焊接機(jī)器人系統(tǒng)在汽車底盤焊接中的應(yīng)用

    焊接機(jī)器人最適合于多品種高質(zhì)量生產(chǎn)方式，目前已廣泛應(yīng)用在汽車制造業(yè)，汽車底盤、座椅骨架、導(dǎo)軌、消聲器以及液力變矩器等焊接件均使用了機(jī)器人焊接，尤其在汽車底盤焊接生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)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(gòu)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(zhì)量要求相當(dāng)高，其質(zhì)量的好壞直接影響到轎車的安全性能。應(yīng)用機(jī)器人焊接后，大大提高了焊接件的外觀和內(nèi)在質(zhì)量，并保證了質(zhì)量的穩(wěn)定性和降低勞動(dòng)強(qiáng)度，改善了勞動(dòng)環(huán)境。

機(jī)器人焊接系統(tǒng)的常見應(yīng)用方式

按照焊接機(jī)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(diǎn)，及外部軸等外圍設(shè)施的不同配置，焊接機(jī)器人系統(tǒng)可分為以下幾種形式。

滑軌+焊接機(jī)器人的工作站示意圖

滑軌+焊接機(jī)器人的工作站
 
（見圖1）兩套夾具固定在滑動(dòng)小車上，由氣缸驅(qū)動(dòng)使裝有工件的兩個(gè)夾具輪流進(jìn)入機(jī)器人焊接區(qū)焊接，操作人員在另一面上、下料。兩個(gè)工作站交叉進(jìn)行，使機(jī)器人焊接時(shí)間與工件上、下料時(shí)間同步，這種方式可以節(jié)約變位器旋轉(zhuǎn)時(shí)間。雙夾具滑軌形式的焊接機(jī)器人系統(tǒng)利用兩副滑軌輪流為焊接機(jī)器人送料，可靠性較高，但對(duì)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(chǎn)線、POLO下?lián)u臂焊接生產(chǎn)線上均有應(yīng)用實(shí)例。

單（雙）夾具固定式+焊接機(jī)器人工作站示意圖

單（雙）夾具固定式+焊接機(jī)器人工作站

（見圖2）該結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，夾具由變位機(jī)進(jìn)行變位，來實(shí)現(xiàn)機(jī)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(jī)器人處于等待狀態(tài)，因而機(jī)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(chǎn)線及桑塔納前懸掛焊接和生產(chǎn)線有成功應(yīng)用。

帶變位機(jī)回轉(zhuǎn)工作臺(tái)+焊接機(jī)器人工作站示意圖

帶變位機(jī)回轉(zhuǎn)工作臺(tái)+焊接機(jī)器人工作站

（見圖3）該形式由兩副夾具帶變位器和一個(gè)轉(zhuǎn)臺(tái)組成，結(jié)構(gòu)緊湊。兩副夾具可以進(jìn)行不同的焊接程序以實(shí)現(xiàn)不同的工藝要求。機(jī)器人在其中一副夾具上焊接工件時(shí)，操作工可以在另一副夾具上裝卸工件，機(jī)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(yīng)用。

搬運(yùn)機(jī)器人+焊接機(jī)器人工作站示意圖

搬運(yùn)機(jī)器人+焊接機(jī)器人工作站

（見圖4）兩部機(jī)器人之間的配合所體現(xiàn)的主要優(yōu)點(diǎn)是能適應(yīng)各種不規(guī)則焊縫的焊接。但缺點(diǎn)是由于兩部機(jī)器人配合的不協(xié)調(diào)所導(dǎo)致的故障率較高。所以此種形式需合理安排機(jī)器人運(yùn)動(dòng)形式才能最大程度提高生產(chǎn)效率。

協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)式外軸+焊接機(jī)器人工作站示意圖

協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)式外軸+焊接機(jī)器人工作站

（見圖5）該形式運(yùn)用較廣泛。在實(shí)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(yīng)360°焊接，在這種情況下，協(xié)調(diào)式外軸與機(jī)器人相配合即可輕松實(shí)現(xiàn)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(jī)器人中置式工作站示意圖

機(jī)器人中置式工作站

（見圖6）該系統(tǒng)由兩轉(zhuǎn)臺(tái)和四套變位器組成，可以方便地實(shí)施兩種以上產(chǎn)品的焊接。尤其針對(duì)生產(chǎn)任務(wù)不均勻的情況，可以合理調(diào)配，以提高機(jī)器人的利用率。但該系統(tǒng)對(duì)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(xiàng)目中試用。

機(jī)器人焊接自動(dòng)線示意圖

機(jī)器人焊接自動(dòng)線

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

目前桑塔納前懸掛焊接生產(chǎn)線、帕薩特后橋焊接生產(chǎn)線均采用此形式。

焊接機(jī)器人柔性系統(tǒng)

隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)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(jī)器人系統(tǒng)必須高度柔性化。焊接機(jī)器人系統(tǒng)的柔性化，即：適應(yīng)于不同零件的焊接夾具；能短時(shí)間內(nèi)快速調(diào)換氣、電信號(hào)、配管、配線快速改換；控制程序必須能預(yù)置和快速轉(zhuǎn)換，最大程度地發(fā)揮機(jī)器人特點(diǎn)以使一套機(jī)器人系統(tǒng)能根據(jù)需要焊接多種零件和適應(yīng)產(chǎn)品多樣化和改進(jìn)的要求�？煽焖僬{(diào)換夾具的二、四工位焊接機(jī)器人系統(tǒng)能體現(xiàn)系統(tǒng)柔性化。

二工位點(diǎn)焊機(jī)器人系統(tǒng)示意圖

二工位點(diǎn)焊機(jī)器人系統(tǒng)

（見圖8）系統(tǒng)由一臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)的點(diǎn)焊機(jī)器人、兩個(gè)采用機(jī)器人外部軸伺服驅(qū)動(dòng)的回轉(zhuǎn)工作平臺(tái)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(xiàn)在以下幾點(diǎn)：
＊ 給標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)焊機(jī)器人配備了快速交換連接器。通過快速交換連接器，可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人焊鉗的快速自動(dòng)更換，不但可滿足復(fù)雜產(chǎn)品各個(gè)部位的焊點(diǎn)焊接，而且，在更換產(chǎn)品時(shí)，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(yuǎn)程I/O模塊，通過機(jī)器人的遠(yuǎn)程I/O模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人、夾具、夾具工作平臺(tái)及周邊裝置的控制。PLC程序采用結(jié)構(gòu)化方式編制，各個(gè)子程序分別對(duì)應(yīng)于一個(gè)功能，對(duì)于不同工件，只需調(diào)用或修正不同子程序，不需重新編程。不同產(chǎn)品的焊接內(nèi)容及夾具氣缸的動(dòng)作關(guān)系的設(shè)計(jì)和操作完成后，可以長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存，更換產(chǎn)品時(shí)可直接調(diào)用。操作控制采用觸摸屏，減少了大量復(fù)雜的連線，同時(shí)可以為不同工件專門設(shè)計(jì)不同的操作及狀態(tài)顯示界面。
＊ 采用機(jī)器人外部軸伺服驅(qū)動(dòng)的回轉(zhuǎn)工作平臺(tái)。該平臺(tái)除可以承受較大的徑向和軸向力外，同時(shí)采用機(jī)器人外部軸伺服驅(qū)動(dòng)和控制轉(zhuǎn)臺(tái)，從而使轉(zhuǎn)臺(tái)有極好的啟停特性，并與機(jī)器人實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)多工位焊接。在回轉(zhuǎn)平臺(tái)上裝有遠(yuǎn)程模塊，轉(zhuǎn)臺(tái)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(chǎn)了金杯副車架、后橋及派力奧橫梁、擺臂等多種產(chǎn)品，且產(chǎn)品更換方便快捷。

四工位的弧焊機(jī)器人系統(tǒng)

該系統(tǒng)有兩臺(tái)KR15弧焊機(jī)器人、一個(gè)四工位旋轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)臺(tái)、夾具回轉(zhuǎn)變位裝置及清槍器、焊機(jī)等周邊裝置組成。其柔性主要體現(xiàn)在機(jī)器人工作范圍較大，功能較全。夾具回轉(zhuǎn)變位裝置安裝法蘭上裝有遠(yuǎn)程模塊，遠(yuǎn)程模塊預(yù)留多芯航空插頭，在更換夾具時(shí)，可方便地與夾具上的相應(yīng)接口連接。夾具回轉(zhuǎn)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(nèi)便可以實(shí)現(xiàn)新夾具與變位器的機(jī)械連接。

機(jī)器人焊接新技術(shù)應(yīng)用

TCP（tool center point工具中心點(diǎn)）自動(dòng)校零技術(shù)

焊接機(jī)器人的工具中心點(diǎn)就是焊槍的中心點(diǎn)，TCP的零位精度直接影響著焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性。但在實(shí)際生產(chǎn)中不可避免會(huì)發(fā)生焊槍與夾具之間的碰撞等不可預(yù)見性因素導(dǎo)致TCP位置偏離。通常的做法是利用手動(dòng)進(jìn)行機(jī)器人TCP校零，但一般全過程需要30分鐘才能完成，影響生產(chǎn)效率。TCP自動(dòng)校零是用在機(jī)器人焊接中的一項(xiàng)新技術(shù)，它的硬件設(shè)施是由一梯形固定支座和一組激光傳感器組成。當(dāng)焊槍以不同姿態(tài)經(jīng)過TCP支座時(shí)，激光傳感器都將記錄下的數(shù)據(jù)傳遞到CPU與最初設(shè)定值進(jìn)行比較與計(jì)算。當(dāng)TCP發(fā)生偏離時(shí)，機(jī)器人會(huì)自動(dòng)運(yùn)行校零程序，自動(dòng)對(duì)每根軸的角度進(jìn)行調(diào)整，并在最少的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)TCP零位。

