激光釬焊機(jī)器人送絲系統(tǒng)優(yōu)化和故障分析

毛中正，李冠群，張妍，武揚(yáng)，張澤志

（北京奔馳汽車有限公司，北京 100176）

激光被譽(yù)為是21 世紀(jì)的新能源，在汽車制造領(lǐng)域，激光加工技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。激光焊以其優(yōu)異的加工性能和高柔性、高效率等優(yōu)點(diǎn)，在汽車白車身制作中得到越來越廣泛的應(yīng)用。其中激光熔焊、激光釬焊作為新開發(fā)出來的連接技術(shù)得到了汽車生產(chǎn)廠商的重視。采用機(jī)器人激光焊接技術(shù)取代傳統(tǒng)的焊接工藝，比如電阻焊等，可以提高焊接效率、焊接質(zhì)量，節(jié)省材料，大大降低車身的制造成本。但是機(jī)器人激光焊接同樣有其弊端。存在設(shè)備維護(hù)技術(shù)要求高、一次性投入大、耗材及配件價(jià)格昂貴、對焊接空間以及精度要求高等缺點(diǎn)。激光釬焊技術(shù)是一種帶有送絲系統(tǒng)的激光焊接方式，激光光斑直接照射到焊絲上，使其融化填充到車身板材縫隙中。激光釬焊的故障主要表現(xiàn)形式有，送絲系統(tǒng)故障、水循環(huán)故障、氣路故障、激光源故障等，其中送絲系統(tǒng)直接制約著焊接的質(zhì)量和穩(wěn)定性。

1 激光釬焊技術(shù)

激光釬焊是以激光為熱源加熱釬料融化的釬焊技術(shù)。在機(jī)器人激光釬焊系統(tǒng)中，焊絲通過送絲系統(tǒng)送達(dá)激光焦點(diǎn)處。聚焦后的光束照射在填充的焊絲表面，焊絲在光束能量持續(xù)加熱下熔化形成高溫液態(tài)金屬，填充在板材縫隙之間，使工件間形成良好的冶金結(jié)合。在機(jī)器人不斷移動(dòng)焊接過程中，激光始終聚焦在焊絲末端。送絲系統(tǒng)保障焊絲的填充與機(jī)器人的速度相互匹配。

2 送絲系統(tǒng)簡介

激光焊送絲系統(tǒng)對激光焊穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用，如圖1 所示，激光焊送絲系統(tǒng)主要有以下部件：主控制單元——E-BOX；驅(qū)動(dòng)部分——主送絲機(jī)(Master feeder)；執(zhí)行部分——激光頭；輸送部分——主控滑輪送絲管；存儲(chǔ)部分——絲桶。

以上任何一個(gè)部件的失效都將導(dǎo)致送絲故障，從而引起焊接質(zhì)量問題。由于激光焊必須要有激光房的保護(hù)，其送絲輸送距離較長，而且在焊接過程中隨機(jī)器人運(yùn)動(dòng)而不斷擺動(dòng)。因此，主送絲管的布局對送絲的穩(wěn)定性顯得尤為重要。實(shí)際生產(chǎn)過程中，我們也發(fā)現(xiàn)最容易出問題的是輸送部分。

圖1 激光釬焊送絲系統(tǒng)布局圖

3 送絲系統(tǒng)故障分析

3.1 主送絲管布局

圖2 為原有送絲系統(tǒng)布局，從圖中可以看出主送絲管在布局上存在很多不合理的地方。比如機(jī)器人三軸和四軸上有固定卡扣將送絲管卡死，機(jī)器人六軸上沒有合理的支撐結(jié)構(gòu)，主送絲管在絲桶與激光頭之間彎曲角度多等等。圖3 顯示為主送絲管即主控滑輪送絲管實(shí)物圖。主控滑輪送絲管直徑為27 毫米，外敷帶芳輪保護(hù)套，最大長度30 米，抗張強(qiáng)度1500N。

圖2 送絲系統(tǒng)原有布局

圖3 主控滑輪送絲管

3.2 現(xiàn)場實(shí)際故障

圖4 為實(shí)際生產(chǎn)過程中由于送絲不暢導(dǎo)致的零件報(bào)廢，從圖4(a)中可以看出焊絲在開始焊接之前就已經(jīng)多送出來一節(jié)絲，205 項(xiàng)目中由于此種問題導(dǎo)致的報(bào)廢件時(shí)有發(fā)生。從圖4(b)中我們可以看出，在出問題的焊縫，絲速出現(xiàn)不穩(wěn)定。因此，我們分析，可能是由于送絲的阻力太大導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)無法按照設(shè)定的值送絲，即使當(dāng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)使用最大驅(qū)動(dòng)力仍然無法補(bǔ)償絲速。如果送絲長期存在問題，主送絲機(jī)會(huì)由于一直處在最大輸出功率狀態(tài)而提前報(bào)廢。這樣不但會(huì)造成大的停機(jī)，同時(shí)對備件的損耗也大大增加。

4 送絲系統(tǒng)優(yōu)化

圖4

圖5 送絲系統(tǒng)優(yōu)化

針對實(shí)際中發(fā)生的問題，詳細(xì)研究了送絲系統(tǒng)的每個(gè)部分，提出了以下解決方案，如圖5 所示在機(jī)器人六軸上增加1 個(gè)支架，同時(shí)在支架上安裝1 個(gè)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。將主送絲管放置在旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中，這樣保證了主送絲管的自由度，同時(shí)避免送絲管與機(jī)器人剮蹭導(dǎo)致送絲管損壞。具體安裝形式如圖5，同時(shí)下一步工作中還會(huì)將此直角形支架改造成圓角形支架，此項(xiàng)改造能必須機(jī)器人在減絲過程中對主送絲管造成的拉拽和磨損。

5 結(jié)語

送絲系統(tǒng)是焊接機(jī)器人的動(dòng)脈，其穩(wěn)定性直接影響產(chǎn)品的焊接質(zhì)量和效率。在設(shè)計(jì)焊接機(jī)器人之初就應(yīng)該充分考慮送絲系統(tǒng)的復(fù)雜性，將焊接周邊環(huán)境，機(jī)器人線纜布局，送絲線纜吊點(diǎn)等考慮進(jìn)去。在投入運(yùn)行后，應(yīng)該根據(jù)實(shí)際焊接狀態(tài)逐步優(yōu)化機(jī)器人程序，使焊接軌跡到達(dá)最優(yōu)狀態(tài)。于此同時(shí)，還應(yīng)做好設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)工作，定期清理送絲系統(tǒng)，檢查和更換易損易耗件，使設(shè)備始終處于最優(yōu)工作狀態(tài)。只有做到以上幾點(diǎn)，才能保證焊接機(jī)器人連續(xù)高效運(yùn)轉(zhuǎn)。