機(jī)器人點(diǎn)焊電極磨損的視覺檢測補(bǔ)償應(yīng)用研究＊

童 洲 韓 偉 談 毅 鄒 昊

（廣州城市理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，廣東 廣州 510800）

隨著國內(nèi)外汽車制造企業(yè)之間生產(chǎn)技術(shù)和成本管控競爭的不斷加劇，采用智能化視覺技術(shù)對汽車覆蓋件電阻焊過程電極修磨的精度、質(zhì)量和更換成本進(jìn)行管理控制，已成為汽車制造精細(xì)化管理的廣泛應(yīng)用模式。大批量的機(jī)器人點(diǎn)焊在提高生產(chǎn)效率的同時(shí)，也使得電極磨損、修整和更換頻次速度加快。經(jīng)過修磨的電極長度不斷減短，如不通過及時(shí)檢測及補(bǔ)償，則點(diǎn)焊時(shí)會(huì)偏離機(jī)器人焊槍編程時(shí)設(shè)定的電極與工件距離。同時(shí)每一次點(diǎn)焊時(shí)的電極力作用，都會(huì)使電極桿微量漸進(jìn)嵌入電極頭，從而使電極總長度發(fā)生變化。視覺系統(tǒng)能及時(shí)精確檢測上述電極長度的改變，再通過伺服焊槍宏程序補(bǔ)償變化的距離[1]。當(dāng)經(jīng)過多次電極修磨后，電板頭的實(shí)際長度越來越短超過電極的補(bǔ)償行程限度時(shí)，需要更換新電極，則通過視覺系統(tǒng)檢測新?lián)Q電極的長度進(jìn)行重新標(biāo)定。在如圖1所示的車門翼板機(jī)器人點(diǎn)焊工作站中，使用0.8 mm厚度的DP590雙相鋼高強(qiáng)鋼材料作為翼板板材。運(yùn)用FANUC視覺系統(tǒng)檢測電極修磨量、磨損速度和電極桿嵌入速度數(shù)據(jù)，生成DP590雙相鋼高強(qiáng)鋼車門翼板點(diǎn)焊的電極修磨、更換預(yù)設(shè)條件和壽命管理數(shù)據(jù)庫，避免主觀臆斷和人工經(jīng)驗(yàn)積累確定電極修磨頻次和使用壽命[2]。在滿足高效汽車覆蓋件生產(chǎn)質(zhì)量的同時(shí)，控制電極損耗數(shù)量節(jié)約成本，實(shí)現(xiàn)汽車覆蓋件電阻焊生產(chǎn)的精細(xì)化管理。

圖1 車門翼板點(diǎn)焊工作站和電極修磨損耗示意圖

1 車門翼板點(diǎn)焊工作站的組成及工作流程

機(jī)器人電阻焊連續(xù)高速作業(yè)過程中，隨著焊點(diǎn)數(shù)的增加，電極頭會(huì)發(fā)生墩粗現(xiàn)象，端面直徑變大，接觸表面產(chǎn)生化合物，降低焊接時(shí)焊點(diǎn)區(qū)域內(nèi)通過的電流密度值，容易產(chǎn)生飛濺和表面燒損等質(zhì)量問題，因此需要運(yùn)用電極修磨器及時(shí)對經(jīng)過n個(gè)焊點(diǎn)作業(yè)的電極進(jìn)行修磨[3]。如圖1b所示，電極因經(jīng)過N次修整后長度變短，超過使用補(bǔ)償行程極限后，則需要及時(shí)更換。原有電極的每一次修磨和新電極的更換，都會(huì)形成機(jī)器人TCP位置的變化。需要進(jìn)行電極頭位置坐標(biāo)零位的重新標(biāo)定，以免影響下次的修磨量和修磨精度。視覺系統(tǒng)對電極頭修磨量、修磨后的形狀、電極頭移動(dòng)端與固定端之間同軸度的變化檢查，自動(dòng)計(jì)算補(bǔ)償值并運(yùn)用FANUC宏程序功能進(jìn)行補(bǔ)償。避免焊槍電極頭修磨或更換后的編程距離與實(shí)際距離偏差等，保證點(diǎn)焊精度質(zhì)量持續(xù)穩(wěn)定[4]。

