FANUC機器人螺母凸焊自動化工作站概述

錢雪峰，彭小勇

（杭州寶偉汽車零部件有限公司，浙江 杭州 311228）

前言

汽車制造業的蓬勃發展，對其配套零部件的生產效率及質量的要求在不斷提高。傳統人工搬運零件進行立點焊的工作模式已經逐漸被機器人自動化作業所取代，立點焊自動化不僅相對人工節約了人力物力，而且也提高了零部件的焊接質量和生產產能。

1 行業背景

汽車為實現裝配過程中的功能性需求，在車身上需要有大量的凸焊螺母、螺栓的存在。傳統的汽車配件供應商在生產零部件過程中，使用人工進行焊接凸焊緊固件，在一些質量較重、緊固件種類較多且需求量較大的部件上，人工作業容易出現產能較低、安全風險較大且質量波動較為頻繁的情況。

在此種背景下，汽車配件生產商開始嘗試使用機器人搬運配合凸焊機進行自動化集成生產。從實際效果來看，機器人自動化凸焊工作站的在一些零部件的應用中，減少了作業人員，改善了人員作業環境，并且生產效率和質量的穩定性也得到了較大的提高。

2 機器人自動化凸焊系統

凸焊自動化工作系統主要包括：自動化搬運機器人及零件夾持系統、螺母輸送及焊接系統，機器人作業程序。

2.1 搬運機器人及零件夾持系統

2.1.1 搬運機器人

隨著工業自動化的長足發展，自動化工業機器人在各行業的應用越來越廣泛。機器人在持續作業過程中相比人工更加精確，在重量較大的零件生產過程中可有效的減少人員的勞動強度，改善操作人員的作業環境。FANUC機器人在一般工業精度應用上，由其優良的性價比得到廣泛的應用。

車用螺母緊固件在生產過程中需要使用配套電極進行凸焊，通常定位銷子與鈑金的凸焊預留孔的直徑差為0.2mm，為保證鈑金片件的預留凸焊孔與配套電極的定位銷準確對接，搬運機器人的最大重復精度應小于0.1mm。

在生產作業過程中，凸焊電極一般在數百次焊接后會在接觸表面出現氧化物堆積及臟污，為保證焊接質量需要對電極接觸表面進行研磨，直至銅電極的金屬光澤露出且上下表面平整。在多次研磨之后，原鈑金片件與下方凸焊電極的密切接觸面出現了較大的間隙量。在點焊自動化工作站的作業過程中，點焊電極研磨后出現的距離差異由控制器進行分析后進行距離補償，保證每次焊接時焊鉗電極位置都會接觸片件。因為凸焊機電極的固定特性無法使用相同方式進行補償，此時需要搬運機器人使用軟浮動(SOFIFLOFT)程序進行配合焊接軌跡及信號時序進行補償焊接。在軟浮動(SOFIFLOFT)程序執行時，抓取待焊接片件的機器人及裝夾具能夠隨著上電極的壓力順延下移到下電極表面處，保證焊接作業的正常進行，避免了過多間隙下焊接質量的波動、機器人和搬運裝夾具的損毀。

2.1.2 零件搬運夾持系統

凸焊自動化工作站的搬運主體是機器人，待焊接片件的定位搬運需要借助夾持系統的輔助。夾持系統主要分為固定骨架及夾持壓塊和氣缸。其工作原理是依靠夾持臂接觸壓緊工件接觸面，使未焊接的片件相對機器人6軸端面固定，在作業過程中根據實際調整焊接軌跡，滿足焊接精度要求。

2.2 螺母緊固件輸送、位置檢測及焊接系統

在凸焊自動化運行中，凸焊緊固件（螺母）需要自動輸送來保證整個工作站的正常運行。一般生產過程為機器人搬運片件到預定位置后發出信號，收到運行信號的螺母輸送機輸送螺母至定位銷，輸送完成后發出完成信號至凸焊機，凸焊機上電極開始下壓，壓實后等待位置檢測儀確認合格后給凸焊機發出焊接指令完成焊接過程。

