車身焊裝生產(chǎn)線機(jī)器人布局設(shè)計

鄭宏良+覃鑫

摘 要：通過分析機(jī)器人與夾具、修模器、換槍架和圍欄的相對距離，以及機(jī)器人底座的高度研究機(jī)器人布局設(shè)計，并從目前的仿真項目中總結(jié)出機(jī)器人仿真項目中如何獲得一個好的布局，有效地解決焊接過程中出現(xiàn)的干涉多、余量少等問題，同時還能夠優(yōu)化機(jī)器人的運動軌跡，減少工作的節(jié)拍。

關(guān)鍵詞：車身 ?焊裝線 ?機(jī)器人 ?布局

中圖分類號：U463 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ?文章編號：1674-098X（2014）11（a）-0008-02

Layout Design of Body Welding Robot Production Line

Zheng Hongliang Qin Xin

（Technology Development Center，SAIC-GM-Wuling Automobile Co.，Ltd，Liuzhou Guangxi，545007，China）

Abstract：Through analysis of the relative distance between robots and fixtures，the gun rack and fences，and the height of the base of the robot to research on robot layout design.To sum up the simulation of robot project how to get a good layout，that can be effectively solved multiple interference，less space in the welding process，also can be optimized trajectory of robot，and reduced the beat of produce.

Key words：Body;Welding Production Line;Robot;Layout

隨著我國汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，機(jī)器人由于的動作穩(wěn)定可靠，重復(fù)精度高成為一種先進(jìn)的自動化設(shè)備在汽車白車身生產(chǎn)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。對于機(jī)器人車身焊裝生產(chǎn)線項目的前期工作就需要擬定一個大概的布局。這個布局的好壞直接影響后面工作的工作量和進(jìn)度[1]。

機(jī)器人布局設(shè)計需滿足機(jī)器人運動學(xué)的要求和周邊設(shè)備與生產(chǎn)環(huán)境對機(jī)器人間的約束[2]。由于目前機(jī)器人布局設(shè)計的評價沒有統(tǒng)一的指標(biāo)，本文是基于仿真技術(shù)和現(xiàn)場經(jīng)驗對車身焊裝生產(chǎn)線機(jī)器人布局設(shè)計進(jìn)行探討。

1 車身機(jī)器人焊裝線的組成

車身機(jī)器人焊裝線通常由點焊機(jī)器人、弧焊機(jī)器人、搬運機(jī)器人，以及滑動拼臺、轉(zhuǎn)動拼臺、操作人員的安全區(qū)等組成，它的布局設(shè)計相對于其它生產(chǎn)線來說要復(fù)雜得多。如圖1所示，一條正在規(guī)劃的柔性線下車體1#工位的布局，這個工位存在工人吊裝、機(jī)器人搬運、點焊機(jī)器人定位焊等多工作界面;存在上層搬運機(jī)器人，中層車體輸送和下層點焊機(jī)器人多層結(jié)構(gòu)布局;并且空間上必須預(yù)留總成搬運機(jī)器人的滑移空間。（見圖1）

對于圖1所示的多工作界面、多層結(jié)構(gòu)和緊湊空間的工位，機(jī)器人的布局需要考慮到機(jī)器人運動軌跡、人機(jī)交互工作界面的安全和周邊設(shè)備對布局的空間約束[3]。在空間約束上，鋼結(jié)構(gòu)的高度決定了搬運機(jī)器的安裝高度，而搬運機(jī)器人的高度決定著滑移拼臺的高度，也決定了點焊機(jī)器人的運動空間，人機(jī)工程的好壞。因此，需要仿真設(shè)計出最佳的機(jī)器人布局。

2 車身焊裝線機(jī)器人布局設(shè)計

機(jī)器人仿真項目的前期工作就需要擬定一個大概的布局。本章節(jié)主要探討仿真過程中，怎樣去布局車身焊裝生產(chǎn)線中各種設(shè)備與機(jī)器人的位置[4-5]。

2.1 機(jī)器人與夾具的距離

工件是裝在夾具上面的，故機(jī)器人與夾具之間的距離直接關(guān)系到機(jī)器人與工件之間的距離。通常來說，機(jī)器人與夾具的距離是指機(jī)器人中心與夾具上某定位銷的距離。在仿真布局的過程中，應(yīng)該合理地安排兩者之間的位置。如果該距離太大，焊鉗在焊接離機(jī)器人較遠(yuǎn)的焊點時可能會不滿足可達(dá)性，此時會出現(xiàn)以下兩種情況：（1）焊鉗根本不能以要求的姿態(tài)達(dá)到工件上離機(jī)器人較遠(yuǎn)的焊點;（2）如圖2所示，機(jī)器人可以達(dá)到遠(yuǎn)處的焊點，但是此時機(jī)器人的軸接近極限位置。（見圖2）

