周纼標 趙建姣 孟德峰 陳沖

（一汽模具制造有限公司，長春 130013）

1 前言

目前，汽車白車身自動化生產(chǎn)線工藝分為基礎(chǔ)工藝和特殊工藝，基礎(chǔ)工藝應(yīng)用廣泛，技術(shù)成熟，特殊工藝普遍應(yīng)用在汽車特殊材料和特殊位置處。特殊工藝受到經(jīng)濟性等條件限制，使用率較低，在一個生產(chǎn)節(jié)拍內(nèi)特殊工藝的設(shè)備開動率較低?；诖饲闆r，以鉚接設(shè)備為例，進行特殊工藝整合的研究工作。通過方案設(shè)計，使一臺機器人完成多種工藝工作，同時可以繼續(xù)融合基礎(chǔ)工藝，減少機器人的采購數(shù)量，降低生產(chǎn)成本。

2 鉚接工藝原理

2.1 自沖鉚接工藝

自沖鉚接工藝（Seif Piercing Rivet，SPR）屬于鉚接的特殊工藝，需要消耗鉚釘。SPR 工藝工作過程可以分解為3 個步驟。步驟1 將鉚釘輸送到鉚槍頭位置，鉚槍夾緊準備鉚接；步驟2 施加壓力，鉚釘因壓力作用穿透板材，然后通過沖模實現(xiàn)2 種混合材料的連接；步驟3 鉚接結(jié)束鉚槍離開，如圖1所示。

圖1 SPR工藝流程

SPR 工藝通過鉚釘?shù)男巫儗崿F(xiàn)2 種不同材質(zhì)材料的連接，具有對材料破壞性小、連接強度高、克服電化學(xué)腐蝕等優(yōu)點，在汽車生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用在鋁材料與其他材料的連接中。但因其成本較高、不能連接脆性材料、只能使用C 型鉚槍、鉚接點有凸起等導(dǎo)致其使用較少。

2.2 無鉚釘自沖鉚接工藝

無鉚釘自沖鉚接（Clinch）工藝與SPR 工藝類似，都需要沖模來實現(xiàn)2 種材料的連接。與自沖鉚接工藝不同的是Clinch 工藝不需要鉚釘，是將帶有沖模的鉚槍靜極臂接觸板材，然后動極臂進行沖壓動作，從而實現(xiàn)2 種混合材料的連接，如圖2 所示。

圖2 Clinch工藝流程

2.3 旋轉(zhuǎn)攻絲鉚接工藝

旋轉(zhuǎn)攻絲鉚接（Flow Drill Screw，F(xiàn)DS）工藝的鉚釘通過高頻淬火工藝制作而成，在鉚接過程中通過旋轉(zhuǎn)摩擦生熱，在旋轉(zhuǎn)過程中用較小的扭矩連接2 種混合材料。如圖3 所示，旋轉(zhuǎn)攻絲鉚接結(jié)束冷卻后，需要很大的松開扭矩，使連接更緊固。

圖3 FDS工藝流程

3 單一機器人實現(xiàn)多種鉚接工藝的方案

3.1 硬件組成

3.1.1 單一工藝的硬件組成

進行多工藝整合前需要了解單一工藝的硬件組成，以焊接機器人為例，硬件組成主要包括機器人控制柜、機器人、焊槍、焊接控制柜，如圖4 所示。以上設(shè)備通過Profinet 總線進行通訊，實現(xiàn)信號傳輸并完成自動化工作。

圖4 單一工藝機器人硬件組成

3.1.2 多工藝的硬件組成

通過快換工具（以史陶比爾快換工具為例）可以解決機器人多工藝整合的問題。在單一工藝機器人的硬件基礎(chǔ)上，加入快換工具可以實現(xiàn)工具與機器人分離，進而實現(xiàn)工具切換。工具與機器人的連接包括電源、網(wǎng)絡(luò)通訊、水氣介質(zhì)，快換工具可實現(xiàn)以上介質(zhì)的連接和斷開。如圖5 所示，快換工具的組成包括用于向工具側(cè)提供水氣介質(zhì)的氣源模塊，向工具側(cè)提供380 V 焊接電源及24 V 模塊電源的電源模塊，用于確?？梢赃M行工具安全切換的安全模塊。只有當安全模塊有反饋信號時，才可以進行工具和機器人的分離和連接動作，實現(xiàn)工具的切換。

圖5 快換工具結(jié)構(gòu)

3.1.3 限制條件及解決方案

此課題的工具切換基于快換工具進行調(diào)整，鉚接工具不同于其他焊接工具，在每個鉚接點都需要進行鉚釘?shù)膫鬏攧幼?，而不同的鉚接工具需要不同規(guī)格的鉚釘?；诖饲闆r，若想實現(xiàn)鉚接工具的切換需要改良送釘管，解決鉚釘持續(xù)傳輸?shù)膯栴}，對于送釘管的改良目前制定了2 種解決方案。

方案1：通過快換工具進行直連，將送釘管在快換工具處斷開，連接工具時送釘管兩端接觸，實現(xiàn)鉚釘?shù)膫鬏敼ぷ鳌?/p>

方案2：通過在工具側(cè)添加儲料器來儲存鉚釘，如圖6 所示，工具脫離后送釘管仍可以工作。在每次工作前后判斷儲料器是否低于鉚釘最少儲存量，若儲存不足則進行鉚釘?shù)奶畛洹?/p>

