照產生的圖像，視覺系統通過對兩個圖片比對檢查，得到電極頭修磨前后的長度變化數據檢測精度可達到±0.1 mm。根據電極頭的幾何形狀特征，選擇電極頭的可動側、固定側、可動側電極桿和固定側電極桿形狀作為視覺檢測的幾何要素，在FANUC 視覺控制系統iRVision系統中將新標準電極頭的可動側、固定側幾何要素分別注冊成為模板，并分別設定電極頭可動側、固定側、可動側電極桿和固定側電極桿形狀變化的局部閾值判斷標準值，再采用局部閾值分割算法對每次拍照的電極頭幾何圖像進行分析處理，快速判斷反饋電極頭幾何圖像是否需要修磨，并記錄電極頭幾何參數變化情況。

圖5 視覺系統電極頭注冊模板和檢測圖像

FAUUC視覺系統的檢測功能不僅測量電極頭前端位置尺寸形狀的變化，還對電極頭的可動側根部和固定側根部進行檢測，這是為了及時獲得電極桿嵌入量的漸進增加數值。

2.2 視覺系統檢測內容及結果分析

為實現精細化的點焊質量控制，FANUC視覺檢測除了對電極修磨量和形狀進行動態檢測外；還拓展了許多細致豐富的內容。其中包括固定側、可動側的磨損量，固定側、可動側的嵌入量以及焊接同一批量板材需要的電極頭更換焊點數，還可生成電極頭磨損比率及磨損趨勢，并通過電極頭使用履歷和磨損速度等數據表格，對每個不同點焊工作站使用的電極頭進行統計管理，建立不同批次、不同板材產品和不同焊接工藝條件下的電極壽命數據庫[5]。如圖6所示，經視覺檢測得到當前固定側電極磨損量為1.62 mm，固定側電極桿嵌入量為1.93 mm，可動側磨損量為1.75 mm，可動側嵌入量1.91 mm，當前電極補償行程為12.79 mm，電極補償行程仍然在20 mm之內。目前的電極磨損4個主要測量值均未達到圖6上方的電極更換極限值，電極頭還可以繼續使用。

圖6 電極磨損補償量和和修磨頻次數據

點焊過程在電極頭磨損的同時，在電極力與板材的相互作用力不斷的推動下，電極桿不可避免會出現不斷凹陷嵌入量增加的現象[6]。因此在檢測電極頭磨損情況的同時，FANUC視覺檢測還同步對電極桿嵌入量、嵌入速度等進行檢測和統計，為后續的補償提供數據基礎，如圖7所示。

圖7 電極桿嵌入量趨勢檢測結果圖表

根據上述圖表的各種類型電極頭的應用磨損和使用壽命數據，可以看出DP590板材點焊時的電極桿嵌入量明顯高于標準普通鍍鋅鋼板點焊時的電極桿嵌入量，通過生成這類圖表，視覺系統幫助技術人員對不同材質、形狀的電極頭進行對比分析，針對高強度雙相鋼點焊選擇合理的電極修磨頻次和使用壽命。

3 電極修磨和補償宏程序的編制及工藝規范應用

點焊過程中控制系統需要精確掌握控制電極頭當前長度的變化，以便機器人進行相應的偏移來確保固定側電極始終緊貼工作面。為實現這一目的，FANUC的R-30iB控制系統提供了若干宏程序來進行電極頭的初始化和計算當前電極頭的變化量，再通過執行點焊指令和加壓指令時進行電極頭前端位置的補償。在焊接完成后伺服槍會執行電極帽補償程序，啟動FANUC機器人R-30iA系統的CAP_WEAR電極頭補償程序。將零位作適當偏移，保證零位的準確，以便機器人進行相應的偏移來確保固定側電極始終緊貼工作面。

3.1 電極磨損量補償宏程序的分析應用

機器人進行自動化點焊時點焊動作示教程序中，對于電極初始位置和結束位置進行了精確的設定，具體指令格式如下所例：

SPOT[SD=2，P=10，t=1.6，S=j，ED=5]

