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    隨(sui)著汽車制(zhi)造業(ye)對焊(han)接(jie)精(jing)度(du)(du)和(he)速度(du)(du)等指標提出的(de)要求越來越高，以及用戶個性(xing)化需求的(de)日(ri)益加(jia)強，為了滿足多車型、多批次的(de)市場需求，提高車身(shen)車間生產能力的(de)柔性(xing)和(he)彈性(xing)，工(gong)業(ye)機器人(ren)在車身(shen)焊(han)接(jie)中(zhong)得到了廣(guang)泛應(ying)(ying)用。本文結(jie)合實(shi)例(li)介紹(shao)了點焊(han)機器人(ren)和(he)弧焊(han)機器人(ren)系統在車身(shen)焊(han)接(jie)中(zhong)的(de)應(ying)(ying)用。

    轎車(che)(che)車(che)(che)身(shen)的(de)(de)(de)結(jie)構(gou)和工(gong)(gong)藝在很大(da)程(cheng)度上(shang)決定了乘車(che)(che)的(de)(de)(de)安全系(xi)(xi)數。車(che)(che)身(shen)本體是由十幾個大(da)總(zong)成(cheng)和數百個薄板沖壓件(jian)，經點(dian)焊(han)(han)、弧焊(han)(han)、激光焊(han)(han)、釬焊(han)(han)、鉚接(jie)、機械(xie)連接(jie)以(yi)及膠接(jie)等工(gong)(gong)藝連接(jie)成(cheng)的(de)(de)(de)復雜(za)薄板結(jie)構(gou)件(jian)。由于白車(che)(che)身(shen)所涉及的(de)(de)(de)零件(jian)多(duo)、工(gong)(gong)藝復雜(za)且設備類型繁(fan)多(duo)，因(yin)此車(che)(che)身(shen)規劃(hua)對焊(han)(han)接(jie)工(gong)(gong)藝、裝焊(han)(han)夾具(ju)、質量(liang)控制(zhi)以(yi)及維護保養等都有(you)較高的(de)(de)(de)要求。本文(wen)結(jie)合實例重點(dian)介紹了點(dian)焊(han)(han)機器(qi)人(ren)系(xi)(xi)統(tong)和弧焊(han)(han)機器(qi)人(ren)系(xi)(xi)統(tong)在車(che)(che)身(shen)焊(han)(han)接(jie)中的(de)(de)(de)應用。

【點焊機(ji)器人系統】

    車身(shen)點焊的(de)質量直接影響著(zhu)汽(qi)車車身(shen)強度和使用(yong)安全性。點焊設備因易于(yu)機(ji)械化(hua)、成(cheng)本(ben)較低廉、技術(shu)成(cheng)熟且配套設施完(wan)善，在汽(qi)車車身(shen)的(de)生產(chan)中應用(yong)廣泛。現在，點焊焊接過程完(wan)全自動(dong)化(hua)已成(cheng)為(wei)趨勢，機(ji)器人點焊系統已得(de)到(dao)廣泛應用(yong)，正(zheng)逐步取代手工點焊。

1．氣動點(dian)焊機(ji)器人系(xi)統

    氣(qi)動點焊機(ji)器(qi)人(ren)(ren)(ren)系統包括機(ji)器(qi)人(ren)(ren)(ren)本體、機(ji)器(qi)人(ren)(ren)(ren)控(kong)(kong)制器(qi)、點焊控(kong)(kong)制器(qi)、自動電極修磨機(ji)、氣(qi)動點焊鉗和水氣(qi)供應的水氣(qi)控(kong)(kong)制單元等，如圖1所(suo)示(shi)。

圖1氣(qi)動點焊機器人系統(tong)

