提高點焊機器人效率研究

姜典保，褚衛東

(上海拖拉機內燃機有限公司，上海 200433)

提高點焊機器人效率研究

姜典保，褚衛東

(上海拖拉機內燃機有限公司，上海 200433)

分別從焊接工藝的設計、機器人焊槍的選型、機器人運動軌跡設計、焊接工裝設計和焊接規范選擇等方面詳細介紹了點焊用機器人常見的提高效率方法。

點焊機器人；生產效率

0 引言

機器人技術作為先進制造技術的典型代表和主要技術手段，在提升企業技術水平、穩定產品質量、提高生產效率、實現文明生產等方面具有重大作用。我國焊接機器人的應用主要集中在汽車、摩托車、工程機械、鐵路機車等行業，主要用于完成焊接、裝配、搬運、加工、噴涂和碼垛等復雜作業。汽車是焊接機器人的最大用戶，也是最早的用戶。機器人按照在焊裝車間的用途可以分為：點焊機器人、弧焊機器人、涂膠機器人、螺柱焊機器人、裝配及持件機器人和激光焊接機器人。據統計，汽車制造和汽車零部件生產企業中的焊接機器人占全部焊接機器人的76%。在汽車行業中點焊機器人與弧焊機器人的比例為3∶2[1]。

從20世紀90年代，國內的汽車車身制造廠開始引進、應用焊接機器人。這不僅提高了車身整車及零部件生產的自動化水平及生產效率，而且由于機器人焊裝生產線具有柔性，使汽車車身，特別是轎車車身的改型生產在技術上得到了基本解決，同時車身焊接的質量也得到了保證。近幾年，隨著國內汽車行業的迅猛發展，焊接機器人在汽車行業的應用也越加廣泛。

因此，研究提高點焊機器人的效率對于現實生產有深遠的意義。作者就提高點焊機器人節拍在方法上進行了初步系統的研究，研究如何使機器人的產能發揮到極致，提高機器人的工作效率。

1 焊接工藝設計

一般情況下，車身的焊接件在零件數模和焊點數模鎖定后，需要進行焊接工藝的拆分，通過工藝拆分可以將整個車身拆分成不同的小焊接件總成。作為整車廠，在進行整車工藝拆分時，不需要考慮各自拆分后的焊點信息；而作為零部件供應商，如果采用機器人焊接，在初始設計車身焊接件小總成焊接工藝時，應充分考慮如何提高機器人的效率。

因此，作為零部件供應商，在設計焊接工藝拆分時，應該做到在能保證零件尺寸的前提下，盡可能地使同一道序的焊點分布在相近的位置，盡可能地使同一道序的焊點在機器人焊接時用最少的姿態完成。

2 焊槍選型

點焊機器人的焊接動作主要是通過機器人末端的焊鉗來實現的，焊鉗電極驅動的形式如伺服驅動或氣缸驅動對焊接速度也有直接影響。

伺服焊鉗使用的是帶有數字控制的伺服電機，伺服焊鉗的動作可以通過PLC精確控制伺服電機來實現精確控制，即焊鉗的工作行程(開口)可以在一定范圍內任意設定。而氣動焊鉗是用氣缸來實現其焊接動作，可以分為單行程和雙行程兩種形式，單行程焊鉗只有一個工作行程，而雙行程焊鉗有工作行程和輔助行程。氣動焊鉗在焊接零件的過程中只能以工作行程或是輔助行程進入到焊點位置，然后實施焊接。

氣動焊槍在使用一定時間后需要對焊槍的氣缸進行保養，如果時間長不保養，焊槍的氣缸阻尼會增大，相應地電極臂的打開和夾緊動作速度也會降低，因此會影響到單個焊點的焊接速度，從而會影響整個焊接系統的節拍。而伺服焊槍則不會存在這種問題。

3 機器人軌跡

在初始工藝設計時，機器人工作站需要焊接的焊點數和位置是已知固定的，而焊接這些焊點的機器人軌跡可以隨意設計。一個工作站焊點的焊接順序對該工作站整個機器人系統的節拍影響較大，焊點的焊接順序也會影響零件的質量。例如，對于一些初始安裝上的零件，需要一定數量的焊點固定，來保證零件的尺寸，因而這些關鍵的零件尺寸固定焊點需要先焊接。

