魏阿娟 呂明達(dá) 劉玉軍

（一汽-大眾汽車有限公司，長春130011）

1 前言

焊裝車間點(diǎn)焊工藝是現(xiàn)代白車身制造中應(yīng)用最廣泛且可靠的連接技術(shù)，生產(chǎn)中對點(diǎn)焊工藝本身的優(yōu)化已經(jīng)相當(dāng)成熟。在近年的整車制造中，隨著人工成本的增加，同時為了進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率，點(diǎn)焊自動換帽電極修磨器設(shè)備得到大量應(yīng)用。研究焊鉗電極帽自動換帽設(shè)備的重要性可以從3個維度進(jìn)行分析。

a.電極端面修磨質(zhì)量是保證白車身強(qiáng)度的重要一環(huán)。在整車廠對白車身焊點(diǎn)的超聲波檢測及破壞性檢測中，普遍采用焊點(diǎn)直徑與板厚的計算關(guān)系來表征焊點(diǎn)的強(qiáng)度，而焊點(diǎn)直徑與表面狀態(tài)實(shí)際是電極端面直徑與表面狀態(tài)的反饋[1]。焊接若干焊點(diǎn)后，電極端面直徑增加，導(dǎo)致電流密度降低，進(jìn)而影響焊點(diǎn)強(qiáng)度[2]，生產(chǎn)中通過電極修磨器恢復(fù)電極端面直徑。

b.自動換帽修磨器的工作狀態(tài)直接影響生產(chǎn)線的設(shè)備開動率，尤其對于混線融入的生產(chǎn)線，改造后新安裝修磨器的調(diào)試狀態(tài)會直接影響批量車的焊點(diǎn)，質(zhì)量優(yōu)化壓力大，需要在一定進(jìn)度范圍內(nèi)完成修磨器設(shè)備調(diào)試，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定生產(chǎn)。

c.修磨器相關(guān)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)定，直接影響整車廠維修部門的電極帽消耗成本，產(chǎn)能1200臺/天的生產(chǎn)車間電極帽消耗成本每年達(dá)到幾百萬人民幣，因此有必要使修磨器參數(shù)盡可能優(yōu)化以延長電極帽使用壽命，降低生產(chǎn)投入。結(jié)合工作經(jīng)驗總結(jié)，對自動換帽修磨器設(shè)備安裝調(diào)試的影響因素進(jìn)行綜合分析。

2 生產(chǎn)線項目前提及設(shè)備概況

基于自動換帽修磨器設(shè)備的調(diào)試工作開展研究，生產(chǎn)線項目為翻新改造，項目前提信息見表1。表1項目進(jìn)度要求集中改造后迅速爬產(chǎn)并恢復(fù)車身質(zhì)量，其中自動換帽修磨器調(diào)試是點(diǎn)焊質(zhì)量恢復(fù)的關(guān)鍵因素，項目中修磨器設(shè)備的調(diào)試概況見表2。表2設(shè)備安裝后調(diào)試過程經(jīng)歷了參數(shù)調(diào)整、機(jī)器人與自動換帽修磨器設(shè)備聯(lián)調(diào)、修磨效果優(yōu)化、焊點(diǎn)質(zhì)量認(rèn)證、批量生產(chǎn)監(jiān)控以及定期維護(hù)保養(yǎng)幾個階段。針對調(diào)試過程中發(fā)生率較高的電極帽端面銑削不凈、電阻值異常報警以及自動換帽裝置刀頭內(nèi)部夾爪堵塞問題，從參數(shù)入手，經(jīng)過機(jī)器人軌跡調(diào)試，并深入到修磨器內(nèi)置電機(jī)功率優(yōu)化及刀具尺寸優(yōu)化，最終設(shè)備實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定生產(chǎn)。

