由单一机器人实现多平台铆接工艺的研究

周纼标 赵建姣 孟德峰 陈冲

（一汽模具制造有限公司，长春 130013）

1 前言

目前，汽车白车身自动化生产线工艺分为基础工艺和特殊工艺，基础工艺应用广泛，技术成熟，特殊工艺普遍应用在汽车特殊材料和特殊位置处。特殊工艺受到经济性等条件限制，使用率较低，在一个生产节拍内特殊工艺的设备开动率较低。基于此情况，以铆接设备为例，进行特殊工艺整合的研究工作。通过方案设计，使一台机器人完成多种工艺工作，同时可以继续融合基础工艺，减少机器人的采购数量，降低生产成本。

2 铆接工艺原理

2.1 自冲铆接工艺

自冲铆接工艺（Seif Piercing Rivet，SPR）属于铆接的特殊工艺，需要消耗铆钉。SPR 工艺工作过程可以分解为3 个步骤。步骤1 将铆钉输送到铆枪头位置，铆枪夹紧准备铆接；步骤2 施加压力，铆钉因压力作用穿透板材，然后通过冲模实现2 种混合材料的连接；步骤3 铆接结束铆枪离开，如图1所示。

图1 SPR工艺流程

SPR 工艺通过铆钉的形变实现2 种不同材质材料的连接，具有对材料破坏性小、连接强度高、克服电化学腐蚀等优点，在汽车生产中广泛应用在铝材料与其他材料的连接中。但因其成本较高、不能连接脆性材料、只能使用C 型铆枪、铆接点有凸起等导致其使用较少。

2.2 无铆钉自冲铆接工艺

无铆钉自冲铆接（Clinch）工艺与SPR 工艺类似，都需要冲模来实现2 种材料的连接。与自冲铆接工艺不同的是Clinch 工艺不需要铆钉，是将带有冲模的铆枪静极臂接触板材，然后动极臂进行冲压动作，从而实现2 种混合材料的连接，如图2 所示。

图2 Clinch工艺流程

2.3 旋转攻丝铆接工艺

旋转攻丝铆接（Flow Drill Screw，FDS）工艺的铆钉通过高频淬火工艺制作而成，在铆接过程中通过旋转摩擦生热，在旋转过程中用较小的扭矩连接2 种混合材料。如图3 所示，旋转攻丝铆接结束冷却后，需要很大的松开扭矩，使连接更紧固。

图3 FDS工艺流程

3 单一机器人实现多种铆接工艺的方案

3.1 硬件组成

3.1.1 单一工艺的硬件组成

进行多工艺整合前需要了解单一工艺的硬件组成，以焊接机器人为例，硬件组成主要包括机器人控制柜、机器人、焊枪、焊接控制柜，如图4 所示。以上设备通过Profinet 总线进行通讯，实现信号传输并完成自动化工作。

图4 单一工艺机器人硬件组成

3.1.2 多工艺的硬件组成

通过快换工具（以史陶比尔快换工具为例）可以解决机器人多工艺整合的问题。在单一工艺机器人的硬件基础上，加入快换工具可以实现工具与机器人分离，进而实现工具切换。工具与机器人的连接包括电源、网络通讯、水气介质，快换工具可实现以上介质的连接和断开。如图5 所示，快换工具的组成包括用于向工具侧提供水气介质的气源模块，向工具侧提供380 V 焊接电源及24 V 模块电源的电源模块，用于确保可以进行工具安全切换的安全模块。只有当安全模块有反馈信号时，才可以进行工具和机器人的分离和连接动作，实现工具的切换。

图5 快换工具结构

3.1.3 限制条件及解决方案

此课题的工具切换基于快换工具进行调整，铆接工具不同于其他焊接工具，在每个铆接点都需要进行铆钉的传输动作，而不同的铆接工具需要不同规格的铆钉。基于此情况，若想实现铆接工具的切换需要改良送钉管，解决铆钉持续传输的问题，对于送钉管的改良目前制定了2 种解决方案。

