戚才人 楊磊 李磊 董雷 畢愿江 趙亞東

摘要：目前市面上針對(duì)鋁車身的連接工藝，有自沖鉚接、流鉆螺釘擰緊、無釘鉚接等，在工藝及設(shè)備成熟應(yīng)用的基礎(chǔ)上，探究不同工藝的互換性，滿足各大主機(jī)廠對(duì)鋁連接技術(shù)的柔性需求。主要介紹在已建立的鋁連接試驗(yàn)陣地中，通過對(duì)介質(zhì)、設(shè)備接口的快速通斷，將自沖鉚接設(shè)備、流鉆螺釘擰緊設(shè)備、無釘鉚接設(shè)備實(shí)現(xiàn)在同一臺(tái)機(jī)器人上進(jìn)行柔性切換的目的。

關(guān)鍵詞：自沖鉚接（SPR） 流鉆螺釘擰緊（FDS） 無釘鉚接（CLINCH） 柔性

中圖分類號(hào)：U466? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B? ?DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20220197

Abstract： At present， the connection processes for aluminum body in the market include Self-Piercing Riveting（SPR）， Flow Drill Screw （FDS） tightening， riveting without nails （CLINCH）， etc. Based on the mature application of processes and equipments， this paper explores the interchangeability of different processes to meet the flexible requirements of major OEMs on aluminum connection technologies. The paper mainly introduces the SPR equipments， FDS tightening equipments and CLINCH equipments in the established aluminum connection test facility that can be flexibly switched on the same robot through the rapid on-off of the medium and equipment interface.

Key words： Self-Piercing Riveting （SPR）， Flow Drill Screw （FDS）， CLINCH， Flexibility

1 前言

為實(shí)現(xiàn)車身輕量化，同時(shí)保證整車剛度及安全性，輕質(zhì)鋁合金材料在車身上的應(yīng)用比例越來越高，因此自沖鉚接、流鉆螺釘擰緊、無釘鉚接等適用于鋼鋁材料、全鋁材料的連接技術(shù)，在各大主機(jī)廠也獲得越來越廣泛的應(yīng)用。

與鋁制車身的高度普及相同，柔性化生產(chǎn)同樣是汽車產(chǎn)業(yè)無法繞開的核心話題，已經(jīng)上升到所有產(chǎn)線設(shè)計(jì)的較高優(yōu)先級(jí)，尤其是對(duì)于產(chǎn)量較小，生產(chǎn)節(jié)拍較長(zhǎng)的車型，利用較少的設(shè)備投入，完整實(shí)現(xiàn)工藝內(nèi)容，同時(shí)提高機(jī)器人利用率是降本增效的一個(gè)重要途徑。如何在鋁制車身工藝的基礎(chǔ)上，做到設(shè)備柔性化應(yīng)用也是一項(xiàng)值得深入探究的課題。

2 相關(guān)技術(shù)

2.1 自沖鉚接

自沖鉚接技術(shù)（Self-Piercing Riveting，SPR）是通過電機(jī)提供動(dòng)力將鉚釘直接壓入待鉚接板材。在鉚釘壓力下，鉚接板材和鉚釘發(fā)生塑性形變并成形，鉚釘充盈于鉚模之中。自沖鉚接技術(shù)擁有更高的抗疲勞強(qiáng)度、扭轉(zhuǎn)剛度、抗腐蝕性、靜態(tài)緊固力，能夠大幅增加車身連接強(qiáng)度?？捎糜谌X或鋼鋁混合鉚接。工作過程（圖1）如下。

a.壓緊階段：壓邊圈向下壓緊待鉚接板料，鉚釘也在沖頭的驅(qū)動(dòng)下垂直向下對(duì)板料進(jìn)行預(yù)壓緊。

b.沖刺階段：沖頭向下運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)鉚釘迫使其刺穿上層板料，與此同時(shí)鉚釘也在鉚槍驅(qū)使下層板料向凹模內(nèi)發(fā)生塑性變形。

c.成型階段：隨著沖頭向下運(yùn)動(dòng)，鉚釘腿部逐漸張開，下層板料發(fā)生塑性形變逐漸填充入凹模。在沖頭和凹模的共同作用下，鉚釘腿部嵌入下層板，定型后形成了鉚釘與板料間的機(jī)械互鎖結(jié)構(gòu)。

d.沖鉚完成：當(dāng)沖頭將鉚釘下壓至鉚釘頭與上層板料的上表面緊密接觸且平齊時(shí)為鉚接完成，此時(shí)壓邊圈釋放壓邊力，沖頭將返回初始位置，沖鉚過程結(jié)束。

