汽車頂蓋激光焊縫打磨系統的設計與應用

吳焰，葉潘，路華峰，馬飛

(東風本田汽車有限公司，湖北武漢 430058)

0 前言

激光填絲釬焊工藝作為一種高效的連接方式，被廣泛應用于白車身焊接中[1-3]。為了使激光焊縫成型美觀，無須覆蓋裝飾膠條，國內外主機廠通常會在頂蓋激光釬焊完成后增加打磨工序來去除焊縫表面的魚鱗紋、鋸齒邊等缺陷[4]。由于白車身頂蓋均為自由曲面，若采用人工打磨，則無法保證工藝質量的一致性和加工效率。近年來基于機器人技術構建的自動打磨系統已被廣泛應用于壓鑄件、陶瓷、碳纖維復合材料等行業[5-8]，保證了材料表面加工質量的一致性，并且極大地提升了加工效率[9]。

為了提高白車身頂蓋激光釬焊的打磨品質與效率，本文作者提出了一種基于自適應接觸法蘭[10]、電主軸和機器人的打磨系統，詳細介紹了設備組成及控制方法，并研究了相關參數對打磨品質的影響規律，對激光釬焊打磨工藝具有指導意義。

1 激光填絲釬焊打磨系統簡介

激光填絲釬焊工藝摒棄了傳統的連續點焊與涂膠密封工藝，以焊絲受熱熔化填充搭接斷面實現頂蓋與側圍穩固連接，兼具加工速度快、焊接變形小、焊縫成型美觀等特點。由于高速焊接過程中的熔池擾動引起的焊縫凝固前液態表面不均勻，導致成型后的焊縫表面存在波浪狀紋路，同時與母材結合處有咬邊現象[11-12]。圖1(a)為東風本田某款車型激光釬焊后的焊縫形貌，由于波浪狀紋路和咬邊現象的存在，不能達到激光焊縫的品質要求，故需要通過打磨工藝獲得符合要求的焊縫形貌。

圖1(b)為經過打磨后的激光焊縫形貌，表面較為平整，有較淺的劃痕。激光填絲釬焊后的頂蓋焊縫經過打磨后，需要達到的表面粗糙度為Ra≤1.0 μm。固定打磨后的白車身，焊縫每50 mm長度取一個測量點，使用粗糙度測量儀采樣測量30組數據，計算30組實測數據的算術平均值，獲得焊縫表面粗糙度，且焊縫粗糙度超過1.6 μm的測量點不能超過總數的10%。圖2為該款車型激光焊縫的采樣示意，表1為實測的量產白車身表面粗糙度數據，其表面粗糙度值為0.526 μm。通過以上焊縫形貌表征及表面粗糙度測量，可以發現經過打磨的焊縫能夠滿足外觀品質要求。

圖1 焊縫表面形貌

圖2 焊縫采樣示意Fig.2 Selection of weld sample

表1 激光焊縫表面粗糙度測量值Tab.1 Surface roughness measurement values of weld seam

1.1 打磨工藝

激光填絲釬焊打磨工藝是通過高速旋轉打磨片里面的磨粒切除釬焊縫表面的細微金屬層，從而去除焊縫表面魚鱗紋和氧化膜，獲得具有一定粗糙度的焊縫表面的過程。圖3為打磨片切削示意。打磨片與工件的切削過程分為3個階段：第一階段，打磨片上的磨粒與工件表面接觸，磨粒未切入工件而僅在工件表面摩擦，工件表面產生熱應力，此階段為滑擦過程；第二階段，磨粒逐漸切入工件，使該部分材料從兩旁隆起，工件表面形成刻痕，此階段為刻劃過程；第三階段，磨粒切入一定深度，被切處達到一定溫度，此部分材料沿剪切面滑移形成切屑飛出，在工件表層產生熱應力和變形應力，此階段為切削過程。磨粒的大小與鋒利程度決定著磨粒在磨削過程中所起到的作用。較鈍的磨粒，僅起到滑擦或刻劃作用；較鋒利的磨粒，才能起到切削作用。