表1 生產(chǎn)線改造前提

表2 自動換帽修磨器安裝調(diào)試情況

3 自動換帽修磨器調(diào)試影響因素分析

3.1 修磨器可調(diào)參數(shù)影響

3.1.1 修磨壓力

電極修磨器銑削旋轉(zhuǎn)的同時對電極帽表面施加修磨壓力，壓力增大，會增加銑削時刀片切入電極帽的深度，影響銅屑厚度，增加銑削量。當(dāng)壓力增加到一定程度，銑削效果不再發(fā)生變化，壓力過大同時易造成銅屑堵塞；修磨壓力過小，銑削量不足，電極帽電極端面直徑無法恢復(fù)，影響焊點(diǎn)強(qiáng)度，達(dá)不到生產(chǎn)要求。實(shí)際建議的修磨壓力范圍為800～1500 N。

3.1.2 修磨圈數(shù)

電極帽極限修磨次數(shù)=可用端面厚度/單次修磨量[3]。修磨圈數(shù)是與單次修磨量強(qiáng)相關(guān)的參數(shù)之一。修磨圈數(shù)正常在3～6圈，修磨圈數(shù)過多，會降低電極帽的使用壽命，增加生產(chǎn)成本。修磨圈數(shù)過少，銑削效果欠佳。也可以用另一個參數(shù)修磨時間來表征，正常修磨時間為1 s，增大修磨器內(nèi)置電機(jī)功率，提高轉(zhuǎn)速，可以在相同時間內(nèi)增加修磨圈數(shù)，改善銑削效果?，F(xiàn)場修磨電機(jī)轉(zhuǎn)速從225 r/min提升至490 r/min后的修磨狀態(tài)變化如圖1所示，圖1a、圖1b為電機(jī)轉(zhuǎn)速225 r/min時的修磨表面狀態(tài)，圖1c為電機(jī)轉(zhuǎn)速490 r/min時的修磨表面狀態(tài)，可以看出同等時間內(nèi)修磨圈數(shù)增多，電極帽修磨后表面殘留物及凹坑消失，光潔度提高。

圖1 電機(jī)轉(zhuǎn)速對電極帽表面修磨質(zhì)量的影響

3.1.3 修磨頻次

焊槍電極帽壽命=修磨間隔點(diǎn)×修磨總次數(shù)[3]。修磨間隔點(diǎn)即修磨頻次，指間隔多少個焊點(diǎn)修磨一次。一般在40～120間隔點(diǎn)之間反復(fù)調(diào)節(jié)并結(jié)合超聲波和破壞性焊點(diǎn)檢測驗證，以保證整個周期內(nèi)所有焊點(diǎn)質(zhì)量合格。對于車身底部的熱成形鋼板，由于材料抗變形能力強(qiáng)于普通鍍鋅鋼板，需采用軟規(guī)范焊接工藝，焊接時間比普通板材的焊接時間長，因此完成相同焊點(diǎn)數(shù)后電極帽受熱時間更長，所產(chǎn)生的表面變形量更大，需適當(dāng)提高修磨頻次，縮減銑削間隔周期，以保證穩(wěn)定的焊點(diǎn)直徑。

3.1.4 吹氣時間

實(shí)際生產(chǎn)中修磨器刀片銑削的同時會開啟吹氣裝置，并在焊槍離開修磨器后保持吹氣狀態(tài)和修磨器旋轉(zhuǎn)狀態(tài)5～10 s，確保銅屑能夠全部脫離。與銑削效果無關(guān)，該參數(shù)的調(diào)整取決于修磨銅屑的排屑情況，當(dāng)銅屑堵塞時，可適當(dāng)加長吹氣時間來調(diào)整。如調(diào)整后仍不能改善銅屑堵塞的情況，需排查電極帽是否有粘連的情況。當(dāng)焊接飛濺大或焊點(diǎn)附近有溢膠發(fā)生時，電極帽表面易發(fā)生粘連，不利于銅屑排出，進(jìn)而影響銑削端面效果，同時易污染修磨器自動換帽系統(tǒng)，造成換帽報警，最終使電極帽拆卸失敗，這種情況需要對設(shè)備進(jìn)行維護(hù)清理。

