基于发那科机器人的热熔紧固系统及其加工工艺

张坤峰， 陈炎钦， 倪伟峰

上海发那科机器人有限公司 上海 201906

1 研究背景

随着汽车工业制造技术的升级与革新，越来越多的汽车品牌开始关注汽车车身轻量化问题。车身中高强度轻质材料的使用比例正不断增大［1］，这些轻质材料的使用，对连接工艺提出了更高的要求［2］，目前主流的连接工艺，如焊接、铆接、电阻点焊等已不能完全满足生产需求［3-4］。

热熔紧固是一种可代替电阻点焊的先进连接工艺，在连接强度、加工能力、可拆卸性等方面具有巨大优势，可满足汽车轻量化和新能源汽车对连接工艺日益增长的要求［5］。目前，热熔紧固工艺在欧美汽车行业解决车身轻量化领域得到了广泛应用，如捷豹X150、奥迪A8、奥迪A6等品牌，其中新款奥迪A8上有多达740个热熔螺钉。除此之外，日产、宝马、保时捷等众多汽车品牌也开始使用热熔紧固工艺。配合机器人的高灵活性，热熔紧固技术在汽车装配连接中展现出巨大优势，将成为国内汽车车身轻量化装配及绿色节能领域非常重要的解决方案之一［6］。

2 系统组成

发那科机器人系统由R-2000i C／270F工业机器人、R-30i B控制柜、通信软件、控制程序等组成。热熔紧固系统由控制器、拧紧头、送钉器、送钉管等组成［7］。基于发那科机器人的热熔紧固系统，可实现对各类不同类型钣金件的紧固连接，并确保过程可靠性。例如，汽车白车身连接采用该系统，可以完成铝件与铝件、铝件与钢件的紧固连接，从而实现车身轻量化。图1所示为基于发那科机器人的热熔紧固系统构成。

3 系统控制原理

系统控制原理如图2所示。根据系统功能需求、外部信号数量、内存等因素，系统控制柜选用了西门子S7-300可编程序控制器进行系统控制，机器人和热熔紧固控制器之间通过可编程序控制器基于Profinet总线进行通信和信号交互。机器人将控制命令发送给可编程序控制器，由可编程序控制器控制热熔紧固控制器。热熔紧固控制器通过内部总线控制送钉器和电磁阀，将钉子送到拧紧头。之后热熔紧固控制器通过Ether CAT总线控制拧紧头中的下压电机和拧紧电机进行伺服拧紧。在拧紧的同时，热熔紧固控制器通过内部闭环实时控制拧紧过程，并将完成信号反馈到可编程序控制器和机器人。

图1 基于发那科机器人的热熔紧固系统构成

图2 系统控制原理

4 热熔紧固工艺概述

4.1 原理

如图3所示，在紧固过程开始时，热熔螺钉预先通过送钉管送至铝板或薄钢板的表面，然后螺钉在高速旋转的同时向工件表面施加高下压力，产生极高的摩擦热，熔化金属。接着螺钉穿透材料，形成穿孔，并开始攻丝。一旦螺纹形成，螺钉会按照预设的扭矩进行拧紧，并达到预设的转角［8］。

图3 热熔紧固工艺原理

4.2 特点

针对汽车白车身钣金件的连接装配，热熔紧固工艺具有以下特点：① 可实现单工作方向的应用需求，从单侧即可完成紧固连接；② 连接材料无需预冲孔；③ 可连接不同材料和厚度的钣金件，以及连接包括碳钢、铝合金、复合材料在内的同种材料或异种材料；④ 螺钉可拆卸性好；⑤ 连接的动态疲劳强度高，无需增加防松件，并且可通过对拧紧参数的数据监测，对拧紧质量进行评估［9］。热熔紧固工艺与汽车车身常见连接工艺特点对比见表1，表1中“○”代表具有，“—”代表不具有。

表1 汽车车身连接工艺特点对比

5 紧固性能分析

对于热熔紧固的紧固性能，可以从两个方面进行分析：① 紧固外观及断面成型情况；② 拉伸剪切强度测试及数据分析。

5.1 紧固外观及断面成型

可以从外观对紧固性能进行初步判断，如图4所示，主要观察螺钉帽是否与工件紧密贴合，工件是否存在弯曲变形等。另外，可以切割一个打钉的剖面来观察断面成型情况，如图5所示。主要观察上部挤出板料是否嵌入螺帽凹槽，下部挤出板料是否夹紧螺帽，形成缺口，以及螺纹成型情况等。

