激光尋位技術(shù)在商用車儀表板橫梁焊接上的應(yīng)用

孫忠濤 李先珍 李紅華 周文斌 李斌 張旭光

（一汽解放青島汽車有限公司，青島 266200）

1 前言

儀表板橫梁焊接總成包含管梁與二十多種沖壓件，在專用焊接夾具上通過二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊焊接而成，具有定位、支撐儀表板本體和中控面板等內(nèi)飾件的重要作用，其焊接質(zhì)量對駕駛室內(nèi)飾裝配質(zhì)量有著決定性作用。

焊接過程中，精準(zhǔn)確定焊縫位置是保證焊接接頭成形和質(zhì)量的前提。在儀表板橫梁自動焊接時，焊縫位置易受到?jīng)_壓件批次、工件變形、裝配誤差、間隙等因素而產(chǎn)生變化和偏移，而常規(guī)的弧焊機(jī)器人系統(tǒng)無法識別和檢測這一變化。因此，需要對弧焊機(jī)器人運(yùn)動軌跡進(jìn)行修正，以提升儀表板橫梁自動焊接的質(zhì)量。

2 焊縫跟蹤控制方式介紹

2.1 常用的跟蹤控制方式

隨著智能化時代的到來，在現(xiàn)代化工廠中，機(jī)器人智能焊接應(yīng)用越來越多，這也將是今后的發(fā)展趨勢。但是，目前國內(nèi)外應(yīng)用的焊接機(jī)器人大多為“示教-再現(xiàn)”型，只能按照事先示教好的軌跡進(jìn)行焊接操作，對工件批次和變形、裝配誤差、夾具狀態(tài)等帶來的焊縫位置變化沒有適應(yīng)性，不能真正意義上實(shí)現(xiàn)智能化焊接[1]。因此，需要在自動焊接過程中，精準(zhǔn)定位和跟蹤焊縫位置，并將焊縫實(shí)際位置與示教位置偏差反饋給焊接機(jī)器人，以糾正焊槍軌跡，達(dá)到提高焊接質(zhì)量的目的。目前，常用的焊縫跟蹤控制方式有實(shí)時跟蹤、尋位以及跟蹤+尋位等方式[2]。

實(shí)時跟蹤和尋位這兩者都是以傳感技術(shù)為基礎(chǔ)，借助傳感器對焊縫所在位置進(jìn)行精確測量，計算與理論位置的偏差，并將偏差值反饋給焊接機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)對焊接機(jī)器人作業(yè)軌跡調(diào)整，以提高焊接質(zhì)量，消除工件變形、裝配誤差、間隙等因素帶來的不利影響。不同之處在于，實(shí)時跟蹤是傳感器在焊槍前側(cè)，實(shí)時檢測偏差并糾正焊槍軌跡，即邊檢測邊焊接；而尋位在焊接時不進(jìn)行實(shí)時跟蹤，而是先通過兩點(diǎn)或多點(diǎn)確定焊縫實(shí)際位置，糾偏后進(jìn)行精確焊接，即先檢測后焊接。跟蹤+尋位則是實(shí)時焊縫跟蹤和尋位兩種方式的結(jié)合，焊接前先利用尋位確定焊縫位置，焊接過程中采用實(shí)時跟蹤持續(xù)糾正焊槍軌跡的細(xì)微偏差，達(dá)到更為精準(zhǔn)的智能焊接。

實(shí)時跟蹤在焊接變形嚴(yán)重的工件以及非直線或圓弧的不規(guī)則焊縫等場景應(yīng)用較多，但結(jié)構(gòu)、功能相對復(fù)雜，費(fèi)用較高；尋位裝置則相對簡單，實(shí)現(xiàn)和操作也比較方便，一般較短的焊縫或使用激光跟蹤會對工裝夾具產(chǎn)生干涉時，均采用尋位的形式對焊縫進(jìn)行補(bǔ)正。跟蹤+尋位則兼具前兩者的優(yōu)點(diǎn)，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)和操作困難，且費(fèi)用很高。

2.2 常用的傳感器類型

焊縫跟蹤控制系統(tǒng)主要由傳感器、控制器、執(zhí)行器組成。其中，傳感器是系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，傳感器對焊縫的精準(zhǔn)測量是確保焊接機(jī)器人高質(zhì)量焊接的根本。按接觸方式進(jìn)行分類，弧焊用傳感器可分為電弧傳感器、接觸式傳感器及非接觸式傳感器等三類。

接觸式傳感器是最先開始應(yīng)用的，起始于20世紀(jì)70 年代[2]。機(jī)械接觸式傳感器的響應(yīng)速度較快，且結(jié)構(gòu)簡單、成本低，在早期應(yīng)用中得到了廣泛的認(rèn)可。但接觸式傳感器精度較差，且使用過程中易磨損，不適合結(jié)構(gòu)復(fù)雜的焊縫以及對精度要求較高的場景。