    氣動(dong)焊鉗作(zuo)為點焊機器(qi)(qi)人的(de)執行機構，目(mu)前(qian)普遍采用(yong)了一(yi)體(ti)化(hua)焊鉗，就是(shi)焊接(jie)變壓(ya)(ya)器(qi)(qi)裝在焊鉗后面，減少了二次電纜的(de)損失，提高焊接(jie)質量(liang)(liang)。由于采用(yong)一(yi)體(ti)化(hua)焊鉗，變壓(ya)(ya)器(qi)(qi)必須盡量(liang)(liang)小(xiao)型化(hua)，提高機器(qi)(qi)人有效負載。對于容量(liang)(liang)較(jiao)大(da)的(de)變壓(ya)(ya)器(qi)(qi)，已開(kai)始采用(yong)中頻逆變技(ji)術：把50Hz工(gong)頻交流(liu)變為600～1000Hz交流(liu)再整流(liu)，使(shi)變壓(ya)(ya)器(qi)(qi)體(ti)積(ji)減少、減輕。

    氣動焊(han)(han)(han)鉗(qian)電極(ji)組件形式(shi)上與(yu)手(shou)工焊(han)(han)(han)接焊(han)(han)(han)鉗(qian)基本(ben)相似，完成(cheng)與(yu)工件接觸及通電焊(han)(han)(han)接作(zuo)用(yong)，為降低(di)維(wei)護改(gai)造(zao)成(cheng)本(ben)，焊(han)(han)(han)鉗(qian)組件有模塊化的(de)趨勢(shi)。點焊(han)(han)(han)機(ji)器(qi)人動作(zuo)穩定可靠，重(zhong)復精(jing)度高(gao)，可代替人的(de)繁重(zhong)體(ti)力(li)勞動，并(bing)且提高(gao)了焊(han)(han)(han)接質(zhi)量(liang)，提高(gao)了生產線柔(rou)性。

    2009年，上汽乘用(yong)車(che)公司(si)南(nan)京基地新(xin)建(jian)10萬輛榮威350系(xi)列轎車(che)AP11焊接(jie)生(sheng)產(chan)線。該線從日本(ben)FANUC公司(si)引進49臺六軸氣動點焊機器人(ren)，應用(yong)在工(gong)藝要求較高的(de)車(che)身下車(che)體總(zong)成(cheng)焊接(jie)工(gong)位、側圍總(zong)成(cheng)及(ji)車(che)身本(ben)體的(de)裝配焊接(jie)上。

    在(zai)(zai)成(cheng)功新建AP11主(zhu)線(xian)后，上(shang)汽乘用車(che)公(gong)司南京基(ji)地(di)于2011年(nian)在(zai)(zai)AP11基(ji)礎上(shang)建設MG5車(che)型生產(chan)線(xian)時(shi)，再(zai)次引進(jin)引進(jin)日本(ben)FANUC公(gong)司的(de)(de)(de)10臺(tai)點焊(han)(han)機器人，用于6萬輛生產(chan)能力的(de)(de)(de)AP12主(zhu)線(xian)上(shang)，應用在(zai)(zai)工(gong)(gong)藝質量要求較高的(de)(de)(de)車(che)身下車(che)體總成(cheng)焊(han)(han)接(jie)工(gong)(gong)位、側(ce)圍部件、側(ce)圍總成(cheng)及(ji)車(che)身本(ben)體的(de)(de)(de)裝配焊(han)(han)接(jie)上(shang)。

    與(yu)原AP11主(zhu)線(xian)(xian)不(bu)同的(de)是，建(jian)設(she)(she)投產的(de)AP12主(zhu)焊線(xian)(xian)與(yu)AP11線(xian)(xian)實(shi)現設(she)(she)備全部共用，充(chong)分滿足了柔性混(hun)線(xian)(xian)生產的(de)需(xu)求，實(shi)現了短時切換或無需(xu)切換的(de)全柔性生產模式。為節省建(jian)設(she)(she)成(cheng)本及場地(di)，我們將生(sheng)產(chan)線(xian)多數工位上的一臺機器人改造(zao)為(wei)可(ke)帶兩把以上焊(han)鉗(qian)(qian)或抓手工具，通過采用(yong)自動工具交(jiao)換裝置可(ke)快速進(jin)行(xing)焊(han)鉗(qian)(qian)間的切(qie)換。

