工業機器人在汽車焊裝領域中的應用淺析

南博

摘要：基于我國工業機器人技術的不斷發展，工業機器人在汽車焊裝領域的應用越來越普及。通過運用工業機器人不僅有效提高了汽車焊裝工藝效率，而且還提高了焊裝生產質量，降低了故障率。工業機器人對汽車焊裝的自動化控制主要是通過PLC實現，因此本文以工業機器人在企業焊裝領域中應用的優勢作為切入點，設計汽車焊裝工業機器人，分析工業機器人在汽車焊裝領域的具體應用。

關鍵詞：工業機器人;汽車焊裝;PLC;應用

中圖分類號：TP242? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）08-0207-02

0? 引言

汽車焊裝是汽車制造的關鍵環節，做好焊裝工藝質量控制對汽車的整車質量起著決定性作用。隨著智能制造技術的不斷發展，工業機器人在現代制造行業中的應用越來越廣泛。傳統的人工焊裝的操作模式不僅存在故障率高、工作效率低下的問題，而且還制約我國汽車制造整體發展質量?；诠I機器人技術的汽車焊裝工藝成為現代汽車制造的重要組成部分，所以加強工業機器人在汽車焊接領域中的應用研究具有重要的現實意義。

1? 工業機器人在汽車焊裝領域應用的優勢

工業機器人主要是用于制造生產的機器人系統，其主要包括機械部分、傳感部分以及控制部分。汽車焊裝是汽車制造的關鍵工藝，實踐證明加強焊裝工藝質量對提高整車質量至關重要。因此基于工業機器人技術的發展，工業機器人在汽車焊裝領域具有巨大的應用優勢：首先工業機器人的應用有助于降低工作強度，降低焊裝故障率。傳統的焊裝工藝采取的是人工操作模式，需要工作人員按照汽車結構進行裝配與焊接。根據統計依賴于人工焊裝的模式，會增加汽車生產的周期。例如在汽車搭接前后底板的焊裝操作中，采取人工焊接的方式，需要消耗兩個工人資源，而且在有限的空間內容易限制焊接工的操作，影響焊接質量，容易造成虛焊、漏焊等故障。而工業機器人的應用則可以有效解決上述問題，通過利用工業機器人則可以準確的對焊接點進行定位，精準的對拼接位置進行焊接，規避了因空間狹小而造成的焊接質量不合格的問題;其次工業機器人的應用有助于提高焊接水平。工業機器人在汽車焊裝應用最大的亮點就是提高了汽車焊裝的水平，優化了汽車焊裝工藝。例如傳統的人工焊裝模式，由于在焊裝中受空間、專業技術等因素的限制，導致其焊接精準度無法精準控制，結果因焊點焊接順序不同造成汽車的偏差大小不同。而工業機器人的應用則可以對焊接點進行合理分配，按照工件焊接穩定為先，兼顧工位位置和生產節拍的原則，有效的保證了點位工位焊接工件的精度和剛度;最次工業機器人的應用實現了汽車焊裝的自動化，實現了對焊裝的全程可視化操作。利用工業機器人技術能夠對焊裝工藝進行自動化控制，通過機器人可視化系統實現對汽車整個生產流程的監控，這樣可以及時分析焊裝缺陷等，并且第一時間采取相應的解決措施。

2? 焊裝工業機器人的設計

工業機器人是實現汽車焊裝自動化生產的關鍵技術，焊接生產線主要包括在工位、右工位、執行機構以及焊接機器人控制系統等。其具體設計方案如下：

2.1 工業機器人整體需求

在汽車焊接制造中需要兩臺工業機器人之間相互配合，這樣可以在有效的空間內完成對汽車車身的自動焊接工作。以某汽車制造企業為例，該企業車身焊裝工藝采取兩臺工業機器人、四個焊接工作臺：第一個焊接臺是完成防撞桿的焊裝工藝、第二個焊接臺是對車身加強版的焊接工作、第三個則是對防撞桿和焊接鉸鏈部位進行加強版焊接、第四個平臺的主要作用就是對窗框進行焊接。

