點焊工作站柔性化改造設計

黃蜜

摘 要：常見的點焊工作站有懸掛點焊站、機器人點焊站、凸點焊站等。目前，許多汽車零部件工廠有不少老舊的懸點焊設備，其生產的產品產量較低，且焊接質量不高、一致性差，需要改造為使用機器人焊接的方式。另外，隨著汽車市場的逐步變化，未來可能是小批量、多樣化的市場需求，這就需要柔性化的生產。為了適應將來這種柔性化生產需求，為產量較低的項目減少機器人和設備的投資，因此有必要研究點焊機器人柔性化工作站，以期能夠對行業的發展有所幫助。

關鍵詞：點焊;工作站;柔性化改造

中圖分類號：TG409 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1064（2020）09-0010-02

1 工作站柔性化的必要性

汽車零部件結構或外形發生改變時的產品換型，都意味著其原有焊接生產線的改變。如果原有焊接生產線具有一定程度的柔性，通過局部改造，新產品完全可以在原焊接生產線上進行生產。如果現有焊接生產線不具有柔性，不能混線生產新車型，則需要另外新建生產線，導致原有的整條焊接生產線全部淘汰或閑置，造成資金的極大浪費。因此，焊接生產線具有柔性化非常重要，其決定著產品換型和多樣化的可能性，以及相應的投資規模。

采用機器人會使焊接生產線更加柔性化、自動化，使多種車身成品可在同一個工作站內制造，實現多車型混線生產。因此，焊接生產線必須易于因產品結構、外形的改變而改變，具有較高的柔性程度。柔性焊接工作站可以適應汽車多品種生產及換型的需要，是汽車車身制造自動化的必然趨勢。

2 焊接機器人

焊接機器人是實現柔性化焊接工作站的關鍵。焊接機器人廣泛應用在汽車制造業，主要是汽車零部件和部分白車身等焊接。其中，點焊機器人可以提高焊接質量，甚至有時人們打算用點焊來替代某些弧焊作業。應用機器人焊接后，大大提高了焊接件的外觀和內在質量，并保證了質量的穩定性，降低了勞動強度，改善了勞動環境[1]。

焊接機器人主要包括機器人和焊接設備兩部分。機器人由機器人本體和控制柜（硬件及軟件）組成。而焊接設備，以弧焊及點焊為例，則由焊接電源（包括其控制系統）、送絲機（弧焊）、焊槍（鉗）等部分組成。對于智能機器人，還應有傳感系統，如激光或攝像傳感器及其控制裝置等[2]。

3 點焊機器人工作站的實際應用

常見的點焊機器人工作站，一般包含了一臺點焊機器人和一套或兩套固定式焊接夾具等兩大部分。這種固定式工作站不能實現產品夾具的快換，機器人可達性也有限，焊鉗也是專用的，不適合柔性化生產。

4 點焊工作站柔性化改造設計

4.1 點焊工作站柔性化改造設計要點

改造點焊機器人工作站，要利用一臺機器人（盡量利用工廠現有機器人）和產能較低工位點焊夾具（特別是懸掛點焊夾具）進行改造，建一個機器人集群工作站。工作站內由一個機器人使用兩把焊鉗，以行走的方式焊接六套夾具。具體設計要點如下：

改造現有的六套懸掛點焊或固定點焊夾具，使其適用于此機器人集群工作站，并具有夾具快換和定位功能。夾具動作控制方式保留原來的氣動控制方式，裝件位在外，裝好工件，按雙手預約啟動后，機器人開始焊接。增加夾具識別功能（夾具上增加遠程模塊與PLC通訊識別），每套夾具至少增加一個關鍵夾具的夾緊信號和一個工件檢測的信號，以便機器人能判斷并調用正確的焊接程序進行焊接。

夾具上的電氣和氣動接口，使用標準航插和快速接口，無需工具即可連接。焊鉗選型，選用C型和X型焊鉗各一把并采用快換盤快換。但焊接工藝上盡量考慮使用一把焊鉗兼容所焊的六套夾具和零件，若不能滿足焊接要求，則換槍后再焊接，避免頻繁換槍。采用能使機器人移動的直線導軌，采用伺服電機的方式使機器人能精確移動到焊接位置，使六套夾具上的焊點、焊鉗全部可達。

