自动螺柱焊接系统在白车身焊接的应用研究

曹德严 张思帆 武晓亮

摘要：在汽车制造过程中，螺柱是线速、油管、支架等部件安装固定的重要工艺，被大量应用于白车身生产。传统手动螺柱焊接方法稳定性差，焊接精度低，严重影响汽车制造质量。PIDS自动螺柱焊接系统，有效的将螺柱焊接系统与机器人控制系统进行兼容，确保螺柱重复定位精度和焊接质量的稳定性，能够有效提升汽车制造质量，在白车身焊接领域具有广阔的应用前景。

Abstract： In the process of automobile manufacturing， stud is an important process for fixing components such as line speed， oil pipe and bracket， which is widely used in Body-in-White production. The traditional manual stud welding method has poor stability and low welding precision， which seriously affects the quality of automobile manufacturing. PIDS automatic stud welding system can effectively make stud welding system compatible with robot control system， ensure stud re-positioning accuracy and stability of welding quality， effectively improve automobile manufacturing quality， and has broad application prospects in the field of BIW welding.

關键词：螺柱焊接;汽车制造;PIDS;机器人

Key words： stud welding;automobile manufacturing;PIDS;robot

中图分类号：TG453.3                                   文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2021）01-0100-02

0  引言

螺柱焊接是将螺柱通过焊接热源，对端面、板材、筒体弧面等型体局部快速加热、加压焊接的方式，被大量应用于白车身制造中。传统手动螺柱焊接存在焊接质量稳定性差、定位精度低、劳动强度大的问题，逐步被自动螺柱焊接系统替代[1]。本文以鸿栢PIDS-A20AT自动螺柱焊机和FRS系列螺柱自动送料机与ABB7600焊接机器人集成白车身螺柱自动焊接系统。该系统采用开放式的螺柱焊接工艺，仅需外部触发启动ABB7600 Robot和PIDS螺柱焊接系统任务号，可实现白车身制造工件中的全部或部分螺柱的焊接工作，具有自动化程度高、效率和稳定性高、稳定性好、成本低的优点。

1  PIDS 螺柱焊接系统

PIDS 螺柱焊接系统由PIDS 主机、FRS5 送料机、手持编程器、机器人、全自动伺服焊枪及相关综合控制管线包组成。PIDS 主机是 PIDS 螺柱焊接系统的核心设备，该设备配置5个独立焊接通道，可按照先后顺序对各个通道送料机进行服务;FRS5具有自动输送螺柱的功能，与全自动伺服焊枪连接使用可完成PIDS焊机的时序控制、伺服电机精确控制及机器人的信息传送;手持编程器主要用于调试和校验焊接数据、修改和优化焊接工艺、查询PIDS系统故障信息;全自动伺服焊枪采用伺服电机驱动，作为ABB焊接机器人的焊接终端，通过伺服电机的精确控制焊枪与工件的拉弧距离和增大螺柱焊接电源的瞬时输出功率，有效的解决了白车身特殊工件尺寸的螺柱焊接;机器人采用ABB7600 Robot焊接机器人，将ABB7600 Robot与全自动伺服焊枪结合可实现多角度、全方位的螺柱焊接。如图1所示，PIDS全自动焊接系统主机图。

2  全自动PIDS螺柱焊接系统硬件构架

全自动PIDS螺柱焊接系统由PLC、焊接机器人、PIDS螺柱焊接系统组成。该焊接系统通过DeviceNet现场总线将PLC、焊接机器人、PIDS螺柱焊接系统三者通讯连接，以实现设备相互间的信息交换，构成一个完整的全自动螺柱焊接系统[2]。本文以PLC为控制系统主站，设置站地址为0，现场辅助控制设备I/O与PLC采用Profibus协议通讯;PIDS螺柱焊接系统和焊接机器人作为系统从站，设置站地址分别为1和2，设置通信波特率为125K，当 DeviceNet 连接的相关数据设置正确后，通过 FRS5送料机的显示屏里面的“系统查询”界面，查看系统 DeviceNet 连接状态，如图2所示。

