定位焊的柔性自动化应用

rockston

焊接联接的整个过程日趋自动化，但却没有包括定位焊。由于焊接过程的柔性自动化提高了生产率和质量，所以可以节省时间和费用。一种定位抓取器，是集成了焊接技术的工件抓取器，可以解决利用工业机械人完成定位焊工序的问题。
+ p; c; E1 [$ w, Y
以汽车工业为例，对定位和定位焊的合理化要求
5 y5 T9 l& _0 Y
汽车车身不仅仅是将大的深拉伸钢板件互相焊起来就完成了，还要有上百个成形小件固定上去，如：分类插头或ABS—系统，座位固定装置，门窗铰链，定距器等。一般说来，在进行电阻点焊之前，要对它们合理化定位。这项工作对于生产计划部门来说是一件十分头痛的问题。由于零件的多种多样，而且位置往往也很紧凑，简直不敢想像将这项定位工作自动化。因此在焊前的准备工作大多由手工来完成。根据实际应用情况设计夹具，或者采用非柔性的专用机械，这种方式缺点如下：
. A4 Z- u5 H% {3 o3 r
■ 生产用具的计划与设计费用高得不成比例；
' u5 J8 o& o* Z2 X3 n1 m
  K, x# m7 s  ?5 V& f■ 在采用刚性和非柔性生产手段时，如果在生产过程中改变钢板件的形状和位置，将要进行专用设备的改造；
0 `& L" t2 I( P" _9 v7 a* G
■ 在生产过程中定位焊的位置公差经常太大，给用金属极气体保护焊的全机械化带来困难；

■ 在强制生产节拍的工作场地，采用手工操作的适应性差；
* ^) F; B4 f$ ^
. X* n% X5 p, G■ 夹紧装置妨碍焊接工作的操作；
7 ~  j4 b& R* u9 t
■ 为了进行定位焊，需要增加装配车间的工作位；

* d9 ?5 Y* a* d/ c! U& i% d! M% d■ 在车型改变时容易搞乱，把错误的零件定位焊上去；
$ j0 L( Y# U* X! K, s5 j
: K% `3 ^$ B. f+ y7 }: l改变工作方式

为了实现上述工作合理化的要求，司徒加特的弗朗霍夫生产与自动化技术研究所（IPA）以前的工作人员，开发了一种新的生产方式和所需的产品。其结果是发明了“带有行程引弧的板材电弧定位焊”，并获得了慕尼黑弗朗霍夫学会的专利。配合采用的工业机器人而开发的定位抓取器，主要是由标准部件组成。它采用6ba的压缩空气驱动，通过微处理机来调节定位焊接过程。它由定位抓取器的头部、焊接电源和工业机械人的控制器组成。在控制器中设置了适合各种不同焊接件的定位焊程序。可编程的焊接参数包括：
& O: ~& J3 r. J' x9 u
—预加电流的大小和时间；

—焊接主电流的大小和时间；

. v. {0 q. E+ r# L) ^—焊接行程的大小和时间；
" d2 C* B4 y& S/ C
—压紧力；

  }! u: T! w, ~5 r  T$ W/ C8 K—沉入深度；

—行程运动的特性曲线。
: V+ Z5 c. C) F; S- A: _
此外，还可以藉助定位抓取器进行机械抗拉强度试验，以达到质量控制的目的。必要时可用一个新的点焊件重复进行点焊。为了进行过程控制，有一个可以对焊接参数理论值与实测值对比的功能，使之保持在预先给定的允许公差范围内。

一次定位焊的全过程

当然不是把装满小件的箱子往工业机器人面前一放，然后便命令机器人“干活”。这样，辨认定位焊件的位置和对装卡运动进行控制所需的费用就无法承担。必须把工件分开，一件一件地按位置次序排列在工业机器人的工作区域内。根据工件的几何形状和所需的节拍时间，需要不同的工作系统，在此不进一步叙述。用一个装在工业机器人手臂上的定位抓取器抓取各种不同形状的板件，并且按照给定坐标将其送到汽车外壳上去。