使用一套PLC控制柜和兩個觸摸屏，控制整個工作站。PLC控制系統用于機器人系統及其周邊裝置的協調與控制，可實現參數設定、系統編程、工作狀態顯示及故障報警顯示等。PLC采用SIMATIC S7-300，通過Profibus DP總線與夾具上兩個ET200SP遠程I/O模塊互聯。采用這種結構既可減少現場接線，又可提高系統的穩定性。同時，由于ET200SP具有熱插拔和易于擴展的特點，使系統擴展和維護非常方便。其中，一個ET200S模塊用于夾具信號連接及動作控制，另一個ET200S模塊用于夾具自動識別（通過短路線短接不同的輸入信號、區別不同的夾具，簡單又可靠），通過HMI SIMATIC-TP-170B觸摸屏作為人機界面，實時顯示系統各部分的狀態，提高系統診斷和故障排除速度[3]。

4.2 點焊工作站柔性化改造設計原則

在點焊工作站的設計過程中，生產線的柔性和安全性是兩個重要原則。

生產線的柔性主要體現在以下幾個方面：

所有焊接設備及工裝夾具具有互換性、通用性，通過更換夾具即可快速實現多種產品的生產要求，更換時間不超過10min;機器人工作站具有互換性、通用性，整個焊接區有一個公用底板，底板上各方向均設有標準5t叉車搬運孔，易搬運;工裝夾具與安裝支座連接標準化，水、電、氣等采用標準快速連接，以適應柔性生產的要求。柔性控制。更換不同夾具時，只需要在觸摸屏上選擇相應的工件號即可。與夾具自動識別系統進行比較，如果相同，則自動調用焊接程序;如果選擇錯誤，則報警提示。

生產線的安全性設計主要體現在以下幾個方面：

采用封閉式機器人焊接防護欄;機器人程序啟動采用雙手按鈕;焊接房安裝有自動卷簾門，焊接時關閉，防止焊接弧光或飛濺對人員的傷害，在門的上下分別設有到位開關以檢測門的工作狀態（開/關）。同時，在門的開關兩個位置分別設有位置鎖（防止松動裝置及門的誤動作）;在自動卷簾門內地面300mm高度設有安全光幕，采用30度傾斜布置，光幕長度900mm。在自動工作狀態下，如有人進入焊接房或在夾具操作位置有人，機器人及變位機自動停止運轉。

5 項目完成后的技術、經濟指標對比分析

各種指標對比如表1所示。

6 改造設計后的先進性

使用機器人替代原有懸掛點焊，減少人員，提高效率，降低勞動強度。對低產能的車型零件場地進行拆除和優化整合，為公司新項目和潛在的項目進行布局優化，提高場地利用率。提高閑置設備的利用率，為部分新項目提供了焊接平臺，減少機器人投入。使用了快換機構，后續產能降低或新項目都可以改造進入此集群工作站。

7 應用實例

利用工廠內閑置的一臺機器人和其他產能較低工位懸掛點焊夾具進行改造，建成一個機器人集群工作站。工作站內由一個機器人使用兩把焊鉗以行走的方式焊接六套夾具，使點焊工作站更加柔性化，為以后產品換型、改造、混線生產創造了有利條件。

總之，隨著汽車工業日益發展，對焊接專業化和自動化程度以及新焊接工藝和技術不斷提出要求。必須進一步研究探索，在保證高質量、高效率和高可靠性的前提下，使焊接工作站用最少的投資生產出盡可能多的優質產品。

8 結語

通過對機器人周邊裝置及控制系統的柔性設計，點焊工作站的柔性特點會得到更充分地發揮，從而滿足日益加劇的多品種、小批量的生產要求，為企業參與激烈的市場競爭提供有利的加工手段。點焊工作站柔性化改造的設計及投入使用，極大提高了生產效率。與人工焊接比較，效率提高了3倍多，并且大大降低了工人的勞動強度。相比傳統焊接工作站投資方案，其可以減少50%以上的投資。汽車車身焊接工作站必須具有柔性，才能通過少量改造和投資，實現多品種零件混流生產。采用機器人可提高汽車焊接生產線的柔性，機器人是焊接生產線柔性化的關鍵。目前，在我國汽車產量和品種迅速增加的時候，在汽車工廠設計、技術改造中，應積極推廣柔性化點焊工作站在汽車焊接生產線中的應用，為汽車廠產品換型創造有利條件和可能性。

參考文獻

[1] 張建勛.現代焊接制造與管理[M].北京：機械工業出版社，2013.

[2] 杜杰偉，虞然，鄭衛剛.桁架結構焊接機器人工作站設計與研究[J].熱加工工藝，2014（15）：5-6.

[3] 郭洪紅.工業機器人技術[M].第2版.西安：西安電子科技大學出版社，2012.