基于摆臂式修模器的固定焊枪修磨分析

刘 阳，宋懿群，金 雯

（1. 杭州吉利汽车有限公司，杭州 310000；2. 浙江吉利新能源商用车集团有限公司，杭州 310000)

0 引言

焊接技术是汽车制造业四大工艺中必不可缺失的环节，焊接过程中由高温高压的作用导致电极端面的逐渐磨耗，或者端面合金化剥离，都会造成电极端面直径变大，导致焊接过程电流密度减小，焊核减小，焊接不良发生[1]。电极帽焊接一定点数需进行自动修磨，以保障产品质量。固定式焊枪电极帽修磨需要对焊接件完成一定点数焊接，抓手机器人回到HOME位，对固定焊枪焊接点数检测确认，传递修模信号给摆臂修模器，等待摆臂修模器对固定焊枪完成修模后，抓手机器人才会执行下一个任务工艺，造成生产等待时间浪费。为提高生产效率，降低能耗。本文对摆臂式修磨器对固定焊枪电极帽修磨进行分析。

1 现场主要设备构成及作用

1.1 机器人

本文介绍的是采用ABB 机器人IRB 7600-325/3.10，该机器人有6个自由度关节，可运动范围3 100 mm，承载能力325 kg，以其扭矩大、惯性大、刚性结构强及加速能力快特点广泛应用制造业，作为搬运机器人使用。IRB 7600-325/3.10机器人通过六轴安装抓手用来搬运焊接零部件，机器人工作流程是将置台上需要焊接零部件抓起来，通过PLC程序设定轨迹将抓手上零部件放到固定焊枪动静电极臂上的电极帽之间等待焊接，焊接完成后将焊接好的零部件放置下一个工序置台上。

1.2 固定焊枪

此处焊枪采用尼玛克C型焊枪（焊枪通常喉深≥600 mm）固定焊枪接到焊接指令后将抓手机器人搬运过来的零部件进行不同点位焊接，焊枪通过动臂与静臂配合使电极臂、电极杆、钢板零部件和电极帽形成一个闭合回路，将两电极帽之间的工件加压，并在焊接处通以电流，利用电流将工件本身的电阻产生热量进行加热形成局部融化，断电冷却时继续加压作用下形成牢固接头，在焊接过程中要保障电极帽与焊接零部件处于垂直90°的角度，以保障焊接质量。

1.3 修模器

根据生产现场要求，本文采用的自动式（摇臂式）修模器。主要构造（见图1）由修磨单元、马达（电机）、可调支架、吹屑装置、铜屑收集罩、铜屑收集桶、电控箱等组成。摆臂式修模器作用是当固定焊枪焊接一定点数或电极帽磨损消耗较大会对其表面进行修复打磨，摆臂式修模器在接到机器人传递信号指令电机带动连接杆的摇臂曲柄将修模单元（修模单元内配备旋转刀具）以水平和垂直方向对准固定焊枪上下电极帽同时进行修磨，修磨时间小于2 s，转速＞512 r/min。为保障修模效果，防止铜屑粘在电极帽上，将修模产生削屑统一收集清理，防止杂质影响焊接质量。

图1 自动式（摇臂式）修模器

2 影响焊接节拍原因分析

2.1 电极帽修模等待时间浪费

电极帽在焊接一定时间后，表面会出现变形和氧化层，这种焊接是非常不利的，焊点质量会降低[2-3]，固定式焊枪修模需抓手机器人完成自工序指令，机器人回到HOME位。摆臂式修模器接到指令才可以进行修模，抓手机器人从置台上抓取零部件和焊接完成到下工序放件回到HOME位等待修模，检测修模条件是否满足，此期间摆臂修模器对固定焊枪修模需要一直处于闲置状态，摆臂式修模器在此期间修模对抓手机器人无任何干涉，因此固定焊枪电极帽等待修模造成大量等待时间浪费[4-5]。

2.2 机器人等待时间

抓手机器人主要作用是用来搬运零部件协助零部件局部焊接，每次完成一个自工序任务回到HOME位需等待检测是否满足修模条件（根据设置焊接点数）。后台程序检测需要修模时，摆臂式修模器对固定式焊枪电极帽修模，电极帽达到使用标准后，抓手机器人从HOME位开始执行第一个任务去置台上抓取零部件，摆臂式修模器对固定焊枪修模期间，抓手机器人处于HOME位等待，此期间摆臂器对固定焊枪修模抓手机器人抓取零件和离开HOME位对修模无任何影响和干涉，此时抓手机器人存在等待造成生产节拍降低，因此需要对此进行优化，减少不必要等待时间浪费。

