機(jī)器人在汽車凈化器殼體柔性化焊接中的應(yīng)用

文章對(duì)焊接機(jī)器人的特點(diǎn)和功能進(jìn)行了闡述，以汽車凈化器殼體焊接為實(shí)例，介紹了控制系統(tǒng)的構(gòu)成及其運(yùn)行情況。

由于自身所具備的眾多優(yōu)點(diǎn)，焊接機(jī)器人正在眾多領(lǐng)域得到日益廣泛的應(yīng)用。以一種主流焊接機(jī)器人為例，介紹其特點(diǎn)和主要功能，然后詳細(xì)介紹了其在汽車凈化器焊接中的應(yīng)用，包括焊接機(jī)器人系統(tǒng)的組成及動(dòng)作設(shè)計(jì)等。生產(chǎn)實(shí)踐表明：該焊接機(jī)器人能夠滿足柔性自動(dòng)化焊接的要求，可使產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)率快速提高，增強(qiáng)產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

機(jī)器人 汽車 柔性化 焊接

1 焊接機(jī)器人的特點(diǎn)和功能

現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的焊接機(jī)器人都屬于第一代工業(yè)機(jī)器人，它的基本原理是示都再現(xiàn)〔3、4〕。由于機(jī)器人的示都再現(xiàn)功能表現(xiàn)為焊接機(jī)器人完成一項(xiàng)焊接任務(wù)，只需一次示教，即可精確地再現(xiàn)示教的動(dòng)作，如要機(jī)器人去做另一項(xiàng)工作，無(wú)需改變?nèi)魏斡布?，只需再做一次示教即可，因此，在一條焊接機(jī)器人生產(chǎn)線上，可自動(dòng)生產(chǎn)若干種焊件，焊接機(jī)器人對(duì)生產(chǎn)條件的適應(yīng)性很強(qiáng)。焊接機(jī)器人是一種可編程的柔性自動(dòng)化設(shè)備，靈活性很強(qiáng)，尤為顯著的是能在狹窄的空間作業(yè)的具有6個(gè)自由度的機(jī)器人，在汽車制造行業(yè)倍受矚目。圖1所示為某主流品牌焊接機(jī)器人，其主要特點(diǎn)如下：

（1）動(dòng)作高速、平滑 與其他同類型機(jī)器人相比，最高速度高，加速度大，因此縮短了空走時(shí)間和循環(huán)時(shí)間，提高了生產(chǎn)率。

（2）動(dòng)作范圍廣 由于采用了獨(dú)立關(guān)節(jié)構(gòu)造，動(dòng)作范圍大，最大伸展距離為1360mm，水平行程范圍為1017mm，同時(shí)由于彩了偏置手腕構(gòu)造，更容易接近焊接工件，焊槍的旋轉(zhuǎn)角度增大，因此擴(kuò)大了焊接工件時(shí)的動(dòng)作范圍。

（3）體積小、節(jié)省空間 在設(shè)計(jì)上采用了不需選擇設(shè)置場(chǎng)所的緊湊化設(shè)計(jì)，在旋轉(zhuǎn)軸上采用中空減速機(jī)，減小了設(shè)置空間。

（4）控制性能優(yōu)異、操作性強(qiáng) 控制器主CPU與演算CPU的獨(dú)立化，保證了更平滑的高速運(yùn)動(dòng)，確保了軌跡的高精度；而且內(nèi)存使用FLASH在存儲(chǔ)器，大大提高了存儲(chǔ)容量。

2 汽車凈化器殼體焊接實(shí)例

目前該型機(jī)器人在工業(yè)焊接，尤其是在汽車制造業(yè)中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。汽車凈化器外殼采用Q235低碳鋼板，經(jīng)剪切、成型夾緊、定位、焊接、熱浸滲鍍鋁等工藝制成。低碳鋼板滲鋁工藝可取代不銹鋼，并可長(zhǎng)期在900℃高溫以下使用而不損壞，原材料成本低。凈化器殼體由沖壓件經(jīng)點(diǎn)焊和弧焊完成，其上、下殼體接口由直線焊縫及兩端法蘭環(huán)焊縫組成。本工作站采用了2個(gè)焊接工位的機(jī)器人焊接系統(tǒng)，首先將凈化器擺放在工裝上，通過(guò)工作臺(tái)的浮動(dòng)支撐、輔助支撐及夾具進(jìn)行定位及夾緊，由焊接機(jī)器人、定位器以及與之匹配的周邊設(shè)施相互準(zhǔn)確地配合完成整個(gè)凈化器工序所含各焊接部位的焊接。生產(chǎn)中也可根據(jù)設(shè)備利用率采用人工點(diǎn)焊后再由機(jī)器人自動(dòng)完成縫焊的焊接工藝。

2.1 焊接機(jī)器人工作站的組成及動(dòng)作設(shè)計(jì)

該焊接機(jī)器人系統(tǒng)主要由機(jī)架（底座、支撐座）、工作臺(tái)浮動(dòng)支撐、輔助支撐及夾具（2臺(tái)變位器、2個(gè)工位）、機(jī)器人及其控制系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)、防護(hù)欄、遮光板、光幕、焊接電源、焊槍、電氣系統(tǒng)及其它輔助裝置組成。

2.1.1 機(jī)器人的控制系統(tǒng)