總之，機(jī)器人與夾具的距離應(yīng)該適宜，這主要是從機(jī)器人的可達(dá)性和余量兩個方面來考慮。然而在實際項目的過程中，單純對機(jī)器人與夾具之間距離進(jìn)行修改是往往不夠的，還需要結(jié)合其他方法一起進(jìn)行修改，如改變機(jī)器人的底座高度，修改機(jī)器人的焊鉗等等。

2.2 機(jī)器人與修模器的距離

焊接中，焊鉗的電極帽會不斷磨損，當(dāng)磨損到一定的程度與工件的接觸面積增大，導(dǎo)致電壓密度過高，焊接時會出現(xiàn)假焊與爆焊等現(xiàn)象。因此，每焊接一定數(shù)量的焊點，就需要使用修磨器對焊鉗的電極帽進(jìn)行修磨，以保證接觸面的面積。

常用的修磨器有以下兩種，如圖3所示。修磨器工作時，將需要修磨的電極送到修磨孔里即可。

在仿真布局過程中，修磨器的位置布局應(yīng)該遵守以下幾點：首先，機(jī)器人必須能夠達(dá)到修磨器的位置，并且機(jī)器人6軸距離限位的余量必須足夠大;其次，在機(jī)器人工作過程中，必須保證修磨器不會與機(jī)器人發(fā)生干涉;最后在滿足以上條件的前提下，修磨器的位置應(yīng)盡量靠近機(jī)器人的home點位置。該臨近home點的位置最好能使機(jī)器人很方便的達(dá)到，并且機(jī)器人的姿態(tài)又不需要發(fā)生很大的變化。否則，太大、太頻繁的姿態(tài)變化會在一定程度上會影響機(jī)器人的節(jié)拍。（見圖3）

2.3 機(jī)器人與換槍架的距離

在點焊工作過程中，為了焊點的柔性要求有時需要用不同的焊鉗對多個工件進(jìn)行焊接。此時，需要借助換槍架來實現(xiàn)機(jī)器人的自動換槍。換槍架與機(jī)器人的距離大小應(yīng)該在適宜的范圍內(nèi)。一方面要確保機(jī)器人能夠順利地到達(dá)換槍架的位置，又能滿足機(jī)器人可達(dá)性的前提下，能夠快速地自動換槍，同時機(jī)器人的姿態(tài)變化不能太大;另一方面，換槍架的位置不能夠影響點焊工作的正常進(jìn)行，即不能在點焊過程中與及機(jī)器人發(fā)生干涉。如圖4所示，柳東寶駿基地公共補(bǔ)焊線換槍架的布置在兩臺機(jī)器人中間，這樣能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人采用一把大C槍焊接CN200時車身后部輪罩焊點，當(dāng)其他車型過線時機(jī)器人能夠在12 s內(nèi)完成焊槍的更換，且機(jī)器人的姿態(tài)變化很小。（見圖4）

2.4 機(jī)器人與圍欄的距離

圍欄起保護(hù)作用。每個工作站通過圍欄建立一個工作區(qū)域，防止在機(jī)器人工作時由于人誤入機(jī)器人工作區(qū)域而造成嚴(yán)重后果。在布局圍欄與機(jī)器人的位置的時候，要考慮機(jī)器人在工作過程中姿態(tài)變化造成的影響，即在姿態(tài)變化過程中機(jī)器人會不會與圍欄干涉，特別需要注意的是機(jī)器人管線夾與圍欄的干涉性、焊鉗進(jìn)出水管與圍欄的干涉性;在沒有干涉的前提下，還得遵循留足余量的原則。這幾點在布局圍欄的位置時，都是要充分考慮的。如圖5所示，重慶基地下車體線圍欄設(shè)計在離中心線4 m，保證了機(jī)器人運動軌跡與圍欄的距離最小距離在達(dá)到1 m。（見圖5）

2.5 機(jī)器人底座的高度

有時候，單純地改變機(jī)器人與夾具的距離是不能滿足可達(dá)性要求。此時可以考慮通過增大機(jī)器人的底座高度來實現(xiàn)。機(jī)器人底座的高度應(yīng)該適宜。底座太低，機(jī)器人在焊接遠(yuǎn)處較高的焊點時，機(jī)器人容易與其它設(shè)備干涉，有時可能出現(xiàn)限位;底座太高，在焊接近處較低的焊點時，機(jī)器人容易出現(xiàn)姿態(tài)別扭的情況。