方案1：通过快换工具进行直连，将送钉管在快换工具处断开，连接工具时送钉管两端接触，实现铆钉的传输工作。

方案2：通过在工具侧添加储料器来储存铆钉，如图6 所示，工具脱离后送钉管仍可以工作。在每次工作前后判断储料器是否低于铆钉最少储存量，若储存不足则进行铆钉的填充。

图6 铆接枪添加储料器结构

对2 种方案的优缺点进行多方面对比分析，如表1 所示，经过对比可知，不同规格的铆钉不便于使用同一种铆钉传输方案。FDS 工艺的铆钉较长，不宜用储料器进行储存，且较长的铆钉不易在送钉管内发生反转，对送钉管的精度要求较低，方案1 更适合FDS 铆接设备。SPR 工艺的铆钉较短，为避免铆钉在送钉管内发生旋转对设备造成损坏，该工艺适合储料器储存，方案2 更适合SPR 工艺铆接设备。

表1 方案对比分析

3.2 软件组成

3.2.1 设备通讯

此项目研究所用的设备通过Profinet 进行通讯，在进行通讯设备的配置时，需要利用Work Visual 软件对SPR 工艺的填充器和储料器进行I/O 信号点模块的配置。如图7 所示，选择32 字节I/O 信号的配置，与单一工艺不同的是输入输出端分别预留1 byte 的信号用于储料器、填充器与机器人的交互使用。

图7 储料器的通讯模块配置

对储料器和填充器的通讯模块进行输入和输出的信号点映射，如图8 所示，定义机器人与储料器的信号点。只有当储料器出现储料下限报警，同时填充器正常的情况下，才可以进行铆钉的填充工作。

图8 储料器和填充器的信号映射

将Work Visual 软件做好的项目下载到机器人系统中，并检查机器人与铆接控制器是否通讯成功。如图9 所示，在示教器上输出相应的信号点，然后检查铆接控制器是否收到对应的信号点，如果能收到则表示通讯成功。

图9 机器人信号点的输出检查

3.2.2 程序制定

对储料器和填充器的信号点在机器人系统中的Configdate 文件进行变量定义，如图10 所示，实现机器人在程序中调用变量名称即可完成与设备的信息交互。

图10 信号点定义名称

对储料器的填充进行机器人程序的编写，如图11 所示。首先需要判断填充器是否准备就绪，只有填充器发出准备就绪信号，机器人才可以执行填充程序。当机器人到达填充位时，启动填充器开始填充，直到收到填充完成信号后，才可以停止填充。若填充过程中出现故障，需要进行故障消除，然后利用程序跳转标签跳转程序继续进行填充，直到填充完成。

图11 储料器填充程序

对工具切换进行程序编写，如图12 所示，在工具与机器人分离前需要将机器人与工具的网络断开。这里用到了2 个交互信号点，只有当机器人请求断开网络，然后铆接控制器反馈已断开才可以使机器人与工具分离，若断开故障则提示报警信息，需要检查后继续执行程序实现工具的切换。同样在机器人与工具连接时，仍需要2 个信号点交互成功后才可以进行下一步动作。FDS 工艺的送钉管采用快换工具直连的方式进行送钉动作，所以不需要进行储料程序的编写，只需编写工具切换程序即可，工具切换程序同SPR 工艺相同。

图12 工具切换程序

3.2.3 功能流程

图13 为项目功能流程，在每次铆接工作前需要判断储料器情况，若储料器低于设置的下限则进入填充程序。储料器下限值可以根据现场实际生产需求调整，可调节性较高。

图13 项目功能流程

4 应用验证

对此课题提出的改进项目进行验证，检查其是否满足实际生产需求，并进行记录，如表2 所示。

表2 改进项验证

5 结束语

目前国内的白车身连接工艺以电阻点焊工艺为主，部分合资汽车采用Clinch 及SPR 工艺。虽然国内外使用铆接设备较多，但是多以单一工艺进行使用，多工艺的铆接市场使用量仍然较少。基于目前我国白车身的生产使用较少的铆接工艺的情况下，通过使用多工艺结合的方法可以减少机器人的采购数量，降低能源消耗，减少生产成本，提高设备使用率。此课题研究结果可以应用到具有少量特殊工艺的生产线中，可以与其他基础工艺进行整合，达到降本增效的目的。