基于機器人應用的龍門架焊接工作站方案設計

張馳勱

杭州新松機器人自動化有限公司 浙江杭州 311228

1 前言

隨著專用汽車市場快速增長，以及用工成本不斷上升，符合企業需求且具備較高技能的人才匱乏。 同時為了提升產品質量和提高生產效率，改善工作環境，降低焊接工人勞動強度，一些專用車輛生產廠家開始逐步引進機器人自動焊接、機器人協同裝配等生產設備。機器人自動焊接工作站是機器人應用一個重要細分領域，并且發展較早，技術比較成熟，廣泛應用于各種焊接領域，如各種弧焊、點焊、螺柱焊、激光焊、三維激光切割、三維等離子切割等。

現在以某專用汽車駕駛室的龍門架為例，闡述該部件的機器人自動焊接工作站的方案設計方法，如圖1所示。

圖1 駕駛室龍門架

2 龍門架的作用與要求

通過調整龍門架繞固定軸在設定角度范圍內轉動并在合適的位置鎖定，從而實現調整駕駛室所需的傾角。焊接完成后要求左右矩形管的駕駛室連接面在同一平面，固定軸安裝孔中心線、調節軸安裝孔中心線分別與連接面平行，同時調節軸安裝孔中心線和固定軸安裝孔中心線平行。

3 設計輸入條件

工作模式為人工上料，機器人自動焊接；人員需求為1人；節拍要求為10 min/件；工作時間實行單班制，每班9 h；產能約55件/班。

4 工藝分析

整改焊接總成由31個零件和若干個焊接螺母組成。由于整個龍門架的結構相對簡單，通常有三種工藝：第一種工藝是分別將焊接螺母分別與相應的零件預先焊好，然后將所有零件都放在一套夾具組裝一次性焊接（軸套孔焊前加工）。第二種工藝是用手動工裝將零件8～ 20人工組焊成一個小組件（軸套孔焊前加工），如圖2所示，再用一套夾具完成該組件與其他各件的整體機器人自動焊。注意：此小組件在其他工位完成裝夾、焊接，不占用本工作站的節拍時間。第三種工藝方法是將所有零件用點焊方法拼成一個整體，再焊接各處焊縫并矯正焊接變形，最后再用鏜床加工4個軸孔。焊接方法都是采用低成本的二氧化碳氣體保護焊，各種焊接方法的優缺點在此不再詳細介紹。

圖2 支撐組件

5 方案確定

這三種工藝方案雖然都可以實現，從變位需求的外部軸角度來看，結合機器人動態焊接模擬得出：第一和第三種工藝方法需要一個水平旋轉的Z軸和上下旋轉的X軸；第二種工藝方法只需要一個水平旋轉的Z軸。而第一種方式對夾具設計的復雜程度要遠大于第二種，夾具整體空間布局受較大限制，機器人單機焊接時長預計比第二種至少多1/3以上，同時，人工上料時間將是后者的2倍以上。儲備零件臺車預計也要多出4種類型以上，臺車占用場地面積相應增大，從而增加了制造成本，上料時工人走動的區域相應也要擴大，大大增加勞動強度。第三種工藝方法顯然比較適合小批量人工生產方式。經過與用戶反復溝通后，決定采用第二種方案，并且圖2組件作為整體來料,該組件在其他時間富余工位焊接完成，不占用本站節拍時間。下面以第二種工藝方案進行節拍分析（機器人焊接速度暫定370 mm/min），如表1所示。

表1 節拍時間表

由表1可見，采用單機器人焊接的方式是能夠達到工藝要求的。此外，考慮到將來單班產能的提升需求，機器人純焊接時間比較長，為了提高人員有效利用率，采用雙工位模式，即一個工作臺上有兩套完全相同的夾具，且這兩套相同夾具關于水平旋轉的Z軸對稱布置，如圖3所示，可通過轉臺旋轉180°進行工作狀態切換。即機器人焊接同時，人工就可以在圖3所示的上下料工作區進行上下料，上下料與機器人焊接同時進行互不干涉。在計算雙工位工作模式的實際節拍時，由于上下件和機器人焊接是同步進行的，故以較長時間的工序為依據進行累加。

鑒于對方工廠已經布置較為完善的氣路管道，且各管道端口空氣壓力穩定滿足使用要求，故采用結構簡單緊湊、響應速度較快、清潔，便于調節、較低成本的氣動控制方式。

6 布局

經過以上的工藝和方案可行性分析，接下來就以上述方案考慮工作站的整體布局。結合工件整體的輪廓尺寸初步工裝Base板輪廓尺寸；由于采用人工上下料方式，結合人機工程學的要求確定工裝臺面高度控制在800～850 mm；人工切換上下料與焊接工作狀態。為了保證人員安全，工作站配備安全焊房，切換按鈕布置在焊房上下料區的外側，操作者在安全焊房上下料區進行上下料操作，機器人焊接在封閉焊房內，焊房配備除塵系統、安全門鎖、人工上下料通道配備光幕。當安全門鎖非正常打開或觸發光幕時，系統停止運行并觸發警報系統。整體布局平面圖如圖3所示。

圖3 整體布局平面圖

該布局的操作者相應工作流程：

a.操作者在上下料區將散件裝夾到A工裝上并夾緊后，退出到安全光幕外，按啟動按鈕轉臺轉入到焊接位置機器人進行自動焊接；

b.機器人焊接時操作者在B工裝上裝夾散工件，完成后退出到安全光幕外，按下 “就緒” 按鈕等待機器人焊接；

c.A工裝工件焊接完成后，旋轉至上下料區，B工裝轉至焊接區并進行機器人自動焊接；

d.操作者取下A工裝已經焊接的工件，并放到成品存放區的臺車上，再將散件裝夾到A工裝上并夾緊，退出到安全光幕外，按下 “啟動” 按鈕轉臺轉入到焊接位置機器人進行自動焊接；

e.操作者取下B工裝的工件，重新給B工裝裝夾散件并夾緊后，退出到安全光幕外，按啟動按鈕轉臺轉入到焊接位置機器人進行自動焊接，完成一個工作循環。

7 結語

在確定方案前，首先要對產品功能、使用條件、結構特點、產品的工藝要了解透徹。在分析產品的工藝時，需要掌握相應產品當前的生產工藝的優缺點，充分結合實際要求對現有工藝進行優化。結合實際環境，如場地面積、物流狀況、現有的水、電、氣的布局和各自容量，成本、產量等因素進行綜合考慮。在確定最優方案以后，所需的設備及數量甚至型號基本已經確定，接著還需要對前面各個環節進行細化、分解，最后整合到布局圖上，而且還要輸出相應的技術文檔等資料。至此，整個機器人自動焊接工作站方案設計的工作基本完成。