商用車國六后處理器機器人焊接生產線特點研究

摘要：隨著汽車尾氣排放造成的大氣污染越來越嚴重，國家推出了燃油車國六排放新標準。國六排放標準在尾氣凈化指標上較國五排放標準提高許多，因此國六后處理器產品的結構特點、機器人焊接生產線與國五相比很大的不同。與國五生產線相比也存在很大區別。主要闡述了商用車國六后處理器的產品特點、機器人焊接生產線組成、機器人焊接工作站的選型和特點、物流搬運設備的種類和特點、焊接檢測設備的種類和特點，以期為商用車國六后處理器機器人焊接生產線規劃提供一定的參考。

關鍵詞：商用車國六后處理器;機器人焊接工作站;物流搬運;焊接檢測

中圖分類號：TP249文獻標志碼：A文章編號：1001-2303（2020）03-0041-08

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.03.08

0 前言

目前，我國的空氣質量急待進一步改善，提高商用車尾氣排放標準對于減少尾氣排放對環境的污染具有重要意義。我國新推出的國六后處理器排放標準不僅參考了歐六排放標準，還借鑒了美國排放標準的部分經驗，與國五排放標準相比，在整體上嚴格50%以上[1]。因此，國內主要的商用車排氣制造廠商都在積極布局商用車國六機器人自動化生產線。國六后處理器產品結構形式與國五相比變化很大，所以國六機器人自動化生產線的布局、物流搬運和焊接檢測等方面呈現出新的特點和趨勢。

1 商用車國六后處理器產品特點

商用車（Commercial Vehicle）指在設計和技術特征上是用于運送人員和貨物的汽車，包含所有載貨汽車和9座以上客車，共五類：客車、貨車、半掛牽引車、客車非完整車輛和貨車非完整車輛。

商用車占我國機動車保有量不足10%，但是其排放的氮氧化物接近汽車排放總量的70%，顆粒物超過90%，是我國機動車污染防治的重中之重。2018年6月28日，國家發布了有關“國六”發動機的政策性文件，生態環境部發布“關于發布國家污染物排放標準《重型柴油車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》的公告”。自2019年7月1日起，所有燃氣汽車應符合本標準要求;自2020年7月1日起，所有城市車輛應符合本標準要求;自2021年7月1日起，所有重型柴油車應符合本標準要求。

與國五排放標準相比，國六排放標準發布人排放限值加嚴了許多，其推出將有助于縮小我國與發達國家在機動車污染控制方面的差距，進一步改善空氣質量、保護公眾健康。國六排放標準PN限值對比如圖1所示。

商用車國六排放處理系統主要由DOC、DPF、SCR三部分組成。

DOC是柴油機氧化催化器（Diesel oxidation ca-talyst）的縮寫，一般以金屬或陶瓷作為催化劑載體，涂層中主要活性成分是鉑系、鈀系等貴重金屬與稀有金屬。當柴油機的尾氣通過催化劑時，HC（碳氫化合物化）、CO（一氧化碳）等在較低溫度下可以很快與尾氣中的氧氣進行化學反應，生成無污染的H2O和CO2，達到凈化尾氣中HC、CO的目的。

DPF是柴油顆粒過濾器（Diesel Particulate Fil-ter）的縮寫，安裝在排氣系統中，通過DPF過濾捕捉尾氣中的PM（顆粒物），可以減少尾氣中的PM（顆粒物），通常過濾效果能達到70%～90%，卡車尾氣中的黑煙就是[PM2]。

SCR是選擇性催化還原器（Selective Catalytic Re-duction）的縮寫，主要去除尾氣中NOx（氮氧化物）。利用尿素為還原劑，在選擇性催化劑的還原作用下將尾氣中的NOx（氮氧化物）還原成氮氣與水[3]。

商用車國六后處理系統主要分為以下幾種形式：針對輕型商用車的單筒式后處理系統，如圖2所示;針對中型商用車的U型后處理系統，如圖3所示;針對重型商用車的箱式后處理系統，如圖4所示。

2 商用車國六后處理機器人焊接生產線組成

商用車國六后處理機器人焊接生產線主要由機器人焊接工作站、物流搬運設備、氣密檢測設備、焊接檢測系統等組成。相較國五排放處理系統，國六排放處理系統工藝變化較大，涉及到增加設備較多：（1）焊縫長度、焊接工序增加，焊接工藝復雜;（2）增加裝配工序，裝配工藝復雜;（3）由于產品質量增加，變位機、夾具負載要求增加，需增加自動搬運機器人、輔助吊具等;（4）部分廠家要求增加焊縫檢測設備，便于自動識別焊縫外觀質量;（5）物料自動化程度提升，部分客戶要求增加AGV上料系統，減少人工勞動強度;（6）線體集成的難度增加，同時考慮MES追蹤防錯系統、測漏補焊返修、集中除塵設備、自動化物流、激光打標及尺寸抽檢等。

