數控技術在CO2焊接夾具上的應用

龍勇華

1. 概述

CO2焊接因其具有操作方便、高效、可靠的特點，被廣泛應用于汽車車架及承重件焊接夾具中。目前CO2焊接夾具除部分關鍵件采用機器人焊接外，其余均為手工操作。

CO2焊接是汽車制造中必不可少的工序，它在汽車車架及承重件、管梁類零件中廣泛使用。現階段CO2焊接存在焊縫質量不穩定；焊縫外觀不佳；現場環境惡劣，對操作者人身健康傷害較大；對操作工要求具有一定的實踐經驗。

2. 焊接機器人

針對以上CO2焊接存在的缺點，技術及經濟實力雄厚的大型汽車制造廠可采用焊接機器人代人工進行組線生產，但這種焊接機器人具有諸多不足。

（1）采購成本高 一臺焊接機器人成本高，且機器人長期應用于CO2焊接所產生焊煙等惡劣環境中，不僅造成機器人的加速折舊，還對機器人的精密性能產生損傷，維護成本高。

（2）使用復雜 機器人的使用必須有專業技術人員在使用前進行PLC編程，企業大多不具備該類專業人員，至使無法自主進行程序的維護及修改。

（3）機器人與夾具分體 我國汽車企業對CO2焊接技術及設備的投入均未給予足夠的重視，特別是部分SUV車型車架的總體焊接精度往往存在超差裝車的情況，從而影響了車身整裝配質量，也直接影響車輛使用壽命及整體性能。我國汽車行業普遍存在利潤溥、車型壽命短、整體質量較低的狀況，在這種情況下，汽車制造企業不可能在焊接夾具中大量采用焊接機器人這種高成本、高技術含量的設備來代替相對低廉的人工成本。鑒于這種現狀，發展一種成本不高，質量穩定、使用方便、數字控制的CO2焊接夾具，已成為市場所需。

3. 數控CO2焊接夾具

數控CO2焊接夾具是將數控設備與定位夾具合二為一的設備，其基本結構分為兩部分：主體定位夾具及數控焊接機構。

（1）主體夾具 主體定位夾具設計可遵循常規方式，即采用定位銷+定位型面定位方式限制零件的自由度，將零件定位住，數控焊接夾具與常規焊接夾具在設計制造時有如下幾點區別。

第一，夾具設計區別，普通CO2焊接夾具只需考慮限制住零件自由度，避讓出一定量的焊槍通道即可；而數控CO2焊接夾具設計時不僅要消除各零件的自由度，還需設計出數控焊接機構的通道。

第二，夾具平臺上必須設計出數控焊接機構的安裝位置及電控盒的安裝位置。

氣動夾具不僅需設計氣路，還需增加電路設計。

第三，應設計保護裝置對電控盒及數控焊接機構關鍵運動部位進行保護。

（2）數控焊接機構 數控焊接機構包括控制部分、運動機構及操作系統這三部分組成。

第一，控制部分。控制部分核心部分是5軸運動控制器，它可以同時控制5個伺服電動機或步進電動機。由于在汽車CO2焊接中，對焊縫的位置精度要求并不需要太高，數控CO2焊接機構不必像數控加工中心那樣動輒±0.02mm甚至更高的精度，同時由于5軸控制器的軟件自控功能在不考慮運動機構對精度影響的情況下可以做到在1m范圍內公差在±0.1mm以內，這樣精度完全可適用于汽車產品的焊接。

第二，運動機構。由于本套機構由5軸控制器控制，可支持5個運動副，同時可支持3個電磁繼電器的開合動作，焊鉗通電動作即可用繼電器來控制。

（3）軟件系統 本系統軟件由以下三部分組成：

第一，數控操作系統。數控操作系統具有兩種形式：一是直接使用帶數顯及處理器的集成控制器，它具有USB外置接口，可直接讀取編制完成的數控程序，并通過內置的專用程序運行數控程序，而無需配備單獨電腦。二是單獨為每臺焊接夾具配備一臺電腦，進行編程及運行控制。本操作系統界面與普通數控機床的數控操作系統界面相似且部分輔助功能命令具有相通性。

第二，專用編程軟件。專用編程軟件可采用通用CATIA五軸編程模塊進行多軸編程，輸出APTSOURCE文件。

第三，后置軟件。針對本運動機構，開發了專用數控后置軟件，本軟件讀入APT文件，處理后輸出TXT文件。

4. 數控機構及控制系統

采用低成本、易維護的數控機構，它主要由機械結構、運動控制板、步進電動機驅動板、直流電源及操作系統等組成。

隨著數字技術的飛速發展，數控技術被廣泛應用到各行各業中，X、Y、Z等軸控制板價格已十分低廉，甚至已經到百元以下，如此低廉的數控系統，在不大幅增加夾具開發費用的前提下，使開發復合CO2數控焊接夾具成為可能。

5. 結語

本機構是一種將自動焊接技術與定位焊接夾具集成一體，形成一種智能化CO2焊接夾具。它不僅減少了操作者的勞動強度，而且使操作者從長期處于有害有毒環境中解脫出來，同時也大大提高CO2焊縫質量及生產效率，是一種具有很大實用性的先進生產技術，在汽車焊裝生產中具有十分廣泛的用途。

[1] 徐世許．機器自動化控制器原理與應用[M]．北京：機械工業出版社，2013．