1.1 車門翼板點(diǎn)焊工作站的組成

如圖2所示為國內(nèi)廣東省某汽車零部件企業(yè)的車門翼板機(jī)器人點(diǎn)焊工作站、修磨器和視覺系統(tǒng)。工作站主要由機(jī)器人、電極修磨器、夾具、視覺檢測系統(tǒng)和FANUC控制器組成。其中視覺系統(tǒng)則由相機(jī)、相機(jī)蓋罩、校準(zhǔn)板、擴(kuò)散板、LED光源燈和繼電器等組成，視覺系統(tǒng)使用iRVision軟件進(jìn)行檢測控制和數(shù)據(jù)匯總。運(yùn)用FANUC的R-30iB型控制器集中控制系統(tǒng)各部分有序高效協(xié)調(diào)運(yùn)行。電極修磨前后的長度變化需要通過視覺系統(tǒng)測量獲得，測量時(shí)焊槍深入遮光板內(nèi)。視覺系統(tǒng)觸發(fā)拍照相機(jī)拍照。

圖2 車門翼板機(jī)器人點(diǎn)焊工作站及視覺系統(tǒng)組件圖

1.2 電極頭磨損及更換的工作流程

如圖3所示為電極修磨視覺檢測補(bǔ)償工作流程，在快速自動(dòng)化點(diǎn)焊生產(chǎn)，n為新電極達(dá)到使用限度需要修磨的點(diǎn)焊數(shù)量，N則為一個(gè)電極在達(dá)到損耗極限值必須進(jìn)行更換時(shí)經(jīng)歷過的修磨次數(shù)。在經(jīng)過n次點(diǎn)焊后，使用修磨器及時(shí)對電極頭進(jìn)行修磨。經(jīng)過數(shù)次修磨后的電極頭長度將會(huì)逐步變短，達(dá)到預(yù)設(shè)的N次修磨極限值時(shí)則需更換新品電極頭，并根據(jù)視覺系統(tǒng)的檢測長度值進(jìn)行重新標(biāo)定。伺服焊槍上的電極桿和支架通過錐度進(jìn)行連接，因經(jīng)過長時(shí)間的點(diǎn)焊電極力沖擊，錐度部分的磨損會(huì)使電極桿凹陷，產(chǎn)生電極桿嵌入電極的現(xiàn)象。造成電極頭前端實(shí)際位置與理論位置距離偏差，因此需要對這兩種距離變化分別進(jìn)行監(jiān)測和補(bǔ)償，如圖3所示。

圖3 伺服焊槍電極修磨視覺檢測補(bǔ)償工作流程圖

2 視覺檢測技術(shù)在電極磨損檢測中的應(yīng)用

電極頭與板材工件之間的距離變化由電極頭磨損量和電極嵌入量兩部分疊加組成，如圖4所示。視覺系統(tǒng)對修磨后的電極頭修磨量、修磨后的形狀、電極頭移動(dòng)端與固定端之間同軸度的變化檢查，并自動(dòng)計(jì)算補(bǔ)償值。避免焊槍電極頭修磨或更換后的編程距離與實(shí)際距離偏差等。其次，電極頭的材料使用導(dǎo)電性能極佳的軟銅合金材料制成，而電極內(nèi)部的電極桿材料卻是由硬度較強(qiáng)的鎢鋼制成。故每一次點(diǎn)焊的電極力作用，都會(huì)使電極桿發(fā)生微量嵌入電極頭從而使電極總長度發(fā)生變化。運(yùn)用FANUC的檢測數(shù)據(jù)，R-30iB型控制系統(tǒng)可生成電極磨損量和電極桿嵌入量等形狀變化數(shù)據(jù)庫，再應(yīng)用FANUC宏程序功能進(jìn)行補(bǔ)償，從而保證點(diǎn)焊過程中電極與翼板板材的接觸距離和面積持續(xù)穩(wěn)定。