3.2 修磨器恒定參數(shù)（刀具相關(guān)參數(shù)）影響

修磨器設(shè)備自身核心的設(shè)計在于刀具，刀具的相關(guān)參數(shù)將直接影響修磨效果。

3.2.1 刀片尺寸

刀片設(shè)計優(yōu)化主要集中在2個方面，一方面是通過優(yōu)化刀片尺寸控制電極帽修磨量，避免刀片間斷修磨導(dǎo)致電極帽端面產(chǎn)生花紋；另一方面是通過優(yōu)化刀片尺寸增加電極帽包裹性，避免電極帽修磨偏移產(chǎn)生凸臺和粘銅屑問題。刀片尺寸設(shè)計的相關(guān)參數(shù)包括刀刃角度、刀片角度、刀片先端長度、刀刃圓弧度（這一參數(shù)與刀架的匹配尺寸有關(guān)，涉及維修備件的統(tǒng)一性，因此無法輕易更改）、刀片厚度。

3.2.2 刀具硬度

市場上普遍采用高速合金鋼刀片，經(jīng)熱處理后，硬度達(dá)到60～65 HRC之間。硬度過低無法實(shí)現(xiàn)良好的銑削質(zhì)量，硬度過高易使刀刃脆性大，在銑削過程中崩裂。

3.2.3 刀具后角

刀具后角代表刀具的磨損情況，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)注意定期觀察，一般刀具使用壽命在10000次左右，如果按照日產(chǎn)1000臺的車間產(chǎn)量計算，大致使用周期在3個月左右。刀具備件的價格在幾百到上千元人民幣不等，備件價格也是成本投入的重要組成部分。在預(yù)批量爬產(chǎn)階段，應(yīng)注意在現(xiàn)場預(yù)留少部分刀具備件，用以更換后角嚴(yán)重磨損的刀具。一種提高刀具使用壽命的猜想，即使用一段時間后，調(diào)換刀具的受力面，將原來電極帽由銑刀A面銑削換成B面銑削。但由于機(jī)器人軌跡基本無法實(shí)現(xiàn)180°調(diào)轉(zhuǎn)，故這一措施未被列入有效措施方式。也有學(xué)者曾研究過轉(zhuǎn)速和壓力對刀具后角相對磨損量的影響規(guī)律，以后刀面相對磨損量、轉(zhuǎn)速和壓力建立三維模型，模擬結(jié)論為，在低壓力、高轉(zhuǎn)速時，相對磨損量較大；在高壓力、高轉(zhuǎn)速時，相對磨損量較小[4]。

實(shí)際生產(chǎn)中，刀具規(guī)格一經(jīng)選型無法更改，只有當(dāng)現(xiàn)場問題無法通過可調(diào)整參數(shù)優(yōu)化解決時，才會重新考慮刀具規(guī)格的優(yōu)化，但這一措施會對項目進(jìn)度及成本產(chǎn)生不良影響，因此，在項目初期大量安裝應(yīng)用前對刀具進(jìn)行測試試驗愈顯重要，也是值得整車廠討論的技術(shù)選題之一。

3.3 機(jī)器人相關(guān)因素影響

機(jī)器人是自動換帽修磨動作的直接執(zhí)行者，焊鉗與修磨器之間發(fā)生交互作用的連接者，因此，機(jī)器人相關(guān)參數(shù)調(diào)整亦是優(yōu)化修磨質(zhì)量的核心因素。值得注意的是，實(shí)際設(shè)備安裝過程中，通常機(jī)器人工程師與修磨器技術(shù)服務(wù)人員因工作內(nèi)容、學(xué)習(xí)專業(yè)差異，考慮問題側(cè)重點(diǎn)不同，生產(chǎn)出現(xiàn)問題時需要雙方協(xié)同解決，這也是影響自動換帽修磨器調(diào)試進(jìn)度的關(guān)鍵點(diǎn)之一。

3.3.1 機(jī)器人自動換帽修磨動作流程

與人工換帽修磨器相比，除調(diào)整修磨器自身可調(diào)參數(shù)及刀具恒定參數(shù)外，機(jī)器人自動換帽修磨器的動作流程更為復(fù)雜，機(jī)器人與修磨器的聯(lián)調(diào)配合要求更高。機(jī)器人自動換帽修磨系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。機(jī)器人自動換帽修磨步驟如圖3所示，現(xiàn)場實(shí)際的調(diào)試動作與仿真過程完全一致。

