汽車零部件的焊接機器人應(yīng)用

　　近年來，我國汽車產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展，車型更新?lián)Q代很快，汽車產(chǎn)量和品種迅速增加。為了提高生產(chǎn)效率，不斷提升并穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量，同時降低工裝投資成本，高柔性的機器人焊接系統(tǒng)在汽車制造業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。

　　首鋼莫托曼機器人有限公司（以下簡稱“首鋼莫托曼公司”）以高性能的MOTOMAN弧焊專用機器人為主要技術(shù)優(yōu)勢，其產(chǎn)品及工藝解決方案在轎車車橋、排氣零部件、座椅等零部件弧焊領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。本文主要介紹首鋼莫托曼公司轎車排氣零部件弧焊方面的應(yīng)用技術(shù)。在排氣系統(tǒng)領(lǐng)域，首鋼莫托曼公司與全球兩大排氣系統(tǒng)供應(yīng)商FAURECIA和TENNECO緊密協(xié)作，不斷推進機器人弧焊技術(shù)及其應(yīng)用的進步。

排氣零部件弧焊工藝要求

　　排氣系統(tǒng)是汽車排放和消聲的重要部分，主要由歧管、催化凈化器、波紋管、中消及后消等部件組成（見圖1），各個部位的結(jié)構(gòu)特點和焊接要求都不盡一致。
 　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 圖1 排氣系統(tǒng)的構(gòu)成

　　按照主要功能模塊距離發(fā)動機的遠近，排氣系統(tǒng)也可以分為熱端、冷端兩部分。

　　熱端部分直接連接發(fā)動機排氣口，主要包括歧管、凈化器、波紋管、二級凈化器及掛鉤法蘭等附屬部件。因其所處底盤位置空間緊湊，所以部件外形變化較大，焊縫分布復(fù)雜。同時，因其主要功能為凈化尾氣，故焊縫密封性要求高。

　　冷端部分承接熱端，主要包括中消、后消及掛鉤法蘭等附屬部件。冷端總成通常尺寸較長，焊縫多為小直徑環(huán)縫，當后消聲器包為焊接結(jié)構(gòu)時，通常要求壓裝焊接，焊縫量較大。消聲器包進出氣管處焊縫為三層薄板焊接，焊縫成形要求高。

焊接單元的典型布局

　　排氣零部件機器人焊接單元主要由弧焊機器人、焊接設(shè)備、清槍剪絲機構(gòu)、變位機、焊接夾具、安全防護系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、工件檢測設(shè)備及物流系統(tǒng)等組成。按照不同種類工件的外形及其焊接特性，焊接單元的工藝布局有多種形式。

對于各種排氣零部件，焊接單元的典型布局如下：

1.彎管類歧管焊接單元布局

　　彎管類歧管的焊縫空間分布較復(fù)雜，需要使用兩臺機器人協(xié)調(diào)焊接或應(yīng)用雙軸變位機取得合適的焊接姿態(tài)。歧管及其焊接單元布局如圖2。
 　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖2 彎管類歧管焊接單元布局

2.沖壓半殼類歧管、凈化器和波紋管的焊接單元布局

　　沖壓半殼類歧管的焊縫主要分布在半殼一側(cè)的弧面上，應(yīng)用單軸變位機即可達到合適的焊接位置。此類工件與凈化器、波紋管等尺寸小且焊縫分布單一的工件一起，可使用單座單軸變位機雙工位布局（見圖3）。
 　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　圖3 半殼類岐管焊接單元的單座單軸變位機雙工位布局

3.熱端總成焊接單元布局

　　熱端工件是由歧管、凈化器、波紋管、二級凈化器和掛鉤法蘭等分總成工件焊接在一起的總成工件，是轎車排氣零部件焊接工件中最復(fù)雜的一種，通常需分為3～4道工序焊接完成，需采用多道工序夾具分布在單個機器人焊接單元內(nèi)的緊湊型布局（見圖4）。當產(chǎn)量需求較大時，可以用多個機器人焊接單元組成U型線，優(yōu)化物流。
 　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖4 熱端總成焊接的多工位緊湊型布局

4.半殼類消聲器大包焊接單元布局

　　半殼類消聲器大包在焊接過程中需要加壓到80kN以上，需要使用可安裝液壓模具的特殊雙軸變位機實現(xiàn)焊接工藝，其布局如圖5所示。
 　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖5 半殼類消聲器大包的焊接工藝布局

5.冷端總成焊接單元布局

　　排氣系統(tǒng)冷端總成工件通常由法蘭、進出氣管、消聲器大包、掛鉤支架等部件焊接組成。按排量大小分為單、雙系統(tǒng)兩種形式（見圖6）。
 　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 圖6 排氣系統(tǒng)冷端總成