如圖6所示，CN200下車體的焊接，底座高度800 mm機(jī)器人無法進(jìn)槍;底座高度1500時，機(jī)器人進(jìn)槍會與上空維修平臺干涉;因此，最終選擇底座高度為1200 mm的機(jī)器人進(jìn)行焊接。（見圖6）

3 結(jié)論

車身焊裝生產(chǎn)線進(jìn)行仿真項目中，機(jī)器人的布局設(shè)計應(yīng)該遵守以下的原則：

每個設(shè)備的布局必須滿足機(jī)器人能夠順利到達(dá)每個工件的前提下，還能確保機(jī)器人不會與其他設(shè)備發(fā)生干涉。

機(jī)器人與工件或者其他設(shè)備之間必須保證：機(jī)器人各軸距離限位位置的留有10%以上的余量，機(jī)器人與其他設(shè)備不干涉時的至少具有25 mm以上的安全余量。

在滿足上述的前提下，還需從是否有利于優(yōu)化機(jī)器人的運動軌跡，減少機(jī)器人的節(jié)拍等多個方面進(jìn)行考慮。

參考文獻(xiàn)

[1] 李靖.點焊機(jī)器人焊鉗的設(shè)計[J].汽車工藝與材料，2001（8）：25-28.

[2] 項彬彬，陳衛(wèi)東，亓利偉，等.基于遺傳算法的機(jī)器人作業(yè)單元布局優(yōu)化[J].上海交通大學(xué)學(xué)報，2008，42（10）：1697-1701.

[3] 潘濤.機(jī)器人在車身焊裝線上的應(yīng)用[J].現(xiàn)代零部件，2012（5）：21-23.

[4] 林前程.焊接機(jī)器人應(yīng)用與微型汽車車身制造的研究[D].長春：吉林大學(xué)，2011.

[5] 盧本，盧立楷.汽車機(jī)器人焊接工程[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2006：23-135.

2.4 機(jī)器人與圍欄的距離

圍欄起保護(hù)作用。每個工作站通過圍欄建立一個工作區(qū)域，防止在機(jī)器人工作時由于人誤入機(jī)器人工作區(qū)域而造成嚴(yán)重后果。在布局圍欄與機(jī)器人的位置的時候，要考慮機(jī)器人在工作過程中姿態(tài)變化造成的影響，即在姿態(tài)變化過程中機(jī)器人會不會與圍欄干涉，特別需要注意的是機(jī)器人管線夾與圍欄的干涉性、焊鉗進(jìn)出水管與圍欄的干涉性;在沒有干涉的前提下，還得遵循留足余量的原則。這幾點在布局圍欄的位置時，都是要充分考慮的。如圖5所示，重慶基地下車體線圍欄設(shè)計在離中心線4 m，保證了機(jī)器人運動軌跡與圍欄的距離最小距離在達(dá)到1 m。（見圖5）

2.5 機(jī)器人底座的高度

有時候，單純地改變機(jī)器人與夾具的距離是不能滿足可達(dá)性要求。此時可以考慮通過增大機(jī)器人的底座高度來實現(xiàn)。機(jī)器人底座的高度應(yīng)該適宜。底座太低，機(jī)器人在焊接遠(yuǎn)處較高的焊點時，機(jī)器人容易與其它設(shè)備干涉，有時可能出現(xiàn)限位;底座太高，在焊接近處較低的焊點時，機(jī)器人容易出現(xiàn)姿態(tài)別扭的情況。

如圖6所示，CN200下車體的焊接，底座高度800 mm機(jī)器人無法進(jìn)槍;底座高度1500時，機(jī)器人進(jìn)槍會與上空維修平臺干涉;因此，最終選擇底座高度為1200 mm的機(jī)器人進(jìn)行焊接。（見圖6）

3 結(jié)論

車身焊裝生產(chǎn)線進(jìn)行仿真項目中，機(jī)器人的布局設(shè)計應(yīng)該遵守以下的原則：

每個設(shè)備的布局必須滿足機(jī)器人能夠順利到達(dá)每個工件的前提下，還能確保機(jī)器人不會與其他設(shè)備發(fā)生干涉。

機(jī)器人與工件或者其他設(shè)備之間必須保證：機(jī)器人各軸距離限位位置的留有10%以上的余量，機(jī)器人與其他設(shè)備不干涉時的至少具有25 mm以上的安全余量。

在滿足上述的前提下，還需從是否有利于優(yōu)化機(jī)器人的運動軌跡，減少機(jī)器人的節(jié)拍等多個方面進(jìn)行考慮。

參考文獻(xiàn)

[1] 李靖.點焊機(jī)器人焊鉗的設(shè)計[J].汽車工藝與材料，2001（8）：25-28.