圖2 機(jī)器人自動換帽修磨系統(tǒng)

圖3 機(jī)器人自動換帽修磨步驟

以上自動換帽流程中，機(jī)器人的換帽軌跡、機(jī)器人焊鉗與檢測開關(guān)的相對位置、檢測信號的程序反饋以及換帽裝置內(nèi)電極帽是否滑動順暢均會影響設(shè)備調(diào)試效果，另外由于非人工干預(yù)，機(jī)器人換帽過程中無法避免殘膠及焊渣進(jìn)入換帽夾爪內(nèi)，長期累積易造成夾爪卡死。

3.3.2 機(jī)器人修磨軌跡

機(jī)器人焊鉗在自動修磨時焊鉗上下電極的對中性直接影響修磨效果，使用雙刃修磨刀具可以降低對中性的要求，但會增加修磨器的直接成本，一般主機(jī)廠不會予以采用。通過使用修磨器廠家開發(fā)的對正裝置，在安裝前期階段協(xié)助機(jī)器人焊鉗完成上下電極對正示教是切實(shí)可行的方法之一。機(jī)器人修磨時軌跡是否與其它設(shè)備有所干涉，也是修磨的基本前提。

3.3.3 焊鉗開口大小

為了減小銑削開始時刀具對電極帽表面的震痕損傷，即扎刀情況的發(fā)生，應(yīng)注意修磨前調(diào)整焊鉗的開口大小。焊鉗銑削前開口太大（8～10 cm）會導(dǎo)致焊鉗動極臂側(cè)電極帽對刀刃敲擊力大，單側(cè)刀刃損壞加快。銑削前開口應(yīng)該調(diào)節(jié)在2 cm左右較為合適。

3.3.4 電極帽長度檢測

機(jī)器人焊鉗會在每次修磨后完成一次電極帽長度尺寸標(biāo)定，一般取0.1～0.3 mm修磨量之間為正常范圍，設(shè)定2 mm修磨量為報警上線。當(dāng)修磨量異常時，焊鉗模塊會自動發(fā)出報警信號。實(shí)際生產(chǎn)中，此類故障的發(fā)生頻次非常低。

3.3.5 焊鉗平衡氣缸調(diào)節(jié)

焊鉗修磨前的穩(wěn)定性亦會對修磨效果產(chǎn)生影響，因此，生產(chǎn)初始機(jī)器人工程師應(yīng)注意平衡氣缸參數(shù)的調(diào)節(jié)，以確保不同焊鉗銑削姿態(tài)下電極帽始終對刀片沒有力的作用。

3.3.6 檢測開關(guān)位置

機(jī)器人焊鉗自動修磨時，會與修磨器檢測開關(guān)發(fā)生兩次交互動作，第一次發(fā)生在舊電極帽拆卸之后，開關(guān)會檢測舊帽是否拆卸成功，并傳輸相關(guān)信號，如果拆卸不成功，機(jī)器人則會循環(huán)執(zhí)行拆帽動作；第二次發(fā)生在換帽后，開關(guān)自動檢測新帽是否安裝成功，機(jī)器人等待感應(yīng)器反饋信號，如果未接收到反饋信號，機(jī)器人會直接停臺報警，需要人工干預(yù)檢查后消除。對于機(jī)器人報警信號的識別，這又是另一值得深入討論的話題，由于每一個主機(jī)廠執(zhí)行的電氣標(biāo)準(zhǔn)有所差異，因此對源程序號的規(guī)定也有所不同。