2.2 流鉆螺釘擰緊

流鉆螺釘擰緊技術(shù)（Flow Drill Screw，F(xiàn)DS）是一種使用自動(dòng)緊固設(shè)備和專用流鉆自攻釘，通過摩擦生熱穿透板材，然后攻絲螺接緊固的工藝?？梢赃B接高強(qiáng)鋼、鎂鋁合金等不同種類的材料，可以實(shí)現(xiàn)單面連接，可用于封閉型腔，連接強(qiáng)度高，氣密性水密性好，工作環(huán)境清潔環(huán)保，返修方便，熱融自攻連接工藝在鋼鋁混合的輕量化車身制造的應(yīng)用上有著特殊優(yōu)勢(shì)。工作過程（圖2）如下。

a.加熱：流鉆螺釘?shù)退傩D(zhuǎn)，同時(shí)與板件表面接觸，對(duì)板件預(yù)熱，便于穿透。

b.穿透：螺釘高速摩擦產(chǎn)生高溫，使金屬軟化，沖孔，整個(gè)過程持續(xù)到螺釘穿過下板料為止。

c.通孔：熱塑性變形階段，螺釘轉(zhuǎn)速降低并向下運(yùn)動(dòng)，形成比金屬板料厚度大的通孔。

d.攻螺紋：降低轉(zhuǎn)速及壓力，使流鉆螺釘可以在孔內(nèi)自攻螺紋。

e.擰螺紋：流鉆螺釘正常擰緊。

f.緊固：板件冷卻并與流鉆螺釘緊密貼合，形成一個(gè)氣密性和水密性極高的連接。

2.3 無釘鉚接

無釘鉚接技術(shù)（CLINCH）是利用板件本身的冷變形能力，對(duì)板件進(jìn)行壓力加工，使板件產(chǎn)生局部變形而將板件連接在一起的一種板件連接技術(shù)，這是一種不需要額外連接件的板料連接方式。這種連接方式不需要點(diǎn)焊、鉚接即可實(shí)現(xiàn)不同厚度不同材料的兩層或多層板件的最佳連接。連接對(duì)板件表面無任何要求，表面有鍍層、噴漆的工件無需處理即可直接連接，并且不損傷工件表面，無連接變形。這種連接廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)中，特別是應(yīng)用于汽車車體[1]。工作過程（圖3）如下。

a.在無鉚釘連接過程中，凸模首先與上層材料接觸。

b.材料在上模的壓力下，開始往凹模內(nèi)拉伸變形，同時(shí)凹模活動(dòng)部分向外張開，以使金屬材料充分地在凹模型腔內(nèi)變形，形成一個(gè)緊密的連接點(diǎn)。

c.然后凸模返程，凹模的活動(dòng)部分在彈簧力的作用下回到原始位置。

3 主要原理

3.1 換槍盤應(yīng)用

機(jī)器人換槍盤是通過機(jī)器人自動(dòng)更換不同的末端執(zhí)行器，使機(jī)器人應(yīng)用更具柔性，這些末端執(zhí)行器包含例如焊槍、抓手等。換槍盤包括一個(gè)機(jī)器人側(cè)，用來安裝在機(jī)器人手臂上，還包括一個(gè)或多個(gè)工具側(cè)用來安裝在不同末端執(zhí)行器上。換槍盤能夠讓不同介質(zhì)例如氣體、電信號(hào)、冷卻水等從機(jī)器人手臂連通到末端執(zhí)行器[2]。

本次應(yīng)用所涉及的換槍盤需滿足SPR、FDS、CLINCH、抓具4種末端執(zhí)行工具的快速切換，此換槍盤需要具備極高的兼容性，因此設(shè)計(jì)和構(gòu)成較為復(fù)雜，首先需要了解這4種末端執(zhí)行工具所需要的水、電、氣介質(zhì)，根據(jù)介質(zhì)需求（表1），在機(jī)器人端換槍盤上預(yù)留出不同的介質(zhì)通道，經(jīng)過對(duì)各類末端執(zhí)行工具所接線纜種類的同化，最終得出設(shè)計(jì)結(jié)論。

3.1.1 換槍盤-機(jī)器人側(cè)

換槍盤-機(jī)器人側(cè)需帶有網(wǎng)絡(luò)模塊、電機(jī)編碼器電纜接口、電機(jī)動(dòng)力電纜接口、EtherCat電纜接口、網(wǎng)絡(luò)電纜接口、弱電電纜接口及一路低壓氣接口（圖4）。

