点焊机器人电极帽自动换帽装置的研发及应用

黎哲成　莫文将

摘 要：为解决汽车白车身焊装生产线的点焊机器人电极帽更换存在的安全、效率和质量的问题，本文提出一种点焊电极帽自动换帽装置的研发方案。分别介绍了装置的技术方案、设计方案、工作原理和应用实例。最后总结了该装置的优点和应用效果。

关键词：点焊 电极帽 自动换帽 研发 应用

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

電阻点焊是目前汽车白车身焊装的重要工艺，一台白车身大约四五千个焊点，这些焊点通过点焊焊枪焊接完成。以点焊机器人为核心的生产线是汽车车体焊接装配车间的一个非常重要的组成部分，也能体现一个汽车制造企业的车体焊接工艺水平[1]。点焊焊枪的两个电极上安装有电极帽，在焊接一定数量的焊点后，电极帽会被损耗，这时就需要进行更换电极帽。

在此之前，由于技术和成本方面的原因，主要靠人工手动完成更换电极帽的工作，如图1所示。人工操作存在以下问题：第一，人员今日机器区域，安全风险高;第二，人工更换电极帽的效率低;第三，受人为因素影响，更换操作标准难以统一。同时，随着车身焊装线自动化程度越来越高，焊接作业逐渐由机器人取代人工完成[2]。因此，安全风险高、效率低、质量难以保证的人工更换电极帽操作已经不适应高节拍自动化生产线。为了解决这一“瓶颈”问题，优化焊装生产线，提高效率，需要开发出一种能够自动更换点焊电极帽的装置。

2 装置的研发

2.1 技术方案

整个装置总体分为夹紧单元、脱帽单元、装帽单元和通讯单元共四个部分。夹紧单元采用齿轮式卡尺夹紧装置利用可调行程感应气缸带动实现自动夹紧。脱帽单元利用可调行程感应气缸伸出/收缩完成电极帽与电极分离、脱帽工作。装帽单元制作弹夹，利用钢珠和高弹性弹簧制作卡位有效的固定电极帽;采用高强度钢板，根据电极帽直径钻孔，形成电极帽存储点。通讯单元主要由电磁阀、I/O模块和检测开关组成。I/O模块与电磁阀连接，通过发送和接收信号，指令自动换帽程序执行完成电极帽的更换操作;检测开关负责存储电极检测，同时监测弹夹电极帽使用量及电极拆/装帽后的状态。

2.2 设计方案

根据技术方案的总体要求，设计了一种电气自动控制的立式的自动更换电极帽的装置，如图2所示。整个装置主要由14个结构单元组成，包括下电极帽安装组、脱帽升降气缸、电极帽存量检测开关、安装基座、电极帽更换检测开关、电磁阀与I/O模块、电极帽脱帽卡板、电极帽脱帽卡锥、脱帽卡锥气缸、旧电极帽收集盘、上电极帽安装板、上电极帽安装孔、粘钉与弹簧和钢珠组合、电极帽安装挡板。

装置的每个结构单元都有着其独特的功能作用：安装基座固定在现场焊枪更换电极帽的位置，并用于安装各个部件;脱帽升降气缸为焊枪上电极帽的脱开提供动力;电极帽存量检测开关实时检测弹夹上新电极帽的数量，小于设定的存量时会发出警报提醒;电极帽更换检测开关在装置进行更换电极帽动作时检测电极是否脱开旧电极帽或更换安装完成;电磁阀与I/O模块负责发送和接收信号，触发自动换帽程序执行;脱帽卡锥气缸提供动力推进电极帽脱帽卡锥锁死需要更换的电极帽;电极帽脱帽卡板和电极帽脱帽卡锥配合锁死需要更换的电极帽;旧电极帽收集盘用于收集更换下的旧的电极帽;上电极帽安装板用于将新电极帽安装在上电极帽安装孔中并固定;粘钉与弹簧和钢珠组合是将新电极帽固定在上电极帽安装孔中;电极帽安装挡板是焊枪在安装新电极时挡住新电极帽使之不发生窜动。

