汽車零部件點焊機器人工作站設計與應用

魏志賓 張茂林

摘要：以汽車零部件左、右前輪罩總成及后地板左、右縱梁總成自動化焊接生產為例，詳細介紹點焊機器人工作站的設計思路，包括點焊機器人工作站的技術要求、組成與特點以及電氣控制系統等，重點分析點焊機器人工作站安全系統、焊接夾具系統及水氣系統的工作原理，最后簡要介紹點焊機器人工作站使用情況。實踐證明，所設計的4個點焊機器人工作站操作方便、焊接質量好、生產效率高，完全能夠滿足左、右前輪罩總成及后地板左、右縱梁總成自動化焊接要求。該點焊機器人工作站設計理念對機器人工作站及自動化生產線的設計及應用具有一定參考和借鑒作用。

關鍵詞：點焊機器人工作站;設計;自動化焊接;汽車零部件

中圖分類號：TG438.2文獻標識碼：A

1項目概述

某企業是汽車零部件配套生產單位，為提高效率、保證質量，需設計制造左、右前輪罩總成及后地板左、右縱梁總成4個點焊機器人工作站，其生產綱領為月產量6000套/月。左、右前輪罩如圖1所示，總成焊接要求為：左前輪罩焊點65個、焊接速度3s/點、生產節拍195s，右前輪罩焊點55個、焊接速度3s/點、生產節拍165s;后地板左、右縱梁總成如圖2所示，總成焊接要求為：左縱梁焊點60個、焊接速度3s/點、生產節拍190s，右縱梁焊點44個、焊接速度3s/點、生產節拍132s。為此，經分析與研究成功設計了4個點焊機器人工作站并投入使用，滿足了左、右前輪罩及后地板左、右縱梁自動化焊接要求。

2點焊機器人工作站設計思路

2.1點焊機器人工作站技術要求

為滿足左、右前輪罩總成及后地板左、右縱梁總成點焊生產要求，點焊機器人工作站必須滿足以下技術要求：（1）單機雙工位、人工裝夾、輪流焊接，點焊夾具設有快換通用標準接口，電、氣等接口采用快插式，可方便快速更換夾具。（2）機器人根據程序設定和接收到的裝配信號，能自動切換點焊程序以及點焊參數。（3）整個系統單元由機器人控制系統和PLC統一集中控制，包括機器人的6軸運動，焊接電源/參數、電極修磨器動作、安全門鎖、工件安裝完成信號、焊接工位切換等邏輯關系。（4）操作、編程、示教在手持控制器上完成。根據工效學設計的示教器，使用方便、舒服、快速，能大大提高編程和操作的效率。（5）符合人機工程的夾具設計使操作者操作便捷、省力，減輕操作者勞動強度。（6）控制系統靈敏可靠，故障少，操作和維護方便，事故間隔時間不低于7.5萬h，具有自停電保護、停電記憶及通知定期檢修和出錯履歷記憶功能。（7）460r/min以上的高轉速電極自動修磨器可調節水平和垂直修磨方向，同時修磨上下電極;修磨刀具為快拆方式安裝，無需螺絲固定，便于安裝及更換。

2.2點焊機器人工作站組成與特點

左、右前輪罩總成及后地板左、右縱梁總成4個點焊機器人工作站均設計為單機雙工位，其工作原理、設備配置相同，僅因部件不同使夾具結構有所差異。每個點焊機器人工作站包括：1臺點焊機器人，1套伺服點焊系統鉗，1套電極修磨器，1套PLC電氣控制系統，2套氣動工裝夾具，1套安全防護系統等，整體結構如圖3所示。