目前在波羅后橋及帕薩特副車架的機(jī)器人焊接生產(chǎn)線上均采用了該技術(shù)，大大方便了設(shè)備調(diào)整，節(jié)約了調(diào)整時(shí)間，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量。

雙絲高速焊接技術(shù)示意圖

雙絲高速焊接技術(shù)

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(chǎn)品的疲勞強(qiáng)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(shè)備的基本組成類似，都是由兩個(gè)焊接電源、兩個(gè)送絲機(jī)和一個(gè)共用的送雙絲的電纜。為了防止同相位的兩個(gè)電弧的相互干擾，常采用脈沖MIG/脈沖MAG焊法，并保持兩個(gè)電弧輪流交替燃燒。這樣一來，就要求一個(gè)協(xié)同控制器保證兩個(gè)電源的輸出電流波形相位相差180°（如圖9）。當(dāng)焊接參數(shù)設(shè)置到最佳時(shí)，脈沖電弧能得到無(wú)短路、幾乎無(wú)飛濺的過渡過程，真正做到“一個(gè)脈沖過渡一個(gè)熔滴”，每個(gè)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?lián)u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(dá)30mm/s， 不但提高了焊接效率，而且產(chǎn)品疲勞強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于類似的單絲焊。

機(jī)器人等離子切割技術(shù)

對(duì)機(jī)器人焊接質(zhì)量提出高要求，勢(shì)必對(duì)沖制件的匹配性提出了更高要求。尤其是針對(duì)管狀件的相貫線形焊縫，對(duì)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(dá)到此要求，于是，機(jī)器人等離子切割走進(jìn)了汽車底盤零部件焊接生產(chǎn)線。機(jī)器人等離子切割是由普通的抓舉機(jī)器人持等離子割炬按機(jī)器人編程軌跡進(jìn)行勻速切割，氧氣作為切割氣體，氮?dú)馄鸨Ｗo(hù)作用，所切割工件邊緣平滑，輪廓度小于0.3mm，保證焊接的質(zhì)量穩(wěn)定。當(dāng)產(chǎn)品尺寸需要改進(jìn)時(shí)，無(wú)需對(duì)沖壓模具進(jìn)行改進(jìn)，只需對(duì)機(jī)器人切割軌跡進(jìn)行簡(jiǎn)單的調(diào)整即可滿足生產(chǎn)，可節(jié)約大量生產(chǎn)成本。

模塊式夾緊機(jī)構(gòu)的應(yīng)用

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

圖10 模塊式夾緊機(jī)構(gòu)

機(jī)器人焊接技術(shù)的發(fā)展

機(jī)器人離線編程及遠(yuǎn)程診斷技術(shù)

為適合機(jī)器人焊接生產(chǎn)線的生產(chǎn)節(jié)拍和調(diào)試需求，機(jī)器人離線編程及遠(yuǎn)程診斷技術(shù)的應(yīng)用已迫在眉睫。離線編程軟件可直接進(jìn)行模擬運(yùn)行，當(dāng)將離線程序輸入機(jī)器人后只需對(duì)其中的焊接空間點(diǎn)的位置進(jìn)行修改既可滿足實(shí)際生產(chǎn)。另外使機(jī)器人具有遠(yuǎn)程診斷能力，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)離工廠現(xiàn)場(chǎng)了解機(jī)器人系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行狀況，在機(jī)器人系統(tǒng)尤其是機(jī)器人控制器出現(xiàn)故障時(shí)對(duì)其進(jìn)行及時(shí)有效的診斷與維護(hù)，從而大大縮短故障處理時(shí)間，節(jié)約維護(hù)成本，是非常有意義的。

焊縫自動(dòng)跟蹤技術(shù)

焊接機(jī)器人缺少對(duì)工件的自適應(yīng)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(dòng)識(shí)別焊縫位置，在空間中尋找和跟蹤焊縫、尋找焊縫起、終點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)焊槍跟隨焊縫位置自適應(yīng)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(jī)器人系統(tǒng)的夾具允許機(jī)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(dòng)跟蹤技術(shù)為電弧電壓跟蹤傳感，該系統(tǒng)具有尋找焊縫起始點(diǎn)、終點(diǎn)以及弧長(zhǎng)參考點(diǎn)，焊接過程中根據(jù)弧長(zhǎng)的變化，用電弧傳感器控制電壓自適應(yīng)控制。這種方法也只能應(yīng)用于角接接頭形式，對(duì)于轎車底盤零件大量的薄板搭接焊縫，因無(wú)法尋找弧長(zhǎng)參考點(diǎn)也無(wú)法應(yīng)用。

機(jī)器人焊接在汽車工業(yè)中的應(yīng)用代表了焊接工藝的一個(gè)新發(fā)展方向。中國(guó)汽車工業(yè)使用機(jī)器人焊接系統(tǒng)時(shí)間不長(zhǎng)，應(yīng)用面還不廣，還有待于在實(shí)踐中結(jié)累更多經(jīng)驗(yàn)。