在此主要介紹商用車國六后處理器機器人焊接工作站的選型和特點、物流搬運設備的種類和特點、焊接檢測設備的種類和特點。

3 商用車架國六后處理器機器人焊接工作站的選型和特點

商用車國六后處理器機器人焊接工作站包括：機器人系統（機器人本體、機器人控制柜、示教盒）、焊槍防碰撞傳感器、焊接電源系統（焊機、通訊基板或通訊接口板、送絲機、焊槍、焊槍電纜組件、冷卻水箱及附件）、清槍剪絲機構、中央連接盤（含氣體三聯件、保護氣流量傳感器、保護氣流量調節器、壓縮空氣流量傳感器及端子臺等）、變位機、焊接夾具、PLC控制系統（PLC控制柜、HMI觸摸屏、中繼盒、主操作盤等）、安全系統（安全圍欄、卷簾門、安全光柵、安全鎖、三色燈等）、機器人底座、氣管、接頭及管線槽、耗材等。

由于商用車國六排氣產品大多采用不銹鋼材質，其板薄，焊接量大，有氣密性要求，且外觀件不能有飛濺，所以大多廠家在選擇焊機時優先考慮采用CMT焊機。

冷金屬過渡焊（簡稱CMT）技術是Fronius公司推出一種特殊的熔化極氣體保護焊技術。CMT焊接焊絲端頭以70 Hz高頻往復移動，電弧點燃后熔滴生成、長大，同時焊絲前送，逐漸降低焊接電流。某一瞬間，熔滴接觸熔池產生短路，電弧熄滅，同時送絲機迅速抽絲，迫使熔滴從焊絲端頭脫落。熔滴在無電流狀態下進行過渡，熔滴脫落后，再次提高焊接電流，重新生成電弧，并將焊絲前送，開始新一輪CMT焊接過程。由于CMT焊接熔滴在極低電流狀態下短路過渡，使得焊接熱輸入量小、焊接變形小、無焊接飛濺、弧長控制精確、焊縫成形好。可實現不同厚度、不同材料的焊接[4]。CMT焊接熔滴脫落原理如圖5所示。

商用車國六排氣機器人弧焊工作站的布局形式主要有：三軸水平回轉機器人弧焊站、三軸垂直翻轉機器人弧焊站以及雙工位TL站，系統布置如圖6～圖8所示。

三軸水平回轉機器人弧焊站工作站占地面積較大，兩工位裝件在同一位置，減少操作工的走動時間，單邊供料，兩工位間采用變位機轉換，生產效率較高。另外，對于工件回轉半徑大，夾具梁在3 m以上的常采用機器人倒吊安裝，以減小工作站占地面積。

三軸垂直翻轉機器人弧焊站占地面積小于三軸水平回轉站，工位間翻轉占用的是高度方向，因此工作站較高，機器人焊接工位較高。其他特點基本與三軸水平回轉站相同[5]。

雙工位TL機器人弧焊站主要用于U型后處理器、方型后處理器總成焊接，通過可雙方向變位的TL形式變位機來達到更佳的焊接姿態。

4 商用車國六后處理器物流搬運設備的種類和特點

因商用車國六后處理器產品內部含封裝載體，產品大多較重，需要物料搬運設備。其搬運方案主要有：硬臂式的吊取方案、軟索式的吊取方案及機器人搬運方案。

硬臂式吊取方案采用壓縮空氣為動力源，要求氣源空氣壓力不小于0.5 MPa。吊具主體采用框架式鋼結構，如圖9所示。垂直升降主機采用內壁是蜂窩狀結構的抗扭氣缸，維護與普通氣缸相同，與抓具連接處采用抗扭法蘭，因此比外置氣缸更加耐用;系統有負載指示裝置，可以顯示夾具負載狀態;有誤操作保護裝置，只有工件被有效支撐或工件降低到最低位置，才能釋放工件，氣源有供氣兩聯件;采用浮動或UP/DOWN控制方式控制夾具的上升和下降。硬臂式吊具主要特點是工件在取件、移動和放件過程中處于懸浮狀態，停止時無晃動，使用較為安全可靠。

軟索式的吊取方案（見圖10）按動力源可分為氣動和電動，二者主要區別在于采用氣動葫蘆或者電動葫蘆作為系統主機，上升、下降動作由按鈕控制。氣動平衡吊具有浮動特點，使得提升、移動、放件操作過程無阻力，定位準確等。電動葫蘆采用雙速起升馬達，帶緊急制動裝置，摩擦轉矩離合器，上下提升限位開關等。采用模塊化設計，安全可靠，安裝方便。軟索式吊具具有成本低、實用性強、易操作等特點。