2．伺服(fu)點焊機器人系統(tong)

    為(wei)實(shi)現更高的(de)焊接質量并(bing)滿足(zu)性(xing)能要求，AP12線(xian)還引進(jin)采用了(le)新型(xing)中頻點焊伺(si)服焊槍控制技術(shu)。此(ci)系統(tong)可(ke)滿足(zu)高強/超(chao)高強度鋼板(ban)和多層板(ban)材的(de)焊接，以(yi)適應汽車(che)輕量化與車(che)身(shen)防撞安全不斷提高的(de)要求。

    伺(si)(si)服點(dian)焊機(ji)(ji)器(qi)(qi)人系統包(bao)括(kuo)機(ji)(ji)器(qi)(qi)人本體(ti)、機(ji)(ji)器(qi)(qi)人控制(zhi)(zhi)器(qi)(qi)、中頻點(dian)焊控制(zhi)(zhi)器(qi)(qi)、自動電(dian)極(ji)修磨機(ji)(ji)和(he)伺(si)(si)服點(dian)焊鉗等(deng)。伺(si)(si)服焊槍的(de)優點(dian)是傳統氣動焊機(ji)(ji)無法比擬的(de)，其特點(dian)是以伺(si)(si)服裝置(zhi)代替氣動裝置(zhi)，按照預先編(bian)制(zhi)(zhi)的(de)程序，由伺(si)(si)服控制(zhi)(zhi)器(qi)(qi)發出指令(ling)，控制(zhi)(zhi)伺(si)(si)服電(dian)動機(ji)(ji)按照既定(ding)速度(du)、位移(yi)進給，形成(cheng)對電(dian)極(ji)位移(yi)與(yu)速度(du)的(de)精(jing)確控制(zhi)(zhi)，脈(mo)沖數(shu)目與(yu)頻率決定(ding)電(dian)極(ji)位移(yi)與(yu)速度(du)，電(dian)動機(ji)(ji)轉(zhuan)矩決定(ding)電(dian)極(ji)壓(ya)力。

    伺服(fu)焊槍具有增(zeng)強診斷及(ji)監控、簡化焊鉗設計、提(ti)高(gao)柔性、降(jiang)低維修(xiu)率、提(ti)高(gao)運行時間及(ji)減(jian)少生(sheng)產(chan)成本（耗氣/備件/省電(dian)）等特點(dian)，將(jiang)是未來(lai)汽車(che)裝配(pei)生(sheng)產(chan)線(xian)上應用的主要(yao)設備。其(qi)中(zhong)頻(pin)點(dian)焊的質量(liang)和(he)效率均遠(yuan)高(gao)于(yu)工頻(pin)焊接，主要(yao)表現在以下(xia)幾方(fang)面：

（1）減(jian)少生(sheng)產節(jie)(jie)拍(pai)(pai)機(ji)器人(ren)與(yu)焊(han)鉗同步協調(diao)運動，大(da)(da)大(da)(da)提高(gao)了生(sheng)產節(jie)(jie)拍(pai)(pai)，使焊(han)點間(jian)(jian)及障礙物的(de)跳轉路徑小(xiao)化；可隨意縮(suo)短電極(ji)(ji)開(kai)口(kou)減(jian)小(xiao)關閉焊(han)鉗時(shi)間(jian)(jian)；焊(han)接(jie)開(kai)始信(xin)號發出(chu)后(hou)可更(geng)(geng)快、更(geng)(geng)好地(di)控制(zhi)加(jia)壓(ya)；更(geng)(geng)快地(di)更(geng)(geng)改焊(han)接(jie)壓(ya)力(li)，其壓(ya)力(li)調(diao)節(jie)(jie)速度可達200kgf/cycle（98N/ms）；能夠很好地(di)避免和抑制(zhi)飛濺，有效保證(zheng)和提高(gao)焊(han)接(jie)質量；焊(han)接(jie)完成信(xin)號發出(chu)后(hou)可更(geng)(geng)快打開(kai)焊(han)鉗；減(jian)少電極(ji)(ji)更(geng)(geng)換及修磨時(shi)間(jian)(jian)；換槍、電極(ji)(ji)修磨及更(geng)(geng)換后(hou)快速標定。