[2] 項彬彬，陳衛(wèi)東，亓利偉，等.基于遺傳算法的機(jī)器人作業(yè)單元布局優(yōu)化[J].上海交通大學(xué)學(xué)報，2008，42（10）：1697-1701.

[3] 潘濤.機(jī)器人在車身焊裝線上的應(yīng)用[J].現(xiàn)代零部件，2012（5）：21-23.

[4] 林前程.焊接機(jī)器人應(yīng)用與微型汽車車身制造的研究[D].長春：吉林大學(xué)，2011.

[5] 盧本，盧立楷.汽車機(jī)器人焊接工程[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2006：23-135.

2.4 機(jī)器人與圍欄的距離

圍欄起保護(hù)作用。每個工作站通過圍欄建立一個工作區(qū)域，防止在機(jī)器人工作時由于人誤入機(jī)器人工作區(qū)域而造成嚴(yán)重后果。在布局圍欄與機(jī)器人的位置的時候，要考慮機(jī)器人在工作過程中姿態(tài)變化造成的影響，即在姿態(tài)變化過程中機(jī)器人會不會與圍欄干涉，特別需要注意的是機(jī)器人管線夾與圍欄的干涉性、焊鉗進(jìn)出水管與圍欄的干涉性;在沒有干涉的前提下，還得遵循留足余量的原則。這幾點在布局圍欄的位置時，都是要充分考慮的。如圖5所示，重慶基地下車體線圍欄設(shè)計在離中心線4 m，保證了機(jī)器人運動軌跡與圍欄的距離最小距離在達(dá)到1 m。（見圖5）

2.5 機(jī)器人底座的高度

有時候，單純地改變機(jī)器人與夾具的距離是不能滿足可達(dá)性要求。此時可以考慮通過增大機(jī)器人的底座高度來實現(xiàn)。機(jī)器人底座的高度應(yīng)該適宜。底座太低，機(jī)器人在焊接遠(yuǎn)處較高的焊點時，機(jī)器人容易與其它設(shè)備干涉，有時可能出現(xiàn)限位;底座太高，在焊接近處較低的焊點時，機(jī)器人容易出現(xiàn)姿態(tài)別扭的情況。

如圖6所示，CN200下車體的焊接，底座高度800 mm機(jī)器人無法進(jìn)槍;底座高度1500時，機(jī)器人進(jìn)槍會與上空維修平臺干涉;因此，最終選擇底座高度為1200 mm的機(jī)器人進(jìn)行焊接。（見圖6）

3 結(jié)論

車身焊裝生產(chǎn)線進(jìn)行仿真項目中，機(jī)器人的布局設(shè)計應(yīng)該遵守以下的原則：

每個設(shè)備的布局必須滿足機(jī)器人能夠順利到達(dá)每個工件的前提下，還能確保機(jī)器人不會與其他設(shè)備發(fā)生干涉。

機(jī)器人與工件或者其他設(shè)備之間必須保證：機(jī)器人各軸距離限位位置的留有10%以上的余量，機(jī)器人與其他設(shè)備不干涉時的至少具有25 mm以上的安全余量。

在滿足上述的前提下，還需從是否有利于優(yōu)化機(jī)器人的運動軌跡，減少機(jī)器人的節(jié)拍等多個方面進(jìn)行考慮。

參考文獻(xiàn)

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[2] 項彬彬，陳衛(wèi)東，亓利偉，等.基于遺傳算法的機(jī)器人作業(yè)單元布局優(yōu)化[J].上海交通大學(xué)學(xué)報，2008，42（10）：1697-1701.

[3] 潘濤.機(jī)器人在車身焊裝線上的應(yīng)用[J].現(xiàn)代零部件，2012（5）：21-23.

[4] 林前程.焊接機(jī)器人應(yīng)用與微型汽車車身制造的研究[D].長春：吉林大學(xué)，2011.

[5] 盧本，盧立楷.汽車機(jī)器人焊接工程[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2006：23-135.