搬運機器人是焊接自動線上下料最常用的方式如圖11所示。它具有無需人工參與、操作效率高、柔性化程度高等特點。因搬運機器人成本較高，為提高搬運機器人的使用率，常常與外部軸驅動的行走機構配合使用，提高搬運機器人的工作范圍，實現多工位自動上下料[6]。

6 商用車就國六后處理器焊接檢測設備的種類和特點

商用車國六后處理器焊接檢測主要分為氣密性檢測和焊縫檢測。

氣密性檢測主要是向密封膠體內部充入設定壓力的壓縮空氣，通過測量工件內部壓力或流量變化來檢測出是否存在泄漏。氣密性檢測設備主要由氣密檢測儀、PLC控制系統、供氣系統、工件定位壓緊機構、工件氣密封堵機構組成。

目前排氣檢測最常用的氣密性測試方法有直壓法、差壓法、流量法、質量流量法。

（1）直壓法是通過調壓閥直接往產品內充一定壓力的壓縮氣體，穩壓后，壓力傳感器檢測一段時間內壓力下降或者泄漏量。由于傳感器量程較大，導致測試精度較低，測試需要累積時間而較慢，主要使用于一些對密封要求不高的產品的測試。

（2）差壓法也叫比較法，需要一個標準無泄漏的產品（或者工件內部容積與檢測產品容積相差不大的密封罐體）。在密閉的待測品內通入一定壓力的氣體，同時在一個標準品內通入同樣壓力的氣體，靜止一段時間，觀察標準罐體內的壓力與工件內的壓力差，從而判定產品是否泄漏。差壓法精度高，測試速度快，及時歸零不漂移。

（3）流量法的原理是通過安裝在層流管兩端的流量傳感器來測量層流管中的流量。在測量范圍內，流體通過層流管時產生層流，由此產生的壓降與流量成正比。首先需要保證進氣源的壓力超過產品的測試壓力;然后調壓閥自動調壓，調節的壓力為在參數中設置好的測試壓力，氣體通過流量傳感器流通到測試產品中;直壓傳感器連接測試產品的一段進行壓力測試，驗證測試產品內部的壓力是否達到要求，并且實時反饋給調壓閥，使其不斷調壓。氣體流過流量傳感器的數率就是該產品在當時壓力情況下的流量。

（4）質量流量法需要一個對比容腔，同時往產品端和對比容腔端充氣，穩壓后停止充氣。若產品端有泄漏，容腔內的氣會往產品端流動，此時可用質量流量計測試泄漏率，后通過公式計算出整個系統的泄漏量。該方法可測試較大產品、體積小泄漏。

為提高產品的氣密檢測效率，常選用自動氣密檢測設備，即工件定位、夾緊和產品的氣密封堵均采用氣缸自動定位、夾緊、自動封堵。

焊縫自動檢測系統由機器人攜帶3D激光傳感器掃描焊縫，并通過與標準焊縫的對比找出焊接缺陷。主要用于焊后零件焊縫長度、焊縫寬度、焊縫厚度、橫截面積/體積、焊縫位置、焊腳不對稱、焊縫余高、焊縫邊距、焊瘤長度等的在線檢測。可檢測漏焊、缺焊、氣孔、孔洞、未焊滿、咬邊、焊渣、焊穿、弧坑、凹陷等典型缺陷。

焊縫檢測系統可根據焊縫質量標準，隨時對所有生產部件進行100%檢測，從而顯著提高產品質量。焊縫檢測系統可減少零件浪費并可配合系統進行返工，同時提供綜合評估作為進程優化和降低成本的基礎。所有檢測結果會生成文檔并可用于統計評估，并便于根據定義的質量標準進行隨后的追溯。

7 結論

商用車國六排氣集成后處理系統可有效降低碳排放，防止大氣污染，降低空氣污染物，便于人們出行，減少汽車尾氣對人體的危害。

隨著國六后處理器排放標準的推出，商用車后處理系統升級必定是大勢所趨。如何根據國六后處理器的自身產品特點規劃一條符合企業自身特點的國六后處理器機器人焊接生產線主要應該從產品的產量、節拍、占地面積及投資規模等幾個方面進行綜合考慮。

本文旨在介紹一些商用車國六后處理器的產品特點，商用車國六后處理器機器人焊接生產線基本配置、方案特點及物流和檢測設備方案和特點，以期為商用車國六后處理器機器人焊接生產線規劃提供一些參考。

參考文獻：

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[6] 葉坤. 機器人自動化弧焊生產線[J]. 電焊機，2017，47（8）：30-37.