圖4 電極修磨長度變化和電極桿嵌入示意圖

2.1 視覺檢測的工作過程

工作過程和數(shù)據(jù)處理由FANUC 視覺控制系統(tǒng)iRVision系統(tǒng)完成。將事先拍攝標(biāo)準(zhǔn)新品電極頭的形狀并儲(chǔ)存在視覺控制裝置中作為電極頭長度和形狀的基準(zhǔn)模板，測量時(shí)焊槍攜帶電極深入遮光板內(nèi)，視覺系統(tǒng)觸發(fā)拍照相機(jī)拍照。如圖5所示，左邊的圖像為新品電極頭事先標(biāo)定的標(biāo)準(zhǔn)模板，右邊的則為檢測時(shí)拍照產(chǎn)生的圖像，視覺系統(tǒng)通過對兩個(gè)圖片比對檢查，得到電極頭修磨前后的長度變化數(shù)據(jù)檢測精度可達(dá)到±0.1 mm。根據(jù)電極頭的幾何形狀特征，選擇電極頭的可動(dòng)側(cè)、固定側(cè)、可動(dòng)側(cè)電極桿和固定側(cè)電極桿形狀作為視覺檢測的幾何要素，在FANUC 視覺控制系統(tǒng)iRVision系統(tǒng)中將新標(biāo)準(zhǔn)電極頭的可動(dòng)側(cè)、固定側(cè)幾何要素分別注冊成為模板，并分別設(shè)定電極頭可動(dòng)側(cè)、固定側(cè)、可動(dòng)側(cè)電極桿和固定側(cè)電極桿形狀變化的局部閾值判斷標(biāo)準(zhǔn)值，再采用局部閾值分割算法對每次拍照的電極頭幾何圖像進(jìn)行分析處理，快速判斷反饋電極頭幾何圖像是否需要修磨，并記錄電極頭幾何參數(shù)變化情況。

圖5 視覺系統(tǒng)電極頭注冊模板和檢測圖像

FAUUC視覺系統(tǒng)的檢測功能不僅測量電極頭前端位置尺寸形狀的變化，還對電極頭的可動(dòng)側(cè)根部和固定側(cè)根部進(jìn)行檢測，這是為了及時(shí)獲得電極桿嵌入量的漸進(jìn)增加數(shù)值。

2.2 視覺系統(tǒng)檢測內(nèi)容及結(jié)果分析

為實(shí)現(xiàn)精細(xì)化的點(diǎn)焊質(zhì)量控制，F(xiàn)ANUC視覺檢測除了對電極修磨量和形狀進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢測外；還拓展了許多細(xì)致豐富的內(nèi)容。其中包括固定側(cè)、可動(dòng)側(cè)的磨損量，固定側(cè)、可動(dòng)側(cè)的嵌入量以及焊接同一批量板材需要的電極頭更換焊點(diǎn)數(shù)，還可生成電極頭磨損比率及磨損趨勢，并通過電極頭使用履歷和磨損速度等數(shù)據(jù)表格，對每個(gè)不同點(diǎn)焊工作站使用的電極頭進(jìn)行統(tǒng)計(jì)管理，建立不同批次、不同板材產(chǎn)品和不同焊接工藝條件下的電極壽命數(shù)據(jù)庫[5]。如圖6所示，經(jīng)視覺檢測得到當(dāng)前固定側(cè)電極磨損量為1.62 mm，固定側(cè)電極桿嵌入量為1.93 mm，可動(dòng)側(cè)磨損量為1.75 mm，可動(dòng)側(cè)嵌入量1.91 mm，當(dāng)前電極補(bǔ)償行程為12.79 mm，電極補(bǔ)償行程仍然在20 mm之內(nèi)。目前的電極磨損4個(gè)主要測量值均未達(dá)到圖6上方的電極更換極限值，電極頭還可以繼續(xù)使用。

圖6 電極磨損補(bǔ)償量和和修磨頻次數(shù)據(jù)

點(diǎn)焊過程在電極頭磨損的同時(shí)，在電極力與板材的相互作用力不斷的推動(dòng)下，電極桿不可避免會(huì)出現(xiàn)不斷凹陷嵌入量增加的現(xiàn)象[6]。因此在檢測電極頭磨損情況的同時(shí)，F(xiàn)ANUC視覺檢測還同步對電極桿嵌入量、嵌入速度等進(jìn)行檢測和統(tǒng)計(jì)，為后續(xù)的補(bǔ)償提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，如圖7所示。