實(shí)際生產(chǎn)中，為了盡可能延長電極帽的使用壽命，降低更換頻次，維修人員會不斷調(diào)整修磨次數(shù)，盡可能地縮短電極帽報廢時的極限長度，但又保證不被銑漏，這也意味著與設(shè)備安裝調(diào)試時的初始電極帽極限長度設(shè)置有所偏差，易導(dǎo)致機(jī)器人焊鉗換帽時因電極帽極限長度變短，檢測開關(guān)無法檢測到電極帽，致使修磨器拆帽失敗。此時需要反復(fù)調(diào)整機(jī)器人軌跡，讓電極帽距離感應(yīng)開關(guān)更近一些，一般建議距離2～3 mm。實(shí)際生產(chǎn)中也有發(fā)生因為檢測開關(guān)支架松動或電極帽更換完成后因焊鉗抖動致使夾緊失敗，造成換帽后開關(guān)仍無法檢測到電極帽的情況，引起重復(fù)裝帽，因此檢測開關(guān)是設(shè)備調(diào)試中值得被關(guān)注的因素之一。

3.3.7 電阻值監(jiān)控

現(xiàn)場焊鉗參數(shù)設(shè)定PSQ自動補(bǔ)償模式，即恒功率輸入法焊接，當(dāng)銑削不凈或有銅屑粘連時，電極帽端面電阻值過高，會引起異常報警（經(jīng)驗基準(zhǔn)數(shù)值R在65～80μΩ左右，上下偏差帶15%，3次超過阻值15%就會異常報警）。實(shí)際中，在保證銑削狀態(tài)良好的前提下，為了保證生產(chǎn)，電阻監(jiān)控參考基準(zhǔn)值R會依據(jù)修磨器刀片狀態(tài)進(jìn)行微調(diào)整。正常穩(wěn)定生產(chǎn)狀態(tài)下采集的電阻值分布見下圖4a，所有電阻值均分布在公差帶內(nèi)，沒有報警。自動換帽電極修磨器預(yù)批量生產(chǎn)調(diào)試中，當(dāng)修磨狀態(tài)不穩(wěn)定時，采集的電阻值分布見圖4b，部分電阻值超出公差帶，引起異常報警，需要分析異常原因，優(yōu)化修磨質(zhì)量后，更新采集數(shù)據(jù)，確定合理的電阻值范圍，確保批量生產(chǎn)中設(shè)備開動率的穩(wěn)定性。

圖4 采用PSQ監(jiān)控修磨過程電阻值

3.4 人為干擾因素影響

生產(chǎn)調(diào)試過程中總結(jié)發(fā)現(xiàn)，人為因素也成為電極修磨器調(diào)試故障的影響因素之一。

3.4.1 修磨器的包裝運(yùn)輸

很多主機(jī)廠會采購國外的修磨器設(shè)備品牌，或者一些關(guān)鍵部件會從國外采購至國內(nèi)組裝，運(yùn)輸過程中包裝不當(dāng)，或者到廠安裝過程中暴力運(yùn)輸，都易造成修磨器彈夾損壞，且由于生產(chǎn)線初始調(diào)試階段產(chǎn)量較少，一般不會進(jìn)行自動換帽調(diào)試，因此無法第一時間發(fā)現(xiàn)這種損壞，后期應(yīng)用中才會通過排查發(fā)現(xiàn)。

3.4.2 人工調(diào)試操作失誤

現(xiàn)場實(shí)際調(diào)試過程有因人員調(diào)試機(jī)器人軌跡不當(dāng)，造成彈夾夾爪直接斷裂的現(xiàn)象；因調(diào)用機(jī)器人宏程序有誤致使機(jī)器人更換電極帽時夾緊器打開故障的現(xiàn)象。此類現(xiàn)象為偶發(fā)因素，通過提高調(diào)試人員技能水平可以基本消除。

3.4.3 設(shè)備安裝問題

現(xiàn)場實(shí)際調(diào)試過程中有因銅屑收集器安裝位置不合理，遮擋編程人員視角，導(dǎo)致電極帽修磨不凈的情況。還有因修磨器地腳螺栓緊固不到位，造成螺絲松動，致使機(jī)器人換帽軌跡發(fā)生變化，出現(xiàn)銑削問題的現(xiàn)象。

通過以上分析，應(yīng)加強(qiáng)設(shè)備從運(yùn)輸?shù)桨惭b調(diào)試的各環(huán)節(jié)管理，才能保障設(shè)備自身穩(wěn)定性。