電弧傳感器是通過檢測焊接過程中焊接電流和電弧電壓的變化，判斷焊槍與焊縫的相對高度、與焊接坡口的相對位置，即對焊槍高低和左右位置的跟蹤控制。電弧傳感器結(jié)構(gòu)簡單，方便靈活，不受現(xiàn)場環(huán)境的弧光、磁場、飛濺、煙塵等干擾，且響應(yīng)快、精度高。但電弧跟蹤的使用局限性較大，通常要求為角焊縫，且需使用擺動焊接[3]。

在非接觸式傳感器中，目前應(yīng)用較多的是激光傳感器。激光傳感器是基于三角測距的原理對焊縫位置進(jìn)行檢測和確認(rèn)，具有精度高、實(shí)時性好、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)?，F(xiàn)在，激光視覺檢測技術(shù)已應(yīng)用到焊縫的坡口檢測、尋位及實(shí)時跟蹤等領(lǐng)域，這也是未來焊縫檢測及跟蹤的發(fā)展方向[4]。

3 激光尋位技術(shù)的方案設(shè)計

3.1 方案的設(shè)計

圖1 為某車型儀表板橫梁焊接總成，由管梁和24 個沖壓件組成，焊接總成共有40 處焊縫，采用弧焊焊接完成。為提升生產(chǎn)效率及焊接質(zhì)量，消除人工焊接帶來的一致性較差等問題，需要研究儀表板橫梁的自動化焊接。

圖1 儀表板橫梁焊接總成

某公司研制的儀表板橫梁機(jī)器人焊接工作站如圖2 所示，采用2 臺弧焊機(jī)器人對儀表板橫梁進(jìn)行焊接，變位機(jī)進(jìn)行上件側(cè)和焊接側(cè)的切換，有效提升了生產(chǎn)效率。但工件裝夾后很難保證焊縫位置始終一致，需要在焊接過程中對機(jī)器人示教軌跡進(jìn)行糾正，確保焊接質(zhì)量滿足要求。

圖2 儀表板橫梁焊接工作站

儀表板橫梁焊接總成的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工件數(shù)量多，焊槍易與夾具和工件等發(fā)生干涉，弧焊機(jī)器人姿態(tài)受限，同時考慮具體實(shí)現(xiàn)和操作的便利性，采用激光尋位的方式對焊縫位置偏差進(jìn)行補(bǔ)正，即傳感器采用的是激光傳感器。

選用的激光傳感器型號為i-CUBE 100L 通用機(jī)器人傳感器。如圖3 所示，激光傳感器參數(shù)規(guī)格如下。

圖3 激光傳感器參數(shù)規(guī)格

光源為可見紅色激光：661 nm；Z1為到保護(hù)罩離開距離：240 mm；Z2為視場深度：100 mm；Z3為標(biāo)稱距離：275 mm；H為標(biāo)稱平面（視場）：35 mm；近平面（視場）：31 mm；遠(yuǎn)平面（視場）：42 mm；在標(biāo)稱距離位置的橫向分辨率：0.04 mm；在標(biāo)稱距離為止的垂直分辨率：0.08 mm；接口：以太網(wǎng)。

3.2 激光尋位系統(tǒng)

3.2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

如圖4 所示，整個激光尋位焊接系統(tǒng)主要由弧焊機(jī)器人、激光尋位傳感器（i-CUBE 100L 傳感器內(nèi)部集成控制系統(tǒng)）、機(jī)器人控制柜、接口盒（或存放于機(jī)器人控制柜內(nèi)的接線組件）、計算機(jī)組成。

圖4 激光尋位焊接系統(tǒng)

3.2.2 傳感器的安裝

激光尋位傳感器在安裝時需注意以下3 點(diǎn)。

a.為保證激光尋位時焊縫能位于傳感器視場的中央?yún)^(qū)域，傳感器的具體安裝高度需根據(jù)其視場深度確定。以該公司采用的i-CUBE 100L 為例，激光尋位時焊槍距離焊縫的高度為35 mm，激光傳感器高度為275 mm（標(biāo)稱距離），實(shí)際安裝高度為240 mm（焊槍接觸焊縫時）。

b.在激光尋位和機(jī)器人焊接過程中，需要滿足傳感器與工件和工裝夾具等無干涉。

c.為提高效率，節(jié)省激光尋位所需時間，激光尋位姿態(tài)和焊接姿態(tài)應(yīng)盡量保持一致。

該公司儀表板橫梁焊接工作站中，激光傳感器在弧焊機(jī)器人上的安裝如圖5 所示。

圖5 激光傳感器在焊接機(jī)器人上的安裝

3.3 工作過程

3.3.1 參數(shù)設(shè)置

傳感器在對焊縫進(jìn)行掃描前，需要先對每條焊縫進(jìn)行相關(guān)參數(shù)設(shè)置，根據(jù)工件搭接方式的不同，其掃描算法有所區(qū)別，參數(shù)設(shè)置也不同。在該公司某車型儀表板橫梁焊接過程中，主要涉及圖6中所示3 種焊縫。

