基于機器人的白車身焊接自動打磨技術研究

劉久月 馬立新 劉海旭 劉菁茹 都姍姍

摘要：為減少焊點打磨工藝成本并控制打磨質量，研究一種由機器人抓持的自動打磨工具及其控制系統。通過力控傳感器實現閉環控制，在60 ms內完成反饋并驅動柔性控制單元，最終輸出打磨力精度誤差小于1 N，使之可以打磨車身零件的復雜曲面。根據車身零件材料特性，通過試驗選取合適的磨具，確保打磨質量。根據生產線工藝特性設計打磨工藝，最終實現自動打磨技術在生產線上應用。

關鍵詞：車身零件 焊點 機器人 自動打磨 力控

中圖分類號：U468.2+2? ?文獻標識碼：B? ?DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20220204

Abstract： In order to reduce the cost of the solder joint grinding process and control the grinding quality， this paper studies an automatic grinding tool held by a robot and its control system. The closed-loop control is realized through the force control sensor， the feedback is completed within 60 ms and drive the flexible control unit at the same time. Finally， the precision error of the output grinding force is less than 1 N， so that it can grind the complex surface of the body parts. According to the material characteristics of body parts， appropriate grinding apparatus are selected through experiments to ensure the grinding quality. The grinding process is designed according to the process characteristics of the production line， and finally the automatic grinding technology is applied in the production line.

Key words： Body part， Welding spot， Robot， Automatic grinding， Force control

1 前言

在現有的汽車車身連接工藝中，電阻點焊是最主流的工藝。電阻點焊具有生產效率高、熱變形小、故障率低的工藝優勢，但也存在焊點飛濺與焊接毛刺較多的缺點。

焊點的焊接飛濺與毛刺除影響美觀度外，還會導致電泳層和涂裝層的厚度不均甚至產生缺陷，影響防腐蝕性能進而減少車身使用壽命。

產生焊點飛濺與毛刺的原因主要有以下4種：焊件表面有雜質或污漬導致接觸面的壓強不均，造成熔核局部的電流過大；焊接時間過長導致車身零件過熔化；焊鉗電極帽表面與焊接板材垂直度不足導致熔核局部電流過大。

為減少焊件產生焊渣與毛刺缺陷，大多數焊接控制器廠家開發了自適應焊接系統，通過焊接控制器自動調整焊接過程中的電流，從技術源頭遏制焊點飛濺的發生；沖壓件精度的提升、電極修磨技術的發展同樣有助于控制焊點表面質量；在生產實際中調試工程師也會優化焊接參數和焊鉗的焊接姿態，以降低焊點飛濺發生概率。但受限于車身零件匹配尺寸波動及表面油污狀態不同，生產過程中仍會有部分焊點產生飛濺與毛刺。因此，通常在生產線末端車身零件下線后由人工手持打磨工具對焊點飛濺與焊點毛刺打磨，以保證后續電泳和涂裝工藝質量。

據統計，1臺焊裝白車身約有4 000～5 000個焊點，1條年產量15萬輛汽車的生產線至少需要40名工人對車身焊點質量檢修打磨。打磨車身零件極度依賴個人經驗；機械重復性的勞動嚴重壓制工人的積極性；打磨工作產生的大量金屬粉塵，影響工人身體健康。

為此，本文研究面向白車身焊接自動打磨系統，實現了焊點自動打磨，提高了打磨后的白車身零件質量。

2 自動打磨與人工打磨對比

a.投入成本（以整車生命周期10年計），自動打磨：單套自動打磨，一次性投入設備及后續維護費用約60萬元；人工打磨：單個工人費用約120萬元。

b.占地面積（以某車型后地板總成線體為例），自動打磨：線內自動打磨區域共占地約36 m2，如圖1所示；人工打磨：人工檢查、打磨區域共占地約48 m2，如圖2所示。

c.打磨質量穩定性，自動打磨：通過大數據積累形成打磨材料庫，指導自動打磨工藝不斷地優化升級，確保打磨質量穩定。人工打磨：質量受人為因素影響大，多批次打磨質量一致性低。

d.可復制性，自動打磨：固化的打磨工藝參數，統一管理，可復制性強。人工打磨：依賴個人經驗，質量控制數據以人腦為準，難以形成有效傳承。

e.環境與危害，自動打磨：配置相應防護等級的設備，可不間斷運行，適應粉塵與高溫環境。人工打磨：作業環境中的金屬粉塵與飛濺危害人體健康，不適宜長期作業。

綜上，機器人自動打磨工藝具有成本低、質量穩定性高、復制性強與避免作業環境危害等優勢。但是由于車身零件不規則性和工藝的復雜性，對工業機器人自動打磨工藝的柔性提出了更高要求，這也是實現自動打磨面臨的難題。