圖3 打磨片切削示意Fig.3 Cutting diagram of grinding piece

1.2 打磨系統構成

激光焊打磨工位通常在頂蓋激光焊接工位之后，激光焊打磨硬件系統如圖4(a)所示，圖4(b)為焊縫打磨工位，主要由以下幾個部分構成：

機器人。它是整個打磨過程的執行裝置與通信控制中心，在打磨過程中，與自適應接觸法蘭(Active Contact Flange,ACF)和電主軸通信，可存儲與編輯相關參數，從而實現通過機器人程序對打磨過程進行精細化調控。

圖4 激光焊打磨硬件系統Fig.4 Grinding hardware system of laser welding:(a)grinding hardware system;(b)grinding station

打磨頭。打磨頭主要由ACF、電主軸以及打磨片組成。打磨頭固定在機器人末端法蘭處，通過ACF施加給打磨片一定壓力，電主軸帶動打磨片高速旋轉，高速旋轉的打磨片作用在白車身上進行磨削。

ACF。法蘭搭載著打磨片與工件接觸，內部的壓力傳感器實時反饋氣缸中的氣壓，通過控制器的相關算法給定控制量來控制比例調壓閥，對輸出的氣壓進行調節控制[13]。當接觸力偏小時，比例調壓閥進氣口打開，向氣缸腔內進氣來增加壓力；當接觸力偏大、氣缸腔內的氣壓超過設定氣壓時，比例調壓閥排氣口打開，通過向外排氣來減小壓力，從而使打磨接觸力趨于目標值并保持穩定。

電主軸。電主軸主要由主軸電機和拉刀系統構成，此系統采用的是INNA Spindle Technology生產的通用電主軸，電機系統包括油氣潤滑系統、速度編碼器、電機等部分，拉刀系統在電主軸內部起到刀具夾持鎖緊的作用。

吸塵器。打磨片在磨削白車身的過程中，會產生細微金屬粒，磨粒也會發生脫落，通過吸塵器收集這些雜質，避免對白車身造成污染。因激光釬焊采用的焊絲材質為Cu6Mn5Zn(Mn質量分數為6%，Zn質量分數為5%)，打磨后會產生Mn的化合物，故需通過吸塵器吸收此類有害物質。

刀具庫?？筛鶕嶋H生產情況配置刀具庫，即存放打磨片的地方。通過加裝刀具庫可完成機器人自動更換打磨片，提高生產效率。

1.3 打磨系統通信架構

圖5為打磨系統通信架構。機器人控制系統與ACF和電主軸系統通過DeviceNet遠程I/O網絡通信系統實現數據雙向同步交互。機器人控制柜作為DeviceNet主站，控制包括ACF、主軸變頻器、拉刀系統、潤滑系統、吸塵系統等從站。ACF采集機器人控制系統的輸出數據，主要為初始壓力、爬坡時間、目標壓力、負載等數據，同時向機器人控制系統反饋實際壓力、ACF位移量、連接狀態等信息。機器人控制系統通過DeviceNet給定變頻器的頻率，控制電機的轉速，并得到變頻器的狀態信息。機器人控制系統通過DeviceNet控制電磁閥動作，從而使拉刀系統夾緊或松開刀柄，拉刀系統將刀柄夾緊、松開或在位信號發送給機器人控制系統。機器人控制系統通過DeviceNet控制主軸潤滑系統，從而對主軸進行潤滑。機器人控制系統通過DeviceNet控制吸塵系統啟停，并監控吸塵系統的狀態。

圖5 打磨系統通信架構Fig.5 Communication architecture of grinding system

1.4 激光填絲釬焊打磨流程

激光焊打磨系統的流程如圖6(a)所示。首先由伺服夾具對白車身進行定位，機器人啟動，通過外部輸出控制吸塵器打開，然后機器人移動到打磨片標定臺，獲得打磨片的磨耗量，從而確認打磨片直徑是否在允許范圍內。若打磨片不在允許范圍內，則機器人執行打磨片更換程序；若打磨片在允許范圍內，則開始進行打磨。