3.1.2 換槍盤-工具側(cè)（SPR）

換槍盤-工具側(cè)（SPR）需帶有電機(jī)編碼器電纜接口、電機(jī)動(dòng)力電纜接口及一路低壓氣接口（圖5）。

3.1.3 換槍盤-工具側(cè)（FDS）

換槍盤-工具側(cè)（FDS）需帶有電機(jī)編碼器電纜接口、電機(jī)動(dòng)力電纜接口、弱電電纜接口、EtherCat電纜接口及一路低壓氣接口（圖6）。

3.1.4 換槍盤-工具側(cè)（CLINCH）

換槍盤-工具側(cè)（CLINCH）需帶有電機(jī)編碼器電纜接口、電機(jī)動(dòng)力電纜接口、弱電電纜接口、網(wǎng)絡(luò)線纜接口（圖7）。

3.2 ?？空镜膽?yīng)用

為匹配機(jī)器人換槍盤的使用，需要設(shè)置對(duì)應(yīng)4種末端執(zhí)行工具的?？空荆▓D8），相當(dāng)于末端執(zhí)行工具的存儲(chǔ)站，每個(gè)?？空靖鶕?jù)工具的外形特點(diǎn)設(shè)計(jì)制造非標(biāo)準(zhǔn)支架，可供工具放置其上，并配有到位檢測(cè)開關(guān)，通過接收、發(fā)射信號(hào)，驅(qū)動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行下一步動(dòng)作；換槍盤系統(tǒng)的機(jī)器人側(cè)和工具側(cè)翕合時(shí)，需要保證匹配精度，要保證2個(gè)工具的配合位置的清潔，不能存在由于長(zhǎng)期放置積累灰塵和焊接時(shí)發(fā)生飛濺污染，因此需要配備工具接合處的防護(hù)組件。

3.3 設(shè)備集成

3.3.1 SPR設(shè)備集成

SPR設(shè)備由控制系統(tǒng)、送釘系統(tǒng)、槍體系統(tǒng)3部分構(gòu)成，機(jī)器人通過換槍盤與鉚槍連接（圖9）。

控制系統(tǒng)組成部分包括有控制器、人機(jī)交互顯示屏，其中控制器與自動(dòng)區(qū)PLC實(shí)現(xiàn)信息互通，可將鉚接參數(shù)上傳至上位系統(tǒng)，操作人員可以通過人機(jī)交互顯示屏對(duì)鉚接過程的行程、速度、預(yù)壓時(shí)間、壓力參數(shù)進(jìn)行設(shè)定和調(diào)試。

送釘系統(tǒng)組成部分包括有送料器、送釘管、充釘站，其中送料器常與控制器放置在一起，可容納大批量的同種鉚釘，設(shè)備運(yùn)行時(shí)，送料器將小批量的鉚釘通過送釘管充入自動(dòng)區(qū)內(nèi)的充釘站中，充釘站相當(dāng)于送料器與槍體上的鉚釘彈夾媒介。

槍體系統(tǒng)組成部分包括有鉚槍主體、鉚釘彈夾、接收器、凹模，鉚槍工作時(shí)，槍體運(yùn)行到充釘站處，充釘站將鉚釘小批量充入鉚釘彈夾中，鉚釘彈夾將鉚釘逐個(gè)送入到接收器內(nèi)，槍體閉合將鉚釘充入凹模，即完成鉚接過程。

3.3.2 FDS設(shè)備集成

FDS設(shè)備由控制系統(tǒng)、送釘系統(tǒng)、擰緊系統(tǒng)3部分構(gòu)成，機(jī)器人通過換槍盤與擰緊槍連接（圖10）。

控制系統(tǒng)組成部分包括有控制器、人機(jī)交互顯示屏，其中控制器與自動(dòng)區(qū)PLC實(shí)現(xiàn)信息互通，可將擰緊參數(shù)上傳至上位系統(tǒng)，同時(shí)可儲(chǔ)存5 000組擰緊數(shù)據(jù)，操作人員可通過人機(jī)交互顯示屏對(duì)擰緊過程的轉(zhuǎn)速、扭矩、深度、間隙補(bǔ)償參數(shù)進(jìn)行設(shè)定和調(diào)試。

