1、使用标准工业机器人的机械摩擦焊接 简介 搅拌摩擦焊工艺提供了重要的优势融合连接工艺的铝相比，其中有几个是汽车行业尤为重要。这些优点包括，提高了接头效率（拉伸强度），改善疲劳寿命，不需要耗材，并提高了过程的鲁棒性。该过程的挑战包括低的行驶速度和相对高的力量要求。虽然，旅行速度是一个问题，旅行速度是现在与其他熔接过程的竞争，如气体金属弧焊（ GMAW）。然而，搅拌摩擦焊的相对高的力的要求仍构成特殊的挑战实施 FSW 为汽车装配环境，其中铰接臂机器人的首选，由于其广泛的使用和成本相对较低。 虽然 FSW过程需要大量的军队，这是什么程度的铰接臂机器人可以进行 FSW未知。在测试之前，它是一个机器人会极
2、其有限的 FSW 能力一般的共识。然而，由于实际能力不明，替代机器的成本至少是十倍，铰接臂机器人，发起了一个项目，探讨一个铰接臂机器人进行焊接。 测试机器人的焊接能力， FSW 系统集成到 ABB IRB 6400 机器人。最初，小的成功是由于机器人的固有的刚度不足。然而，执行力控制策略大大提高了结果。 机器人系统开发 然后将搅拌摩擦焊系统，工业机器人，两大作出了决定。第一个决定是将搅拌系统机器人的类型。 ABB 机器人被选为 开放体系结构（高级编程语言）。这种高水平的语言能力将允许被写克服机器人 FSW 过程未知的反应程序。至于具体的机器人模型，最大有效载荷能力的机器人（ IRB 6400
3、- 150 公斤）的选择。 二是针对用于旋转搅拌工具系统的类型。由于机器人的未知能力进行焊接，对旋转电源成本最小化是非常重要的。为满足这一约束条件，选择了 2200 瓦（ 3马力）的变频驱动电机。马达被包裹在一个外壳中，它的一端是一个主轴。主轴将过程负载转移到外壳中，而不是电机。 本系统的测试过程中，它很快就了解到，机器人系统的技术能力是非常有限的。有意义 的问题，在机器人手臂的共振激发，导致整个系统的剧烈摇晃。另一个问题是机器人达到他们的扭矩限制。然而，在一个特定的位置和方向，在一个特定的位置和方向的机器人，可以作出质量的短焊缝。从这方面的经验，得出的结论是大尺寸的电机是一个重要的问题。电机
4、的大尺寸迫使 FSW 工具是一个重要的距离（ 600 毫米）从机器人的手腕。由于铰接臂机器人只有旋转接头，需要从机器人的马达随距离的工具是从机器人手腕的扭矩。此外，更长的距离可以更容易激发谐振运动，即在距离从手腕到 FSW 工具增加而降低整个系统的机械刚度。 图 2：机器人搅拌摩擦 焊接系统 经过这些初步的试验，这是决定一个更好的解决方案将采用一个小的液压马达。液压泵将用于给小马达提供液压流体。液压马达也被包裹在一个外壳中，它的一端是另一个主轴。所有这些设备的大小被最小化，由于以前的经验。一个2200 瓦（ 3 马力）的液压马达与 0 至 3600 转的范围内选择。该系统的一张照片显示在图 2
5、 中，该系统的图如图 3 所示。这个系统比使用电动马达的系统好得多。质量焊缝可以在一个更大的范围内的工作包络线和机器人手臂共振是少得多的问题。 图 3：机器人搅拌摩擦焊系统图 对于系统测试的 目的，制作 2 毫米至 2毫米的搭接焊在 6061-T6 铝是一个固定的。为了测试该系统的能力与此焊接配置，尝试在不同的行驶速度，旋转速度，并在工作信封的位置的焊缝。从这个测试中，得出以下结论： 1） 只有更高的旋转速度可以使用（大于 1500 转），否则，机器人的电机往搅拌 焊端部执行器 进水软管 排水软管 流出软管 正向信号 反向信号 速度 模拟控制信号 液压油箱 机器人 液压泵 机器人控制器 夹具
6、往超过其扭矩限制 2） 只有 0.6 米 /分钟的行驶速度可以实现，否则机器人的电机往往超过其扭矩限制 3） 焊接可以作出，但只有在有限的部分工作信封，否则有一种倾向，在机器人的共振运动。 4） 共振运动仍能产生，具有以下特点。如果没有激发的共振运动的工具的切入，焊接（横动）的其余部 分趋于有稳定的机器人运动。相反，如果共振运动被观察到的暴跌，它往往是观察到整个焊接路径。 5） 在垂直方向上观察到 5 毫米的机械臂偏转。这是人为地指挥机器人在工作块下面投入补偿。 6） 液压搅拌焊接电机经常熄火，特别是在较低转速下。这是明显的液压马达的惯性缺乏是一个问题。小转矩干扰的过程中，对液压马达具有更严重
