工业机器人超声波自动化焊点检测设备的设计研究

代 巍， 韦庆恒， 谢 宁， 何道聪， 杨 华

（1.上汽通用五菱汽车股份有限公司， 广西 柳州 545007； 2.湖南湖大艾盛汽车技术开发有限公司， 湖南 长沙 410205）

0 引言

汽车的制造质量是由制造业发展水平决定的， 目前我国在汽车制造装备，自动化生产线技术，生产性能检测等方面都具有相当的规模， 但在先进性方面与国外发达国家都存在着非常大的差距， 这些差距严重影响着中国汽车制造工业水平的提高。 因此只有发展高端的检测装备， 并掌握核心技术， 才能提升我国汽车制造业发展水平，实现汽车强国梦。

在汽车白车身制造过程中， 焊接是主要连接工艺方法， 如典型的白车身通常由250 多个有复杂空间曲面的薄板冲压零件在55～75 个装配站生产线上大批量快节奏的焊接而成，装夹、定位点达到1700～2500 个，焊点多达4000～5000 个。 车身焊点质量直接决定了车身装配质量以及整车安全性、舒适性及可靠性等。 目前国内主机厂对焊点质量的检测都是采用人工手动方式进行抽检。

国内外尚无焊点在线检测装备， 甚至单个焊点质量检测理论、评价标准也受国外严密封锁，造成了车身大批量生产的高效率与人工质量检测的可靠性差， 以及低效率的矛盾。 针对目前国内焊点在线检测装备、焊点评价，暂属于空白与人工大批量检测效率低的问题， 本文设计了基于工业PC 的工业机器人的超声波自动化焊点检测设备解决以上问题。

1 机械设计部分

1.1 机械部分设计原理

为了实现超声波探头跟随机器人手臂实时运动，设计集成超声探头、激光测距仪、光源、相机一体的超声探头夹具。 将超声探头夹具通过法兰固定与工业机器人末端， 从而实现超声波探头能够实时地跟随机器人运动而运动。

1.2 机械结构解析

超声探头夹具包括超声探头、激光测距仪、光源、相机，如图1 所示。超声波探头和激光测距仪分别位于夹具两侧，光源与相机位于中心。 一开始夹具跟随机器人在原点位置，当检测开始时，超声波探头夹具会根据事前示教好了的机器人轨迹运动至需要检测的焊点位置。 相机与激光测距仪对焊点的表面三维进行测量得出焊点位置偏差， 反馈给机器人进行位置补偿， 最后引导超声探头到焊点上进行检测。 超声波探头对焊点进行检测完成后进行下个焊点检测， 直至检测完成所有焊点检测， 然后回到机器人原点位置。

图1 超声波夹具机械部分设计数模

2 焊点质量评价设计

2.1 超声波焊点检测原理

如图2（a）所示，根据点焊原理，通过对焊接工件施加压力和通电流，利用材料的电阻热，使母材熔化或达到塑性状态，在持续压力作用下形成金属结合。 焊点质量主要受电流、电极压力、焊接时间、电极形状、材料性能及工件表面状况等因素的影响。 通过控制焊接工艺参数与焊接条件， 可制成不同品质的焊点，实现对焊点质量的定义。 利用超声信号在不同介质间传输时产生的波形反射和透射时的传播衰减情况，引入超声检测原理，如图2（b）所示，超声波探头的压电晶片经激励装置的高压脉冲激励后产生正压电效应，从而产生超声波。 超声波经水柱、薄膜和耦合剂入射到焊点工件中。 在焊点内部，焊点焊核质量的差别， 因而造成超声波的信号具有不同的特性。在传播的同时，焊点母材和焊核等介质对超声波的吸收和散射造成了超声波信号序列的衰减。 超声波在焊点内部中来回反射、透射和衰减后，形成脉冲回波序列，超声回波序列通过超声波探头的压电晶片的逆压电效应转换成电信号，经过检测系统处理，形成如图2（b）中所示的脉冲回波序列根据脉冲回波序列中回波时间间隔、峰值的衰减情况等相关时频特征[1，2]，可对焊点质量进行评估。

