基于機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)的高速激光填絲釬焊系統(tǒng)

葉 潘，吳 焰，路華峰

東風(fēng)本田汽車有限公司，湖北 武漢 430058

0 前言

激光填絲釬焊具有焊接速度快、能量密度集中并可控、焊接形變小、焊縫成形美觀等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于汽車白車身制造中，成為實(shí)現(xiàn)側(cè)圍與頂蓋穩(wěn)定連接的主流技術(shù)[1-3]。隨著激光填絲釬焊技術(shù)在國(guó)內(nèi)諸多品牌廠商中的成熟應(yīng)用[4-6]，在保證焊縫質(zhì)量的前提下，對(duì)焊接加工效率提出了更高的要求。尤其在注重多車型柔性化生產(chǎn)的日系車企，一套激光填絲釬焊設(shè)備需要滿足不同尺寸白車身的加工節(jié)拍要求，因此獲得適應(yīng)不同焊接速度下的加工工藝參數(shù)成為實(shí)現(xiàn)精益化生產(chǎn)的關(guān)鍵。就目前的量產(chǎn)加工速度而言，國(guó)內(nèi)大多數(shù)車企的白車身頂蓋焊接速度為70 ～80 mm/s[7-9]，能在30 s內(nèi)完成1 500 mm焊縫的加工。鄭世卿等人[9]在單激光熱源填絲釬焊系統(tǒng)中對(duì)焊絲導(dǎo)通熱絲電流，在100 mm/s焊接速度下獲得了表面光滑無(wú)缺陷的高質(zhì)量焊縫，這也是國(guó)內(nèi)已知的單激光熱源填絲釬焊技術(shù)在量產(chǎn)中所達(dá)到的最高速度。但是在尋求更高焊接速度以滿足更大尺寸車身加工時(shí)，單激光熱源由于存在特定的功率上限[10]以及輔助熱絲電流過(guò)大[11]對(duì)焊絲末端定位精度的影響，在不增加釬焊熱源數(shù)目的前提下已經(jīng)很難實(shí)現(xiàn)更高焊接速度的突破。

另一方面，工業(yè)機(jī)器人作為高端制造裝備的重要組成部分，技術(shù)附加值高，應(yīng)用范圍廣，是我國(guó)先進(jìn)制造業(yè)的重要支撐技術(shù)和信息化社會(huì)的重要生產(chǎn)裝備[12]，尤其是近些年來(lái)，基于開(kāi)放式控制系統(tǒng)和高速總線網(wǎng)絡(luò)通訊功能的快速發(fā)展，使得以機(jī)器人為核心，專用設(shè)備為輔助，適應(yīng)不同工藝的綜合功能系統(tǒng)得到規(guī)模化的推廣應(yīng)用[13]。

本文將激光填絲釬焊技術(shù)與工業(yè)機(jī)器人技術(shù)相融合，基于機(jī)器人現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)構(gòu)建了一種新型高速激光填絲釬焊系統(tǒng)，用以解決現(xiàn)有激光填絲釬焊工藝的加工速度問(wèn)題。結(jié)合未來(lái)對(duì)于高速、穩(wěn)定的焊接加工技術(shù)的要求，開(kāi)發(fā)的新型成套焊接系統(tǒng)具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和技術(shù)前瞻性。

1 高速激光填絲釬焊系統(tǒng)組成

1.1 機(jī)械系統(tǒng)

機(jī)器人高速激光填絲釬焊的機(jī)械系統(tǒng)主要由激光熱源裝置、送絲設(shè)備、視覺(jué)補(bǔ)償系統(tǒng)和機(jī)器人系統(tǒng)等組成。

熱源是影響焊絲熔化最核心的因素，機(jī)器人移動(dòng)軌跡與焊縫的一致性也是保證焊縫填充以及品質(zhì)穩(wěn)定的關(guān)鍵所在，焊絲的順暢進(jìn)給影響焊縫的截面尺寸和強(qiáng)度。因此相較于傳統(tǒng)單一熱源存在的局限性，采用兩臺(tái)激光發(fā)生器，經(jīng)由光纖和聚焦組件，從焊接方向前、后以不同的角度照射焊絲，提供均勻且高效的熱源。其次為了適應(yīng)零件尺寸波動(dòng)以及裝配精度變化帶來(lái)的焊接路徑變更，配置了基于視覺(jué)傳感技術(shù)的焊縫輪廓識(shí)別與軌跡跟蹤裝置，能夠在高速焊接時(shí)對(duì)焊接軌跡進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償，保證焊接軌跡的一致性。同時(shí)配置檢測(cè)裝置對(duì)焊縫進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。

