機(jī)器人弧焊在汽車焊接應(yīng)用中的研究

李成亮

摘 要：隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人民生活水平也得到了提升，因此汽車的使用也開始普及開來，這也對(duì)汽車精細(xì)化的制造過程要求越來越高。而弧焊機(jī)器人自身的優(yōu)勢及其應(yīng)用能夠有效的提高汽車制造的精細(xì)化水平，所以弧焊機(jī)器人開始逐漸被應(yīng)用到汽車行業(yè)當(dāng)中。在本文當(dāng)中我們分析了智能弧焊機(jī)器人設(shè)備的系統(tǒng)組成，并通過在我公司威馬溫州ASE-2項(xiàng)目頂蓋焊接生產(chǎn)線上的實(shí)際應(yīng)用，分析采用智能弧焊機(jī)器人焊接的優(yōu)點(diǎn)及其廣泛的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：弧焊機(jī)器人;汽車焊接;應(yīng)用

1 引言

近年來，隨著市場競爭的日趨激烈，提高焊接生產(chǎn)率，保證焊接質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)焊接生產(chǎn)自動(dòng)化和智能化開始受到焊接生產(chǎn)企業(yè)的日趨重視[1]。而弧焊技術(shù)又是現(xiàn)代焊接技術(shù)的重要組成部分，其應(yīng)用范圍幾乎涵蓋了所有的焊接生產(chǎn)領(lǐng)域，其中弧焊機(jī)器人系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和智能化的主要手段。因此，為了提升焊接質(zhì)量，提高焊接生產(chǎn)率，改善工人作業(yè)條件，我公司在威馬溫州ASE-2項(xiàng)目頂蓋焊裝生產(chǎn)線上使用了弧焊機(jī)器人（見圖1）。

2 弧焊機(jī)器人系統(tǒng)構(gòu)成

弧焊機(jī)器人系統(tǒng)的基本硬件一般包括：焊接機(jī)器人本體、焊接設(shè)備、變位機(jī)、工裝夾具、安全設(shè)施、控制系統(tǒng)及其他輔助部分，如焊接煙塵處理、傳感器等。

2.1 焊接機(jī)器人本體

頂蓋生產(chǎn)線所選用的弧焊機(jī)器人是日本Fanuc推出的機(jī)型是M-20iA 12L：包括機(jī)器人本體、機(jī)器人控制柜、示教器三個(gè)部分。機(jī)器人本體選用新型交流伺服電動(dòng)機(jī)，結(jié)構(gòu)緊湊、響應(yīng)快、可靠性高、運(yùn)動(dòng)平滑靈敏度高，運(yùn)動(dòng)范圍更廣泛。靈敏碰撞檢測和柔性控制，能夠避免意外碰撞引起位置偏移。機(jī)器人手臂安全支架能更快檢測到負(fù)荷變化，自動(dòng)切換成柔性控制，避免撞擊。運(yùn)動(dòng)性能也大幅度提高：驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的容量及減速器的規(guī)格大幅度提高，可實(shí)現(xiàn)每秒鐘2000m的高速平滑運(yùn)動(dòng)，其持久性能顯著提高。

2.2 焊接設(shè)備

一般包括：焊接電源、送絲機(jī)、焊槍、防碰撞傳感器、水冷裝置、清槍剪絲機(jī)，一般根據(jù)所焊工件的焊接工藝要求選擇配置。如果是簡單焊接應(yīng)用，焊接參數(shù)一致無變化，從低成本角度出發(fā)只需要電源提供外部狀態(tài)控制功能，即通過外部進(jìn)行起弧、熄弧、送絲、送氣操作及起弧成功反饋功能。但這種配置不能很好發(fā)揮機(jī)器人柔性化生產(chǎn)的優(yōu)勢，一般機(jī)器人所配套的焊接電源，除了具有外部狀態(tài)控制功能外還需要具有焊接參數(shù)控制功能，可實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接參數(shù)的調(diào)節(jié)。隨著焊接電源的發(fā)展不斷向數(shù)字化方向邁進(jìn)，焊接機(jī)器人焊接電源的發(fā)展方向是采用全數(shù)字化焊機(jī)，配套數(shù)字化電源的機(jī)器人可通過控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接電源的高速精確控制，并可在焊接過程中進(jìn)行動(dòng)態(tài)焊接參數(shù)調(diào)整。現(xiàn)這類焊接電源已有專用的機(jī)器人數(shù)據(jù)接口，并有對(duì)應(yīng)的機(jī)器人專用送絲機(jī)。機(jī)器人對(duì)所配置焊槍的要求比較高，一把標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)器人焊槍除能滿足正常焊接外還需要有良好的可達(dá)性和安裝一致性，有時(shí)還需要根據(jù)所焊工件定制特殊焊槍。威馬頂蓋生產(chǎn)線上高性能全數(shù)字化的焊接電源采用先進(jìn)的全軟件高速波形控制技術(shù);采用帶數(shù)字編碼器的渦輪送絲電動(dòng)機(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)送絲情況進(jìn)行檢測反饋，并由CPU控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)高精度的送絲。

