汽車座椅骨架自動焊接系統的設計

覃南強　周舟

【摘 要】根據某汽車座椅骨架的焊接工藝和生產特點，設計出一套基于工業機器人技術的自動焊接系統。本文重點介紹了柔性組合夾具工裝的設計要點和機器人系統焊接參數的設置與示教編程。

【關鍵詞】汽車座椅；自動焊接；工業機器人；柔性夾具

【Abstract】According to welding technology and production feature of the automobile seat frame， it designs a automatic welding system based on industrial robot technology. The article focuses on the design key point of flexible modular fixture and the teaching programming of robot control system.

【Key words】Automobile seat； Automatic welding； Industrial robot； Flexible fixture

0 引言

我國汽車產業近幾年快速發展，未來一段時期還將穩步發展，相應的汽車零部件配套制造業也迅猛發展。在汽車零部件制造中，汽車座椅生產是其中一個重要的生產環節。汽車座椅的功能是為司乘人員提供便于操作、舒適安全的駕駛、乘坐位置，其必須安全可靠，并有足夠的強度、剛度與耐久性。

汽車座椅的骨架的焊接精度和強度是保證座椅質量和可靠性的關鍵，目前座椅骨架焊接主要還以人工為主的傳統焊接方式。這種方式焊接精度低，焊接質量和效率受工人的熟練程度和操作狀態影響[1]。因此，本文針對汽車座椅骨架，采用工業機器人技術，設計出一套柔性高的自動焊接系統，保證了焊接質量的一致性，為主機廠提供質量合格的座椅骨架，以滿足整車的裝車要求。

1 系統焊接工藝流程

汽車座椅骨架主要管件框架和支持板等組成，焊縫包括弧形焊縫、直線焊縫和點狀焊縫。待焊工件為碳鋼材質，管壁厚度約3mm左右，考慮到工廠規模生產的成本問題，其焊接工藝選擇CO2氣體保護焊。因為二氧化碳氣體制備較為簡單，并且焊接速度快，焊接效率較高，適合多位置焊接，可以利用機器人自動實現頻繁起弧和收弧的電流電壓的控制，適宜焊接不規則的空間焊縫。焊件焊接后變形小，焊件加工精度高。

系統主要由焊接機器人、機器人控制系統、配套的焊接系統（包括焊接電源、送絲機、焊槍和二氧化碳氣體）和柔性組合工裝夾具等組成。待焊工件通過柔性組合工裝夾具定位夾緊后，機器人根據給定的運動軌跡和焊接參數自動完成工件焊縫的焊接。系統采用雙工位輪換設計，可進行焊接與裝卸交替作業。即當在工位1進行工件的自動焊接作業時；操作人員可以在工位2上進行工件的裝卸作業。機器人驅動焊槍按焊接程序完成工位1所有焊點的焊接作業后，控制單元發出工位轉換指令，轉向工位2進行自動焊接。操作人員再回到工位1進行工件的裝卸作業，這樣形成交替作業工作方式，從而提高了焊接的工作效率。

系統的焊接工作流程如圖1所示。

2 柔性焊接組合工裝夾具設計

使用機器人對焊縫進行自動焊接，待焊工件在焊接過程中必須能準確穩定地定位和夾緊。設計合理正確的工裝夾具是保證焊接精度和質量的關鍵。

系統采用柔性孔系組合夾具對工件進行定位夾緊。夾具是由標準化、系列化、通用化的模塊組成的，且模塊之間的鏈接、固定和壓緊都是以孔為基準定位，用鎖緊銷來實現快速鎖緊，模塊與模塊之間可以根據焊接工件的實際尺寸可以自由調整。柔性組合夾具按功能可分為基礎件、支撐件、定位件、調整件、壓緊件、鎖緊件和組合件等。

