基于川崎机器人的激光钎焊打磨应用

（长安福特汽车有限公司杭州分公司，杭州 311228）

0 引言

20世纪80年代中期，激光焊接作为新技术在，欧洲、美国、日本得到了广泛的关注[1]。激光焊接技术与传统的焊接技术相比，具有能量密度高、变形小、热影响区窄、焊接速度高、易实现自动生产等优点，近年来已成为金属材料加工与制造的重要手段，并越来越广泛地应用在汽车、航空航天、国防工业、造船、核电设备等领域[2]。

激光钎焊应用于汽车制造，能够加强生产线的自动化，对于车型改造和升级十分有利。激光钎焊车身顶盖，不仅可缩短原制造所需要的点焊时间，同时也节省后续密封条工序。

为使激光钎焊后焊缝表面更加平滑均匀，且便于其后续工位的喷涂油漆。国外汽车制造商通常会在激光钎焊后增加打磨工位，利用特殊磨料制成的打磨片高速自转，并与激光钎焊焊缝摩擦而去除焊缝表面的鱼鳞纹、锯齿边等缺陷。国内汽车厂近几年随着合资品牌高端车型不断引进，渐有相关应用，但由于使用自动打磨工艺对于车身精度要求高，同时出于成本考虑，并未得到大规模应用，仍以人工返修为主。本文从某款SUV车型顶盖激光钎焊后的自动打磨工艺入手，详细介绍设备组成及控制方法，进行工艺参数研究，对该工艺的推广应用具有重要的理论和实践指导意义。

1 激光钎焊打磨工位布局及主要设备

1.1 工位布局

激光钎焊打磨工位通常位于顶盖焊接工位之后、人工检查工位之前，工位布置如图1所示。激光钎焊打磨工位通常有打磨头（机器人）、除尘设备、光栅等。

图1 激光焊工位布置图

1.2 主要设备及参数

1）川崎机器人。本文介绍的打磨应用中使用川崎BX200L型机器人，如图2所示，6轴自由度，最大负载200kg，水平伸展距离2579mm，重复精度±0.2mm。配备E12控制柜，控制器体积小，功能强大，它除了提供其他品牌机器人所共有的示教编程外，还提供（标准配置）功能强大的AS高级语言，AS语言有点类似BASIC或C语言，是种全开放的语言，编程非常方便，可读性强，几乎可适用任何场合任何要求。提供有从运算指令到运动指令的11类，超过120种指令。所有的运动位姿、速度、精度等均可用变量来生成，最适合复杂的应用场合。

图2 川崎BX200L机器人

2）打磨头。打磨头上配置除尘吸风口，可产生4.9m3333/min风量，280mbar负压，能够有效收集打磨过程中的粉尘，起到保护环境，避免粉尘挥发导致的设备问题。打磨压力可实时线性设定，压力可调范围0～300N，打磨片厚度3.5mm/4mm，直径200mm，最高打磨转速2810rpm，详细结构如图3所示。

图3 打磨头结构图

3）检测光栅。用于检测计算打磨片的磨耗量，如图4所示。光栅响应时间＜50μm，重复精度＜5 μm。

图4 光栅检测示意图

2 控制流程

激光钎焊打磨应用通过PLC控制器和机器人相结合的方式实现，PLC作为控制核心，主要完成自动化生产线的车型传输、流程控制、步序管理及相应的传感器检测等工作，机器人作为PLC的从站，通过现场总线与PLC进行信号交互，根据PLC发送的指令按照预先示教的轨迹动作，并对其从站设备进行控制，在此应用中打磨头作为机器人的从站，受机器人控制。控制结构如图5所示。

图5 控制结构图

3 磨耗检测及补偿算法

对于打磨应用来说，打磨片的磨耗检测是整个应用的重点也是难点，它将直接影响到打磨质量。检测磨耗如果小于打磨片的实际磨损量，会出现打磨片无法接触到焊缝表面，或者打磨深度不足；检测磨耗如果大于打磨片的实际磨损量，将会造成焊缝磨穿，或者损坏车身等严重质量事故。以下将基于川崎机器人的应用，说明磨耗检测及补偿算法。

3.1 磨耗检测方法

位姿信息。川崎机器人用位姿信息来指定给定工作区域中机器人的位置和姿态，机器人的位置和定向指的是机器人工具中心点TCP的位置和工具的定向，此位置和姿态被称为机器人的位姿。

变换值（X，Y，Z，O，A，T）。用于参考坐标系的关系描述坐标系的位姿，它是指机器人的工具坐标系相对于基础坐标系的变换值。位置由基础坐标系的TCP的XYZ值给定，定向有基础坐标系的工具坐标的欧拉OAT角度给定。通常使用的转换值是：工具变换值，描述工具坐标系相对于空工具坐标系的位姿，空工具坐标系有他们自己的原点，此原点在机器人工具安装法兰表面的中心，它们用TOOL变换值（0，0，0，0，0，0）描述。川崎机器人的坐标系如图6所示。

图6 川崎机器人坐标系

基于川崎机器人位置表示的特点，在每次打磨之前打磨头竖直向下，光栅捕捉到打磨片下端，机器人停止并记录当前变换值，通过和基准值比较，计算出打磨片Z向差值即磨损量。

3.2 磨耗补偿方法

磨耗值获取以后，下一步就需要对机器人轨迹进行正确的补偿，通过对机器人的TCP的修正实现机器人打磨轨迹的动态补偿，如图7所示，假设打磨片的磨耗值为brushwear，机器人TCP的变化如下：

1）X向无变化；

2）Y向的投影为-brushwear×sin（60）；

3）Z向的投影为brushwear×cos（60）。

利用川崎机器人SHIFT指令修正新的TCP：

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

图7 打磨机器人TCP补偿示意图

4 实际应用

影响打磨效果的主要参数是机器人的运行速度和打磨压力。速度太快打磨的效果不明显，表面出现可能出现毛刺等缺陷，速度过慢会影响工位节拍，同时可能会出现过打磨影响焊缝熔深造成焊接缺陷。压力过大会导致打磨片变形损坏车身，同时打磨片加速磨损，造成浪费，压力设置过小也会出现打磨效果不佳等现象。利用以上打磨设备，使用在某款SUV车型顶盖激光钎焊后的自动打磨工位，通过试验在机器人的运行速度为100mm/s，打磨压力设置为150N情况下，能获得最佳的性能效果。如图8所示为使用自动打磨后的激光钎焊焊缝，表面光滑平整，无鱼鳞纹、锯齿边等缺陷。

图8 激光钎焊打磨

5 结论

激光以其光束能量密度高、热影响区域小、焊接速度快、变形小等优点，在白车身制造领域得到广泛应用，激光钎焊已逐渐成为汽车顶盖加工的标准工艺。而激光钎焊外观质量和后期涂漆效果都将受到考验，本文从某款SUV车型顶盖激光钎焊后的自动打磨工艺入手，详细介绍设备组成及控制方法，进行工艺参数研究，实际应用中能有效优化激光钎焊外观质量问题，

对该工艺的推广应用具有重要的理论和实践指导意义。