機(jī)器人高速激光填絲釬焊系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)示意如圖1、圖2所示，通過(guò)合理的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將各設(shè)備單元按照其特性進(jìn)行組裝，得到多功能模塊化的激光焊接頭。

圖1 激光填絲釬焊系統(tǒng)Fig.1 Laser filler wire brazing system

圖2 模塊化激光頭Fig.2 Modular laser head

1.2 控制系統(tǒng)

高速激光填絲釬焊系統(tǒng)是在機(jī)器人高開(kāi)放性的控制系統(tǒng)以及模塊化的軟硬件接口之上，通過(guò)適用的總線協(xié)議建立起的系統(tǒng)集成。在實(shí)際案例中，采用安川（YASKAWA MOTOMAN）MS165型高負(fù)載、高精度六軸機(jī)器人，搭配DX200型控制柜，具備高速以太網(wǎng)與DeviceNET現(xiàn)場(chǎng)總線通訊功能，分別與上端自動(dòng)線主控PLC和下端專用設(shè)備進(jìn)行I/O通訊，安川機(jī)器人控制系統(tǒng)的激光填絲釬焊設(shè)備網(wǎng)絡(luò)示意如圖3所示。安川機(jī)器人控制柜中CPU單元內(nèi)置兩塊通訊基板，其中YEC-EIP-PCU基板作為網(wǎng)絡(luò)從站，經(jīng)由分線端口與PLC通訊模塊進(jìn)行高速大容量EtherNET/IP網(wǎng)絡(luò)通訊。而SST-DN4-PCU-2基板作為主站，采用DeviceNET與機(jī)器人下端各類專用設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)總線通訊。

圖3 基于機(jī)器人控制系統(tǒng)的激光釬焊設(shè)備網(wǎng)絡(luò)拓?fù)銯ig.3 Network topology of laser wire-filled brazing equipment based on robot control system

根據(jù)各專用設(shè)備的使用要求和通訊所需字節(jié)長(zhǎng)度，分配機(jī)器人與外圍設(shè)備進(jìn)行DeviceNET網(wǎng)絡(luò)通訊時(shí)的節(jié)點(diǎn)號(hào)、I/O地址區(qū)間等參數(shù)，建立機(jī)器人與外圍設(shè)備的I/O交互功能。表1為安川機(jī)器人作為DeviceNET通訊主站時(shí)的下端各從站信息，其中機(jī)器人本身默認(rèn)節(jié)點(diǎn)號(hào)為0，1 ～63為從站設(shè)備可選節(jié)點(diǎn)。

表1 安川機(jī)器人DeviceNET網(wǎng)絡(luò)下端各從站信息Table 1 Information of each slave station in DeviceNET network of Yaskawa robot

除了分配安川機(jī)器人與各從站設(shè)備通信所用的外部I/O信號(hào)外，機(jī)器人通過(guò)內(nèi)部梯形圖制定外部I/O與通用I/O信號(hào)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以便于通過(guò)機(jī)器人的用戶程序進(jìn)行相關(guān)指令的發(fā)送以及各類反饋信號(hào)判斷。

2 系統(tǒng)單元

2.1 激光發(fā)生器

激光發(fā)生器作為激光加工系統(tǒng)中最核心的設(shè)備，能夠?yàn)榍懈睢⒑附?、彎曲成形、表面處理等過(guò)程提供高功率密度的熱源。由于在實(shí)際生產(chǎn)中激光發(fā)生器提供的激光功率遠(yuǎn)大于0.5 W，屬于具有嚴(yán)格安全要求的第4級(jí)應(yīng)用激光（根據(jù)IEC/EN 60825-1標(biāo)準(zhǔn)），因此在激光發(fā)生器的使用中，最重要的便是安全。圖4為通快（TRMPF TRUDIODE 6006）激光發(fā)生器在焊接系統(tǒng)中的安全信號(hào)組成，構(gòu)建激光器在工業(yè)機(jī)器人及PLC系統(tǒng)下的控制回路，可以在保證設(shè)備安全的前提下更有效地使用高能激光束。通常激光發(fā)生器的控制回路有兩大類，一類是基于自動(dòng)線所有安全設(shè)備包括急停按鍵、安全門環(huán)路、光柵、區(qū)域掃描儀等部件串聯(lián)成的高等級(jí)安全回路，另一類則是機(jī)器人與激光發(fā)生器通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線形成的I/O信號(hào)互聯(lián)和PLC通過(guò)繼電器影響激光發(fā)生器安全回路的通斷，這也是激光發(fā)生器經(jīng)由PLC和機(jī)器人用戶程序?qū)崿F(xiàn)全流程激光加工的前提。