打磨前，機器人將設定好的下壓力等相關參數傳遞給ACF，電主軸帶動打磨片以一定的線速度開始旋轉，機器人沿焊縫軌跡移動過程中，ACF以近似恒定的力控制打磨片對焊縫進行磨削；打磨結束后，ACF停止加壓，電主軸停止旋轉，機器人通過外部輸出將吸塵器關閉，完成打磨全過程。如果打磨過程中機器人或打磨設備等外部設備出現報警等異常情況，機器人會立即調用中斷程序，停止電主軸旋轉，并向上偏移，避開干涉，并沿著已加工方向回退一定距離。當外部故障解除后，機器人電主軸重新啟動旋轉，并回到停止位置，繼續完成剩余部分焊縫的加工。

由于焊縫打磨系統是以機器人為核心進行構建，故需通過編寫相應的機器人程序實現對打磨工藝全過程控制。按照系統功能要求，編寫的機器人程序如圖(b)所示。首先，機器人確認打磨片在位，并控制吸塵器的開啟，通過寄存器賦值指令設置ACF的初始壓力、負載等參數，使變頻器處于準備狀態，完成打磨片直徑范圍的設置(打磨片直徑范圍為150～210 mm)，并通過子程序測量打磨片直徑，若直徑超出允許范圍，則調用更換打磨片程序。直徑檢測完成后，機器人通過DeviceNet控制電主軸旋轉并開始打磨，根據不同位置設置相應的ACF下壓力，機器人移動軌跡通過前期白車身示教完成，每50 mm焊縫設置一條移動命令。最后，打磨完成后，機器人控制電主軸停止轉動，并關閉吸塵器。

圖6 打磨工藝流程Fig.6 Grinding process flow chart：(a)grinding flow；(b)grinding program

2 激光填絲釬焊打磨工藝相關參數

在打磨作業完成后，一般用表面粗糙度來表征焊縫打磨質量，即打磨后焊縫表面粗糙度為Ra≤1.0 μm。在保證焊縫品質的前提下，需要保證單臺打磨耗時少與打磨片利用率高。而影響打磨品質、速度以及打磨片使用率的主要因素為ACF壓力、電主軸旋轉方向、轉速和打磨姿勢。

2.1 ACF壓力

實際打磨過程中，機器人會將初始力Fzero、爬坡時間tramp、目標力Ftarget和負載Pload等設定傳遞給ACF，ACF則會將實際力、ACF位移、連接狀態和錯誤代碼等信息反饋給機器人，如圖7所示。當壓力較小時，會出現焊縫打磨殘余現象；當壓力較大時，會造成焊縫打磨量過大，不滿足工藝品質要求，同時打磨片消耗過快，單片打磨片的打磨臺數會減少。實際生產過程中，需根據工件表面硬度以及打磨片材質選取不同壓力范圍的自適應接觸法蘭。為了獲取ACF在激光釬焊打磨過程中的工作效果，同時分析其接觸力的穩定性，采用控制打磨片線速度、姿勢與角度的方式，調節ACF壓力，設計單變量實驗。結果發現：對于激光填絲釬焊的頂蓋焊縫打磨，ACF壓力為25～40 N時，既能滿足焊縫打磨品質，又能保證打磨片的使用效率。

圖7 ACF設置參數Fig.7 Parameter settings of ACF

2.2 電主軸旋轉方向及轉速

電主軸旋轉方向與加工方向一致時，鐵屑不易殘留在打磨痕處，但當電主軸旋轉方向與加工方向相反時，鐵屑會被壓入表面的打磨痕，見圖8。故在實際生產過程中，電主軸旋轉方向與加工方向保持一致。

圖8 電主軸旋轉方向與加工方向示意

為了保持打磨片的線速度恒定，電主軸的轉速需根據打磨片的直徑變化做出調整。每次打磨完成后，機器人移動到標定臺，通過ACF記錄的位移可知打磨片半徑的變化量，從而通過計算公式計算出電主軸所需轉速。如圖9所示，標定臺高度h一定，打磨頭頂部距離標定臺底部距離H一定，打磨前后，機器人移動到相同位置，則打磨前后ACF的位移變化x2-x1就是打磨片半徑的變化量r1-r2。