2.3 變位機(jī)

在一些焊接場合，如工件尺寸較大、工件空間幾何尺寸復(fù)雜，導(dǎo)致機(jī)器人的焊槍無法到達(dá)焊接位置或處于理想的焊接姿態(tài)，又或者為了提高機(jī)器人的利用率需要機(jī)器人在多工位之間切換，這時(shí)就需要對(duì)機(jī)器人或工裝夾具進(jìn)行變位（見圖2）。通常的做法有：一是把機(jī)器人裝于可以移動(dòng)的軌道小車、升降臺(tái)或龍門架上，擴(kuò)大機(jī)器人本身的作業(yè)空間;二是讓工件移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)，使工件上的焊接部位進(jìn)入機(jī)器人的作業(yè)空間。也有同時(shí)采用上述兩種辦法，讓工件的焊接部位和機(jī)器人都處于最佳焊接位置。這些變位動(dòng)作一般采用電動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)，也有采用氣動(dòng)方式或其他方式驅(qū)動(dòng)的。采用電動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)時(shí)，這些軸通常作為機(jī)器人的外部軸由機(jī)器人控制系統(tǒng)直接控制，從而可保證所有機(jī)構(gòu)的高定位精度、高軌跡精度和高運(yùn)動(dòng)精度，并實(shí)現(xiàn)同步協(xié)調(diào)控制，使焊接系統(tǒng)具有更好的靈活性，可完成復(fù)雜的協(xié)調(diào)動(dòng)作。這樣可使焊接機(jī)器人的適用范圍更廣、編程更為方便，同時(shí)還能更好的縮短產(chǎn)品改型換代的周期，減少相應(yīng)設(shè)備的投資，充分體現(xiàn)柔性化生產(chǎn)。

2.4 焊接工裝夾具焊接

工裝夾具根據(jù)焊接工藝要求設(shè)計(jì)，因工件的不同，而形式多種多樣。焊接工裝夾具在保證焊接質(zhì)量、焊接生產(chǎn)效率、操作方便性的同時(shí)，還需要結(jié)合機(jī)器人、變位機(jī)等保證焊槍的可達(dá)性、系統(tǒng)安全性、通用互換性等綜合考慮。夾具設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮到生產(chǎn)線布局，具備完成工件定位，確保工件裝夾一致性，使工件尺寸符合圖樣要求，滿足弧焊機(jī)器人操作要求。

2.5 安全設(shè)施由于弧焊

機(jī)器人在焊接過程中變位機(jī)及機(jī)器人的動(dòng)作速度較快，且在焊縫之間切換時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)加速情況，當(dāng)操作人員意外進(jìn)入其活動(dòng)區(qū)時(shí)將出現(xiàn)危險(xiǎn)，所以一個(gè)完備的弧焊機(jī)器人系統(tǒng)在滿足焊接的同時(shí)安全措施必不可少。一般采用圍欄式和整體封閉式機(jī)構(gòu)進(jìn)行整體隔離保護(hù)，對(duì)于安裝工件位置可選擇采用快速門或者光柵保護(hù)。對(duì)于一些維護(hù)用的門也需要安裝檢測元件，防止維護(hù)門意外關(guān)閉或檢測元件被非正常接通，杜絕系統(tǒng)意外啟動(dòng)的可能。威馬頂蓋弧焊生產(chǎn)線采用整體封閉加光柵保護(hù)的形式，焊接操作時(shí)，人員無法進(jìn)行弧焊區(qū)域，有效的體現(xiàn)了對(duì)人、設(shè)備和產(chǎn)品的安全保障（見圖3）。