3 自動打磨系統設計

3.1 自動打磨系統構成

自動打磨系統主要由機器人柜、機器人本體、打磨工具、打磨控制柜、被打磨車身零件、除塵設備構成。自動打磨系統構成如圖3所示。

自動打磨系統的控制邏輯如下。

a.機器人帶打磨工具到達指定位置，機器人控制柜通知打磨控制柜開始打磨；

b.打磨控制柜啟動打磨工具，打磨工具電主軸旋轉，帶動磨具打磨車身零件焊點表面；

c.機器人確認打磨工具電主軸啟動旋轉后，帶動打磨工具沿預定打磨路線行進；

d.機器人帶動打磨工具行進至預定路線終點后，機器人控制系統通知打磨控制系統停止打磨，打磨控制系統控制打磨工具電主軸停止旋轉；

e.機器人行進至下條打磨路線并重復上述流程直至所有焊點打磨完成。

為防止金屬粉塵長時間堆積造成環境污染，自動打磨系統配置了高負壓自動除塵設備，將金屬粉塵吸至過濾罐中，并由專人定期清理維護。

3.2 打磨工具構成及力控解析

因車身零件表面存在尺寸誤差和定位誤差，如在自動打磨系統中使用恒位置控制，會引起如下缺陷。

a.打磨質量不穩定，車身零件各位置打磨厚度不均；

b.影響磨具使用壽命，加速損耗帶來更多粉塵；

c.車身零件表面誤差較大時引發工具和機器人過載報警甚至損壞或造成產線停。

為保證既定且一致的打磨量，自動打磨系統要解決位置控制和打磨力控制2個技術難點。

自動打磨工具結構如圖4所示。電主軸驅動磨具旋轉，打磨車身零件，當車身零件Z向尺寸出現偏差或行進至復雜曲面時，力控傳感單元通過感知打磨力的變化并反饋給柔性伸縮機構，調整磨具位置，保持前端磨具恒定輸出正壓力，以此補償機器人精度誤差以及其它外界擾動，實現精確打磨去除量。自動打磨工具的控制邏輯如圖5所示。

此自動打磨工具有如下功能：

a.柔性控制：當接觸力發生變化時，柔性控制能夠做出相應的伸縮；

b.恒力控制：設備能保持恒定的輸出力，精度控制在±1 N；

c.實時響應：實時地感知外力的變化，在60 ms內恢復到設定輸出力；

d.狀態監控：能夠實時的反饋柔性力控伸縮量；

e.重力補償：可以設定質量并自動補償力影響，保持恒力打磨；

f.多種通信：支持多種工業網絡通信，和上位機保持實時的通信。

g.磨具保護：即在磨具消耗到一定程度時（消耗程度可以采用實時檢測形式，也可以采用預防性維護形式），系統發出預警提示需要更換磨具，當消耗完成仍未更換，系統會停止打磨，等待更換。

4 自動打磨工藝設計

4.1 自動識別缺陷焊點的技術路線

在設計前期，考慮應用視覺設備自動判別焊點質量，即通過相機拍照，識別發生焊渣與毛刺區域，而后記錄缺陷區域的車身坐標，通過軟件自動規劃機器人軌跡，實現自動打磨。但上述方案存在2點問題。

一是節拍問題：為獲得較好的成像效果，視覺設備需要在較近位置、對車身進行多次拍照或掃描，單次拍照及分析計算時間約3 s，完成識別中后地板件單側需要約18 s，嚴重占用生產工藝節拍；

二是視覺識別的準確性：部分焊點飛濺痕跡較淺、單個焊渣直徑較小，視覺設備無法準確判定是否為質量缺陷。

基于上述2個缺點，本項目排除應用視覺設備檢測。

為了實現缺陷焊點的自動識別，通過與自適應焊接控制器廠家聯合研討，分析積累了大量焊接參數曲線，發現飛濺、焊渣的焊點焊接參數曲線都呈同樣規律：焊接電流發生突降的幅度＞20%。焊接前期發生飛濺參數曲線如圖6所示，焊接中后期發生飛濺參數曲線如圖7所示。

因此，本項目采用如下方式實現自動判定及自動打磨：焊接控制器監控焊接曲線，識別電流突降幅度＞20%的焊點并標記焊點名稱，通過線體制造執行系統（Manufacturing Execution System，MES）及PLC將焊點的名稱與坐標傳輸至打磨系統，打磨系統通過內置軟件自動規劃機器人軌跡，實現機器人自動打磨缺陷焊點。

4.2 生產線工藝設計

在某車型后地板總成生產線中，梁架總成與面板總成經過合拼焊接成為后地板總成。車身零件裝配如圖8所示。

由于焊點飛濺發生位置無法預判，因此判定在車身零件搭接的2側都需要對焊點進行打磨。本工位使用轉轂設備實現車身零件翻轉，轉轂夾具如圖9所示。

轉轂夾具的工作原理為：轉轂支座與地面相連并固定，當夾具檢測到車身零件在位且機器人狀態正常，夾緊單元執行夾緊；當機器人打磨完成車身正面焊點后，打磨完成信號反饋給變頻器驅動轉轂電機進行翻轉動作；此時轉轂電機旋轉，以轉轂主動軸、從動軸為約束，帶動夾具框架翻轉180°后停止，機器人繼續打磨車身反面；整體打磨完成后，轉轂夾具翻轉回初始狀態并打開夾緊單元。