圖4 激光發(fā)生器安全回路與控制回路Fig.4 Safety and control loop of laser oscillator

在構(gòu)建好激光發(fā)生器的安全回路以及I/O互聯(lián)之后，首先需要結(jié)合激光發(fā)生器既定的激光束啟動(dòng)時(shí)序開(kāi)發(fā)出對(duì)應(yīng)的機(jī)器人子程序，以便在設(shè)計(jì)全流程加工時(shí)通過(guò)機(jī)器人程序進(jìn)行激光功能的指定和調(diào)用。圖5a為案例中通快激光發(fā)生器的出光時(shí)序，可設(shè)計(jì)程序名及對(duì)應(yīng)功能如下：LASER_READY用于確認(rèn)激光器安全回路閉合，進(jìn)入工作準(zhǔn)備狀態(tài)；LASER_PROG_ON用于激光程序激活，使激光束處于臨界釋放狀態(tài)。RST_BRAZE用于焊接完成后，將激光發(fā)生器工作程序號(hào)以及各類交互信號(hào)清零。

其次在激光發(fā)生器內(nèi)部編寫(xiě)相應(yīng)的激光發(fā)生器工作程序，設(shè)計(jì)或更改焊接激光束的脈沖形狀和控制方式，用以滿足材料焊接特性對(duì)激光熱源能量分布狀態(tài)的要求，同時(shí)便于機(jī)器人在應(yīng)用程序中直接調(diào)用，如圖5b所示。

圖5 激光束啟動(dòng)時(shí)序及激光工作程序Fig.5 Laser beam starting sequence and laser working procedure

2.2 送絲設(shè)備

送絲設(shè)備的作用是在機(jī)器人的指令下將焊絲從絲桶抽出，經(jīng)由送絲管進(jìn)給至焊接位置，使焊絲在激光照射下穩(wěn)定熔化。因此送絲設(shè)備的穩(wěn)定性從根本上影響了焊縫均勻化成形過(guò)程，其中送絲阻力又是影響穩(wěn)定送絲最關(guān)鍵的因素，送絲機(jī)需要保證均勻的送絲速度。在送絲機(jī)內(nèi)置從動(dòng)輪編碼器的檢測(cè)下，將實(shí)際速度與設(shè)定速度進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)反饋機(jī)制調(diào)整驅(qū)動(dòng)輪的扭矩來(lái)調(diào)整轉(zhuǎn)速，如圖6所示。送絲設(shè)備與機(jī)器人進(jìn)行I/O通訊，通過(guò)機(jī)器人程序設(shè)置相應(yīng)送絲速度，經(jīng)由寄存器賦值給外部I/O信號(hào)，從而控制送絲速度。同時(shí)根據(jù)焊縫填充的均勻性要求設(shè)定實(shí)際送絲速度相對(duì)波動(dòng)許可范圍，避免送絲速度變化過(guò)大引起焊縫品質(zhì)波動(dòng)。

圖6 送絲系統(tǒng)閉環(huán)調(diào)節(jié)機(jī)制Fig.6 Closed-loop regulation mechanism of wire feeding system

采用BINZEL MFS-V3送絲系統(tǒng)，通過(guò)控制軟件，選擇由“總線控制送絲速度”，便于在機(jī)器人程序中經(jīng)由寄存器命令賦值外部I/O信號(hào)直接設(shè)置送絲速度，如圖7所示。

圖7 送絲系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定Fig.7 Parameter setting of wire feeding system

2.3 視覺(jué)系統(tǒng)

