車架焊裝線弧焊機器人升級改造實例解析

張 丁

（重慶長安跨越車輛有限公司，重慶 404000）

前言

某公司承載式小卡頭一年作為新品投放市場后，用戶反饋對外觀和性能比較滿意，但對焊縫質量則頗有微詞。隨著市場銷量不斷增長，單班制生產已經不能滿足市場需求，需要白夜2班制生產。而近年來勞動力成本又不斷攀升，管理難度也越來越大。并且車身焊裝線上車架CO2氣體保護焊工序是瓶頸，小時產能僅為17JPH，而其他工序可達到20JPH以上。為此公司高層決定車身焊裝線上的車架CO2氣體保護焊工序由人工施焊升級改造為弧焊機器人自動焊接[1]，以提升焊接質量、效率，降低制造成本。

1 車架焊裝線弧焊機器人升級改造方案

1.1 小卡車架外形結構簡介

小卡車架外形如圖1所示。兩側是起主承載作用的左右縱梁，之間以7根圓管為本體的橫梁連接貫通，縱、橫梁上分布有一些起懸置、加強、支架等作用的小型沖壓零件。

圖1 車架外形

左右縱梁橫斷面呈倒“幾”字形，各由四段材質為ST12的沖壓件焊合而成。縱梁側壁開有安裝7根圓管橫梁的對穿孔，各孔直徑比對應的橫梁外徑大2～3 mm，以便于在縱、橫梁組合成車架的工序人工裝件比較輕松容易。車架上7根圓管橫梁材質為Q235，外徑從φ42～50 mm不等。縱梁與圓管橫梁間外側相貫線以CO2氣體保護焊連接，共28處。縱、橫梁上的小型沖壓零件少數直接以電阻焊打點連接，而大多數需要電阻或弧焊點焊定位后再用CO2保護焊焊縫來加強。

1.2 升級改造前車架焊裝工藝

車架焊裝線弧焊機器人升級改造前工藝流程圖如圖2所示。左右縱梁經過5道工序至LF050/055完成焊裝，LF050/055工序是對生根在縱梁上的各鈑金零件用CO2氣體保護焊進行補焊加強。接下來采用手工CO2氣體保護焊，在UB010工序將左右縱梁與7根圓管橫梁點焊組裝成車架，在UB020工序完成車架上半部分縱、橫梁間相貫線焊縫，在UB030工序車架定位夾緊后夾具翻轉180°完成下半部分縱、橫梁間相貫線焊縫。也就是說虛線框范圍內的4道工序屬于CO2氣體保護焊工序。而后車架在UB040工序翻轉夾具上打凸焊螺釘，至此車架完工，然后轉入UB050進行車身后續焊裝生產。

圖2 升級改造前工藝流程圖

工序間工件傳送方式：前6序間（至UB010）由操作者人工抬送；后5序間（UB010至UB050）采用電動葫蘆配簡易吊架手動操作進行吊運；從UB050序開始，采用往復式滾床自動輸送線進行工件傳遞。

工件定位夾緊方式：以“一面兩銷”6點定位為主，輔以在零件剛度差、沖壓件回彈量大、容易產生焊接變形等部位加設輔助定位裝置的方式。以縱梁翻邊作為基準“一面”來定位，限制Z向移動和繞X、Y軸轉動3個自由度；以縱梁底部2個主定位銷孔定位，限制X、Y向移動和繞Z軸轉動3個自由度[2]。

各工序操作者數：圖2中各工序左邊的“○”的個數表示該工序配置的操作者數量，可見弧焊區域配置有17名焊工。若雙班生產則需要34名焊工。

生產小時產能：2道弧焊工序（UB020/UB030）只17JPH，形成瓶頸，其余工序能達到20JPH以上。曾經測算后嘗試在這2道弧焊工序的夾具兩側各增加1名（共4名）操作者來消除產能瓶頸，但因操作空間狹小相互干擾而欲速不達。

1.3 焊裝線弧焊機器人升級改造考慮的因素

1.3.1 場地

不能超出現有焊裝線弧焊區域以免引起其他工序次生改造而增加投資。

1.3.2 產能

瓶頸工序小時產能由17JPH提升到20JPH以上。CO2氣體保護焊速度人工按5 mm/s，機器人按10 mm/s對比計算、策劃。

1.3.3 環境

改造后現場空氣質量必須達到國家標準GB16297—1996《大氣污染物綜合排放標準》要求。收集弧焊煙塵，經環保處理達標后用管道排放到車間外[3]。

1.3.4 安全

不能人、機混雜使用同一機臺，防止機器傷人事故，需符合國標GBZ2—2002《工作場所有害因素職業接觸界限》，弧焊機器人自動焊接工位應做物理隔離。

1.4 弧焊機器人升級改造方案確定

經過反復權衡后敲定弧焊機器人升級改造方案：取消縱梁第5工序LF050/055，將其弧焊工作量并入UB020、UB030工序。采用8臺弧焊機器人，在UB020和UB030工序各布置4臺，完成車架上所有CO2氣體保護焊工作量，并且在此二工序區域設置裝有排煙除塵設備的隔離房。在UB010到UB050五道工序間設置4臺Pickup吊具自動吊送車架。在夾具方面，UB010工序和UB040、UB050工序夾具做定位或自動吊送適應性改造，UB020和UB030兩工序則采用全新設計的適應弧焊機器人作業的旋轉變位夾具。