其中SD設置的是焊接前準備加壓的初始距離為2 mm，ED參數則指定了焊接結束后焊槍壓力關閉的距離為5 mm。t指板材二層板材總厚度為1.6 mm，j為電極距離和加壓力等工藝條件的編號，默認值最大為99。但在實際焊接生產中由于電極頭的更換和電極桿的漸進嵌入都會導致電極帽的長度發生改變，因此需要及時進行長度補償[7]。其中單步補償法不需要增加夾具和多余的動作，而是運用視覺系統檢測產生的電極頭磨損率，按照設定的補償比率將總體的磨損量平分給固定側電極頭和移動側電極頭。

如圖8所示的一步補償法通過伺服槍當前合槍位置和初始值的比較計算出上、下兩個電極帽的總損耗，按照設定的比率補償到上、下兩個電極上，從而保證焊接質量穩定。具體的點焊程序修磨、補償指令如表1所示。

表1 修磨補償程序

圖8 單步補償法電極長度變化補償

其中CALL TW_UPD01即為調用單步磨損檢測方式 在CALL TW_UPDAT(0.5，R[1])語句中，可以有0、0.5和1這3種參數設定，設定為0時所有補償量歸于動電極側，設定為1時所有補償量歸于固定電極側，默認值為0.5，即將補償量平均分配到兩個電極頭上，如無特殊需要不必更改。IF DI[10]=OFF，R[1]=0則為啟動電極頭更換的宏程序，是用于電極頭的損耗程度及修磨頻次達到更換臨界值時啟動更換新電極頭的指令[8]。

3.2 電極壽命和修磨頻次工藝規范制定及應用

企業在汽車零部件批量點焊生產中，需要在成本控制和質量保證之間求得平衡，合理規劃設計各種材料覆蓋件的電極修磨頻次和使用壽命。電極使用限度優先考慮的是保證焊接質量，但從降低電極消耗量控制制造成本的角度出發，也有必要考慮將電極在可能的限度內盡量用完[9]。根據視覺系統提供的電極磨損趨勢和磨損速度，結合車門翼板批量生產實踐和客戶質量要求，得出表2的電極修磨預設條件、使用壽命標準和更換條件，確定為DP590雙相鋼高強鋼點焊的電極修磨頻次和使用壽命企業作業標準。

表2 翼板DP590雙相鋼點焊的電極修磨頻次

為把電極消耗成本時控制到最小，需要降低焊點修整頻度，同時也需要盡量節省生產中輔助所耗費的時間。其中DP590雙相鋼點焊車門翼板每個工件共有27個焊點，按照生產制定的電極修磨標準頻次為270個焊點修磨一次，即每完成10個翼板點焊則進行電極帽修磨。每3 240個焊點后更換電極帽，即完成120個翼板工件時則達到更換電極帽的臨界數量。電極修磨和更換安排均在更換翼板工件的同時進行，節省了生產線輔助環節所耗費的時間[10]。

4 結語

通過對DP590雙相鋼高強鋼材料車門翼板點焊過程電極磨損的視覺檢測和修磨編程研究，得出以下結論：

（1）在高速快節奏的機器人點焊生產中，焊點數量多，電極頭的磨損速度加快。電極頭的修磨頻次和更換節奏也隨之加快。

（2）運用FANUC視覺系統的檢測功能不僅可以測量電極頭修磨量和電極桿嵌入量，還能夠通過限定修磨量極限值控制電極使用壽命，建立不同批次、不同板材產品和不同焊接工藝條件下的電極壽命數據庫。

（3）通過磨損量、磨損速度和磨損趨勢，根據具體的質量要求規劃電極磨損量和磨損比的數據統計情況確定作業規范，規劃調整各種材料的電極修磨頻次和使用壽命工藝作業標準。從而實現以視覺檢測技術為依據，對電機損耗進行數字化控制管理，在保證焊接質量和減少電極損耗成本之間找到最合適的數字化管理模式，實現企業質量保障和效益最大化的目的。