激光填絲釬焊設(shè)備采用賽融（SERVO_ROBOT）視覺(jué)系統(tǒng)，包含兩套獨(dú)立的子系統(tǒng)，分別為焊接前焊縫輪廓識(shí)別與焊接軌跡補(bǔ)償?shù)淖粉欁酉到y(tǒng)以及焊后品質(zhì)實(shí)時(shí)檢測(cè)的檢查子系統(tǒng)。前者的作用在于通過(guò)對(duì)焊縫端面輪廓的識(shí)別計(jì)算獲得最佳焊接位置的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，經(jīng)由控制柜傳輸至Y/Z軸伺服補(bǔ)償機(jī)構(gòu)，在機(jī)器人移動(dòng)的同時(shí)進(jìn)行軌跡微調(diào)，從而提高熔池隨動(dòng)過(guò)程的穩(wěn)定性[14-15]。而檢查相機(jī)則是對(duì)已成形焊縫表面進(jìn)行多種尺寸測(cè)量，具備“檢測(cè)異常即報(bào)警停止”功能。

與激光發(fā)生器的出光流程類似，在完整的焊接過(guò)程中，視覺(jué)系統(tǒng)中的追蹤補(bǔ)償子系統(tǒng)與焊縫檢查子系統(tǒng)需要建立多個(gè)允許機(jī)器人調(diào)用的子任務(wù)，如圖8所示為賽融視覺(jué)系統(tǒng)使用基準(zhǔn)，用戶利用通用I/O接口信息與任務(wù)觸發(fā)時(shí)序在機(jī)器人示教器開(kāi)發(fā)出用于各個(gè)環(huán)節(jié)的子程序包含車型任務(wù)號(hào)調(diào)用（不同車型，搭接斷面識(shí)別算法不同）、追蹤/檢查相機(jī)掃描激光激活、追蹤相機(jī)焊縫斷面尋位/跟蹤啟動(dòng)、檢查相機(jī)啟動(dòng)等功能。

圖8 賽融視覺(jué)系統(tǒng)使用基準(zhǔn)Fig.8 SERVO_ROBOT vision system using benchmark

3 機(jī)器人程序開(kāi)發(fā)

機(jī)器人的用戶程序?qū)⒅苯佑绊懠す夂附舆^(guò)程的穩(wěn)定性和可靠性，根據(jù)激光發(fā)生器、送絲機(jī)、焊縫識(shí)別與補(bǔ)償設(shè)備、焊縫品質(zhì)檢查設(shè)備以及其他冷卻水/保護(hù)氣的使用要求，構(gòu)建合適的程序架構(gòu)便于更加直觀地控制焊接過(guò)程。圖9為激光填絲釬焊的流程。其中，關(guān)鍵焊接參數(shù)如①中的激光功率、送絲速度可通過(guò)更改機(jī)器人程序中寄存器的賦值來(lái)間接指定外部I/O信號(hào)進(jìn)行設(shè)置，而焊接速度和焊絲傾角則在示教機(jī)器人行進(jìn)軌跡及姿勢(shì)時(shí)進(jìn)行調(diào)整。設(shè)定完最基本的焊接參量之后，通過(guò)②中子程序調(diào)用，請(qǐng)求包括激光發(fā)生器、送絲機(jī)、焊縫識(shí)別追蹤相機(jī)以及品質(zhì)檢查相機(jī)在內(nèi)的專用設(shè)備內(nèi)部的應(yīng)用程序任務(wù)號(hào)。在③與④中，由子程序建立多時(shí)序I/O交互過(guò)程，使激光發(fā)生器與送絲機(jī)處于程序激活狀態(tài)，同時(shí)運(yùn)行機(jī)器人至焊縫開(kāi)始位置，打開(kāi)焊縫識(shí)別追蹤相機(jī)，通過(guò)線型激光束掃描焊縫搭接斷面并結(jié)合輪廓算法進(jìn)行識(shí)別。⑤中通過(guò)預(yù)期輸出指令及其延時(shí)功能，精準(zhǔn)控制出光和出絲的時(shí)間差，調(diào)整起焊位置的焊縫形貌，避免出現(xiàn)缺口和焊瘤。⑥ ～⑧中，焊接過(guò)程進(jìn)行35 mm以后，后置的品質(zhì)檢查相機(jī)啟動(dòng)，從起始端檢查焊縫尺寸參數(shù)，直至機(jī)器人焊接完成后，停止出光、出絲，停止焊縫識(shí)別跟蹤，繼續(xù)前行35 mm以后焊縫檢查過(guò)程終止。⑨中機(jī)器人運(yùn)行至工作原點(diǎn)，原先與外圍設(shè)備的所有交互信號(hào)復(fù)位，當(dāng)前工作循環(huán)停止，等待下一個(gè)循環(huán)啟動(dòng)。