基于車身焊裝整體設計的要求，工業機器人控制系統需要具有以下功能：一是安全性。工業機器人在車身焊裝工藝中必須要具有足夠的安全性，保障各項操作系統在可控的前提下進行操作;二是穩定性。工業機器人在焊裝操作中必須要保證各項控制系統的穩定性，做好各個環節的銜接工作，防止因系統不穩定而造成工業機器人出現軌跡偏離而造成虛焊或者漏焊等問題;三是靈活性。由于本次設置兩臺工業機器人同步操作，因此需要設置靈活的操作系統，保證工業機器人相互配合。

2.2 焊接工業機器人硬件設計

焊接工業機器人在工作中必須要借助夾具等工具進行操作：

2.2.1 焊裝工裝夾具設計

基于汽車焊裝工藝的規范化、自動化以及集成化要求，焊裝夾具必須要滿足以下功能：一是夾具要能更準確定位裝配和具有一定的夾緊力。這樣可以在焊機作業中能保證車身在點焊移動時保持精準的定位，防止出現移位。二是要充分考慮工裝零件的時間和成本。三是結構簡單，滿足一定的時間壽命。在具體的設計上：①工裝夾具材料的選擇。按照相關行業標準，焊裝夾具要根據不同的功能選擇相應的材料，例如定位塊，由于其需要對車身進行定位，因此需要選擇高強度的材料，一般為42CrMo，因此此種材料具有韌性好、強度高以及無明顯回火脆性的特點，尤其是經過調質處理后其具有較高的疲勞極限。在調整墊片上選擇SPCC材料，在限位擋板上則要采取15rMn材料。②零件選型。驅動氣缸是工裝夾具的重要零部件，在整個工業機器人設計中發揮巨大作用，因此在具體的零部件選擇上需要本著經濟、質量等原則，充分考慮其工作狀態性能后選擇德國TUENKERS驅動氣缸。

2.2.2 傳感器設計

在汽車焊裝工藝中，工業機器人夾具動作的完成需要通過氣壓回路的氣缸實現。

一般工業機器人的每個氣缸中都會裝有電磁閥，這可以實現對氣缸的自動化控制。本文設計的焊裝工業機器人采取三位五通的電磁閥型號。為了便于對工業機器人控制，在焊接平臺中安裝相對應的氣缸，每個氣缸中安裝傳感器。由于本文選擇的是S7-200型號的PLC，因此在通訊系統設計上，夾具體識別信號和機器人的通訊接I/O輸出輸入點控制在200以內并且設置兩個型號為EM223和EM221的I/O擴張模塊。

2.2.3 伺服驅動系統

伺服驅動系統是工業機器人的核心，其主要完成對工業機器人的控制。本文設計的工業機器人伺服驅動系統主要采取的電動驅動系統，此種驅動系統不需要能量轉化，操作靈活，在工業機器人中的應用較為廣泛。伺服驅動系統采取閉環控制系統（見圖1）所示，采用位置環、速度環、電流環控制，這樣能夠有效提升PLC的控制精度，尤其是設計模糊PID控制，可以對電機的速度進行有效控制，達到控制工業機器人關節的目的，保證工業機器人在關節運動的時候可以更加精準的操作。

2.3 軟件設計

2.3.1 系統軟件的模塊化設計

其主要包括程序：①指令模塊。機器人應用程序由機器人為進行作業而由用戶記述的指令以及其它附帶信息構成。②程序解釋模塊。程序是控制機器人運動的核心，工業機器人設計需要設置解釋模塊。③狀態監控模塊。狀態監控將機器人控制裝置的輸入/輸出信號、報警、暫存器等的值作為條件，由控制裝置本身來對這些條件進行監視，在條件成立時，執行所指定的程序。具體見圖2所示。