全自动PIDS螺柱焊接系统在进行螺柱焊接前需满足以下条件：①PIDS系统调试完毕且相关设备无故障信息;②焊接机器人设备调试完毕且无故障;③PIDS系统和焊接机器人设备连接完成;④完成焊点的示教;⑤工件安装到位。焊点示教工作关系到焊点的焊接质量，焊接机器人设备必须将全自动伺服焊枪移动到正确的示教点位置，PIDS系统才能正常的完成螺柱焊接工作。在伺服焊枪移动过程中滑台气缸始终处于收起状态，接近焊接位置时焊接机器人以较小速度使焊枪嘴接近焊点10cm位置防止碰撞在工件表面，然后焊接机器人调整焊枪角度，便于焊枪垂直接触焊接工件表面（如图3所示）。

3  PIDS螺柱焊接系统HMI界面

PIDS螺柱焊接系统HMI界面主要包括系统状态、系统查询、系统参数设置、系统诊断等模块。通过HMI界面可清晰查看各通道状态，包括各通道的先导阶段、焊接阶段、焊接能量、终端信息等参数信息，也可直觀的查看焊枪状态、通道状态、送钉状态等，PIDS螺柱焊接系统HMI界面如图4所示。FRS螺柱自动焊接系统具有强大的系统诊断功能，可实现对系统的输入诊断、通讯诊断、DeviceMet诊断、辅助输出诊断及常规诊断等功能，可直接查看双方交换的原始数据，对系统调试和故障排除具有较大的辅助[3]。在诊断模式下，设备调试人员可在手持编程器上，以逐位控制的方式将PIDS主机的位数据传递给焊接机器人，操作人员可在焊接机器人端查看数据传输结果，DeviceNet接收测试是焊接机器人向PIDS系统发送数据，DeviceNet 发送测试是指PIDS系统主机向焊接机器人发送通信数据。

4  焊接异常及处理

4.1 焊接异常

PIDS螺柱焊接系统的焊接异常是指当PIDS主机收到焊接命令开始执行焊接任务时，实时监测数据表明焊接过程出现异常或达到不允许焊接作业的条件时，直接退出焊接程序终止焊接命令的行为。造成PIDS系统焊接异常报警的情况主要包括：①没有焊接螺柱，主要包括点焊示教不当误判和FRS5送料机断料;②引弧引燃失败，表现为先导阶段PIDS主机输出电流较小而弧压很高;③焊接电流输出处于开路;④焊接输出电流处于短路状态;⑤焊枪的提枪高度未达到设定值;⑥PIDS主机的电流检测回路有异常;⑦焊接电流达不到设定电流值;⑧焊接的能量值达不到设定的能量值。

当上述事件发生后焊接异报警信息传送给控制器，PIDS螺柱焊接系统通过DeviceNet通信发送给焊接机器人设备一个焊接异报信号，焊接机器人立即停止焊接动作。现场工作人员查看当前焊点是否存在假焊、虚焊现象，同时对PIDS螺柱焊接系统进行维护检修工作，以排除焊接异常事故。

4.2 焊接异常的对策

当PIDS 螺柱焊接系统出现焊接异常时，需要及时查看和处理焊接异常事件，避免耽误螺柱焊接效率和系统损坏：①工作人员查看当前焊点是否有螺柱，若没有螺柱，则应该及时对缺陷型面点进行焊点补焊工作，可通过手持编程器点击系统缺陷HMI界面中的“焊点补焊”按钮进行操作;②若当前焊点存在螺柱则为虚焊情况，在缺陷应对界面点击“焊点跳过”按钮，并标记当前焊点，后续进行补焊工作，如图5所示。

5  结论

针对白车身工件螺柱手工焊接存在的弊端，文中采用PIDS自动螺柱焊接系统，通过DeviceNet现场总线技术实现PLC控制器、焊接机器人设备相互间的信息交换，有效的提高了螺柱焊接定位精度和焊接质量稳定性，重点研究了PIDS自动螺柱焊接系统HMI界面和焊接异常问题种类及缺陷处理办法，能够有效提升汽车制造质量。现场使用情况表明该系统焊接效率高、焊接质量好。

参考文献：

[1]何小明，沈玉勇，贾建龙.TCP自动校正系统在螺柱焊接中的应用[J].工业技术创新，2016（06）：1141-1143.

[2]张先龙，董红兵.自动多点螺柱焊接设备的设计制作[J]. 新技术新工艺，2013（05）：14-17.

[3]邓菲，邓乃伏，庞增拴.伸缩缝专用型材自动焊接系统设计与应用[J].制造业自动化，2019（10）：36-38.