楊朝隆 王剛 萬維

上汽大眾汽車有限公司制造部 上海市 201805

1 引言

汽車上白車身是汽車的基本骨架， 是汽車上所有零部件的安裝基礎(chǔ)， 而車身沖壓零件及其焊接裝配的質(zhì)量是影響車身質(zhì)量的重要因素[1]。目前，汽車車身焊接常用的焊接形式是電阻點(diǎn)焊、MIG和MAG焊等。大眾汽車集團(tuán)在旗下的車型中大量的應(yīng)用了激光焊接技術(shù)，應(yīng)用區(qū)域包括行李箱蓋、側(cè)圍、車頂、門框等。

當(dāng)今汽車市場競爭激烈，各廠商都加快了產(chǎn)品的更新迭代速度，以覆蓋不同級(jí)別的細(xì)分市場。因而需要投資更多的生產(chǎn)線來滿足不同品種零件的生產(chǎn)，總體成本隨之提高。各大廠商都在研究措施用以降本，而生產(chǎn)線柔性化正是降本點(diǎn)之一，特別是自動(dòng)工位的柔性化程度提升。而激光焊由于技術(shù)門檻相對較高、投資成本高，因而研究激光焊柔性化生產(chǎn)，具有推廣及參考意義。

圖1 行李箱蓋激光焊

2 激光釬焊原理

激光即“受激輻射放大”，通過強(qiáng)光照射激光發(fā)生介質(zhì)，通過偏光鏡反射受激輻射光，以及進(jìn)行進(jìn)行波長耦合及偏振耦合，最終通過透鏡進(jìn)行聚集等，形成焊接熱源。激光熱源可以把大量能量聚焦在極小的焊接點(diǎn)上，具有能力密度高、加熱集中、焊接變形小特點(diǎn)，可用于外覆蓋件薄板連接。

激光聚焦產(chǎn)生巨大能量的光束，可直接加熱工件或焊接填充物，使其瞬間融化，從而完成焊接。因此，根據(jù)是直接熔化工件還是熔化填充物（一般為銅硅合金），激光焊接可以分為激光焊深熔焊及激光釬焊。與傳統(tǒng)的點(diǎn)焊等工藝不同的是，激光焊接可以使搭接的鋼板達(dá)到分子層面的結(jié)合，使整車焊接剛度可以提升30%以上[2]。另一方面，由于激光焊的可以做到高功率密度聚焦的特點(diǎn)，兩塊板材之間的搭接寬度及一些加強(qiáng)部件可以大大減少，且焊縫成型美觀，無須特殊外覆蓋膠條用于裝飾，可以減少車身重量。

汽車行李箱蓋使用激光釬焊進(jìn)行連接外覆蓋板的上下板，其原理為利用激光將焊絲熔化并填充到行李箱蓋上下板的縫隙中，實(shí)現(xiàn)連接及密封作用。如下圖所示，可以實(shí)現(xiàn)行李箱蓋牌照板上方的筋線造型，并且焊縫美觀。而采用一體成型沖壓單件無法實(shí)現(xiàn)這種效果。

3 行李箱蓋激光焊系統(tǒng)構(gòu)成

由于激光輻射會(huì)對人體眼睛造成傷害，其使用時(shí)需保持高密封，激光焊需采用封閉式焊接島。行李箱蓋激光焊系統(tǒng)由以下幾個(gè)部分構(gòu)成：

激光源系統(tǒng)：用于產(chǎn)生激光源。當(dāng)前，主流廠商均采用二極管作為激光源，標(biāo)準(zhǔn)功率在1000~4000W之間，并且集成體積越來越?。ㄐ∮?m2），二極管激光源及其光學(xué)元件產(chǎn)生的熱量由專門的去離子水冷卻循環(huán)制冷。激光源設(shè)備對環(huán)境要求較高，因此，一般需放置于恒溫房內(nèi)。常用的激光源品牌有：Laserline、Trumpf。常用的激光鏡組有：Scansonic、Highyag等。

光導(dǎo)及鏡組系統(tǒng)：用于激光光導(dǎo)及聚焦。主要由偏振鏡、反射鏡、傳輸光纖、以及聚焦鏡組、保護(hù)鏡片等組成。主要是對激光進(jìn)行耦合、傳輸、聚焦，以達(dá)到焊接所需功率。焊接過程中，焊絲會(huì)與焊縫接觸，由于焊絲有一定的剛度，因此在焊接過程中，焊絲可以進(jìn)行一定焊縫導(dǎo)向，引導(dǎo)具有一定的自調(diào)節(jié)度的鏡組跟蹤焊縫走向。這樣可以在一定程度上修正軌跡偏差。