（2）提(ti)高(gao)焊(han)接(jie)質(zhi)量軟接(jie)觸可實現極(ji)少的(de)(de)產品沖擊，還可以減小噪聲；高(gao)精確(que)度(du)的(de)(de)可重復(fu)性(xing)加壓；焊(han)接(jie)中精確(que)恒壓控制；焊(han)接(jie)過程中壓力可實現調(diao)整；更穩(wen)定的(de)(de)電(dian)極(ji)管理及控制等。

    相對氣動(dong)(dong)焊(han)(han)(han)槍(qiang)，伺服(fu)焊(han)(han)(han)槍(qiang)的(de)(de)漸(jian)進(jin)和預壓(ya)過程(cheng)是影(ying)響焊(han)(han)(han)接效率(lv)的(de)(de)兩個(ge)關鍵階段。可編程(cheng)電(dian)極行程(cheng)和速度(du)可以(yi)(yi)縮短同一工位(wei)上(shang)多個(ge)焊(han)(han)(han)點的(de)(de)漸(jian)進(jin)時間(jian)，也可以(yi)(yi)提高焊(han)(han)(han)接生(sheng)產(chan)率(lv)。以(yi)(yi)預壓(ya)為(wei)例進(jin)行分析，圖2所示為(wei)氣動(dong)(dong)焊(han)(han)(han)槍(qiang)和伺服(fu)焊(han)(han)(han)槍(qiang)在焊(han)(han)(han)接過程(cheng)中電(dian)極力的(de)(de)變化，假(jia)定(ding)達到設定(ding)預壓(ya)力，電(dian)極力將(jiang)保持恒定(ding)。如表(biao)所示，伺服(fu)焊(han)(han)(han)槍(qiang)焊(han)(han)(han)接的(de)(de)一個(ge)焊(han)(han)(han)點可節省(sheng)(sheng)0.44s，以(yi)(yi)一臺轎車約(yue)3500～5000個(ge)焊(han)(han)(han)點為(wei)例，將(jiang)節省(sheng)(sheng)26～37min的(de)(de)焊(han)(han)(han)接時間(jian)，生(sheng)產(chan)率(lv)得到極大(da)(da)提高，車身焊(han)(han)(han)裝(zhuang)線的(de)(de)生(sheng)產(chan)能力大(da)(da)大(da)(da)提升。

圖2氣動焊槍和伺服焊槍在焊接過程中(zhong)電極力的變化

氣動(dong)焊機和伺服焊槍的預(yu)壓時間對比

弧焊機器人系(xi)統

    汽(qi)車(che)車(che)身(shen)結(jie)構的(de)(de)(de)特點決定了車(che)身(shen)制造離不開弧焊技(ji)(ji)術(shu)。傳統手工弧焊焊接時的(de)(de)(de)火花及煙霧對(dui)人(ren)體造成危(wei)害較大，工作(zuo)環境惡劣，且對(dui)工人(ren)技(ji)(ji)能要(yao)求更高，焊縫質(zhi)量一(yi)致性差，波動也較大。特別是汽(qi)車(che)的(de)(de)(de)重要(yao)結(jie)構安(an)全件，其焊接質(zhi)量對(dui)汽(qi)車(che)的(de)(de)(de)安(an)全性起著決定性的(de)(de)(de)作(zuo)用(yong)，因此(ci)整車(che)廠有逐(zhu)步采用(yong)自動化弧焊機器(qi)人(ren)替(ti)代手工方式的(de)(de)(de)趨勢。