（1）點焊機器人。選用KUKA工業機器人KR210。該機器人為6軸機器人，最大負載210kg，工作半徑2700mm，重復精度±0.05mm。它采用的新型交流伺服電機具有結構緊湊、高輸出、響應快、高可靠性等特點，從而使機器人本體緊湊靈活，具有較大的運動空間、更好的穩定性和較高的重復定位精度，可升級性良好。機器人編程示教器具有在線修改焊接參數和故障自診斷顯示功能;可轉換中/英文兩種顯示方式，安裝的dead-man開關保證了使用安全。（2）機器人伺服焊鉗及水氣單元。選用電溶機電（昆山）的DTMC系列機器人焊鉗，其額定容量55kVA，上電極提升行程120mm，電極壓力3900N，二次側最大短路電流14000A，完全能滿足生產要求。水氣單元如圖4所示。它包括氣動三聯件、開關式電氣比例閥、LED顯示水流量開關、手動式強制排水閥、單項閥、水流指示表以及進水切斷電磁閥等。水氣點焊標準單元具有以下功能：通過電氣比例閥可隨時調整焊鉗壓力（可設定3種調節參數）;通過水流量開關和氣壓開關檢測水和氣的供給情況，當水氣供給不足時，給系統發出信號，系統停止運行，保證系統安全;水流指示表能直觀顯示水的流動情況;水流量開關選用SMC的LED顯示高靈敏流量開關，可以顯示現時或累計流量，具有兩個輸出，可獨立設定不同的流量。當電極脫落或其他故障引起末端水流量減少時，系統會通過進水切斷電磁閥強制切斷進水，防止發生跑水現象。通過手動強制排水閥可以強制排放焊鉗管路中的水，使高壓氣體進入水路中，將水路中的堵塞雜質吹至回水主管路中，保持水路暢通，很大程度上減少了冷卻水堵塞故障的處理時間，有利于系統的維護和保養。

（2）點焊機器人安全系統。安全性是機器人工作站的一項重要指標，具體安全防護措施如下：a.設置機器人本身的運動區域。盡管機器人的可達區域很大，但是可根據機器人工作情況人為地設定機器人運動區域，以防止機器人發生意外時損壞機器人或其他周邊設備。b.安全防護網設有工件上下料通道門、安全門（檢修門）、工作區報警燈。工作區工件上下料通道門兩側設有對射光柵，即機器人焊接時通道與工作區是互鎖控制;安全門一般情況是關閉的，裝有安全觸點開關，即機器人焊接時門與工作區是互鎖控制。c.機器人增設軟限位。系統所有設備均通過編程形成可靠的互鎖的邏輯關系。（4）機器人點焊夾具。根據生產要求，機器人點焊工作站均設計為雙工位夾具，夾具布置在左右兩工位，每套夾具能同時滿足兩個零部件生產。焊接夾具采用氣動夾緊、手閥控制方式，并采用國際上常用的裝配式結構。夾具的氣動原理和控制應充分考慮必要的連鎖關系與邏輯先后順序控制，以免誤動作而發生夾具和工件損壞。夾具零件采用數控機床加工，夾具的定位精度檢驗采用固定式三坐標或移動式三坐標檢測。夾具應保證可靠的定位，防止變形，確保裝焊質量和精度達到產品裝焊質量要求以及滿足生產綱領要求。夾具的工藝性能應優良，部件裝配要容易，人工裝件要易于操作，總成取出要方便省力。動作按鈕及動作閥用中文標示，設有安全防護裝置，以免工人誤動作。

2.3點焊機器人工作站電氣控制系統

整套系統由機器人控制柜和PLC柜來進行控制和管理。控制系統具有自動控制、檢測、保護、報警等功能。當工件規格或生產綱領改變時，可通過示教盒重新示教機器人焊接軌跡或重新編制控制程序來適應新的生產需要。系統的啟動、停止以及暫停、急停等運轉方式均通過操作盤進行。系統運行狀態及系統報警可在操作盤上顯示，同時由系統運轉狀態高置顯示燈顯示。此外，機器人控制柜、示教盒、操作盤上設有急停按鈕，發生緊急情況時實現系統急停并同時發出報警信號。

可編程控制器可以在手動和自動兩種方式下監視、控制所有工作站內的檢測器件和執行機構。可編程控制器系統預留10%的擴展余量，包括輸入、輸出點以及擴展的內存空間。同時控制柜也預留相應的擴展空間監控程序，對機器人的執行周期沒有任何影響。自動方式下的系統啟動：操作人員安裝工件后→按下夾具氣缸按鈕→氣缸壓緊工件→退出安全欄外，啟動系統焊接。

3點焊機器人工作站使用效果

采用本點焊機器人工作站進行左右前輪罩自動化焊接總成及后地板左右縱梁的自動化焊接總成，所焊焊點質量合格率達99.8%以上，完全滿足汽車零部件焊接生產要求，為企業創造了良好的經濟效益和社會效益。

參考文獻：

[1]邱瑋杰，孫愛軍.汽車零部件點焊機器人工作站設計與應用[J].電焊機，2019，49（03）：42-45.

[2]李麗芹.汽車行業焊接技術現狀及需求（上）[J].金屬加工（熱加工），2012（02）：24-25.