緊固件（螺母）輸送機在整個生產過程中是實現自動化運行的前提條件，螺母的自動輸送和送達的穩定性、準確率都直接影響工作站的作業效率。文中所述工作站使用的是OBARA振動式螺母輸送機，組配OBARA座式點焊機（即凸焊機）及SIV31-6C控制器進行作業，螺母輸送準確性檢查設備為歐尼克的位置檢測儀。

螺母輸送機的輸送部分在實際生產中會隨著自身輸送及凸焊機的抖動而發生微小位移，所以需要選擇剛性較好的輸送機固定結構，并且長時間作業期間定期確認輸送位置是否準確。凸焊機的整體剛度及電極臂選擇應滿足所焊接零件及螺母的焊接性能要求，也要考慮到機器人及搬運夾持系統是否可以順利通過，保證作業軌跡的通順性為焊接效率提升提供前提條件。焊接控制器應能夠和機器人控制器完成信號對接，保證焊接過程的自動化控制，如本文所述工作站所使用的SIV31-6C控制器。螺母檢測儀的工作原理是將定位銷與位移傳感器連接，利用螺母在被正確和錯誤輸送后、焊接前的定位銷被壓下的距離作參考來確認螺母是否在正確的待焊接位置。

2.3 機器人作業程序

FANUC機器人在作業過程中是依據示教器編制的軌跡程序進行工作，程序的主要作用是給出機器人每一步的運作指令，具體動作的完成類型以及發出關鍵節點的數據信息來完成整個作業過程。機器人配帶伺服焊鉗進行點焊作業在汽車行業內已經應用了很長時間，相對來說不存在很大的技術難題，但凸焊自動化工作站中機器人和現通用的點焊機器人有著截然不同的作業方式。

FANUC機器人的動作指令中包含了動作類型、位置數據格式、移動速度及定位類型四個基本要素，需要注意的是動作類型和定位類型。關節運動類型下的機械手臂終端不是直線運行,CNT圓滑過渡和FINE的減速停止點定位類型。在編寫凸焊自動化工作站機器人程序時，機器人抓手上的片件待焊接孔在通過待焊接位置及前一個位置點的過程中不能觸碰到定位銷，觸碰后定位銷位置精度的改變直接影響螺母輸送機的輸送穩定性。在實際應用過程中，通常在定位銷進入和離開定位孔前的數個點使用低速FINE或者使用CNT較低數值的定位類型來保證正常運行。

3 凸焊自動化工作站的特點和優化方向

自動化凸焊相對人工擁有更高的生產效率，在重量較大、緊固件種類及數量較多的情況下尤為明顯。人工對重量較大的工件進行焊接作業時，體力會隨著作業時間的延長明顯下降，而機器人可以按照預定好的軌跡全年重復運行。使用緊固件種類較多的零件，在人工焊接時需要多工序生產，多個工序之間需要存在一定量的緩沖庫存，無形之中增加了生產線的物流成本和質量安全風險，自動化工作站能夠在“一進一出”的過程中完成所有工序的作業要求無需中間物流的存在，同時能夠一個人完成人工模式下多人多工序的工作。

凸焊自動化工作站在實際應用上有著明顯的優點，但初期投入比較大，后期重新規劃集成的成本也比較高，所以在自動化工作站設計方案的前期，應考慮在滿足客戶產能的前提下盡可能提高設備的有效使用率。對于汽車車身結構件來說，除了螺母類的緊固件也可以對螺柱焊植釘進行自動化改造。

4 總結

自動化工作站在傳統手工操作占比很高的凸焊緊固件領域的應用是行業自動化浪潮的顯現，也是企業創新求存的必然結果。從大的方向上看，機械化、智能化生產代替傳統勞動密集型作業是時代的進步，也是我國實現科技興邦的目標；從小的方向上看，自動化作業相比傳統人工作業模式在作業效率和產品質量的穩定性上都有大幅度提升，減少了企業生產過程中在不良品上的隱形支出，給企業創造了更多的利潤空間。

相信隨著車輛制造行業自動化生產要求的不斷提高，自動化設備的不斷更新完善，凸焊自動化工作站這種“小眾”的自動化模式會越來越普遍。