工業機器人超聲波自動化焊點檢測設備的設計研究

代 巍， 韋慶恒， 謝 寧， 何道聰， 楊 華

（1.上汽通用五菱汽車股份有限公司， 廣西 柳州 545007； 2.湖南湖大艾盛汽車技術開發有限公司， 湖南 長沙 410205）

0 引言

汽車的制造質量是由制造業發展水平決定的， 目前我國在汽車制造裝備，自動化生產線技術，生產性能檢測等方面都具有相當的規模， 但在先進性方面與國外發達國家都存在著非常大的差距， 這些差距嚴重影響著中國汽車制造工業水平的提高。 因此只有發展高端的檢測裝備， 并掌握核心技術， 才能提升我國汽車制造業發展水平，實現汽車強國夢。

在汽車白車身制造過程中， 焊接是主要連接工藝方法， 如典型的白車身通常由250 多個有復雜空間曲面的薄板沖壓零件在55～75 個裝配站生產線上大批量快節奏的焊接而成，裝夾、定位點達到1700～2500 個，焊點多達4000～5000 個。 車身焊點質量直接決定了車身裝配質量以及整車安全性、舒適性及可靠性等。 目前國內主機廠對焊點質量的檢測都是采用人工手動方式進行抽檢。

國內外尚無焊點在線檢測裝備， 甚至單個焊點質量檢測理論、評價標準也受國外嚴密封鎖，造成了車身大批量生產的高效率與人工質量檢測的可靠性差， 以及低效率的矛盾。 針對目前國內焊點在線檢測裝備、焊點評價，暫屬于空白與人工大批量檢測效率低的問題， 本文設計了基于工業PC 的工業機器人的超聲波自動化焊點檢測設備解決以上問題。

1 機械設計部分

1.1 機械部分設計原理

為了實現超聲波探頭跟隨機器人手臂實時運動，設計集成超聲探頭、激光測距儀、光源、相機一體的超聲探頭夾具。 將超聲探頭夾具通過法蘭固定與工業機器人末端， 從而實現超聲波探頭能夠實時地跟隨機器人運動而運動。

1.2 機械結構解析

超聲探頭夾具包括超聲探頭、激光測距儀、光源、相機，如圖1 所示。超聲波探頭和激光測距儀分別位于夾具兩側，光源與相機位于中心。 一開始夾具跟隨機器人在原點位置，當檢測開始時，超聲波探頭夾具會根據事前示教好了的機器人軌跡運動至需要檢測的焊點位置。 相機與激光測距儀對焊點的表面三維進行測量得出焊點位置偏差， 反饋給機器人進行位置補償， 最后引導超聲探頭到焊點上進行檢測。 超聲波探頭對焊點進行檢測完成后進行下個焊點檢測， 直至檢測完成所有焊點檢測， 然后回到機器人原點位置。

圖1 超聲波夾具機械部分設計數模

2 焊點質量評價設計

2.1 超聲波焊點檢測原理

如圖2（a）所示，根據點焊原理，通過對焊接工件施加壓力和通電流，利用材料的電阻熱，使母材熔化或達到塑性狀態，在持續壓力作用下形成金屬結合。 焊點質量主要受電流、電極壓力、焊接時間、電極形狀、材料性能及工件表面狀況等因素的影響。 通過控制焊接工藝參數與焊接條件， 可制成不同品質的焊點，實現對焊點質量的定義。 利用超聲信號在不同介質間傳輸時產生的波形反射和透射時的傳播衰減情況，引入超聲檢測原理，如圖2（b）所示，超聲波探頭的壓電晶片經激勵裝置的高壓脈沖激勵后產生正壓電效應，從而產生超聲波。 超聲波經水柱、薄膜和耦合劑入射到焊點工件中。 在焊點內部，焊點焊核質量的差別， 因而造成超聲波的信號具有不同的特性。在傳播的同時，焊點母材和焊核等介質對超聲波的吸收和散射造成了超聲波信號序列的衰減。 超聲波在焊點內部中來回反射、透射和衰減后，形成脈沖回波序列，超聲回波序列通過超聲波探頭的壓電晶片的逆壓電效應轉換成電信號，經過檢測系統處理，形成如圖2（b）中所示的脈沖回波序列根據脈沖回波序列中回波時間間隔、峰值的衰減情況等相關時頻特征[1，2]，可對焊點質量進行評估。