因此，在能保證零件尺寸的前提下，盡可能地在焊槍一次進槍過程中將鄰近焊點全部焊接完，這樣可以減少機器人不必要的進槍動作，提高機器人節拍。

另外，機器人在焊接過程中，其運動軌跡不是嚴格按照示教軌跡運行的，兩段軌跡之間機器人自動以圓弧的形式將其進行連接，因而與機器人示教點之間會產生大約毫米級的偏差，而這個偏差大小取決于在軌跡命令上是否有嚴格的位置等級要求。如首鋼MOTOMAN的ES165N點焊機器人位置精度從0～8共有9個不同的位置等級，在設定不同的位置等級時，其運動軌跡接近示教點的程度會有所不同，如圖1所示。

圖1 設定不同的位置等級時，機器人

因此，設計機器人軌跡時，需要給機器人運動軌跡和焊接工裝之間留下合適的空間供機器人運動，在此基礎上，可以將機器人的運動軌跡盡量簡單化，以減少機器人空行程的時間，其整體速度會有所提高。如圖2中的運動軌跡就可以設計成圖3所示的運動軌跡。

圖2 運動軌跡示例

圖3 圖2中的運動軌跡的簡化

此外，一般機器人焊接時，其運動軌跡在接近焊點的位置有進槍的程序點，焊接完成后有退槍的程序點。而機器人在焊接相鄰近的焊點時其運動軌跡大都設計成如圖4所示，1和2表示焊點位置。

圖4 通常機器人焊接相鄰近的焊點時的進、退槍軌跡

圖5 圖4 中的進、退槍軌跡的簡化

為了提高機器人的節拍，加快機器人的運動速度可以將鄰近焊點的焊接運動軌跡設計成圖5所示的軌跡。這樣省去了機器人再次進槍的動作，一次性完成機器人的移位和焊點位置的焊槍進槍，減少機器人的運行時間提高機器人的整體節拍。

4 焊接工裝設計

目前，在汽車制造行業點焊機器人的使用較多，而幾乎所有使用點焊機器人的制造廠家在進行機器人PLC控制程序的設計時將程序設計為機器人焊接完成回作業原點后，焊接夾具才按順序逐步打開。

在汽車行業的整車廠或是車身零部件制造廠，焊接工裝一般是在PLC程序發出夾具打開信號后，夾具上的電磁閥收到信號后產生動作，這樣夾具會在壓縮空氣的作用下打開，而氣動工裝在打開過程中由于氣缸阻尼的作用下，完全打開需要時間，另一方面考慮到安全性，其打開速度也不應設置得很快。

因此，在充分考慮安全性的前提下，可以將PLC程序設計成焊接完成焊槍移開到安全距離后夾具提前打開，這樣可以提前將零件拿出，節約工作時間，提高工作效率。而對于自動線這樣的設計效果則更為明顯。如整車廠的流水線，可以設計成機器人焊接完成后將夾具提前打開，再將焊槍移開到安全距離后，流水線即可提前運動，提高整條生產線機器人的焊接效率。

5 PLC程序設計

單機機器人工作站有單工位和多工位兩種。在實際的焊接生產過程中，由于焊接工件形狀比較復雜，焊點多數分布在空間曲面上，而且工件與工裝夾具之間的空間較小，使焊鉗的可達性較差。這就要求在焊接過程中，在焊點不可達或焊鉗姿態不易調整的時候，先變換工件的位置然后進行焊接，此時焊接工裝可能需要增加變位機，或是增加簡單的轉臺來滿足機器人焊接需要。

有轉臺或是變位機的焊接工裝，在焊接過程中需要變換零件的空間位置，此時機器人需要等待變位機動作完成后再進行焊接，無論是單工位工作站還是多工位工作站只要有變位機都存在變位機動作時機器人等待焊接的現象。如果一幅焊接工裝需要兩次或是兩次以上的變位動作，則機器人需要等待更長的時間，會大大降低機器人的效率。