圖2 焊絲導(dǎo)引調(diào)節(jié)

送絲系統(tǒng)：包括焊絲盤、送絲機(jī)構(gòu)、以及位于機(jī)器人上的焊絲導(dǎo)輪、導(dǎo)向嘴裝置。根據(jù)行李箱蓋零件的特點(diǎn)，常用的焊絲直徑有1.0mm，1.2mm，1.6mm，需匹配不同的送絲導(dǎo)輪裝置，并切換需利用光學(xué)鏡頭改變激光聚焦的光斑大小使之相互匹配[3]，一般為2倍關(guān)系。如焊絲直徑為1.0mm，則光斑直徑為2.0mm。

焊接工裝系統(tǒng)：用于完成零件定位夾具、焊接。由于激光焊對零件匹配精度要求較高，因此要求激光焊工裝需比常規(guī)夾具有更高的重復(fù)精度。另外，由于焊接過程會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，焊縫附件的夾緊支撐單元須有較好的熱傳遞性能，一般采用銅質(zhì)支撐單元，以減少焊接熱變形。

機(jī)器人及控制系統(tǒng)：用于抓取激光焊鏡組及送絲機(jī)構(gòu)，并控制其運(yùn)行軌跡，以完成焊接任務(wù)。機(jī)器人選用要求：線性重復(fù)精度＜0.1mm，負(fù)載在100kg左右，工作范圍在2m左右即可保證可達(dá)性。常用的工業(yè)機(jī)器人如：KUKA VK210-C2PLC控制系統(tǒng)：用于控制焊接過程。主要由工裝上各種傳感器、輔助視頻監(jiān)控系統(tǒng)、安全光柵等組成，通過收集各種傳感器數(shù)據(jù)，完成工裝切換識(shí)別、安全監(jiān)控、焊接過程氣缸控制等。

輔助設(shè)施：包括激光焊密閉房體、安全圍欄、能源供給單元、吸風(fēng)除塵設(shè)備、空調(diào)冷卻系統(tǒng)等。

圖3 激光釬焊系統(tǒng)

圖4 焊接工裝切換方案

4 柔性布局方案

對于激光焊接系統(tǒng)，其激光源、鏡組、送絲系統(tǒng)、PLC系統(tǒng)及輔助設(shè)施均為基建共用部分，生產(chǎn)不同零件時(shí)，只需為不同零件編制不同的應(yīng)用程序。因此只要焊接零件的工裝做成柔性可切換的即可以實(shí)現(xiàn)基于前述平臺(tái)的柔性化生產(chǎn)模式。

對于柔性切換工裝，其主要評價(jià)指標(biāo)為快速性、可重復(fù)性、方便性。為滿足這些要求，對于激光焊焊接工裝，機(jī)械機(jī)構(gòu)方面需保證切換需可靠、方便，通過人工或自動(dòng)方式進(jìn)行切換。氣及通訊方面可使用快速街頭，以滿足快速插拔要求。車型識(shí)別方面通過傳感器或機(jī)械裝置，可快速識(shí)別不同零件，并將信息傳到控制系統(tǒng)中。

基于不同的焊接工裝切換布局方案，本文通過工藝流程分析其柔性度、節(jié)拍、投資費(fèi)用，精度要求及切換時(shí)間，對比幾種方案的優(yōu)勢劣勢，以備根據(jù)實(shí)際需求情況進(jìn)行選擇。

4.1 焊接工裝切換方案

方案一：單一固定焊接工裝方案

如上圖2，此方案為在激光房內(nèi)布置單一固定工裝，適合較高節(jié)拍及相對較低投資費(fèi)用場合。布局方案：在激光房內(nèi)布置單一固定工裝，房體采用卷簾門進(jìn)行激光屏蔽，如果房體另外幾個(gè)面還有其他固定工裝，為提高節(jié)拍，在房體內(nèi)部還需布置卷簾門。生產(chǎn)時(shí)，卷簾門打開，工人進(jìn)入房體內(nèi)上件，上件后卷簾門關(guān)閉，開始焊接。此方案布局簡單，調(diào)試要求較低。

方案二：雙工裝滑移切換方案

相較于方案一，此方案在房間內(nèi)布置兩個(gè)工裝，通過滑臺(tái)切換兩個(gè)工裝至工作位置。適合較高節(jié)拍及可生產(chǎn)兩種零件的場合。布局方案：在激光房內(nèi)布置兩個(gè)工裝，且工裝安裝于線性導(dǎo)軌滑臺(tái)上，工裝可根據(jù)需要切換至工作位置。上件方案與方案一類似，此方案可以柔性生產(chǎn)兩種零件，但線性導(dǎo)軌滑臺(tái)需較高投資，且對調(diào)試定位要求較高。

