機器人焊接工作站在汽車行業中的應用

樊志家　王賀

摘 要：在“中國制造2025”的時代背景下，中國制造向自動化、智能化的方向邁進，機器人焊接裝備作為自動化生產的主力軍，隨著中國汽車工業的快速發展，機器人焊接工作站的需求大幅度增長，提高汽車的產量是汽車生產企業的首要任務，國產機器人焊接工作站在汽車焊裝市場中的占有率比較低，影響了我國汽車制造業水平及機器人焊接工作站的設計水平的提升。

關鍵詞：機器人焊接;焊接工作站;夾具

中圖分類號：TP242? ? ? 文獻標志碼：A

0 引言

以往汽車行業的焊接件主要依靠手工夾具、手工焊接來完成，焊接人工成本高，工作效率低，產品穩定性差，不能滿足市場對于汽車產量的需求，為了提高產品質量及降低生產成本，機器人工作站在國內主要用于焊接汽車零部件，該文針對機器人焊接工作站的主要組成及焊裝夾具設計流程進行闡述。

1 機器人焊接工作站的組成

機器人焊接工作站是汽車生產線上的重要生產設備，焊接工作站既能完成本工序的零件焊接與裝配等工作，同時還能夠檢驗和校正上一道工序的零件的產品質量，實現機械化及自動化汽車生產過程。常見焊接工作站一般由機器人系統、焊接系統、工裝夾具、控制系統、安全防護系統及其他輔助設備系統組成。

1.1 機器人系統

工作站需要具有聯網、監控、質量控制等功能，焊接生產線大多數采用KUKA、FANUC等品牌的機器人，也有一些工作站采用SIASUN品牌的機器人;機器人是典型的機電一體化產品，傳感器提供機器人本體及周邊環境信息，控制系統根據控制程序產生指令信號，通過控制各關節運動坐標的驅動器，使各臂桿端點按照要求的軌跡、速度和加速度，以一定的姿態達到空間指定的位置，驅動器將控制系統輸出的信號變換成大功率的信號以驅動執行器工作，實現對機械本體進行精確控制。

1.2 焊接系統

焊接工作站主要就是為了完成零部件的焊接工作，由于焊接方式的不同，主要分為點焊工作站與弧焊工作站，2種工作站的差別主要集中在焊槍樣式及工裝夾具上，常用的焊接系統品牌有福尼斯、小原等，焊接系統一般配有專用的焊接控制器及編程器。

1.3 工裝夾具

工裝夾具主要是為了能夠將工件固定在合格的尺寸位置上，在焊接過程中保證工件的變形量在可控范圍內，得到合格產品;工裝夾具主要由夾具底板、定位機構、支撐機構及壓緊機構組成，按照“六點定位原則”對零件進行定位或過定位。

1.4 控制系統

工作站控制系統主要包括PLC控制系統及焊接控制系統，其中焊接控制系統一般由焊機廠家配套提供，焊接控制器需要通過協議與工作站PLC通信，實現信號交互及動作聯動的功能;控制系統基于各類電氣元件與設備，通過電氣程序控制機器人及焊接設備滿足焊接功能要求。

2 焊裝夾具設計流程

2.1 焊裝夾具設計依據

設計依據是按照客戶提供的產品三維模型、產品圖紙、產品技術要求輸入信息，并結合企業自身的加工水平進行設計。分析用戶提供的產品圖紙，對各零部件的基準定位信息進行記錄并標記。

2.2 設計前準備工作

在開始焊裝夾具之前，應根據分析圖紙所得到的信息，在產品三維模型上對產品的焊接位置進行標記，以免在設計過程中丟漏焊縫;確定產品在夾具底板上的擺放位置，在滿足支撐定位的前提下，盡量使產品離夾具底板近一些，便于對機器人背面進行焊接;同時確定焊槍型號，并提供焊槍的完整數模，將焊槍以合理的角度擺放在焊縫上，直觀地反應焊接過程，焊槍布置應與產品對接面有45°夾角，與焊縫走向有75°夾角。