圖6 鉚接槍添加儲料器結(jié)構(gòu)

對2 種方案的優(yōu)缺點進行多方面對比分析，如表1 所示，經(jīng)過對比可知，不同規(guī)格的鉚釘不便于使用同一種鉚釘傳輸方案。FDS 工藝的鉚釘較長，不宜用儲料器進行儲存，且較長的鉚釘不易在送釘管內(nèi)發(fā)生反轉(zhuǎn)，對送釘管的精度要求較低，方案1 更適合FDS 鉚接設(shè)備。SPR 工藝的鉚釘較短，為避免鉚釘在送釘管內(nèi)發(fā)生旋轉(zhuǎn)對設(shè)備造成損壞，該工藝適合儲料器儲存，方案2 更適合SPR 工藝鉚接設(shè)備。

表1 方案對比分析

3.2 軟件組成

3.2.1 設(shè)備通訊

此項目研究所用的設(shè)備通過Profinet 進行通訊，在進行通訊設(shè)備的配置時，需要利用Work Visual 軟件對SPR 工藝的填充器和儲料器進行I/O 信號點模塊的配置。如圖7 所示，選擇32 字節(jié)I/O 信號的配置，與單一工藝不同的是輸入輸出端分別預(yù)留1 byte 的信號用于儲料器、填充器與機器人的交互使用。

圖7 儲料器的通訊模塊配置

對儲料器和填充器的通訊模塊進行輸入和輸出的信號點映射，如圖8 所示，定義機器人與儲料器的信號點。只有當儲料器出現(xiàn)儲料下限報警，同時填充器正常的情況下，才可以進行鉚釘?shù)奶畛涔ぷ鳌?/p>

圖8 儲料器和填充器的信號映射

將Work Visual 軟件做好的項目下載到機器人系統(tǒng)中，并檢查機器人與鉚接控制器是否通訊成功。如圖9 所示，在示教器上輸出相應(yīng)的信號點，然后檢查鉚接控制器是否收到對應(yīng)的信號點，如果能收到則表示通訊成功。

圖9 機器人信號點的輸出檢查

3.2.2 程序制定

對儲料器和填充器的信號點在機器人系統(tǒng)中的Configdate 文件進行變量定義，如圖10 所示，實現(xiàn)機器人在程序中調(diào)用變量名稱即可完成與設(shè)備的信息交互。

圖10 信號點定義名稱

對儲料器的填充進行機器人程序的編寫，如圖11 所示。首先需要判斷填充器是否準備就緒，只有填充器發(fā)出準備就緒信號，機器人才可以執(zhí)行填充程序。當機器人到達填充位時，啟動填充器開始填充，直到收到填充完成信號后，才可以停止填充。若填充過程中出現(xiàn)故障，需要進行故障消除，然后利用程序跳轉(zhuǎn)標簽跳轉(zhuǎn)程序繼續(xù)進行填充，直到填充完成。

圖11 儲料器填充程序

對工具切換進行程序編寫，如圖12 所示，在工具與機器人分離前需要將機器人與工具的網(wǎng)絡(luò)斷開。這里用到了2 個交互信號點，只有當機器人請求斷開網(wǎng)絡(luò)，然后鉚接控制器反饋已斷開才可以使機器人與工具分離，若斷開故障則提示報警信息，需要檢查后繼續(xù)執(zhí)行程序?qū)崿F(xiàn)工具的切換。同樣在機器人與工具連接時，仍需要2 個信號點交互成功后才可以進行下一步動作。FDS 工藝的送釘管采用快換工具直連的方式進行送釘動作，所以不需要進行儲料程序的編寫，只需編寫工具切換程序即可，工具切換程序同SPR 工藝相同。

圖12 工具切換程序

3.2.3 功能流程

圖13 為項目功能流程，在每次鉚接工作前需要判斷儲料器情況，若儲料器低于設(shè)置的下限則進入填充程序。儲料器下限值可以根據(jù)現(xiàn)場實際生產(chǎn)需求調(diào)整，可調(diào)節(jié)性較高。

圖13 項目功能流程

4 應(yīng)用驗證

對此課題提出的改進項目進行驗證，檢查其是否滿足實際生產(chǎn)需求，并進行記錄，如表2 所示。

表2 改進項驗證

5 結(jié)束語

目前國內(nèi)的白車身連接工藝以電阻點焊工藝為主，部分合資汽車采用Clinch 及SPR 工藝。雖然國內(nèi)外使用鉚接設(shè)備較多，但是多以單一工藝進行使用，多工藝的鉚接市場使用量仍然較少?；谀壳拔覈总嚿淼纳a(chǎn)使用較少的鉚接工藝的情況下，通過使用多工藝結(jié)合的方法可以減少機器人的采購數(shù)量，降低能源消耗，減少生產(chǎn)成本，提高設(shè)備使用率。此課題研究結(jié)果可以應(yīng)用到具有少量特殊工藝的生產(chǎn)線中，可以與其他基礎(chǔ)工藝進行整合，達到降本增效的目的。