方案三：雙工裝轉(zhuǎn)臺(tái)方案

此方案采用雙面轉(zhuǎn)臺(tái)上布局兩個(gè)工裝，通過轉(zhuǎn)臺(tái)切換工裝至房間內(nèi)工作位置，適合高節(jié)拍生產(chǎn)場合。根據(jù)需要，柔性轉(zhuǎn)臺(tái)兩側(cè)可布局相同零件的工裝或兩個(gè)零件的工裝，由于在一側(cè)上件時(shí)，另一側(cè)工裝在房內(nèi)可同時(shí)進(jìn)行焊接，所以節(jié)拍最高。

方案四：抽屜式可切換工裝方案

此方案采用抽屜式切換方案，理論上可以無限切換工裝，適合多品種小批量生產(chǎn)場合。布局方案：采用抽屜式切換機(jī)構(gòu)，抽屜打開時(shí)進(jìn)行工裝切換，抽屜關(guān)閉時(shí)為焊接工作位置。抽屜式切換機(jī)構(gòu)包括布置于地面的切換機(jī)構(gòu)底座，以及與夾具匹配的上盤部分。切換時(shí)工人將切換機(jī)構(gòu)推至激光房內(nèi)的切換機(jī)構(gòu)底座上，工裝到位后切換機(jī)構(gòu)進(jìn)行舉升定位及鎖緊，并進(jìn)行位置校準(zhǔn)，然后進(jìn)行焊接。此方案柔性靈活度最高，且抽屜式切換操作方便。但由于激光焊對工裝位置精度要求高，重復(fù)定位精度需滿足±0.2mm以內(nèi)，因此對于切換機(jī)構(gòu)的加工、安裝及定位精度要求很高。

由于行李箱蓋激光焊接工藝節(jié)拍很高，可達(dá)60JPH，而激光房整體投資較大。從整體經(jīng)濟(jì)性角度出發(fā)，應(yīng)該使單一的激光房能柔性生產(chǎn)盡可能多品種的零件，以提高整體經(jīng)濟(jì)性。以上方案一、二、三在上汽大眾的白車身行李箱蓋焊接中均有應(yīng)用，且采用的切換機(jī)構(gòu)等均很成熟，方案四則由于對工裝切換機(jī)構(gòu)進(jìn)度要求高，目前尚無先例，因此，本文將對方案四的技術(shù)特點(diǎn)、布局方案進(jìn)行研究、應(yīng)用。

表1 工裝切換方案對比

圖5 布局方案

表2 切換裝置參數(shù)

圖6 工裝定位原理

4.2 布局方案

最終確定的激光焊如下圖所示，主房體內(nèi)中央布置激光焊機(jī)器人，包括激光焊鏡組。房體內(nèi)還有其他設(shè)備如送絲設(shè)備、吸風(fēng)除塵設(shè)備、視頻監(jiān)控?cái)z像頭、安全設(shè)備等。激光焊兩側(cè)布置兩個(gè)上件工位：一側(cè)為固定轉(zhuǎn)臺(tái)上件工位，另一側(cè)為抽屜式可切換工位。通過兩種上件工位的組合，可以滿足不同節(jié)拍需求的各種零件生產(chǎn)需求。固定轉(zhuǎn)臺(tái)上可以布置兩種節(jié)拍需求零件很高的行李箱蓋的生產(chǎn)工裝，而抽屜式切換工位出可以布置各種節(jié)拍需求相對較低的零件工裝。房體外部包括吸風(fēng)除塵設(shè)備終端、PLC控制柜、激光源房、生產(chǎn)輔助設(shè)備等。

4.3 切換機(jī)構(gòu)

轉(zhuǎn)臺(tái)切換系統(tǒng)采用Weiss公司的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品系列，成熟可靠。抽屜式切換裝置，其構(gòu)成如下圖所示，其主要包括切換機(jī)構(gòu)底座、切換機(jī)構(gòu)上盤以及工裝、以及輔助控制校準(zhǔn)系統(tǒng)組成。

定位原理如下圖所示，該切換工裝的底座一側(cè)為2個(gè)頂升缸和一個(gè)限位缸，采用氣缸機(jī)械式升降，快速對上盤進(jìn)行對中及定位鎖定。工裝進(jìn)入前，支撐塊A、限位塊B 在初始位置。工裝進(jìn)入后，通過底座端面限位塊進(jìn)行限位，然后通過4個(gè)球軸承進(jìn)行初步對中，對中后，支撐塊A升到高位（A上安裝有定位銷控制了工裝的xy）限位塊B運(yùn)動(dòng)至A下方行程限位。A下降至工作位置（有限位塊B行成）保證工裝的z方向。通過機(jī)械式故障保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)，即使停止供氣的情況，上下盤也不會(huì)分離。閥組與PLC通過標(biāo)準(zhǔn)的Interbus快插連接，氣路通過氣快插頭進(jìn)行連接。