图2 超声波焊点检测原理

2.2 超声波焊点评价系统建立

通过人工制作8000 余个焊点样件，对其超声数据采集并利用算法寻优计算， 建立了8 种厚度组合的焊点数据库；通过仿真建模分析与算法寻优结合的方法，建立了1.2～3.0mm 厚度范围内的两层板焊点及2.9～3.9mm 厚度范围内的三层板焊点的特征数据计算公式。 实现了1.2～3.9mm 厚度范围内所有焊点的质量评价标准，实现了基于高频超声的汽车焊点质量评价标准。

3 电控部分设计

电控部分选用AB PLC 和工业PC 作为控制单元。 控制部分的总体结构如图3 所示： 以PLC 和PC 机作为控制的核心。 PLC 负责现场车型信息、夹具状态信息、光栅信息与工位安全信息的接收与处理。 PC 机负责接收处理机器人末端夹具系统的视觉图像信息、 机器位置状态信息与超声波探头采集回来的焊点信息， 最终通过对应的处理形成焊点信息数据分析报告输出。

图3 控制部分总体结构

3.1 感知控制设计

夹具上集成有超声探头、激光测距仪、光源、相机用于感知提取焊点的三维的位置信息，并通过串口与以太网传将数据信息送至PC 机进行计算得到焊点中心在机器人坐标系下的位置信息， 然后通过PC 机发送给机器人引导机器人执行机构上的超声探头夹具运动到焊点正上方，进行焊点质量信息提取与评价。

3.2 运动控制部分设计

当白车身到达工位后， 启动机器人按照事前约定好的轨迹进行运动。 机器人由PLC 控制，PLC 通过Ethernet 发送启动命令控制机器的启动。机器人运动到指定焊点位置时，相机开始拍照。 相机的拍照动作由PC 机通过Ethernet 发送指令进行控制， 当发送拍照命令时相机拍照一次。 激光测距仪通过RS232 串口进行控制。 当发PC 机通过串口送2 时，激光测试一次。 超声波探头对焊点质量的信息读取由机器人控制，当机器人R[1] =1 时，PC 开始读取超声波探头采集回来的数据， 当机器人中的寄存R[2]=2 时超声波探头则停止采集[3-5]。 然后开始进入下一个焊点的检测。

4 控制程序设计

产线运行工作，当车身进入工位时，系统为先检测车身是否到位、安全信号是否正常、机器人是否在原点位置检测，以确保工位的安全与正常检测作准备工作。当确认安全信号正常同时接收到允许检测的信号时， 焊点检测系统开始启动机器人进行焊点质量检测。 具体工作步骤如图4 所示。

图4 逻辑控制流程图

5 样机试验

通过制作样机与编程调试制作完成了基于超声波的自动化焊点在线检测样机，如图5 所示。

相比与人工手动焊点检测， 使用基于超声波的自动化焊点检测装备，实现了焊点自动化检测功能，同时解决了只能依靠人工抽检方式效率低下问题， 极大的提高了检测效率。人工检测严重依赖检测人的经验，人为因素对焊点质量检测的干扰较大，而工业机器人稳定高、可靠性高、定位精度高，为自动化焊点检测的高稳定性提供了保证。 自动化焊点检测装备的开发也填补了国内焊点质量检测理论、评价标准与焊点质量自动化检测的空白，为我国的汽车制造产业质量的提供了技术保障。

图5 焊点质量自动化检测样机

6 结论

本文对工业机器人的超声波自动化焊点检测装备进行了设计研究，并通过实际现场调试、试验、使用，得到如下结论：

该焊点检测装备能够在生产线使用， 代替人工检测实现自动化检测。

机械接口设计比较精简， 在使用的过程易于按照与拆卸，同时也便于维护，平时使用的只需要进行简单的探头检测耦合剂添加即可。

基于工业机器人的设计， 有效的保证了自动化检测时的可靠性、稳定性。 实现了焊点质量自动化检测，提高了检测效率。