由于可編程控制器（PLC）是專為工廠環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的一種工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，具有抗干擾能力強(qiáng)、可靠性極高、體積小、是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的理想控制裝置等優(yōu)點(diǎn)，所以本工作站采用其作為主控制裝置，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的集中調(diào)度，通過(guò)總線和 I/O接口獲取各個(gè)執(zhí)行元件的狀態(tài)信息，將焊接任務(wù)劃分為各個(gè)子任務(wù)，分發(fā)并協(xié)調(diào)各個(gè)工位的工作。

該控制系統(tǒng)主要由主控制箱、主操作盤、副操作盤等部分組成，其核心是日本三菱可編程控制器〔3〕。主控制箱是控制的中心，主要完成對(duì)機(jī)器人、操作盤的協(xié)調(diào)控制；副操作盤裝有觸摸屏，能完成所有操作及提供各種指示，有電源“入、切”、“手動(dòng)、自動(dòng)”轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、“運(yùn)轉(zhuǎn)準(zhǔn)備”、“異常解除”、“警報(bào)停止”、“非常停止”等按鈕，以及各種報(bào)警指示燈；主操作盤完成工作的啟動(dòng)、停止控制。

2.1.2 底座

用于安裝焊接機(jī)器人、翻轉(zhuǎn)變位器、輔助支撐、工作臺(tái)等部件。其中水平翻轉(zhuǎn)變位器拖動(dòng)2套夾具配合焊接機(jī)器人使工件焊縫處于最佳的焊接位置。

2.1.3 氣動(dòng)系統(tǒng)

氣動(dòng)系統(tǒng)由各氣動(dòng)閥、汽缸等組成，實(shí)現(xiàn)工件的托起、定位加緊等動(dòng)作。

2.2 焊接系統(tǒng)的運(yùn)行控制

系統(tǒng)初始化，并檢測(cè)各個(gè)執(zhí)行元件的狀態(tài)，由于焊接工件種類不同，需要設(shè)置不同的焊接工藝參數(shù)?？刂坪笜寗?dòng)作的焊接控制器中可存儲(chǔ)多種焊接工藝參數(shù)，每組焊接參數(shù)對(duì)應(yīng)1組焊接工藝。機(jī)器人向PLC發(fā)出焊接預(yù)約信號(hào)，PLC通過(guò)焊接控制器向焊槍輸出需要的焊接工藝參數(shù)。

該系統(tǒng)技術(shù)是，工作安全可靠，2個(gè)焊接工位獨(dú)立存在、交互運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)工位1完成Ⅰ型凈化器焊接后，焊接機(jī)器人按程序預(yù)約自動(dòng)轉(zhuǎn)到左面工位2進(jìn)行Ⅱ型凈化器的焊接，同時(shí)操作人員可在工位1進(jìn)行工件的裝卸，縮短了焊接生產(chǎn)的輔助時(shí)間，提高了生產(chǎn)率。工件在夾具中定位準(zhǔn)確可靠，重復(fù)定位精度高，焊接質(zhì)量好。每一工位的焊接夾具均采用變位器拖動(dòng)，使其在焊接過(guò)程中可以改變工件的焊接姿態(tài)，配合機(jī)器人的動(dòng)作，保質(zhì)保量地完成凈化器的焊接。該系統(tǒng)的動(dòng)作過(guò)程如下：

啟動(dòng)→點(diǎn)焊→縱焊縫施焊（同時(shí)工位2夾工件，啟動(dòng)）→上面焊接結(jié)束，變位器翻轉(zhuǎn)變位→下面縱焊縫施焊→下面焊接結(jié)束；進(jìn)行環(huán)焊縫焊接→焊接結(jié)束，裝卸工件，同時(shí)預(yù)約轉(zhuǎn)入工位2的焊接（焊接順序與工位1相同），點(diǎn)焊和環(huán)焊這2個(gè)動(dòng)作均是在工位1上完成的。

按工位1啟動(dòng)開(kāi)關(guān)→機(jī)器人開(kāi)始運(yùn)行工位1→按工位2開(kāi)關(guān)，工位1動(dòng)作結(jié)束后，工位2程序自動(dòng)運(yùn)行→取下工件1，放上新工件→按工位2開(kāi)關(guān)→工位2程序結(jié)束后，工位1程序自動(dòng)運(yùn)行，圖2充分說(shuō)明了兩工位之間的動(dòng)作關(guān)系。

根據(jù)動(dòng)作順序進(jìn)行空載運(yùn)轉(zhuǎn)，在各個(gè)動(dòng)作準(zhǔn)確無(wú)誤后裝夾工件示教，通過(guò)機(jī)器人的示教器確定各工位的焊接工藝參數(shù)，最后進(jìn)行試焊接。

3 結(jié)論

目前，汽車制造業(yè)中的焊接方法以點(diǎn)焊、弧焊為主。在惡劣的焊接條件下，作為集機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)、控制、傳感器等多門學(xué)科理論與技術(shù)于一體的焊接機(jī)器人，其工作狀態(tài)穩(wěn)定，能確保焊接質(zhì)量。本文所介紹的工作站在汽車配件生產(chǎn)廠家的成功運(yùn)用充分證明了該工作站的通用性和靈活性。只要稍加調(diào)整工裝和控制程序就能適應(yīng)不同工件焊接的需要，而且機(jī)器人自動(dòng)焊接凈化器尺寸的一致性，夾具定位的準(zhǔn)確性，密封性起著至關(guān)重要的作用。