2 車架弧焊機器人升級改造方案實施

2.1 弧焊機器人升級改造裝備配置

上述方案經過招投標委托乙方設計、制作、安裝、調試和使用培訓，按甲乙雙方簽訂的技術協議和商務合同執行。乙方供貨范圍及其配置見表1，表中對部分設備、部件、工裝、非標件等貨物指定了品牌要求。

表1 乙方供貨范圍及配置

2.2 主要裝備實物空間布置

弧焊機器人作業區由UB020和UB030兩工位構成，每工位各配1臺旋轉變位夾具，4臺弧焊機器人和4臺清槍剪絲機。如圖3工位布置圖所示，1臺旋轉變位夾具兩側各布置2臺機器人，每臺機器人旁配1臺清槍剪絲機。夾具上方是Pickup自動吊具。

圖3 工位布置圖

弧焊隔離工房采用型材骨架與薄鋼板組合結構，把弧焊機器人作業區罩住，前后端墻壁開有進出工件的門洞并配備電控門，兩邊靠墻放置CO2氣瓶，房頂置排煙除塵裝置，如圖4工房布置圖所示。

圖4 工房布置圖

工房兩側外墻邊靠墻布置穩壓器、機器人控制柜、焊機、焊絲桶等，如圖5焊接裝備布置圖所示。

圖5 焊接裝備布置圖

2.3 弧焊機器人示教編程

某公司承載式小卡平臺按車架總長、軸距和動力配置不同共有20余個品種，按管橫梁分布位置暫時分為8種獨立狀態車架。對每種獨立狀態車架，乙方在示教編程的同時，帶著甲方學員觀摩學習，形成8套獨立程序儲存于機器人控制系統，可以隨時調用。車架設變或新增品種時，可復制其中一套程序進行剪輯、增刪，形成新的程序。顯出機器人弧焊柔性優勢。

3 調試過程中遇到的主要問題及解決辦法

3.1 旋轉變位夾具工作角度

機器人弧焊工位UB020/UB030的旋轉變位夾具在技術設計階段確定的工作循環是：

0°原位，工件車架裝夾——轉到90°位，左縱梁外側和右縱梁內側焊縫各由2臺機器人施焊——轉到180°位，車架底面上的焊縫由4臺機器人同時施焊——轉到270°位，右縱梁外側和左縱梁內側焊縫各由2臺機器人施焊——反向轉270°回歸原位。

這樣的優點在于，一個水平裝件位置，便于Pickup吊送工件，三個施焊位置都是平焊，設計中規中矩。但是實際運轉出現兩大問題，一是由于橫梁管徑與縱梁孔徑配合間隙大，熔池鐵水從縫隙下漏不能有效形成焊縫。但在此需要說明的是縱梁上的支架等搭接方式的焊縫質量卻是非常漂亮。二是夾具轉動的啟停4次之多，轉過的總角度540°之大，致空行程時間損失太長。

上述問題解決辦法是修改程序，旋轉變位夾具只設兩個施焊位置，工作循環變為：

0°原位，工件車架裝夾，采用立焊方式，管橫梁與縱梁的相貫線焊縫上方180°半圈、部分支架等與縱梁的搭接類側面焊縫，由4臺機器人同時施焊——轉到180°位，管橫梁與縱梁的相貫線焊縫另外180°半圈、部分支架等與縱梁的搭接類側面焊縫和底面焊縫，由4臺機器人同時施焊——反向轉180°回歸原位

這樣夾具轉動僅啟停2次，減少了2次，轉過的總角度縮短為360°，減少了1/3，從而一并解決了前述兩大問題。這里說明一下，為便于焊槍位姿調整[4]，半圈相貫線的180°焊縫需要分成前后各90°按寫“八”字的順序分步施焊，而不是焊槍從頭到尾一拉半圈。

3.2 弧焊工位工件定位基準變換

在UB010縱橫梁組裝工位，左右縱梁被夾具“一面兩銷”六點定位，圓管橫梁被左右縱梁孔公共軸線以“長軸”限制4個自由度被動定位而形成車架。新造的UB020、UB030工位2臺旋轉變位夾具也沿用了以縱梁上統一的定位基準進行“一面兩銷”六點定位。調試時發現圓管橫梁時有焊穿現象，產生嚴重質量缺陷，如圖6橢圓圈內所示。