圖6 焊縫種類

在掃描焊縫前需設(shè)置焊縫種類、工件厚度、工件斜邊角度、不匹配條件、間隙位置、間隙大小、焊接區(qū)域及焊接方式等參數(shù)。參數(shù)設(shè)置完畢后，傳感器將沿圖6 中標(biāo)識的軌跡進(jìn)行掃描，為確定焊縫位置及走向，需在焊縫兩端及中間等位置進(jìn)行兩次或多次掃描（焊縫起點(diǎn)和終點(diǎn)位置必須進(jìn)行掃描）。

圖7 為該公司某車型儀表板橫梁焊接總成一處焊縫，掃描前需要設(shè)置的參數(shù)：選取焊縫種類為T 型焊縫（圖6a），弧焊焊接，管梁壁厚2 mm，工件厚1.5 mm，間隙0.2 mm，間隙超過0.9 mm 則不匹配，焊縫長15 mm，焊接區(qū)域?yàn)楣ぜc管梁間隙區(qū)域等。

圖7 儀表板橫梁焊接總成某處焊縫

3.3.2 激光尋位過程

儀表板橫梁焊接工作站焊接作業(yè)前，安裝在機(jī)器人前端的激光傳感器i-CUBE 100L（內(nèi)部集成控制系統(tǒng)）依照設(shè)定的焊縫種類、焊接參數(shù)等對指定焊縫進(jìn)行掃描。傳感器的尋位測量頭會對焊縫位置偏移量進(jìn)行測量，并將偏移數(shù)據(jù)發(fā)送機(jī)器人，機(jī)器人將偏移數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后自動調(diào)整焊槍軌跡，使焊槍能沿著焊縫實(shí)際位置進(jìn)行焊接作業(yè)，實(shí)現(xiàn)焊槍與焊接姿態(tài)均滿足焊接要求，以提升儀表板橫梁焊接總成的焊接質(zhì)量。整體過程和歷史記錄可通過計算機(jī)進(jìn)行查看，便于問題查找和質(zhì)量追溯。

4 應(yīng)用

4.1 實(shí)際使用效果

激光尋位技術(shù)解決了由于制件尺寸穩(wěn)定性及工裝一致性欠佳等因素造成的焊縫位置偏移問題。激光尋位具有抗光線干擾能力強(qiáng)，精度高等優(yōu)點(diǎn)，選用的i-CUBE 100L 型激光傳感器尋位精度可達(dá)到±0.08 mm。

相較于之前，在采用激光尋位技術(shù)對自動焊接過程進(jìn)行糾正后，某公司儀表板橫梁焊接總成的關(guān)鍵尺寸控制在±1 mm 以內(nèi)，尺寸精度提升了30%。儀表板橫梁焊接總成需要檢測的孔位、螺柱等共計36 處。如圖8 所示，在方案實(shí)施前后，均進(jìn)行了連續(xù)一段時間的專用檢具檢測和質(zhì)量記錄。方案實(shí)施后，焊接總成的整體合格率提升到90%以上，為提升駕駛室內(nèi)飾裝配質(zhì)量提供了有力保證。

圖8 儀表板橫梁焊接總成合格率

4.2 優(yōu)化提升

因激光尋位是先確定焊縫位置再進(jìn)行焊接，在尋位過程中會占用生產(chǎn)節(jié)拍。因此，在設(shè)備調(diào)試階段或新產(chǎn)品試制階段，可針對儀表板橫梁的每條焊縫進(jìn)行尋位和機(jī)器人糾偏。在實(shí)際穩(wěn)定生產(chǎn)中，則可按照調(diào)試過程中梳理的易發(fā)生偏移的焊縫清單，只針對部分位置不穩(wěn)定的焊縫進(jìn)行激光尋位操作，在保證焊接質(zhì)量滿足要求的同時，盡可能提升生產(chǎn)效率。

以某公司某車型儀表板橫梁焊接為例，總共需要焊接40 處焊縫。經(jīng)梳理，有9 處焊縫的位置不穩(wěn)定或焊接質(zhì)量要求嚴(yán)格，因此在實(shí)際批量生產(chǎn)后，只對這9 處焊縫進(jìn)行激光尋位操作，節(jié)省工作時間約56 s，有效提升了生產(chǎn)節(jié)拍。同時，在生產(chǎn)過程中，需制定點(diǎn)檢計劃，定期對儀表板橫梁焊接總成進(jìn)行質(zhì)量檢測，確認(rèn)無新增位置偏移的焊縫，以保證焊接質(zhì)量的長期穩(wěn)定。

5 結(jié)束語

激光尋位技術(shù)的精度高，抗干擾能力強(qiáng)，且操作簡便、易實(shí)現(xiàn)。在應(yīng)用到商用車儀表板橫梁的自動焊接過程中，有效保證了焊接機(jī)器人按照焊縫實(shí)際位置進(jìn)行焊接，提升了儀表板橫梁焊接總成的尺寸精度和總體合格率，為提升白車身內(nèi)飾裝配質(zhì)量及間隙面差起到了重要作用。