　　冷端總成工件的長度通常為2～3m，焊接單元常用布局為立式翻轉(zhuǎn)三軸變位和水平回轉(zhuǎn)三軸變位兩種（見圖7）。雙系統(tǒng)冷端總成焊縫分布范圍較大，更適用于水平回轉(zhuǎn)三軸變位布局。
 　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　 圖7 立式翻轉(zhuǎn)三軸變位焊接單元布局（左）和水平回轉(zhuǎn)三軸變位焊接單元布局（右）

便捷的夾具快換

　　便捷的夾具快換可大大提高焊接系統(tǒng)的設(shè)備利用率，使用戶可以根據(jù)需求隨時調(diào)整生產(chǎn)，減少重復(fù)性投資和設(shè)備閑置。同時，利用夾具快換功能，還可實現(xiàn)在新產(chǎn)品試制和小批量生產(chǎn)階段先投夾具，在現(xiàn)有機器人焊接線上生產(chǎn)，批量生產(chǎn)階段前再建新的焊接線。

　　首鋼莫托曼公司在大量的機器人焊接系統(tǒng)應(yīng)用項目中總結(jié)并作為標準固定了幾種夾具快換方式。

1.整根夾具梁快換的設(shè)計和快換方式

　　夾具梁和變位機間的快換連接：夾具兩側(cè)安裝定位銷，變位機法蘭一側(cè)采用定位銷套，另一側(cè)采用鍵槽的定位方式。連接時，夾具兩側(cè)的定位銷依靠重力插入銷套和鍵槽中定位，連接板兩側(cè)的翻轉(zhuǎn)螺釘壓緊連接板。這種快換結(jié)構(gòu)（見圖8）簡便可靠，定位重復(fù)性效果好，已經(jīng)成為通用快換結(jié)構(gòu)標準。 
 　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖8 夾具梁和變位機間的快換結(jié)構(gòu)

　　夾具重量通常為200～400kg，要想快捷省力地更換夾具，就需要使用輔助工裝來升降和移動夾具。單梁夾具的輔助工裝可以使用液壓堆高叉車改造，在叉車上加裝夾具梁鎖緊結(jié)構(gòu)防止夾具側(cè)翻，或者在夾具梁上安裝可快速拆換的叉車靴套。

2.小件夾具及部件快換的設(shè)計和快換方式

　　當單根夾具梁上夾具的互換性高時，可以使用標準快換式夾具梁（見圖9）。此時夾具梁上的定位銷按標準尺寸分布，小件夾具可用其底板上的標準尺寸定位套與梁配合定位，使用開口快換墊圈快速夾緊。當夾具需要更換部件以適應(yīng)不同型號的工件在同一套夾具上生產(chǎn)時，也可使用同樣的結(jié)構(gòu)。
 　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖9 標準快換式夾具梁

　　小件夾具或快換的部件人工更換時重量要控制在20kg左右，否則需要專用輔助工裝。部件更換時，氣缸與閥間的氣管可通過多路快換接頭拆開，閥留在夾具梁上，供替換夾具重復(fù)使用。電控線纜連接采用多針航空插頭斷開。

　　應(yīng)用上述快換結(jié)構(gòu)，單套夾具更換時間可控制在10min內(nèi)，可大大提高機器人焊接系統(tǒng)的整體生產(chǎn)效率。

排氣零部件機器人弧焊生產(chǎn)線的發(fā)展

　　首鋼莫托曼公司從1998年開始研制排氣零部件機器人弧焊系統(tǒng)，到目前為止共制造了150余臺（套）排氣零部件機器人弧焊站，產(chǎn)品涉及的轎車品種近60種，不僅涵蓋了國內(nèi)主要轎車生產(chǎn)廠，2008年還向韓國和波蘭的TENNECO公司出口了用于制造通用Epsilon II平臺系列排氣系統(tǒng)的整套焊接線及工裝夾具（見圖10）。此外，首鋼莫托曼公司還成功開始向大型客車用排氣系統(tǒng)焊接線進行業(yè)務(wù)擴展。
 　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　 圖10 TENNECO公司用于制造通用Epsilon II平臺系列排氣系統(tǒng)的整套焊接線及工裝夾具

　　從MOTOMAN-EA1400弧焊專用機器人到MOTOMAN-SSA2000型機器人，再到t軸弧焊專用機器人MOTOMAN-VA1400及新一代機器人控制器DX100，機器人的軸動作速度和焊接速度不斷提高，同時，其機動性和可達性都達到了新的高度，特別是新的t軸機器人MOTOMAN-VA1400，為焊接工裝設(shè)計、生產(chǎn)空間布局、焊接姿態(tài)優(yōu)化增加了更多的優(yōu)化空間。今后，首鋼莫托曼公司將結(jié)合新型t軸機器人的專有技術(shù)，進一步研制布局緊湊、空間占用小的高速機器人弧焊系統(tǒng)，使排氣零部件領(lǐng)域的裝備水平再上新高！