圖9 激光填絲釬焊流程Fig.9 Process of laser brazing with filler wire

激光填絲釬焊過(guò)程的用戶程序開(kāi)發(fā)是基于整套工藝流程以及設(shè)備觸發(fā)時(shí)序完成的，尤其是對(duì)于工藝穩(wěn)定性具有極高要求的激光填絲釬焊工藝，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先滿足關(guān)鍵工藝參數(shù)調(diào)整的便捷性及可靠性。同時(shí)，在工業(yè)生產(chǎn)中，除了保證獲得高質(zhì)量的焊縫，更需要兼顧成套設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性。通過(guò)合理的設(shè)定激光發(fā)生器、送絲機(jī)、視覺(jué)相機(jī)等設(shè)備不同I/O交互進(jìn)程在程序中的排列順序，可以提升車身的焊接加工速度。清晰的邏輯架構(gòu)與順控執(zhí)行特點(diǎn)也會(huì)降低故障排查所用的時(shí)間。

4 高速激光填絲釬焊系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例

在東風(fēng)本田Y車型的實(shí)際加工應(yīng)用中，出于對(duì)焊縫耐腐蝕性能以及43 s/臺(tái)加工節(jié)拍的要求，采用CuMn6Zn5焊絲[16]，化學(xué)成分為w（Cu）=89%，w（Mn）=6%，w（Zn）=5%，最低焊接速度105 mm/s，送絲速度6.7 m/min，氬氣流量25 L/min，優(yōu)化后匹配范圍：前激光2.0 ～3.25 kW，后激光3.25 kW[17]。獲得的焊縫形貌如圖10所示，其中腳長(zhǎng)A為焊縫與側(cè)圍母材的連接長(zhǎng)度，腳長(zhǎng)B為焊縫與頂蓋母材的連接長(zhǎng)度，厚度H為形成焊縫有效填充高度。焊縫整體表面光滑，與兩側(cè)母材邊界清晰整齊，同時(shí)焊縫內(nèi)部填充飽滿無(wú)明顯缺陷。

圖10 焊縫形貌特征Fig.10 Appearance and cross section during high speed laser wire-filled brazing

在對(duì)白車身進(jìn)行定期全解剖測(cè)試中，選取頂蓋左右兩側(cè)焊縫的前、中、后三段制成寬度為20 mm的試樣進(jìn)行焊縫截面金相尺寸測(cè)量與強(qiáng)度測(cè)試，如圖11所示，失效位置均為母材，其最大拉伸力達(dá)到4.04 kN，遠(yuǎn)超同行業(yè)基準(zhǔn)2.18 kN，如表2所示?？梢?jiàn)基于雙激光熱源構(gòu)建的高速激光填絲釬焊系統(tǒng)能夠獲得更高強(qiáng)度的焊縫，顯著提升車身結(jié)構(gòu)性能。

圖11 焊縫試樣選取Fig.11 Selection of weld sample

表2 各段焊縫截面尺寸測(cè)量與強(qiáng)度測(cè)試數(shù)值Table 2 Dimensional measurements and strength test values of weld sections

5 結(jié)論

基于機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建了一套高速激光填絲釬焊系統(tǒng)，采用該系統(tǒng)在東風(fēng)本田Y車型的實(shí)際加工中得到了表面光滑、邊界清晰整齊、內(nèi)部填充飽滿的優(yōu)質(zhì)焊縫，且具有優(yōu)異的拉伸性能。同時(shí)，在雙激光熱源填絲釬焊系統(tǒng)的基礎(chǔ)上可根據(jù)實(shí)際加工情況增加或刪除相應(yīng)組成模塊，調(diào)整焊接系統(tǒng)所需的特定功能，用以滿足各類焊接加工的使用要求，比如增加弧焊電源可開(kāi)發(fā)出單/雙激光束輔助GMAW焊接系統(tǒng)，解決高厚板材焊接中存在的熔深不足等問(wèn)題。也可以通過(guò)增加超聲耦合裝置，利用超聲波的空化效應(yīng)和聲流效應(yīng)去除釬焊過(guò)程表面氧化膜以及消除熔池氣孔，實(shí)現(xiàn)鋁合金材料焊接質(zhì)量的提升。