7、的影响，与较小的惯性与大电机具有相同的额定功率。 从这个系统中，很明显，一个更大的液压马达是必要的，以防止电机失速时遇到了小扰动。此外，即使该系统的性能远远优于第一设置，更多的力量能力是必要的。虽然它有一个较低的负 载， ABB 机器人 IRB 6400 PE 比机器人更力最高的有效载荷能力。随着减少的端部执行器的大小，作为使用液压马达（降低总的端部执行器质量），较低的负载量的机器人的结果被超过。因此，一个新的，更高的容量，液压马达和 IRB 6400 体育机器人购买来满足这些需求。 机械力控制 另一个挑战，指出了这个系统是机器人的偏转。为了克服这一挑战，力控制策略实施。要实施力控制，力测量是
8、必要的。然而，额外的硬件来衡量的力量被认为是不可取的，从成本和维护的角度来看。幸运的是，随着 ABB 机器人的开放式架构，力测量系统可以在软件中实现。 在 ABB 的机器人，电机转矩可实时监控。如果一个假设的机器人是一个刚性的身体，那么方程可以开发作为一个功能的电机转矩的手臂力量。一个多任务的例程被写入到计算的手臂力量在任何时候。在这个例程中，使用一个控制策略的基础上的命令力和计算力之间的误差计算路径偏移量。系统的控制框图如图所示 图 4：机器人焊接力控制器 制器控 机器人模型 F C =指挥的信号 F E =错误的力（力减去实际指挥的信号） F =实际力量，从电机力矩 a 吩咐机器人路径位移
9、计算 在测试过程中的力控制算法，它被确定，只有 2 赫兹的力更新率（采样率）是可以实现的。这是由于头臂力计算大量的计算开销。有了这个缓慢的采样速率，执行的算法是唯一可行的，在遍历。在刀具投入运行过程中，过程载荷的变化率很高，在刀具的使用过程中，严禁使用受力控制。 试验力控制算法，相同的 2毫米毫米的搭接焊接安装方法。样本是固定的，它是水平。输出的力控制是绘制在图 5。计算（实际）的力被绘制为一个条件时，力控制是主动的和另一种情况下 ，当力控制是无效的。此外，指挥力叠加的情况下，力控制是主动的。在这两种情况下，机器人的程序路径是相同的。编程的路径有一个起始点在一个垂直位置，产生一个良好的焊接和结
10、束位置被编程 2 毫米以上的起点。线指示的命令力的开始是一致的激活的力控制（开始的导线）。可以看出，在导线的力控制算法保持所需的力。 机器人焊接推力负荷 图 5：力控制输出 从这一测试的样品焊缝如图 6 所示。很明显，力控制算法保持适当的力量水平，并产生了优质的焊接，如无力控制的焊接主动产生的表面空隙后不久，开始。重要的是没有受力控制的焊接的无效启动 的位置。从观察力的输出，可以看出，在垂直力是约 75%的命令力，无效的无效。 这显然解释了为什么力控制是一种有效的工具，用于控制搅拌摩擦焊接过程中使用的机器，缺乏刚性。当执行力控制时，在实际受力与控制力的小误差对焊接质量影响不大。从这一点，可以得
11、出结论，有一个大的变化过程力之间的点的空隙开始（垂直位置的工具太高）和点的过多的闪光代（工具的垂直位置太低）。与此相反，范围位置相同的事件（即 Flash 生成无效起始）发生相对较小（一个实际力 反馈控制力实际受力 输出反馈 零点几毫米）。这表明，力控制是一个更合适的控制策略比位置控制，特别是在的情况下，该工 具的工具来支持表面的距离公差是不关键的，例如搭接焊缝或部分渗透对接焊缝。 图 6：焊接和不受力控制 结论 1） 可以对 6061-T6 铝合金材料，厚度达 3 毫米的标准工业机器人进行焊接。 2） 力控制是与工业机器人搅拌摩擦焊的成功的一个关键组成部分。一个开放的体系结构的机器人需要执行
12、力控制。 3） 控制使机器克服固有的刚度，并反复定位刀具相对于焊缝线的垂直位置。 4） 2Hz 的力控制更新率用在投入运行太慢。在机器人的计算性能的改进是必要的。 5） 较小的横向焊缝方向必须克服由人工抵消的程序位置，类似于早期的弧焊机器人。 6） 虽然 FSW 可 以与工业机器人执行，增加刚度将提高工业机器人的焊接工艺的适用性。 7） 工业机器人是由于 5自由度的应用和相对较薄的材料的自由运动要求的铝拼焊板的理想选择。如果一个机器人都没有使用，那么昂贵的柔性夹具将需要的过程中产生所需的工作和旅行的角度。 8） 铝拼焊板的机器人焊接是可行的在近 2米 /分钟的行驶速度，使焊接成本很有竞争力的过程中，除了将所有过程的其他好处的应用。 带 力 控 制 的 焊 接 不 受 力 控 制 的 焊 接 无 效 起 爆
