（長安福特汽車有限公司杭州分公司，杭州 311228）

0 引言

20世紀(jì)80年代中期，激光焊接作為新技術(shù)在，歐洲、美國、日本得到了廣泛的關(guān)注[1]。激光焊接技術(shù)與傳統(tǒng)的焊接技術(shù)相比，具有能量密度高、變形小、熱影響區(qū)窄、焊接速度高、易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，近年來已成為金屬材料加工與制造的重要手段，并越來越廣泛地應(yīng)用在汽車、航空航天、國防工業(yè)、造船、核電設(shè)備等領(lǐng)域[2]。

激光釬焊應(yīng)用于汽車制造，能夠加強(qiáng)生產(chǎn)線的自動(dòng)化，對于車型改造和升級十分有利。激光釬焊車身頂蓋，不僅可縮短原制造所需要的點(diǎn)焊時(shí)間，同時(shí)也節(jié)省后續(xù)密封條工序。

為使激光釬焊后焊縫表面更加平滑均勻，且便于其后續(xù)工位的噴涂油漆。國外汽車制造商通常會在激光釬焊后增加打磨工位，利用特殊磨料制成的打磨片高速自轉(zhuǎn)，并與激光釬焊焊縫摩擦而去除焊縫表面的魚鱗紋、鋸齒邊等缺陷。國內(nèi)汽車廠近幾年隨著合資品牌高端車型不斷引進(jìn)，漸有相關(guān)應(yīng)用，但由于使用自動(dòng)打磨工藝對于車身精度要求高，同時(shí)出于成本考慮，并未得到大規(guī)模應(yīng)用，仍以人工返修為主。本文從某款SUV車型頂蓋激光釬焊后的自動(dòng)打磨工藝入手，詳細(xì)介紹設(shè)備組成及控制方法，進(jìn)行工藝參數(shù)研究，對該工藝的推廣應(yīng)用具有重要的理論和實(shí)踐指導(dǎo)意義。

1 激光釬焊打磨工位布局及主要設(shè)備

1.1 工位布局

激光釬焊打磨工位通常位于頂蓋焊接工位之后、人工檢查工位之前，工位布置如圖1所示。激光釬焊打磨工位通常有打磨頭（機(jī)器人）、除塵設(shè)備、光柵等。

圖1 激光焊工位布置圖

1.2 主要設(shè)備及參數(shù)

1）川崎機(jī)器人。本文介紹的打磨應(yīng)用中使用川崎BX200L型機(jī)器人，如圖2所示，6軸自由度，最大負(fù)載200kg，水平伸展距離2579mm，重復(fù)精度±0.2mm。配備E12控制柜，控制器體積小，功能強(qiáng)大，它除了提供其他品牌機(jī)器人所共有的示教編程外，還提供（標(biāo)準(zhǔn)配置）功能強(qiáng)大的AS高級語言，AS語言有點(diǎn)類似BASIC或C語言，是種全開放的語言，編程非常方便，可讀性強(qiáng)，幾乎可適用任何場合任何要求。提供有從運(yùn)算指令到運(yùn)動(dòng)指令的11類，超過120種指令。所有的運(yùn)動(dòng)位姿、速度、精度等均可用變量來生成，最適合復(fù)雜的應(yīng)用場合。

圖2 川崎BX200L機(jī)器人

2）打磨頭。打磨頭上配置除塵吸風(fēng)口，可產(chǎn)生4.9m3333/min風(fēng)量，280mbar負(fù)壓，能夠有效收集打磨過程中的粉塵，起到保護(hù)環(huán)境，避免粉塵揮發(fā)導(dǎo)致的設(shè)備問題。打磨壓力可實(shí)時(shí)線性設(shè)定，壓力可調(diào)范圍0～300N，打磨片厚度3.5mm/4mm，直徑200mm，最高打磨轉(zhuǎn)速2810rpm，詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 打磨頭結(jié)構(gòu)圖

3）檢測光柵。用于檢測計(jì)算打磨片的磨耗量，如圖4所示。光柵響應(yīng)時(shí)間＜50μm，重復(fù)精度＜5 μm。

圖4 光柵檢測示意圖

2 控制流程

激光釬焊打磨應(yīng)用通過PLC控制器和機(jī)器人相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)，PLC作為控制核心，主要完成自動(dòng)化生產(chǎn)線的車型傳輸、流程控制、步序管理及相應(yīng)的傳感器檢測等工作，機(jī)器人作為PLC的從站，通過現(xiàn)場總線與PLC進(jìn)行信號交互，根據(jù)PLC發(fā)送的指令按照預(yù)先示教的軌跡動(dòng)作，并對其從站設(shè)備進(jìn)行控制，在此應(yīng)用中打磨頭作為機(jī)器人的從站，受機(jī)器人控制?？刂平Y(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 控制結(jié)構(gòu)圖