結合線體實際布局，機器人自動打磨工位實際工藝動作順序為：機器人A將車身零件放置在轉轂夾具上；夾具夾緊后機器人B、C開始打磨；打磨完成后轉轂夾具帶車身零件翻轉180°；機器人B、C繼續打磨車身零件反面；打磨完成后轉轂轉回0°位置；機器人D抓取車身零件進行下一工序工作。自動打磨工位布局結構如圖10所示。

工位打磨工位節拍如表1所示，由于線體總節拍88.4 s，若車身零件正反兩面的打磨時間一致，則可得出留給機器人打磨車身零件單側的時間T約為32.2 s，可連續打磨20個焊點。

4.3 打磨磨具材質的確定

打磨后的表面應該干凈順滑，表面粗糙度Ra＜0.1，避免電泳后的質量缺陷；不能在局部區域打磨過量導致鍍鋅層磨穿，破壞防腐蝕效果。

為滿足上述打磨質量要求，常用打磨磨具有如下3種可選。

a.扭絲鋼刷，用于打磨冷軋板、鍍鋅板上的毛刺，理論使用壽命一般為6萬個焊點毛刺；

b.砂紙，用于打磨熱成形鋼板上的毛刺，理論使用壽命約為100個點焊毛刺；

c.百葉輪，用于熱鍍鋅板及熱成型鋼板，理論使用壽命約為打磨200 m長度（百葉輪采用連續打磨的形式，約4 000個焊點）。

對后地板車身零件信息提取匯總，如表2所示，明確車身零件包含熱鍍鋅鋼板和熱成型鋼板。因此磨具材質排除扭絲鋼刷。

為了選擇最終磨具的材質，對本車身試片進行打磨試驗，車身零件打磨質量判斷標準如下。

a.打磨后的肉眼觀察的外觀不能存在棱線；

b.打磨后焊點殘根的高度要求不超過零件厚度的10%，母材去除量不超過零件厚度10%，自動打磨質量標準如圖11所示。

以上述最薄車身車身零件厚度為0.60 mm計算，即焊點殘根高度和母材去除均≤0.06 mm。

打磨試驗結果如表3所示，結論為：砂紙與百葉輪均適用此車身零件板材的自動打磨。

在試驗過程中，磨具的使用壽命測試結果如表4所示。

經測試對比，確定百葉輪作為打磨工具，具有單位時間打磨量多、使用壽命高的優勢，避免了線體頻繁更換打磨工具造成的開動率不足。

4.4 應用Process Simulate仿真軟件明確打磨焊點

雖已明確車身零件單側打磨時間不超過32.2 s，但由于無法預估現場實際焊接中發生飛濺的焊點位置，因此在設計階段，仍然需要對全部工藝焊點進行仿真驗證，篩選可以進行自動打磨的焊點。后續現場調試階段，依據車身零件實際情況，在理論可行的焊點中挑選飛濺嚴重的焊點進行自動打磨。其余飛濺程度較為輕微及無法實現機器人自動打磨的焊點仍然采用車身零件下線后人工打磨的處理方式。

在Process Simulate仿真軟件中，創建車身零件庫、焊點庫；將車身零件投影到所在夾具上，在車身零件上為所有焊點建立坐標投影；機器人攜帶打磨工具對車身零件焊點位置打磨，分析工藝可行性。判斷是否可行的技術要點如下。

a.機器人帶打磨工具能夠到達被打磨焊點；

b.打磨工具不與車身零件非打磨面干涉；

c.打磨工具不與夾具干涉。

為保證焊點所在打磨面可控，在打磨時，百葉輪面與車身零件表面夾角約為7°，打磨角度如圖12所示。

經過對158個焊點逐一驗證分析，篩選出2側都可應用自動打磨工藝的89個焊點。

此89個焊點作為最終自動打磨備選焊點庫，輸入自動打磨系統，線生產階段在每臺車身中匹配缺陷焊點名稱，選定飛濺最大的20個焊點作為最終應用焊點，自動規劃打磨路徑，執行自動打磨。若有缺陷焊點飛濺未處理，仍使用車身零件下線后人工打磨形式。

5 結束語

受限于磨料規格尺寸與特殊焊點的位置，目前并非所有焊點飛濺都能夠實現自動打磨，這也是需要繼續探索的方向，即開發更小巧、便捷的磨料形式及適合尺寸，能夠在滿足打磨質量的前提下，適應車身零件的特殊型面，直至完全取代人工打磨。

自動打磨系統最大的價值在于，在車身生產領域，將不規則的、零件型面復雜的打磨工藝使用自動化工具代替，把知識的形式由人員傳承轉變為數據積累，極大地減少了車身表面質量與人員經驗之間的正向強關聯，在車身制造領域的數字化、智能化方向前進了一步。