設計座椅骨架工裝組合夾具，首先要對產品圖紙進行分析，根據焊接工藝和關鍵尺寸要求來確定定位點和定位面，從而確定各個零部件的定位方式和壓緊方式。然后分析焊縫位置，盡可能將較多焊縫的一面朝上，朝下一面焊縫的位置要設置高一些，使得機器人焊槍可伸入下方進行焊接。同時還需考慮工件的裝卡順序和工人操作空間的便捷性。從而實現工件一次裝卡就可完成全部焊縫的焊接，減少二次裝卡時間和裝配誤差。為防止焊接變形，工件的定位點需設置調整墊片用于調整反變形。由于座椅骨架的管框是固定在V型定位塊中，為使焊接好的工件能順利取出，最后還需設置頂升裝置進行卸件。

某型號座椅骨架的組合夾具定位夾緊示意如圖2所示：

采用柔性組合夾具設計座椅骨架工裝，可適應不同型號座椅骨架的形狀，幾套夾具系統就可以替代大量高成本的專用工裝，使用該工裝后，可以省去不同型號座椅而投入的專用工裝的費用和時間。在多品種、個性化的汽車座椅生產中，具有很高的經濟性。同時組合夾具的所有模塊加工精度均較高，工作平臺在1000mm的范圍內確保定位孔的位置誤差在±0.1mm以內，完全可以滿足焊接加工的需要。如果工件本身的幾何尺寸不準確，也可以很快被檢測出來，在初加工工序中便被消除[2]。

3 機器人自動焊接參數調節與編程

系統中的焊接機器人采用OTC的AII-V6型六自由度弧焊機器人，并配套了專用的DM350焊接電源以及相應的送絲機構。機器人控制系統連接各個工位的操作箱，在示教器上對工位數進行登錄，并分配每個工位的作業程序。通過各工位操作箱的起動按鈕的啟動和預約功能，實現多工位自動輪換焊接。

機器人通過通訊線與焊接電源連接，焊接參數可在機器人控制系統中進行調節配置。在機器人程序中可以設置不同焊縫的焊接電流、焊接電壓和焊接速度，還可以設置一些微調參數，如提前送氣時間、滯后關氣時間、回燒時間等，以達到理想的焊接效果。機器人控制系統可根據設置的焊接電流和焊接速度自動計算調整送絲速度，保證焊接的穩定性。

工件焊縫的焊接過程包括起弧階段、焊接階段和收弧階段。在機器人編程中，需要設置起弧階段和收弧階段的電流電壓等參數。通過反復的試驗驗證，對于面朝上的焊縫，起弧階段焊接電流100A，焊接電壓19V，焊接速度30cm/min，收弧階段焊接電流90A，焊接電壓19V，回燒時間0.3秒；對于面朝下的焊縫，起弧階段焊接電流120A，焊接電壓19V，焊接速度30cm/min，收弧階段焊接電流100A，焊接電壓19V，回燒時間0.3秒。此外，對于點狀焊縫，焊接過程中保持焊槍1s不動。

在示教焊槍焊接運動軌跡過程中，調節焊接干伸長約為8mm，使用焊槍向焊接行進相反方向傾斜0°～10°的“推進”焊接法[3]，可使氣體保護效果較好。

4 結語

目前該系統已在某微型汽車座椅焊裝車間投入使用，運行效果良好。系統焊接速度遠遠高于手工速度，大大降低勞動成本，生產效率提高了50%以上。系統焊接的焊縫光潔度好，每條焊縫都有很高的一致性，保證了座椅的焊接質量，滿足主機廠座椅安裝的要求。

基于工業機器人的汽車座椅骨架自動焊接系統柔性化程度高，當需要對產品進行更新升級時，只需設計相應工裝夾具并更改調用相應的機器人程序就可以做到產品更新。可縮短產品改型換代的周期，及減少相應的設備投資。

【參考文獻】

[1]程世玉，杜華，張余強.焊接機器人系統在汽車底盤焊接中的應用[C].上海：2003汽車焊接國際論壇，2003.

[2]李欣，周安.組合夾具在焊接機器人中的應用[J].金屬加工：熱加工，2010，（10）： 31-33.

[3]楊秀文，鐘熀文.工業機器人自動焊接系統應用與焊接質量控制[J].機電工程技術，2015，0（7）：60-62.

[責任編輯：王楠]