焊接機器人系統(tǒng)在汽車底盤焊接中的應用

    焊接機器人最適合于多品種高質量生產方式，目前已廣泛應用在汽車制造業(yè)，汽車底盤、座椅骨架、導軌、消聲器以及液力變矩器等焊接件均使用了機器人焊接，尤其在汽車底盤焊接生產中得到了廣泛的應用。國內生產的桑塔納、帕薩特、別克、賽歐、波羅等后橋、副車架、搖臂、懸架、減振器等轎車底盤零件大都是以MIG焊接工藝為主的受力安全零件，主要構件采用沖壓焊接,板厚平均為1.5～4mm，焊接主要以搭接、角接接頭形式為主，焊接質量要求相當高，其質量的好壞直接影響到轎車的安全性能。應用機器人焊接后，大大提高了焊接件的外觀和內在質量，并保證了質量的穩(wěn)定性和降低勞動強度，改善了勞動環(huán)境。

機器人焊接系統(tǒng)的常見應用方式

按照焊接機器人系統(tǒng)在汽車底盤零部件焊接的夾具布局的不同特點，及外部軸等外圍設施的不同配置，焊接機器人系統(tǒng)可分為以下幾種形式。

滑軌+焊接機器人的工作站示意圖

滑軌+焊接機器人的工作站
 
（見圖1）兩套夾具固定在滑動小車上，由氣缸驅動使裝有工件的兩個夾具輪流進入機器人焊接區(qū)焊接，操作人員在另一面上、下料。兩個工作站交叉進行，使機器人焊接時間與工件上、下料時間同步，這種方式可以節(jié)約變位器旋轉時間。雙夾具滑軌形式的焊接機器人系統(tǒng)利用兩副滑軌輪流為焊接機器人送料，可靠性較高，但對被焊工件的外形尺寸有一定限制，通常焊接工件直徑小于0.6m。

在桑塔納后橋焊接生產線、POLO下搖臂焊接生產線上均有應用實例。

單（雙）夾具固定式+焊接機器人工作站示意圖

單（雙）夾具固定式+焊接機器人工作站

（見圖2）該結構形式簡單，夾具由變位機進行變位，來實現機器人焊槍不同位置的焊接。系統(tǒng)故障率低，但由于在裝卸工件過程中機器人處于等待狀態(tài)，因而機器人的利用效率一般低于80%，所以在新的焊接線上較少利用。

該系統(tǒng)在帕薩特后橋焊接生產線及桑塔納前懸掛焊接和生產線有成功應用。

帶變位機回轉工作臺+焊接機器人工作站示意圖

帶變位機回轉工作臺+焊接機器人工作站

（見圖3）該形式由兩副夾具帶變位器和一個轉臺組成，結構緊湊。兩副夾具可以進行不同的焊接程序以實現不同的工藝要求。機器人在其中一副夾具上焊接工件時，操作工可以在另一副夾具上裝卸工件，機器人的利用率較高，一般大于90%，是目前最廣泛使用的一種形式。

該系統(tǒng)在別克副車架焊接線、賽歐后橋焊接線、帕薩特副車架焊接線均有廣泛應用。

搬運機器人+焊接機器人工作站示意圖

搬運機器人+焊接機器人工作站

（見圖4）兩部機器人之間的配合所體現的主要優(yōu)點是能適應各種不規(guī)則焊縫的焊接。但缺點是由于兩部機器人配合的不協調所導致的故障率較高。所以此種形式需合理安排機器人運動形式才能最大程度提高生產效率。

協調運動式外軸+焊接機器人工作站示意圖

協調運動式外軸+焊接機器人工作站

（見圖5）該形式運用較廣泛。在實際焊接中環(huán)焊縫是常見的一種，而常見的變位器不能適應360°焊接，在這種情況下，協調式外軸與機器人相配合即可輕松實現360°以上環(huán)焊縫的焊接。

在帕薩特后橋穩(wěn)定桿焊接、波羅后橋總成焊接中均采用了該形式。

機器人中置式工作站示意圖

機器人中置式工作站

（見圖6）該系統(tǒng)由兩轉臺和四套變位器組成，可以方便地實施兩種以上產品的焊接。尤其針對生產任務不均勻的情況，可以合理調配，以提高機器人的利用率。但該系統(tǒng)對空間資源占用大，且電器方面故障率高，所以目前并沒有廣泛采用，僅在派力奧與SIENA后軸焊接項目中試用。

機器人焊接自動線示意圖

機器人焊接自動線

（見圖7）機器人焊接自動線是今后轎車底盤焊接的主要發(fā)展方向。該形式由多臺機器人焊接系統(tǒng)和懸掛輸送鏈組成，由多臺機器人之間的配合來完成一個產品的焊接加工。由于每道所焊的焊縫數較平均，所以對整個產品的焊接變形影響小。