2.3.2 離線編程系統

離線編程系統是控制工業機器人的重要系統，其可以實現對工業機器人的遠程控制。利用編程離線控制系統可以通過控制器完成對工業機器人運動軌跡的控制，并且及時根據工業機器人運動狀態發出停止或者開始指令。離線編程系統主要從仿真、軌跡規劃、自動編程模塊以及狀態檢測等方面入手。

3? 工業機器人在汽車焊裝領域的具體應用

工業機器人在汽車焊裝領域具有重要的應用價值。焊接變形是影響汽車焊接質量的重要因素，工業機器人技術則可以實現對焊接點位的精準控制。結合調查工業機器人在汽車焊裝領域中的應用比較廣泛。因此本文主要是從車身主拼工位點焊工藝進行分析。

3.1 電阻焊原理

汽車車身常用的焊接方法主要包括：點焊、電弧焊、MIG焊等。由于現代汽車的車身使用大量的高強度薄體鍍鋅、合金等鋼板，因此在焊接工藝上需要選擇雙面點焊的工藝方式。電阻焊的原理就是利用在通電過程中電阻產生的熱量融化金屬母材，以此達到焊接的工藝過程。由于焊點質量受諸多因素的影響，例如焊接電流、焊接壓力、焊接時間等等都會影響到點焊質量。因此需要合理確定點焊工藝的參數。

3.2 工業機器人焊裝的操作流程

工業機器人在焊接中的操作主要是采取氣動自動焊槍，根據汽車結構特點，自動焊槍的外形是以X型為主，在處理特殊位置的焊接時采取異形焊槍。焊槍電流采取無極均勻調節，這樣可以滿足在任何條件下可靠焊接并且達到火花飛濺最小的目的。為了降低焊接變形程度，在焊接時需要采取大電流和短時間焊接的方案。例如在使用C型焊槍時，工業機器人首先按照預定的程度進入焊接工位（焊裝工業機器人上下電極帽距離工位的位置要大于3mm），這樣可以為車身焊接中出現的變形等預留空間。當自動輸出裝置將車身傳出到焊裝預定平臺后，焊裝工業機器人啟動焊接伺服系統，并且通過機械裝置將驅動工業機器人動臂使電極擠壓工件至焊接電流通過，同時機器人補償靜臂運動距離使靜電極帽擠壓工件，焊接回路接通。在車身鋼板受力發生變形后，工業機器人焊接電流就會瞬間增加將板材發熱熔化。當然在焊接的過程中PLC通過焊接壓力以及焊接脈沖時間的控制達到焊點大小控制的效果。根據調查工業機器人焊接時間要持續在0.35-0.8s之間，這樣可以有效防止焊接中出現飛濺現象。工業機器人完成上述操作后，控制器就會迅速降低焊接電流，將焊接壓力維持在固定的點位，直到焊核冷卻發生固結。在車身焊接完成后，工業機器人動臂和靜臂同步復位，電極桿釋放工件，工業機器人復位進入下一個焊接點位。

通過試驗檢驗，基于焊裝的工業機器人不僅能夠快速的完成焊裝工作，而且其在整個焊接作業中沒有與設備、夾具等發生碰撞，高效率的完成了汽車焊接作業。

參考文獻：

[1]邱磁貝.淺談工業機器人技術在自動化控制領域的實踐[J].中小企業管理與科技（下旬刊），2020（12）：186-187.

[2]陳怡竹.工業機器人在汽車智能制造生產線中的應用[J].內燃機與配件，2019（21）：89-90.

[3]姜世超，王鳳領.刮板輸送機中部槽機器人焊接方案與應用[J].內燃機與配件，2021（01）：215-217.

[4]白海龍.關于工業機器人在汽車焊裝領域中的應用淺析[J].中國設備工程，2020（21）：37-38.