圖9 打磨片直徑變化示意

當設定好打磨片的線速度v(m/s)后，電機轉速n(r/min)與打磨片半徑r(m)的相互關系為

(1)

設定第n次打磨后，ACF的位置數據為xn，第n+1次打磨后，ACF的位置數據為xn+1，打磨片的初始半徑為r0，第n次打磨后，打磨片的半徑為rn，則打磨片半徑rn、rn+1與ACF位置數據xn、xn+1關系如下：

(2)

上述公式可通過編輯變量與相關運算，計算出每次打磨后，打磨片的半徑數值以及需要的電機轉速。

相關研究表明[14]：隨著電機轉速增大，焊縫與打磨片界面的摩擦因數降低，溫度變化增大，焊縫的磨損量、表面硬度和塑性變形層厚度也會變大，焊縫表面粗糙度會減小，表面會變得更加光滑，但同時也會加速打磨片的消耗，增加單臺車生產成本。實際生產過程中，需根據打磨片磨粒材質與尺寸、焊縫材質設計不同打磨線速度的實驗，獲取最佳線速度工藝區間。迄今為止，基于打磨片即砂輪磨削工藝的相關參數計算主要依靠實驗確定，然后根據實驗擬合出特定經驗公式，通過查閱相關磨削方面文獻[15-16]，設定打磨線速度實驗區間為0～40 m/s。此系統采用的電機最高轉速為3 803 r/min，打磨片能使用的最小直徑為155 mm，通過對所生產車型進行不同打磨線速的測試，在獲得符合要求的焊縫表面粗糙度且滿足打磨片最低消耗量的前提下，當前系統采用的打磨線速度最優區間為25～35 m/s。

2.3 打磨姿勢

由于頂蓋為自由曲面，需通過示教確定打磨軌跡，確保打磨軌跡貼合焊縫。若采用的打磨片厚度小于焊縫寬度，則需要將打磨片角度進行調整，避免焊縫過寬時部分區域無法打磨。

當ACF與焊縫的角度發生變化時，實際作用于焊縫上的下壓力也會發生變化。如圖10所示，FP為工件反饋打磨力，FA為ACF在軸向上施加給打磨片的力，FR為打磨片在垂直于ACF軸向上所受的力，打磨片受到三者的合力為零。當FP恒定時，ACF與工件的夾角α為銳角時，FA最小，即ACF提供給打磨片的壓力最小。結合白車身外形及打磨設備結構，在實際生產中，ACF與工件呈銳角(60°～85°)時，打磨效果最佳。

圖10 不同角度打磨片受力分析

3 結論

針對白車身頂蓋激光釬焊打磨工藝，提出一種由自適應接觸法蘭、電主軸和機器人構成的全自動打磨系統，此系統具有如下的特點：

(1)以機器人為核心，結合自適應接觸法蘭、高轉速電主軸、打磨片構建起一套用于激光釬焊的打磨系統。通過機器人程序實現對打磨全過程的精細調控。首先，加工前測量打磨片當前直徑，計算出恒定線速度下所需的電機轉速，并將數據發送給變頻器，從而保證不同直徑打磨片加工后的焊縫品質穩定性；然后，通過示教軌跡確定打磨路徑，避免切削到車身母材；最后，根據實際焊縫材質特性與加工效果，不斷優化打磨工藝相關參數。

(2)采用簡單高效的DeviceNet現場總線通信方式，以機器人為主站，可根據實際應用場景，增加從站專用設備進行特定功能擴展，從而實現打磨片自動更換、切削雜質吹氣清掃、焊縫品質檢測等功能。

(3)根據不同車型所面臨的實際工況(焊縫材質、加工節拍、打磨片材質等因素)，設計正交試驗，獲取最佳工藝區間(ACF壓力、電主軸轉速、打磨姿勢等參數)，從而滿足批量化白車身焊縫品質一致性要求。