送釘系統(tǒng)組成部分包括有送料器、送釘管，其中送料器常與控制器放置在一起，可容納大批量的螺釘，設(shè)備運(yùn)行時(shí)，送料器通過送釘管，將螺釘送入擰緊槍中；擰緊槍工作時(shí)，將送料器吹送的螺釘壓緊并擰入板材中，即完成擰緊過程。

3.3.3 CLINCH設(shè)備集成

CLINCH設(shè)備由控制系統(tǒng)、槍體系統(tǒng)2部分構(gòu)成，機(jī)器人通過換槍盤與鉚槍連接（圖11）。

控制系統(tǒng)內(nèi)置質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)，通過力-位移-圖的形式，監(jiān)控鉚點(diǎn)的質(zhì)量，同時(shí)儲(chǔ)存相關(guān)數(shù)據(jù)。

槍體系統(tǒng)組成部分包括鉚槍主體、凸模、凹模、脫模組件，采用凸模驅(qū)動(dòng)方式，實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)連接，一次沖壓加工完成一個(gè)點(diǎn)連接。

4 應(yīng)用分析

4.1 線體布局

在自動(dòng)區(qū)中將所有連接工具集成在一起（圖12），在8.5 m×6.5 m的自動(dòng)區(qū)內(nèi)，機(jī)器人置于七軸軌道上，并與換槍盤機(jī)器人側(cè)相連接；SPR、FDS、CLINCH 3種連接工具分別置于對(duì)應(yīng)的工具?？空旧希⑴c換槍盤工具端相連接；工裝夾具置于上件料口，與地面定位系統(tǒng)相配合，保證夾具整體定位精準(zhǔn)。

4.2 線體運(yùn)行

自動(dòng)區(qū)在料口處設(shè)有工裝夾具定位系統(tǒng)，AGV將不同的夾具送入料口，通過定位系統(tǒng)對(duì)夾具進(jìn)行精定位，以滿足自動(dòng)焊接的需求。

夾具精定位后，通過PLC對(duì)整個(gè)工作站進(jìn)行自動(dòng)化控制，系統(tǒng)識(shí)別出夾具種類后，即可調(diào)用出與此夾具所對(duì)應(yīng)的機(jī)器人程序。例如，系統(tǒng)識(shí)別出此套夾具板材需要SPR工藝焊接，機(jī)器人則運(yùn)行至SPR鉚槍?？空?，通過換槍盤與鉚槍相連接后，再運(yùn)行至夾具進(jìn)行鉚接，直至鉚接過程結(jié)束，機(jī)器人將再次運(yùn)行至SPR鉚槍?？空荆瑩Q槍盤脫開，將鉚槍放入?？空竞?，機(jī)器人回歸原點(diǎn)。

以此，機(jī)器人通過預(yù)設(shè)好的程序，即可柔性切換不同的連接工具，并可做大范圍拓展，根據(jù)板材、料厚的不同種類，快速切換連接工具組件。例如，SPR鉚鉗可通過切換鉚釘彈夾、接收器、凹模等組件，可兼容不同直徑、不同長(zhǎng)度的鉚釘使用；FDS擰緊槍可增加送料器，可兼容不同直徑、不同長(zhǎng)度的螺釘；CLINCH鉚槍，可通過切換凸模、凹模，實(shí)現(xiàn)不同板材、料口的鉚接工藝。

自動(dòng)區(qū)在運(yùn)行鋁車身連接技術(shù)柔性應(yīng)用的同時(shí)，也可拓展為鋁車身連接的試驗(yàn)陣地，可兼容不同板材、不同工藝的連接試驗(yàn)。連接設(shè)備本身具備數(shù)據(jù)采集擴(kuò)展功能，在試驗(yàn)過程中，連接不同工藝、板材、料厚所設(shè)置的參數(shù)，可上傳到數(shù)據(jù)庫中，并通過數(shù)據(jù)庫互聯(lián)實(shí)現(xiàn)與工廠MES/ERP系統(tǒng)連接，實(shí)現(xiàn)各層級(jí)間的數(shù)據(jù)互聯(lián)，用以增強(qiáng)技術(shù)儲(chǔ)備，同時(shí)支撐不同車身產(chǎn)品的前期研發(fā)試制工作。

5 結(jié)束語

在熟悉一種工藝設(shè)備應(yīng)用的基礎(chǔ)上，應(yīng)當(dāng)做更深層次的探究，未來的生產(chǎn)模式更趨近于柔性化、定制化，因此相關(guān)的的研究也就勢(shì)在必行，更快更好地掌握核心技術(shù)，就可以在行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)中掌握先機(jī)。

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