圖2 超聲波焊點檢測原理

2.2 超聲波焊點評價系統建立

通過人工制作8000 余個焊點樣件，對其超聲數據采集并利用算法尋優計算， 建立了8 種厚度組合的焊點數據庫；通過仿真建模分析與算法尋優結合的方法，建立了1.2～3.0mm 厚度范圍內的兩層板焊點及2.9～3.9mm 厚度范圍內的三層板焊點的特征數據計算公式。 實現了1.2～3.9mm 厚度范圍內所有焊點的質量評價標準，實現了基于高頻超聲的汽車焊點質量評價標準。

3 電控部分設計

電控部分選用AB PLC 和工業PC 作為控制單元。 控制部分的總體結構如圖3 所示： 以PLC 和PC 機作為控制的核心。 PLC 負責現場車型信息、夾具狀態信息、光柵信息與工位安全信息的接收與處理。 PC 機負責接收處理機器人末端夾具系統的視覺圖像信息、 機器位置狀態信息與超聲波探頭采集回來的焊點信息， 最終通過對應的處理形成焊點信息數據分析報告輸出。

圖3 控制部分總體結構

3.1 感知控制設計

夾具上集成有超聲探頭、激光測距儀、光源、相機用于感知提取焊點的三維的位置信息，并通過串口與以太網傳將數據信息送至PC 機進行計算得到焊點中心在機器人坐標系下的位置信息， 然后通過PC 機發送給機器人引導機器人執行機構上的超聲探頭夾具運動到焊點正上方，進行焊點質量信息提取與評價。

3.2 運動控制部分設計

當白車身到達工位后， 啟動機器人按照事前約定好的軌跡進行運動。 機器人由PLC 控制，PLC 通過Ethernet 發送啟動命令控制機器的啟動。機器人運動到指定焊點位置時，相機開始拍照。 相機的拍照動作由PC 機通過Ethernet 發送指令進行控制， 當發送拍照命令時相機拍照一次。 激光測距儀通過RS232 串口進行控制。 當發PC 機通過串口送2 時，激光測試一次。 超聲波探頭對焊點質量的信息讀取由機器人控制，當機器人R[1] =1 時，PC 開始讀取超聲波探頭采集回來的數據， 當機器人中的寄存R[2]=2 時超聲波探頭則停止采集[3-5]。 然后開始進入下一個焊點的檢測。

4 控制程序設計

產線運行工作，當車身進入工位時，系統為先檢測車身是否到位、安全信號是否正常、機器人是否在原點位置檢測，以確保工位的安全與正常檢測作準備工作。當確認安全信號正常同時接收到允許檢測的信號時， 焊點檢測系統開始啟動機器人進行焊點質量檢測。 具體工作步驟如圖4 所示。

圖4 邏輯控制流程圖

5 樣機試驗

通過制作樣機與編程調試制作完成了基于超聲波的自動化焊點在線檢測樣機，如圖5 所示。

相比與人工手動焊點檢測， 使用基于超聲波的自動化焊點檢測裝備，實現了焊點自動化檢測功能，同時解決了只能依靠人工抽檢方式效率低下問題， 極大的提高了檢測效率。人工檢測嚴重依賴檢測人的經驗，人為因素對焊點質量檢測的干擾較大，而工業機器人穩定高、可靠性高、定位精度高，為自動化焊點檢測的高穩定性提供了保證。 自動化焊點檢測裝備的開發也填補了國內焊點質量檢測理論、評價標準與焊點質量自動化檢測的空白，為我國的汽車制造產業質量的提供了技術保障。

圖5 焊點質量自動化檢測樣機

6 結論

本文對工業機器人的超聲波自動化焊點檢測裝備進行了設計研究，并通過實際現場調試、試驗、使用，得到如下結論：

該焊點檢測裝備能夠在生產線使用， 代替人工檢測實現自動化檢測。

機械接口設計比較精簡， 在使用的過程易于按照與拆卸，同時也便于維護，平時使用的只需要進行簡單的探頭檢測耦合劑添加即可。

基于工業機器人的設計， 有效的保證了自動化檢測時的可靠性、穩定性。 實現了焊點質量自動化檢測，提高了檢測效率。