目前桑塔納前懸掛焊接生產線、帕薩特后橋焊接生產線均采用此形式。

焊接機器人柔性系統(tǒng)

隨著市場競爭加劇，汽車行業(yè)面臨品種多、批量少的改型性的新車型需求，要求焊接機器人系統(tǒng)必須高度柔性化。焊接機器人系統(tǒng)的柔性化，即：適應于不同零件的焊接夾具；能短時間內快速調換氣、電信號、配管、配線快速改換；控制程序必須能預置和快速轉換，最大程度地發(fā)揮機器人特點以使一套機器人系統(tǒng)能根據需要焊接多種零件和適應產品多樣化和改進的要求�？煽焖僬{換夾具的二、四工位焊接機器人系統(tǒng)能體現系統(tǒng)柔性化。

二工位點焊機器人系統(tǒng)示意圖

二工位點焊機器人系統(tǒng)

（見圖8）系統(tǒng)由一臺標準的點焊機器人、兩個采用機器人外部軸伺服驅動的回轉工作平臺及電極修磨器、冷卻系統(tǒng)等周邊裝置組成。其柔性主要體現在以下幾點：
＊ 給標準點焊機器人配備了快速交換連接器。通過快速交換連接器，可實現機器人焊鉗的快速自動更換，不但可滿足復雜產品各個部位的焊點焊接，而且，在更換產品時，只需更換合適的焊鉗就可以了。
＊ 柔性的系統(tǒng)控制。該系統(tǒng)的主控系統(tǒng)采用PLC為主控單元，配以遠程I/O模塊，通過機器人的遠程I/O模塊，實現對機器人、夾具、夾具工作平臺及周邊裝置的控制。PLC程序采用結構化方式編制，各個子程序分別對應于一個功能，對于不同工件，只需調用或修正不同子程序，不需重新編程。不同產品的焊接內容及夾具氣缸的動作關系的設計和操作完成后，可以長時間儲存，更換產品時可直接調用。操作控制采用觸摸屏，減少了大量復雜的連線，同時可以為不同工件專門設計不同的操作及狀態(tài)顯示界面。
＊ 采用機器人外部軸伺服驅動的回轉工作平臺。該平臺除可以承受較大的徑向和軸向力外，同時采用機器人外部軸伺服驅動和控制轉臺，從而使轉臺有極好的啟停特性，并與機器人實現協調運動，可實現多工位焊接。在回轉平臺上裝有遠程模塊，轉臺中心留有氣路和電路出口專用快速接頭和多芯插口，以便使夾具可快速裝拆。

這套系統(tǒng)已成功的生產了金杯副車架、后橋及派力奧橫梁、擺臂等多種產品，且產品更換方便快捷。

四工位的弧焊機器人系統(tǒng)

該系統(tǒng)有兩臺KR15弧焊機器人、一個四工位旋轉式轉臺、夾具回轉變位裝置及清槍器、焊機等周邊裝置組成。其柔性主要體現在機器人工作范圍較大，功能較全。夾具回轉變位裝置安裝法蘭上裝有遠程模塊，遠程模塊預留多芯航空插頭，在更換夾具時，可方便地與夾具上的相應接口連接。夾具回轉變位裝置端部有壓縮空氣快速接頭，可方便快速地與夾具的氣路連接，在2～3分鐘內便可以實現新夾具與變位器的機械連接。

機器人焊接新技術應用

TCP（tool center point工具中心點）自動校零技術

焊接機器人的工具中心點就是焊槍的中心點，TCP的零位精度直接影響著焊接質量的穩(wěn)定性。但在實際生產中不可避免會發(fā)生焊槍與夾具之間的碰撞等不可預見性因素導致TCP位置偏離。通常的做法是利用手動進行機器人TCP校零，但一般全過程需要30分鐘才能完成，影響生產效率。TCP自動校零是用在機器人焊接中的一項新技術，它的硬件設施是由一梯形固定支座和一組激光傳感器組成。當焊槍以不同姿態(tài)經過TCP支座時，激光傳感器都將記錄下的數據傳遞到CPU與最初設定值進行比較與計算。當TCP發(fā)生偏離時，機器人會自動運行校零程序，自動對每根軸的角度進行調整，并在最少的時間內恢復TCP零位。