图4 紧固外观

图5 断面成型

5.2 拉伸剪切强度测试

拉伸剪切强度测试是静强度分析中最基本的测试，也是研究板料连接接头质量最重要的测试类型之一［10］。可以使用拉伸剪切强度测试来检验热熔紧固的紧固性能，图6所示为热熔紧固连接的两种拉伸剪切强度测试模型。表2列举了热熔紧固、自冲铆接、电阻点焊三种连接工艺的铝板连接拉剪力［11-12］，其中板厚1-2表示1 mm厚铝板与2 mm厚铝板连接，后文同。

图6 拉伸剪切强度测试模型

6 热熔紧固工艺测试分析

6.1 试验平台

测试基于发那科R-2000i C／270F工业机器人、DEPRAG热熔紧固设备、阿诺德Flowfor m M5×22 mm螺钉进行。铝板材料为5系铝合金，钢板材料为Q235碳钢，板厚误差为±0.05 mm。

表2 常见连接工艺拉剪力对比

笔者共测试6种铝板与铝板组合、4种钢板与钢板组合、5种铝板与钢板组合，其中，铝板与铝板组合中要求总厚度不超过6 mm，钢板与钢板、铝板与钢板组合中要求钢板厚度不超过3 mm，总厚度不超过5 mm，否则容易出现连接工艺缺陷。

试验平台如图7所示。

图7 试验平台

6.2 数据分析

热熔紧固工艺分为五个过程：拧紧轴预到达、拧紧轴与螺钉啮合、穿孔、攻丝、拧紧，其中，前两个过程的工艺参数可适用于所有的板厚组合，后三个过程的工艺参数则需要根据连接工件的材料、厚度、强度及热传导等影响因素进行合理选择。表3为1 mm厚铝板与2 mm厚铝板组合的工艺参数。

由于工艺参数过多，可选取后三个工艺过程中较为关键的几个工艺参数进行分析。工艺测试结果如图8～图10所示。图10中AT代表铝板，ST代表钢板。

图8中，通过对铝板与铝板组合工艺参数进行分析，可以发现随着板厚的增大，三个工艺过程的扭矩也相应增大，最大设定值为15 N·m。穿孔过程转速逐渐降低，但绝对值仍较大，高于5 000 r／min。攻丝过程转速逐渐提高，但绝对值不超过3 000 r／min，防止螺纹成型不良。拧紧过程转速不超过400 r／min，防止滑牙。

图8 铝板与铝板组合工艺参数

图9 钢板与钢板组合工艺参数

表3 1 mm厚铝板与2 mm厚铝板组合工艺参数

图10 铝板与钢板组合工艺参数

图9 中，通过对钢板与钢板组合工艺参数进行分析，可以发现随着板厚的增大，三个工艺过程的扭矩也相应增大，最大设定值为15 N·m，连接所需的扭矩大于相应板厚的铝板与铝板组合工艺参数。穿孔过程转速逐渐降低，但由于钢板硬度较大，要求转速低于3 000 r／min。攻丝过程转速逐渐提高，但需低于2 000 r／min，防止螺纹成型不良。拧紧过程转速不超过400 r／min，防止滑牙。

图10中，通过对铝板与钢板组合工艺参数进行分析，可以发现随着板厚的增大，三个工艺过程的扭矩也相应增大，最大设定值为15 N·m，连接所需的扭矩处于相应板厚的铝板与铝板组合工艺参数和钢板与钢板组合工艺参数之间。穿孔过程转速逐渐降低，但由于钢板硬度较大，要求转速低于3 000 r／min。攻丝过程转速逐渐提高，但需低于2 000 r／min，防止螺纹成型不良。拧紧过程转速不超过400 r／min，防止滑牙。

7 结语

常见的传统连接工艺已经不能完全满足汽车车身轻量化目标对连接工艺提出的更高要求。随着机器人技术的日益成熟，基于发那科机器人的热熔紧固系统在铝合金及钢铝混合材料的连接方面表现出优势和强劲的竞争力，必将有更多的汽车厂家引进这一技术进行汽车白车身的紧固连接。这一技术未来可以成为国内汽车车身轻量化装配及绿色节能领域非常重要的解决方案。