由于要滿足多車型的柔性切換，在精度上為了保證更加精密可靠，采用了LEONI公司的TCP 6D 自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)，進(jìn)行系統(tǒng)精度校準(zhǔn)。將TCP傳感器固定于機(jī)器人，在工裝上布置有三個(gè)用于基準(zhǔn)校準(zhǔn)的固定銷子。加入校準(zhǔn)后，系統(tǒng)的理論精度提高至±0.02mm（校準(zhǔn)精度將只取決于機(jī)器人自身重復(fù)精度±0.1mm）。布置TCP校準(zhǔn)工具時(shí)，需要外部夾具設(shè)計(jì)的配合，選取好布置于夾具上的三個(gè)銷子的位置，并且TCP傳感器需要攜帶在機(jī)器人側(cè)，布置于激光焊鏡組的另外一側(cè)。

4.4 系統(tǒng)仿真

采用CATIA軟件來進(jìn)行切換裝置建模，并使用Robcad 進(jìn)行機(jī)器人軌跡規(guī)劃與焊接運(yùn)動(dòng)仿真，模擬激光焊自動(dòng)島工作過程。如下圖，通過Robcad仿真，可以對激光焊可達(dá)性、上下件人機(jī)工程、切換便利性、焊接時(shí)長等進(jìn)行分析，并且可以將優(yōu)化的結(jié)果生成離線程序，作為實(shí)際調(diào)試的參考。

圖7 系統(tǒng)仿真驗(yàn)證

5 現(xiàn)場調(diào)試應(yīng)用

當(dāng)前，柔性激光焊系統(tǒng)已完成布局仿真、設(shè)計(jì)制造，并已完成切換工裝的制造裝配，其實(shí)物圖如下。下一步，將進(jìn)行系統(tǒng)安裝調(diào)試，及零件焊接質(zhì)量優(yōu)化。

柔性切換工裝現(xiàn)場調(diào)試，其工作要點(diǎn)包括柔性底座的安裝校準(zhǔn)、柔性上盤的匹配落位、TCP校準(zhǔn)。其中柔性上盤與底座的匹配保證了系統(tǒng)機(jī)械的基礎(chǔ)精度，通過調(diào)節(jié)底座導(dǎo)軌、對中球軸承、定位銷，定位軌道以及壓緊裝置完成。通過布置與工裝上的三個(gè)TCP校準(zhǔn)定位銷，編制6D校準(zhǔn)程序，完成最后的精度校核，并將調(diào)整參數(shù)發(fā)送至機(jī)器人控制柜，機(jī)器人自主完成姿態(tài)校準(zhǔn)，完成偏差修正，以滿足激光焊焊接精度要求。

激光焊工藝調(diào)試時(shí)，其工藝參數(shù)包括激光功率、焊接速度、送絲速度、光斑大小、熱絲電流等。其中送絲速度根據(jù)實(shí)際情況，在不同的焊接型面適時(shí)加以調(diào)整，常用速度為3~4（m/min）。機(jī)器人速度一般為40~70（mm/s），機(jī)器人的行進(jìn)速度須與送絲速度合理搭配，才能使焊絲充分熔化，并且不會(huì)燒傷母材。由于行李箱蓋的造型，使得大部分焊縫均會(huì)有“上坡”及“下坡”過程，這要求在焊接過程中，需要實(shí)時(shí)調(diào)整焊接工藝參數(shù)，主要是送絲速度、機(jī)器人行進(jìn)速度及姿態(tài)，來不斷的完善焊縫成型質(zhì)量。

6 結(jié)語

如今，汽車車身生產(chǎn)采用激光焊焊接技術(shù)已經(jīng)成為一種趨勢，激光焊不僅可以輕量化、提高車身裝配精度，而且可大大加強(qiáng)車身的強(qiáng)度，同時(shí)成型美觀，對提高汽車品質(zhì)有重要作用。

本文通過對汽車行李箱蓋激光焊柔性規(guī)劃與應(yīng)用的研究，分析了激光焊柔性切換的布局方案、柔性切換裝置的技術(shù)特點(diǎn)、以及應(yīng)用研究。其中的柔性布局及切換裝置概念原理，不僅可以應(yīng)用于激光焊切換工位，而且可以應(yīng)用于其他生產(chǎn)線切換工位上，如柔性點(diǎn)焊、柔性弧焊，柔性上下件等。對生產(chǎn)線的降本、柔性程度的提升，具有推廣及參考意義。