而對于多工位工作站來說，可以充分利用變位機動作時間，提高機器人效率。以3工位工作站為例，假設2號工位需要焊接工裝變位，則機器人的PLC程序邏輯和機器人動作程序可以按如下方法設計：首先，機器人在焊接2號工位的過程中，焊接到中途，由于需要變位機動作，機器人在與工裝無干涉區域等待變位機的動作完成，此時將機器人動作程序設計成變位機開始動作時如果1號工位已在預約狀態機器人去1號工位進行焊接，1號工位焊接完成后機器人回到2號工位焊接未完成的焊點。如果3號工位在預約機器人則去3號工位焊接，待3號工位完成后，機器人繼續回到2號工位焊接工件。此時，PLC程序需要在安全性上做好充分的考慮。2號工位變位機在運動時，PLC程序需要判別1號和3號工位是否已經預約，如果1號在預約狀態而3號工位沒有預約，機器人則去1號工位焊接；如果3號在預約狀態而1號工位沒有預約，機器人則去3號工位焊接；如果1號和3號在都在預約狀態，則機器人去1號工位焊接，焊接完成后繼續回2號工位焊接。這樣可以省去機器人的等待時間，提高機器人的效率。

因此，合理利用機器人等待變位機動作的時間也是提高機器人效率的一種很實用的方法之一。

6 焊接規范選擇

點焊用焊接規范一般是根據板材材質、板材的表面狀態及板材的厚度來制定的。對于裸板，大都選擇單脈沖的焊接規范，而對于鍍鋅板，需要有一定的預熱脈沖來實現焊接。目前，汽車行業越來越多的車型采用高強度鍍鋅鋼板，如上海通用的新君威、新君越和科魯茲等新車大都是采用高強度鍍鋅鋼板。對于高強度鍍鋅鋼板，其焊接規范的選擇較為嚴格，一般要選擇帶有預熱脈沖的多脈沖焊接規范。

對于點焊機器人的整個節拍來說，焊點的通電焊接時間是其主要的組成部分，因此，該部分時間的長短也是影響點焊機器人節拍的關鍵因素。因而，在焊接規范的選擇上應該注意，能用硬規范焊接的盡可能不用軟規范焊接。對于焊接脈沖來說，如果焊點的質量能夠得到保證，能用單脈沖焊接的盡量不用雙脈沖焊接，這樣可以省去多脈沖之間的冷卻周波，提高機器人的速度。焊接的預壓和加壓時間也應該合理選擇，在焊槍的氣缸或是伺服電機穩定的前提下，在焊點位置零件匹配較好時，選擇較小但是合理的預壓和加壓時間，這樣也可以節約焊接時間，提高機器人的整體節拍。另外，在焊點質量可靠的前提下，焊后的冷卻和維持周波數也應該選擇較小的值。

7 結論

提高點焊機器人節拍的方法有很多種，但是從生產線初始設計、焊槍選型、機器人運動軌跡、PLC程序控制優化夾具打開時間、消除變位機的影響和焊接規范的選擇上來優化提高機器人的速度，這些提高機器人節拍的方法是經過實際生產驗證的行之有效的方法，需要在初期焊接工藝設計時進行充分模擬。

【1】袁軍民．MOTOMAN點焊機器人系統及應用[J]．金屬加工(熱加工),2008(14):35-38．

Research on Improving the Efficiency of Robot Spot Welding

JIANG Dianbao,CHU Weidong

(Shanghai Tractor & Internal Combustion Company,Shanghai 200433,China)

The methods to improve the efficiency of spot-welding robots were presented from the design of welding technology, design of robot moving track, the structure of the robot-gun, design of welding-fixtures, and the choose of welding parameters.

Spot-welding robots; Production efficiency

2017-01-18

姜典保(1982—)，男，碩士研究生，工程師，研究方向為機器人焊接。E-mail：dianbaoj@shanghaitn.com.cn。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.05.021

U461.99

A

1674-1986(2017)05-090-03