3 节拍优化方案

固定焊枪只在焊接时工作，非焊接时处于闲置状态（约30 s）且与机器人无干涉，因此利用固定焊枪的非焊接时间进行修模，固定焊枪的修模等待时间和抓手机器人HOME位等待时间将直接消除，ABB机器人支Multitask功能，即多任务功能（机器人要有623-1 multitasking选项才能使用多任务），将修模模块移至辅助任务中，并用主任务中的信号来激活辅助任务，以此来达成固定焊枪的非焊接时间进行修抓手机器人修模，见图2。

图2 多任务功能

3.1 多任务模式设置

ABB 示教器的控制面板选择配置打开Controller 在Task 中新建一个任务（见图3）DDDress（此处DDDress中前二位DD任意任命，下文相同）并将其Main Entry设置为DDMain（此处DDMain前二位DD同上述），重启示教器后系统中将会有2个任务。

图3 控制面板创建新程序

图3 控制面板创建新程序（续）

3.2 修模程序编辑

在DDDress任务的程序模块中创建DDDress模 块（ 见 图4 ）， 并 创 建DDDressmain 和DDMoveGun1TipDress 2 个例行程序，其中DDDressmain 为 修 模 主 程 序 ，DDMoveGun1TipDress为独立模式修模轨迹程序。

图4 DDDress 程序任务的程序模块

DDDressmain为修模主程序（见图5），是一段无限循环的判断程序。当修模请求信号为真（bDDGun1TipDressReq = TRUE）时，执行修模程序，其他情况不执行修模程序。同时，为了防止机器人扫描频率过快，在判断之后等待1 s再进入下一个循环。

图5 DDDressmain 例行程序

DDMoveGun1TipDress为独立模式修模轨迹程序（见图6），包含开启焊枪独立模式、摆臂修模器移动到Work位、检查摆臂修模器是否在Work位、独立模式合枪、独立模式开枪、摆臂修模器移动到Home位、检查摆臂修模器是否在Home位、TCP校准及关闭焊枪独立模式等一系列修模流程。

图6 DDMoveGun1TipDress 例行程序

在DDDress任务的系统模块在DDDress任务的系统模块中创TipService 模块，并创建DDTipDress、SwingArm和CheckSwingArmPose 3个例行程序，其中DDTipDress 为修模程序，SwingArm 控 制 摆 臂 修 模 器 动 作 ，CheckSwingArmPose检查摆臂修模器位置。

3.3 修模检测位置调整

原修模检测程序（见图7）位置在抓手机器人放件完成回Home位之后，即一个工作循环之后开始检测是否需要修模，在进行下一个工作流程；新修模检测程序（见图8）位置在抓手机器人焊接完成之后进行检测，并根据修模检测数据确定是否直接修模。

图7 原修模检测程序位置

图8 新修模检测程序位置

3.4 修模安全控制

为了与HMI上手动发送的修模请求信号进行区分，同时防止焊接时误发送修模请求信号造成工件与修模器碰撞，新建修模检测程序DDTipDressChk并将其发送的修模请求信号修改为bGun1TipDressReq，见图9。

图9 修模安全控制

在开始焊接之前需要检查焊枪是否修模完成，我们使用修模请求信号bGun1TipDressReq =FALSE（只有独立修模过程中其值为TRUE）作为判断条件；出于安全考虑，增加修模器位置的判断，即修模器必须要在Home位。

4 案例应用

以某汽车制造厂焊装车间三大件后地板线为例，后地板安装固定焊枪焊接，当抓手机器人完场焊接后，回到HOME位后，抓手机器人等待修模检测信号，摆臂修模器进行修模，通过上述分析采取视频监控计算，抓手机器人和摆臂式修模等待浪费时间20 s，固定焊枪非焊接时处于闲置状态（约30 s）且与机器人无干涉，每生产10辆车进行一次修模，该汽车制造业上一年度生产33 000辆，共计一台固定焊枪等待修模时间浪费66 000 s，该后地板一条线有3台固定焊枪，每次固定焊枪修模时间不统一，3台焊枪等待修模时间需浪费198 000 s。假设固定焊枪能做到同时修模是最理想状态，为了减少等待时间成本浪费，该公司采取第四章节的改善措施，通过现场验证该改善可实施并投入使用，通过前面的分析，我们以最理想的情况计算每年至少能节约66 000 s，焊装厂节拍为88 s，即每年至少能多生产750台车，采用对固定焊枪、摆臂式修模器和抓手机器人三者关系工作配合关系，识别找出改善措施，进行合理优化，不仅可以提高员工技能水平还可以为企业节省能源成本，提升生产效率。

5 结论

白车身焊接质量好坏，车身强度由焊接焊点决定，定期对焊枪电极帽修磨是必不可缺少工作，在满足修磨工作，减少等待时间浪费，优化产线平衡，生产节拍的提升，本文在对采取固定焊枪、抓手机器人和摆臂式修磨器工作现状进行介绍并通过在ABB机器人示教器建立多任务模式、修磨程序优化、检测位置优化及安全互锁检查方案设定来提升生产效率，自动化水平应用。