圖7 電極桿嵌入量趨勢檢測結(jié)果圖表

根據(jù)上述圖表的各種類型電極頭的應(yīng)用磨損和使用壽命數(shù)據(jù)，可以看出DP590板材點(diǎn)焊時(shí)的電極桿嵌入量明顯高于標(biāo)準(zhǔn)普通鍍鋅鋼板點(diǎn)焊時(shí)的電極桿嵌入量，通過生成這類圖表，視覺系統(tǒng)幫助技術(shù)人員對不同材質(zhì)、形狀的電極頭進(jìn)行對比分析，針對高強(qiáng)度雙相鋼點(diǎn)焊選擇合理的電極修磨頻次和使用壽命。

3 電極修磨和補(bǔ)償宏程序的編制及工藝規(guī)范應(yīng)用

點(diǎn)焊過程中控制系統(tǒng)需要精確掌握控制電極頭當(dāng)前長度的變化，以便機(jī)器人進(jìn)行相應(yīng)的偏移來確保固定側(cè)電極始終緊貼工作面。為實(shí)現(xiàn)這一目的，F(xiàn)ANUC的R-30iB控制系統(tǒng)提供了若干宏程序來進(jìn)行電極頭的初始化和計(jì)算當(dāng)前電極頭的變化量，再通過執(zhí)行點(diǎn)焊指令和加壓指令時(shí)進(jìn)行電極頭前端位置的補(bǔ)償。在焊接完成后伺服槍會(huì)執(zhí)行電極帽補(bǔ)償程序，啟動(dòng)FANUC機(jī)器人R-30iA系統(tǒng)的CAP_WEAR電極頭補(bǔ)償程序。將零位作適當(dāng)偏移，保證零位的準(zhǔn)確，以便機(jī)器人進(jìn)行相應(yīng)的偏移來確保固定側(cè)電極始終緊貼工作面。

3.1 電極磨損量補(bǔ)償宏程序的分析應(yīng)用

機(jī)器人進(jìn)行自動(dòng)化點(diǎn)焊時(shí)點(diǎn)焊動(dòng)作示教程序中，對于電極初始位置和結(jié)束位置進(jìn)行了精確的設(shè)定，具體指令格式如下所例：

SPOT[SD=2，P=10，t=1.6，S=j，ED=5]

其中SD設(shè)置的是焊接前準(zhǔn)備加壓的初始距離為2 mm，ED參數(shù)則指定了焊接結(jié)束后焊槍壓力關(guān)閉的距離為5 mm。t指板材二層板材總厚度為1.6 mm，j為電極距離和加壓力等工藝條件的編號，默認(rèn)值最大為99。但在實(shí)際焊接生產(chǎn)中由于電極頭的更換和電極桿的漸進(jìn)嵌入都會(huì)導(dǎo)致電極帽的長度發(fā)生改變，因此需要及時(shí)進(jìn)行長度補(bǔ)償[7]。其中單步補(bǔ)償法不需要增加夾具和多余的動(dòng)作，而是運(yùn)用視覺系統(tǒng)檢測產(chǎn)生的電極頭磨損率，按照設(shè)定的補(bǔ)償比率將總體的磨損量平分給固定側(cè)電極頭和移動(dòng)側(cè)電極頭。

如圖8所示的一步補(bǔ)償法通過伺服槍當(dāng)前合槍位置和初始值的比較計(jì)算出上、下兩個(gè)電極帽的總損耗，按照設(shè)定的比率補(bǔ)償?shù)缴稀⑾聝蓚€(gè)電極上，從而保證焊接質(zhì)量穩(wěn)定。具體的點(diǎn)焊程序修磨、補(bǔ)償指令如表1所示。