圖(tu)3弧焊(han)機器人系統(tong)

對車身弧焊(han)機器人工作(zuo)站的設(she)計(ji)(ji)規劃(hua)應首先考(kao)慮是否(fou)滿足生產(chan)綱領、工作(zuo)站的柔性和焊(han)接質量，以及(ji)機器人及(ji)焊(han)槍(qiang)的選型及(ji)電控設(she)計(ji)(ji)。具體(ti)內容包括：

    機器人系(xi)統設計(ji)參數包括有效載荷、軸(zhou)數、各軸(zhou)的自由度范圍及(ji)控制系(xi)統等。

    機器人(ren)工作(zuo)范圍及姿態，充分考慮車身形式(shi)和(he)弧焊點(dian)位置、夾具(ju)形式(shi)。通(tong)過(guo)3D設(she)計模(mo)型仿真模(mo)擬干(gan)涉危險點(dian)的焊接，對焊槍(qiang)及夾具(ju)的形狀、機器人(ren)操作(zuo)位置等進行(xing)反復修(xiu)改，確定方案再(zai)進行(xing)可行(xing)性論證及設(she)計修(xiu)正。

    確(que)定機(ji)器(qi)(qi)人的(de)(de)高度及(ji)與前后左右距離，確(que)保所有弧焊點機(ji)器(qi)(qi)人焊槍可達。進行優化設計可靠的(de)(de)方法(fa)是通過機(ji)器(qi)(qi)人仿真軟件模(mo)擬實際(ji)的(de)(de)焊接工作，具體(ti)方法(fa)是加入工位夾具、工件及(ji)焊槍的(de)(de)3D模(mo)型(xing)，在虛(xu)擬環境進行工作站的(de)(de)裝(zhuang)配和(he)調試，路徑模(mo)擬，發現是否(fou)干涉，以此調整各部分的(de)(de)相(xiang)對尺寸達到合理。

    工藝(yi)時序設(she)計，控(kong)制(zhi)流程圖設(she)計。弧焊(han)(han)(han)機(ji)器(qi)(qi)人(ren)工作站的設(she)備構成包括弧焊(han)(han)(han)機(ji)器(qi)(qi)人(ren)、機(ji)器(qi)(qi)人(ren)控(kong)制(zhi)器(qi)(qi)、焊(han)(han)(han)機(ji)、清槍系統(tong)、輸送系統(tong)、焊(han)(han)(han)接夾具、排煙除塵設(she)備、安(an)全防護網、弧光遮擋簾和水電氣單(dan)元(yuan)等。

    上汽乘用(yong)車(che)公司(si)南(nan)京基地(di)榮威350/MG5車(che)型生產線采用(yong)了(le)(le)4臺日本FANUC公司(si)的(de)弧(hu)焊(han)機器(qi)人及(ji)奧地(di)利Fronius公司(si)先進(jin)的(de)CMT焊(han)機系統（具備“冷”金屬過(guo)渡(du)(du)焊(han)接(jie)(jie)技術）。CMT焊(han)接(jie)(jie)技術系統的(de)特點是：作為完全的(de)“冷”技術，近乎無電流狀態(tai)下的(de)熔滴過(guo)渡(du)(du)，低熱(re)輸入量；能夠(gou)進(jin)行薄(bo)板/超薄(bo)板焊(han)接(jie)(jie)；確保(bao)無飛濺過(guo)渡(du)(du)，減(jian)少了(le)(le)焊(han)后清理工(gong)(gong)作；引弧(hu)可靠，良好的(de)搭橋能力使(shi)得焊(han)接(jie)(jie)過(guo)程操作容易；焊(han)接(jie)(jie)過(guo)程送絲(si)穩(wen)定，焊(han)接(jie)(jie)工(gong)(gong)藝(yi)(yi)專家數(shu)據庫化(hua)，簡(jian)化(hua)縮短工(gong)(gong)藝(yi)(yi)調試過(guo)程等。