2.3 產品的定位系統

產品的定位分為定位銷定位和定位面定位，其中，定位銷分為圓形定位銷和菱形定位銷，圓形定位銷作為主要定位基準，菱形定位銷為防轉定位銷;定位面一般為支撐面，應有對應的壓緊機構，使產品在焊裝作業時保持在固定的位置上。在產品定位過程中，應注意5個常見問題：

（1）當零件與焊接總成基準不一致時，通常按焊接總成基準定位。

（2）在零件基準無法使用時，可以選擇總成中功能性位置作為定位基準。

（3）支撐面一般選擇在零件的基準面上，以保證不同批次產品的定位基準相同。

（4）壓緊位置應選擇在距離焊縫近且底部有支撐的位置，原則上無支撐不壓緊，在底部無支撐的情況下仍需要通過壓緊來固定零件，因此可以采用彈簧壓頭或增加壓緊限位擋塊的方式，以免導致零件變形。

（5）壓緊機構一般采用壓臂缸進行壓緊，壓臂的打開角度是由裝件時夾具平臺的角度決定的，如夾具平臺人工裝件的角度為15°，則遠離人側的壓臂缸打開角度需大于105°，以免壓臂在裝件過程中落下，影響裝件效率。

2.4 典型的定位機構

在焊裝夾具的設計過程中，應盡量選擇通用的夾緊機構以及標準的零部件，提高夾具的通用程度，便于進行夾具維護。下面介紹4種常用的機構。

2.4.1 抽銷機構

當產品孔的軸線方向與取件方向（一般為豎直方向）的夾角大于5°時，定位銷應設計成活動銷，在裝件之前定位銷伸出，裝件后完成焊接，在取件前定位銷縮回。可以根據銷孔的形式，對機構進行修改，用于不同夾具的定位。

2.4.2 浮動壓緊機構

多點同時壓緊或曲面壓緊時，為了讓所有壓點都能有效壓緊，可選擇浮動壓緊機構，可以根據實際情況改變擺臂的形狀，通常擺臂回轉處間隙不能超過0.5 mm，以保證良好的浮動壓緊效果。

2.4.3 圓管支撐壓緊機構

此機構是底部“V”形塊+可調節支撐銷來進行支撐的，可調節性良好，提高圓柱類零件的定位準確性。

2.4.4 “U”形支撐+彈簧壓緊機構

常用于方管的定位支撐，“U”形塊單側與方管一面接觸，方管另一面依靠彈簧壓緊機構來定位，“U”形塊的另一側起初導向作用，產品取出時需克服與彈簧壓緊機構和方管之間的摩擦力。采用通用化、標準化機構能大大地提高設計人員的設計效率，節省設計時間。

2.5 夾具框架及氣路布置等相關附件

（1）夾具框架的強度及穩定性對整個夾具的準確性和焊接質量有很大的影響，夾具框架一般由矩形管焊接而成，所有的組立都連接在其上，夾具底板在滿足強度要求的前提下，應盡量增大開口率，以減輕重量，使夾具在回轉過程中的慣性矩變小，延長變位機等回轉元件的壽命。夾具底板通常由4釘2銷定位固定，4釘四角分布，2銷對角線布置。

（2）氣路管道根據氣動元件的工作位置及順序進行分組，并分配相應的電磁閥進行控制，通常一個電磁閥最多同時控制4個氣缸（40缸徑，行程小于50 mm），這樣可以使氣缸的動作穩定并快速響應。

（3）為了滿足焊裝夾具的安裝調試等要求，夾具底板上需增加用于夾具吊裝的吊裝孔，吊裝時夾具整體趨于水平狀態;用于夾具定位調整的坐標檢測孔一般采用3個基準坐標孔，為了操作方便，有時也布置4個基準坐標孔;布置端子箱及氣管走向，應盡量避開焊縫區域，無法避開焊縫的管線應做防燙、防飛濺處理，以免損壞管線。

2.6 其他設計收尾工作

完成工程圖紙、機電交流文件、氣路原理圖等相關文件的編寫和繪制，完成設計工作。

3 結語

該文按照常規的設計工作流程，進行焊裝夾具設計;通用化、標準化的焊裝夾具設計流程，能快速、高效、高質量地完成夾具設計任務，減少不必要的時間，對之后的焊裝夾具設計工作有借鑒和指導意義。

參考文獻

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