3.5 維護(hù)保養(yǎng)的影響

修磨器的維護(hù)保養(yǎng)亦是保障理想修磨效果的重要一環(huán)，對于批量生產(chǎn)來說，定期維護(hù)可以最大限度降低緊急停臺故障的頻次。預(yù)批量階段由于產(chǎn)量少，易忽略設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)，應(yīng)盡早開始標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備保養(yǎng)操作。

3.5.1 電極帽填充

電極帽填充時應(yīng)將供給器內(nèi)剩余的電極帽放置于供給器前端，優(yōu)先使用，或者將電極帽徹底用完后填充更換，避免后端老化電極帽長期未使用而發(fā)生粘連，造成電極帽供給卡頓。填充電極帽時應(yīng)將供給器取出后填充，對供給器及其插座進(jìn)行清潔，并去除多余的水分，防止銹蝕。

3.5.2 拆帽裝置保養(yǎng)

定期對拆帽裝置進(jìn)行清潔，保證拆帽裝置正常工作，避免焊鉗電極帽表面膠的殘留堆積。同時，定期可對拆帽裝置內(nèi)部噴涂適量的除銹劑和潤滑油，保證卡爪的正常翻轉(zhuǎn)，有必要時對拆帽裝置進(jìn)行拆卸維護(hù)保養(yǎng)工作，避免拆帽裝置內(nèi)部因焊槍余水發(fā)生氧化或者焊渣雜質(zhì)堆積，導(dǎo)致卡爪卡頓現(xiàn)象。

4 自動換帽修磨器應(yīng)用成本分析

自動換帽修磨器是傳統(tǒng)人工換帽修磨器技術(shù)更新后的產(chǎn)品，是焊裝車間利用設(shè)備技術(shù)改革替代傳統(tǒng)人力、提升生產(chǎn)線自動化程度及設(shè)備開動率的典型案例。自動換帽設(shè)備的應(yīng)用帶來的成本優(yōu)勢從定性分析見表3，從表中分析可以看出，自動換帽設(shè)備與傳統(tǒng)人工換帽設(shè)備相比，會帶來設(shè)備采購成本的一次性投入增加，但可以延長電極帽及電極桿使用極限壽命，降低備件消耗成本。從項目全生命周期考慮，自動換帽修磨器設(shè)備具備成本節(jié)約優(yōu)勢。

整車廠在進(jìn)行設(shè)備選型時需考慮多方面因素，經(jīng)濟(jì)性因素需要結(jié)合具體方案、設(shè)備品牌及數(shù)量進(jìn)行詳細(xì)理論計算，表3中分析依據(jù)價格僅為參考價格。通過分析可以看出，自動換帽修磨器具有長期成本優(yōu)勢，同時可以提升生產(chǎn)線自動化率，減少人工操作，也因此在現(xiàn)代汽車制造中得到推廣應(yīng)用。

表3 自動換帽與人工換帽修磨器應(yīng)用成本對比

5 結(jié)束語

焊鉗電極帽表面狀態(tài)是影響機(jī)器人點(diǎn)焊過程的重要因素。為了保證焊點(diǎn)質(zhì)量，必須控制自動換帽修磨器的銑削效果。自動換帽修磨器設(shè)備調(diào)試影響因素復(fù)雜，調(diào)試中根據(jù)實(shí)際情況，調(diào)整修磨壓力、修磨圈數(shù)、修磨頻次及吹氣時間，定期觀察刀具的磨損狀態(tài)，優(yōu)化機(jī)器人修磨換帽軌跡、焊鉗開口大小、檢測開關(guān)位置等機(jī)器人與修磨器交互過程因素，消除電阻值異常報警，在設(shè)備調(diào)試過程中避免安裝松動及人為操作錯誤，并且從項目初期盡早標(biāo)準(zhǔn)化電極帽填充操作，定期保養(yǎng)拆帽裝置，可以最大化保證自動換帽修磨器設(shè)備的調(diào)試效果，發(fā)揮設(shè)備在項目全生命周期內(nèi)的成本優(yōu)勢。