在将定位焊件压到汽车外壳上之前，通过直线传动使之位移一段距离X1。然后机器人才能把板件放在汽车外壳的指定位置上。机器人目标点的编程，应使定位焊件与汽车外壳接触之后，仍能通过定位抓取器的直线传送使之压进25mm。这个距离是可供传动距离的一半。从而可以补偿汽车车身表面总会存在的位置与形状误差。在加工单元上，该值的大小为±5mm。重要之处在于，通过这个压进运动，不使被联接件产生塑性变形。为此降低了平时伺服气动系统的空气压力。
" T, ?' Z& ~/ k
5 A$ b5 B; e& \! B在编程机器人目标点达到之后，开始正式的定位焊接过程。第一步是测量伺服驱动器的真实位置，从而得出汽车车身的误差，并且暂时将与焊位相关的坐标位移向量X2储存起来。启动夹持压力之后，焊接预电流开始在夹持器卡钳中流动。紧接着利用直线传动，将定位焊接件从车身表面抬起一个程序设计的焊接行程量X3。该值根据定位焊任务不同，约为0.5～4mm。从而在定位焊接件与车身钢板之间产生一个位置不动的电弧。通过将预电流提高到主焊接电流，使定位焊接件与车身钢板表面熔化。与行程段距离相适应地，利用焊接电源来调节焊接电压，使焊接电流保持不变。当焊接能量达到要求值后，伺服驱动机构定位焊件加速移向车身表面。当两个联接面接触时，电弧熄灭。在电源被切断之前，流过的是短路电流。行程的目标点是进入熔池中一个编程熔深X4，该值与产生的熔深有关。经过一个短暂的停留时间，待焊接熔池凝固后，定位抓取器即可松开。
8 U; o; R& i) P4 [: C; ^. k) C
整个定位焊的过程大约消耗在50～500ms之间。工作过程很像螺柱焊接过程。不同之处在于定位焊接件的形状可以是多种多样的。伺服驱动的典型特征是焊接件进入熔池时无冲击。在两个熔池碰撞时，通过减速，实现定位焊件的“软”浸入。与传统的磁力行程机构相比，它极大地改善了焊接质量。
/ Y6 Q* q0 E* j5 H- t' i7 B/ e8 o
经验与开发潜力

, M" E+ Q8 k2 D, Z$ L目前在汽车工业中已经采用的定位抓取器，在合理化和柔性方面都取得了优异的结果。由于这种定位抓取器实际上不需要维护，所以几乎可以达到100%的利用率。如果一旦某个零件坏了，可以很快更换一个标准部件，从而保证继续使用。关于过程的可靠性，经过统计表明，在几个月的时间内，出现焊接缺陷的机率只有0.03%。
; o4 O, E' s0 N) G6 c' P& Q9 m7 @
4 P9 ]5 k1 M+ ~7 \通过伺服调节驱动的定位焊头，也为定位焊后零件的成品焊接提供了新的可能性。由于机器人定位精度高，定位焊接件的形状误差小，所以可以在机器人手臂上装上气体保护焊焊炬，对零件进行成品焊接。因为通过坐标移动向量X2，可以在任何焊位补偿车身的位置误差，所以可以在连续焊接程序中，将空间点改变一个坐标移动向量值，从而可以放弃采用昂贵的焊缝跟踪系统。原来工业机器人不适合于用在气体保护连续焊接上，现在则可以可靠而又十分经济地实现。

机械制造的所有领域都提出来要用自动定位焊。例如用在农业机械、钢结构和容器制造、采暧和空调、厨房用品和物料搬运技术。恰值工业机器人大幅度降价，使日益为降低成本而艰苦奋斗的中小企业，更有理由采用这种自动定位焊接法。