表1 修磨補(bǔ)償程序

圖8 單步補(bǔ)償法電極長度變化補(bǔ)償

其中CALL TW_UPD01即為調(diào)用單步磨損檢測方式 在CALL TW_UPDAT(0.5，R[1])語句中，可以有0、0.5和1這3種參數(shù)設(shè)定，設(shè)定為0時(shí)所有補(bǔ)償量歸于動(dòng)電極側(cè)，設(shè)定為1時(shí)所有補(bǔ)償量歸于固定電極側(cè)，默認(rèn)值為0.5，即將補(bǔ)償量平均分配到兩個(gè)電極頭上，如無特殊需要不必更改。IF DI[10]=OFF，R[1]=0則為啟動(dòng)電極頭更換的宏程序，是用于電極頭的損耗程度及修磨頻次達(dá)到更換臨界值時(shí)啟動(dòng)更換新電極頭的指令[8]。

3.2 電極壽命和修磨頻次工藝規(guī)范制定及應(yīng)用

企業(yè)在汽車零部件批量點(diǎn)焊生產(chǎn)中，需要在成本控制和質(zhì)量保證之間求得平衡，合理規(guī)劃設(shè)計(jì)各種材料覆蓋件的電極修磨頻次和使用壽命。電極使用限度優(yōu)先考慮的是保證焊接質(zhì)量，但從降低電極消耗量控制制造成本的角度出發(fā)，也有必要考慮將電極在可能的限度內(nèi)盡量用完[9]。根據(jù)視覺系統(tǒng)提供的電極磨損趨勢和磨損速度，結(jié)合車門翼板批量生產(chǎn)實(shí)踐和客戶質(zhì)量要求，得出表2的電極修磨預(yù)設(shè)條件、使用壽命標(biāo)準(zhǔn)和更換條件，確定為DP590雙相鋼高強(qiáng)鋼點(diǎn)焊的電極修磨頻次和使用壽命企業(yè)作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

表2 翼板DP590雙相鋼點(diǎn)焊的電極修磨頻次

為把電極消耗成本時(shí)控制到最小，需要降低焊點(diǎn)修整頻度，同時(shí)也需要盡量節(jié)省生產(chǎn)中輔助所耗費(fèi)的時(shí)間。其中DP590雙相鋼點(diǎn)焊車門翼板每個(gè)工件共有27個(gè)焊點(diǎn)，按照生產(chǎn)制定的電極修磨標(biāo)準(zhǔn)頻次為270個(gè)焊點(diǎn)修磨一次，即每完成10個(gè)翼板點(diǎn)焊則進(jìn)行電極帽修磨。每3 240個(gè)焊點(diǎn)后更換電極帽，即完成120個(gè)翼板工件時(shí)則達(dá)到更換電極帽的臨界數(shù)量。電極修磨和更換安排均在更換翼板工件的同時(shí)進(jìn)行，節(jié)省了生產(chǎn)線輔助環(huán)節(jié)所耗費(fèi)的時(shí)間[10]。

4 結(jié)語

通過對DP590雙相鋼高強(qiáng)鋼材料車門翼板點(diǎn)焊過程電極磨損的視覺檢測和修磨編程研究，得出以下結(jié)論：

（1）在高速快節(jié)奏的機(jī)器人點(diǎn)焊生產(chǎn)中，焊點(diǎn)數(shù)量多，電極頭的磨損速度加快。電極頭的修磨頻次和更換節(jié)奏也隨之加快。

（2）運(yùn)用FANUC視覺系統(tǒng)的檢測功能不僅可以測量電極頭修磨量和電極桿嵌入量，還能夠通過限定修磨量極限值控制電極使用壽命，建立不同批次、不同板材產(chǎn)品和不同焊接工藝條件下的電極壽命數(shù)據(jù)庫。

（3）通過磨損量、磨損速度和磨損趨勢，根據(jù)具體的質(zhì)量要求規(guī)劃電極磨損量和磨損比的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)情況確定作業(yè)規(guī)范，規(guī)劃調(diào)整各種材料的電極修磨頻次和使用壽命工藝作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。從而實(shí)現(xiàn)以視覺檢測技術(shù)為依據(jù)，對電機(jī)損耗進(jìn)行數(shù)字化控制管理，在保證焊接質(zhì)量和減少電極損耗成本之間找到最合適的數(shù)字化管理模式，實(shí)現(xiàn)企業(yè)質(zhì)量保障和效益最大化的目的。