2.6 控制系統(tǒng)

一般的簡單應(yīng)用可直接采用機(jī)器人控制柜配合外部操作盒實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接系統(tǒng)的控制。在實(shí)際應(yīng)用中常常需要一個(gè)外部控制系統(tǒng)進(jìn)行全面協(xié)調(diào)控制，包括：機(jī)器人及其外部軸、工裝夾具動(dòng)作、工件輸送、安全防護(hù)系統(tǒng)動(dòng)作等。外部控制系統(tǒng)通過調(diào)用機(jī)器人控制系統(tǒng)的相關(guān)焊接程序進(jìn)行焊接。機(jī)器人控制系統(tǒng)則負(fù)責(zé)對(duì)焊接過程進(jìn)行控制，如機(jī)器人及外部軸協(xié)調(diào)動(dòng)作、焊接設(shè)備的動(dòng)作。外部控制系統(tǒng)通常采用PLC為主控單元、人機(jī)界面觸摸屏為參數(shù)設(shè)置及監(jiān)控單元，通過單個(gè)或多個(gè)按鈕站實(shí)現(xiàn)控制。

3 智能弧焊機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)

3.1 提高焊接質(zhì)量

焊接過程、焊接參數(shù)恒定，隨著焊接質(zhì)量受人為因素影響的減少，降低了對(duì)工人操作技術(shù)水平的要求。通過弧焊機(jī)器人的高級(jí)功能應(yīng)用還可以根據(jù)焊接條件修正焊接參數(shù)，大大提升了焊接質(zhì)量。弧焊機(jī)器人焊接焊縫相較人工焊縫焊接均勻，無毛刺、飛濺、焊渣，焊接質(zhì)量提升顯著。弧焊機(jī)器人焊接焊縫質(zhì)量提升，使得涂裝噴涂效果優(yōu)良，不易生銹。

3.2 提高生產(chǎn)率

可以一次裝夾，通過機(jī)器人與變位機(jī)配合可自動(dòng)完成以往幾次工位才能完成的所有焊縫的焊接;且機(jī)器人及變位機(jī)的動(dòng)作快速準(zhǔn)確，焊縫之間的切換時(shí)間也大大縮短。

3.3 便于生產(chǎn)計(jì)劃安排

產(chǎn)品周期明確機(jī)器人根據(jù)程序動(dòng)作，生產(chǎn)節(jié)拍基本固定，使得人工弧焊現(xiàn)場生產(chǎn)安排更加方便合理。

3.4 新產(chǎn)品投入生產(chǎn)周期縮短

由于焊接機(jī)器人系統(tǒng)的柔性化，通過更換夾具、更換調(diào)用程序，即可實(shí)現(xiàn)不同產(chǎn)品的批量生產(chǎn)。

3.5 改善工人的勞動(dòng)條件

由于工人只需要裝卸工件、按操作按鈕等操作，焊接過程全自動(dòng)化，不需要人工干預(yù)，工人遠(yuǎn)離了焊接弧光、煙塵和飛濺，大大改善了工人的勞動(dòng)環(huán)境及強(qiáng)度。

4 結(jié)語

該弧焊機(jī)器人系統(tǒng)已經(jīng)成功的運(yùn)用到我公司威馬頂蓋焊接生產(chǎn)線上，在生產(chǎn)過程中表現(xiàn)了良好的穩(wěn)定性能和安全性能，焊縫質(zhì)量達(dá)到工藝質(zhì)量要求。通過智能弧焊機(jī)器人在項(xiàng)目中的實(shí)際應(yīng)用，滿足了我們公司對(duì)該項(xiàng)目提升產(chǎn)品工藝水平的需求，實(shí)現(xiàn)了焊接技術(shù)的一次大的技術(shù)升級(jí)，并形成了一系列的弧焊機(jī)器人焊接規(guī)范，為后續(xù)項(xiàng)目中頻焊接的應(yīng)用提供完善參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫樹棟.工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)[M].西安：西安工業(yè)大學(xué)出版社，2006.

[2]陳凱豐.試論焊接機(jī)器人在汽車焊裝領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2015（34）：54.