目前在波羅后橋及帕薩特副車架的機器人焊接生產線上均采用了該技術，大大方便了設備調整，節(jié)約了調整時間，提高了產品的質量。

雙絲高速焊接技術示意圖

雙絲高速焊接技術

雙絲高速焊不僅焊接效率比傳統(tǒng)焊接方式高，而且熱影響區(qū)小，產品的疲勞強度有所提高。目前雙絲焊主要有兩種方式：一種是Twin arc法，另一種為Tandem法。焊接設備的基本組成類似，都是由兩個焊接電源、兩個送絲機和一個共用的送雙絲的電纜。為了防止同相位的兩個電弧的相互干擾，常采用脈沖MIG/脈沖MAG焊法，并保持兩個電弧輪流交替燃燒。這樣一來，就要求一個協同控制器保證兩個電源的輸出電流波形相位相差180°（如圖9）。當焊接參數設置到最佳時，脈沖電弧能得到無短路、幾乎無飛濺的過渡過程，真正做到“一個脈沖過渡一個熔滴”，每個熔滴的大小幾乎完全相同，其大小是由電弧功率來決定。

目前在波羅下搖臂焊接中采用了Tandem方式，主槍與次槍均采用脈沖式，其焊接速度可達30mm/s， 不但提高了焊接效率，而且產品疲勞強度遠遠高于類似的單絲焊。

機器人等離子切割技術

對機器人焊接質量提出高要求，勢必對沖制件的匹配性提出了更高要求。尤其是針對管狀件的相貫線形焊縫，對沖制件的匹配輪廓度要求小于0.5mm,傳統(tǒng)的沖壓工藝很難直接保證達到此要求，于是，機器人等離子切割走進了汽車底盤零部件焊接生產線。機器人等離子切割是由普通的抓舉機器人持等離子割炬按機器人編程軌跡進行勻速切割，氧氣作為切割氣體，氮氣起保護作用，所切割工件邊緣平滑，輪廓度小于0.3mm，保證焊接的質量穩(wěn)定。當產品尺寸需要改進時，無需對沖壓模具進行改進，只需對機器人切割軌跡進行簡單的調整即可滿足生產，可節(jié)約大量生產成本。

模塊式夾緊機構的應用

在傳統(tǒng)的底盤焊接機器人系統(tǒng)中夾具通常采用的是四連桿機構，該機構有夾緊和自鎖的功能，但結構體積較大，影響了機器人的焊接空間位置。目前一種全新的模塊化夾緊機構已溶入到了機器人焊接系統(tǒng)中，首先是通用性強，各夾緊機構可方便互換，只要有幾套標準的備件即可保證正常生產。其次采用的是全封閉的結構，對氣缸起到了很好的保護和潤滑作用，有效地避免了焊接飛濺對氣缸活塞和連桿機構的破壞。另外這種機構可以方便地對夾緊行程和自鎖角度進行調節(jié)。在今后的機器人焊接系統(tǒng)的夾具部分將會更多的采用該結構方式。

圖10 模塊式夾緊機構

機器人焊接技術的發(fā)展

機器人離線編程及遠程診斷技術

為適合機器人焊接生產線的生產節(jié)拍和調試需求，機器人離線編程及遠程診斷技術的應用已迫在眉睫。離線編程軟件可直接進行模擬運行，當將離線程序輸入機器人后只需對其中的焊接空間點的位置進行修改既可滿足實際生產。另外使機器人具有遠程診斷能力，實現遠離工廠現場了解機器人系統(tǒng)的實際運行狀況，在機器人系統(tǒng)尤其是機器人控制器出現故障時對其進行及時有效的診斷與維護，從而大大縮短故障處理時間，節(jié)約維護成本，是非常有意義的。

焊縫自動跟蹤技術

焊接機器人缺少對工件的自適應能力，效果比較好的是用激光視覺傳感器系統(tǒng)，它能夠自動識別焊縫位置，在空間中尋找和跟蹤焊縫、尋找焊縫起、終點，實現焊槍跟隨焊縫位置自適應控制。但這種方法不太適合轎車底盤零件的焊接，因轎車底盤零件機器人系統(tǒng)的夾具允許機器人工作空間范圍很小，根本不允許焊槍頭上再有附帶激光跟蹤頭焊接。為此僅可使用的焊縫自動跟蹤技術為電弧電壓跟蹤傳感，該系統(tǒng)具有尋找焊縫起始點、終點以及弧長參考點，焊接過程中根據弧長的變化，用電弧傳感器控制電壓自適應控制。這種方法也只能應用于角接接頭形式，對于轎車底盤零件大量的薄板搭接焊縫，因無法尋找弧長參考點也無法應用。

機器人焊接在汽車工業(yè)中的應用代表了焊接工藝的一個新發(fā)展方向。中國汽車工業(yè)使用機器人焊接系統(tǒng)時間不長，應用面還不廣，還有待于在實踐中結累更多經驗。