2.3 工作原理

2.3.1 脱落旧电极帽

电极帽是一种工业消耗品，常见的电极帽材料有铬铜（ C u C r）、铬锆铜（ C u C r Z r ）、氧化铝铜（CuAl2O3）以及铍铜（ BeCu）[3]。一对新电极帽的生命周期呈阶梯状，从电极帽投入使用到寿命终止通常经历 7 次修磨， 当焊点总数超过 420 时电极帽达到最大允许损耗厚度H，因此寿命终止，需更换新电极帽。

使用本装置，焊接机器人在焊枪焊接打点数量达到设定数量时，电磁阀和I/O模块与焊接机器人交互发送、接收电极帽更换信号。焊枪沿设定轨迹将旧电极帽伸入电极帽脱帽卡板孔中，脱帽卡锥气缸推动电极帽脱帽卡锥将需要更换的电极帽锁死，脱帽升降气缸下降或上升，机器人焊枪实现旧电极脱开。

2.3.2 更换新电极帽

已经完成脱落旧电极帽的机器人焊枪经电极帽更换检测开关检测脱帽成功后即可安装新电极帽。新電极帽被安装在电极帽安装板的电极帽安装孔里，经粘钉与弹簧和钢珠组合卡住与电极帽安装挡板挡住。已脱帽焊枪沿设定轨迹到达指定位置，焊枪上顶（或下压），安装新电极帽。经电极帽更换检测开关检测安装新电极帽成功后，整个电极帽自动更换完成。

2.3.3 人工补充新电极帽

当电极存量帽检测开关检测到新电极帽数量低于设定值时，就在人机交互界面提示需要填充新电极帽，工人就可以进行添加新电极帽。本自动更换电极帽装置设计有8个孔位安放新电极帽，经过测试，在设计节拍为45JPH 的焊接生产线体上，一个班次只要在开班TPM点检时安放一次就能满足整个班次使用。

3 应用实例

该装置已经制造出来了，如图3所示。目前在SGMW河西基地车身车间投入使用了3台，安装在焊装线的总拼区域。

根据现场使用情况评估，各项数据表明该装置的运行状态达到了预期的设计目标，大大提高了生产线的效率，具体收益主要有以下三个方面。第一，节约焊接机器人电极帽更换时间，由原来人工更换的120秒每台下降到现在的20秒每台，效率提升了83%;第二，节约电极帽成本，该装置可以配合焊接机器人实现电极帽损耗的检测，从而做到精准更换电极帽，减少了电极帽的浪费;第三，自主研发装置，节约设备开发成本，经过测算，每台装置平均节约0.98万元的开发成本。

4 结语

本文介绍了一种自动更换焊接机器人电极帽装置的技术方案、设计方案、工作原理和应用实例，旨在解决汽车白车身焊装生产线焊接机器人电极帽更换的效率和安全问题。

该装置自主研发，拥有核心技术，完全使用国产材料制作，成本低。倒T型设计，使得机器人更换电极帽轨迹最优化，整个电极帽更换过程只要20秒，效率高。采用模块化分体式结构，可根据现场空间大小，分体装配，实用性强。采用齿轮式卡齿咬紧方式提升脱帽效率，排序卡扣夹紧安装方式弹夹使电极帽安装快速、准确，多重检测装置监控机器人更换过程，稳定性好。

装置在实际应用当中，运行状态非常理想，在效率、安全和经济效益方面都取得了很好的效果。

参考文献：

[1]訾进锋，王勤.基于自动分组的机器人集中换电极帽工艺[J].装备维修技术，2011（1）：51-54.

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

[3]朱鸿博，田坤，王志娟.氧化铝铜电极帽在镀锌板焊接中的应用[J].汽车装备，2015（8）：62-64.