3 磨耗檢測及補(bǔ)償算法

對于打磨應(yīng)用來說，打磨片的磨耗檢測是整個(gè)應(yīng)用的重點(diǎn)也是難點(diǎn)，它將直接影響到打磨質(zhì)量。檢測磨耗如果小于打磨片的實(shí)際磨損量，會出現(xiàn)打磨片無法接觸到焊縫表面，或者打磨深度不足；檢測磨耗如果大于打磨片的實(shí)際磨損量，將會造成焊縫磨穿，或者損壞車身等嚴(yán)重質(zhì)量事故。以下將基于川崎機(jī)器人的應(yīng)用，說明磨耗檢測及補(bǔ)償算法。

3.1 磨耗檢測方法

位姿信息。川崎機(jī)器人用位姿信息來指定給定工作區(qū)域中機(jī)器人的位置和姿態(tài)，機(jī)器人的位置和定向指的是機(jī)器人工具中心點(diǎn)TCP的位置和工具的定向，此位置和姿態(tài)被稱為機(jī)器人的位姿。

變換值（X，Y，Z，O，A，T）。用于參考坐標(biāo)系的關(guān)系描述坐標(biāo)系的位姿，它是指機(jī)器人的工具坐標(biāo)系相對于基礎(chǔ)坐標(biāo)系的變換值。位置由基礎(chǔ)坐標(biāo)系的TCP的XYZ值給定，定向有基礎(chǔ)坐標(biāo)系的工具坐標(biāo)的歐拉OAT角度給定。通常使用的轉(zhuǎn)換值是：工具變換值，描述工具坐標(biāo)系相對于空工具坐標(biāo)系的位姿，空工具坐標(biāo)系有他們自己的原點(diǎn)，此原點(diǎn)在機(jī)器人工具安裝法蘭表面的中心，它們用TOOL變換值（0，0，0，0，0，0）描述。川崎機(jī)器人的坐標(biāo)系如圖6所示。

圖6 川崎機(jī)器人坐標(biāo)系

基于川崎機(jī)器人位置表示的特點(diǎn)，在每次打磨之前打磨頭豎直向下，光柵捕捉到打磨片下端，機(jī)器人停止并記錄當(dāng)前變換值，通過和基準(zhǔn)值比較，計(jì)算出打磨片Z向差值即磨損量。

3.2 磨耗補(bǔ)償方法

磨耗值獲取以后，下一步就需要對機(jī)器人軌跡進(jìn)行正確的補(bǔ)償，通過對機(jī)器人的TCP的修正實(shí)現(xiàn)機(jī)器人打磨軌跡的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，如圖7所示，假設(shè)打磨片的磨耗值為brushwear，機(jī)器人TCP的變化如下：

1）X向無變化；

2）Y向的投影為-brushwear×sin（60）；

3）Z向的投影為brushwear×cos（60）。

利用川崎機(jī)器人SHIFT指令修正新的TCP：

POINT brushtool =SHIFT(brushtcp BY 0，-SIN(60)*brushwear,COS(60)*brushwear)

圖7 打磨機(jī)器人TCP補(bǔ)償示意圖

4 實(shí)際應(yīng)用

影響打磨效果的主要參數(shù)是機(jī)器人的運(yùn)行速度和打磨壓力。速度太快打磨的效果不明顯，表面出現(xiàn)可能出現(xiàn)毛刺等缺陷，速度過慢會影響工位節(jié)拍，同時(shí)可能會出現(xiàn)過打磨影響焊縫熔深造成焊接缺陷。壓力過大會導(dǎo)致打磨片變形損壞車身，同時(shí)打磨片加速磨損，造成浪費(fèi)，壓力設(shè)置過小也會出現(xiàn)打磨效果不佳等現(xiàn)象。利用以上打磨設(shè)備，使用在某款SUV車型頂蓋激光釬焊后的自動(dòng)打磨工位，通過試驗(yàn)在機(jī)器人的運(yùn)行速度為100mm/s，打磨壓力設(shè)置為150N情況下，能獲得最佳的性能效果。如圖8所示為使用自動(dòng)打磨后的激光釬焊焊縫，表面光滑平整，無魚鱗紋、鋸齒邊等缺陷。

圖8 激光釬焊打磨

5 結(jié)論

激光以其光束能量密度高、熱影響區(qū)域小、焊接速度快、變形小等優(yōu)點(diǎn)，在白車身制造領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，激光釬焊已逐漸成為汽車頂蓋加工的標(biāo)準(zhǔn)工藝。而激光釬焊外觀質(zhì)量和后期涂漆效果都將受到考驗(yàn)，本文從某款SUV車型頂蓋激光釬焊后的自動(dòng)打磨工藝入手，詳細(xì)介紹設(shè)備組成及控制方法，進(jìn)行工藝參數(shù)研究，實(shí)際應(yīng)用中能有效優(yōu)化激光釬焊外觀質(zhì)量問題，

對該工藝的推廣應(yīng)用具有重要的理論和實(shí)踐指導(dǎo)意義。