圖6 管梁焊穿

焊穿原因是單根縱梁由4段組成，總長5 m左右，橫向剛度差，存在著較大的焊接變形，在UB010定位夾緊時存在著較大的彈性變形，當縱、橫梁點焊成車架后松開夾具，部分變形恢復而使管梁位置產生較大波動。而在UB020和UB030工位機器人弧焊示教軌跡再現時固定不變，導致焊槍與管梁距離變化大，太近時焊接能量過大而割裂管梁。

上述問題解決方法是，在UB010車架組裝工位，變換工件定位方式，在夾具上以V形塊定位將7根管梁的空間位置夾持固定下來，左右縱梁定位取消“一面”而只保持“兩銷”以適應管梁位置，將原縱梁前后分布的8個夾緊點取消5個，僅保留位于被選為后續定位基準的第三、第七管梁附近的2個夾緊點作輔助夾緊點，以盡可能減小縱梁夾緊變形。在UB020和UB030的2個機器人弧焊工位旋轉變位夾具定位夾緊方式也作對應改造，以車架第三、第七2根管梁為主基準用V形塊定位夾緊，縱、橫向以縱梁銷孔定位。這樣定位夾緊理論上看似涉嫌過定位，但實際上的確解決了管梁焊穿問題。

3.3 縱梁回彈控制

縱梁截面呈倒“幾”開口形狀，成型后回彈不可避免，并且原材料廠家不同、生產批次不同，即使同模具壓制其回彈量都有差別。原UB010工位夾具，沒設計縱梁回彈約束元件，定位夾緊時，縱梁側壁在管梁軸向位置變差大，當其離弧焊機器人示教軌跡偏遠時，會出現圖7所示的焊偏；偏近時，會出現圖8所示的縱梁側壁焊穿。產生嚴重質量問題。

圖7 焊偏

圖8 縱梁焊穿

解決辦法是：在UB010夾具上每根橫梁裝配孔前后附近，增加縱梁截面左右壁限位夾持裝置，并在縱梁兩壁內用點焊固定于管梁上。如圖9所示是某根管梁與右縱梁配合處縱梁回彈約束設置狀況。

圖9 縱梁回彈約束

3.4 機器人弧焊工藝參數選擇

兼顧焊接質量和效率，經過正交試驗，機器人弧焊選定了表2所示的最佳工作參數。人工二保焊速度一般5 mm/s左右，機器人實際弧焊速度是人工的3倍左右。

表2 弧焊機器人工作參數表

3.5 弧焊機器人工位工序節拍

弧焊機器人升級改造裝備安裝初調后首次自動試焊，UB020、UB030工位及Pickup一個工作循環耗時6'32''，超過要求的小于3'0''一倍以上。通過程序修改，合理平衡8臺機器人工作量、減少各運動機構空行程、合理選擇焊接參數、優化焊縫布置等辦法和手段進行調整，最后正式投用時，一個工作循環耗時僅2'40''，小時產能超過20JPH。

3.6 縱梁與管橫梁的配合間隙問題

為了縱梁與圓管橫梁在組合成車架時操作容易，產品數模把縱梁孔徑設計成比管梁外徑大2～3 mm，比弧焊機器人適合的1 mm大，使其相貫線焊縫合格率只能達到95%左右，尚有5%左右會出現縱梁焊穿的不合格。

解決途徑有三條：一是設計變更，以犧牲工序節拍為代價；二是弧焊機器人做技術改造，配置視覺跟蹤系統進行智能弧焊，以投資和維護為代價；三是在機器人弧焊后的UB040工位增加2名焊縫檢驗補焊工，對不合格進行彌補，以增加人力成本為代價。該實例暫試行第三條途徑。

4 結束語

弧焊機器人生產效率高，焊接速度是手工CO2氣體保護焊的2～3倍。

弧焊機器人焊縫質量直線優于曲線，搭接優于對接。焊縫表面光滑美觀，焊縫寬度、余高變差小，焊接強度得到較大提高。

小卡車架縱梁和橫梁相貫線采用弧焊機器人焊接，如果配合間隙太大容易出現焊偏和焊穿質量缺陷。所以在不考慮增加智能跟蹤系統時，應設立焊縫檢查和補焊工位，以便在發現有焊偏、焊穿時補焊。

小卡車架焊裝線弧焊機器人升級改造后，單班按20JPH生產前提下，在扣減增加的2名檢補工之后，還替代了14名操作工人，雙班生產則可替代28名操作者，大大節省人力資源費用從而降低制造成本。在目前我國人口老齡化嚴重、勞動力成本不斷上升的年代，弧焊機器人的推廣應用已成必然趨勢。