機器人柔性焊接生產線的應用

覃永

摘 要：本文以汽車下車體總成自動化焊接生產為例，闡述了車身焊接自動化線的形成原因，以及柔性焊接生產線的應用場合。從柔性焊接生產線的設計內容出發，分別從柔性焊接夾具的技術要求、抓手設計以及機器人布置規則等方面論述。通過對下車體柔性焊接生產線的分析，對其設計要點進行研究，為自動化生產中工業機器人的使用奠定基礎。

關鍵詞：柔性生產線 焊接工裝 機器人

1 引言

隨著工業技術的進步，汽車制造的自動化已不可逆轉，尤其是在焊接方面，由于焊接質量可靠、工作效率高、重復率高的特點得到各大制造廠商的認可，應用已經非常普遍[1]。邱瑋杰[2]設計了汽車零部件點焊機器人工作站。張英華[3]以汽車地板前側板構件總成為例，介紹了焊接機器人工作站的設計。傳統的大量重復生產的生產線已經制約著汽車廠的更新速度，在這種情況下，規劃出一條既能提供焊接效率，同時又能加速迭代，保證焊接質量的機器人作業路線就顯得十分重要[4]。李占營[5]闡述了柔性焊裝線的特點和設計規劃需要考慮的因素，詳細介紹了目前集中不同的車身總拼夾具形式、特點及應用。羅琪等[6]闡述了原有的柔性線生產過程中節約維護成本，提高生產效率。汽車車身焊接車間，是整車框架完成的地點，其零部件多為超大、長、重的物件，這些物件的搬運與轉移工作是一項很繁重的任務，工業機器人取代人工進行物料的上件及轉移，不僅降低了工人的勞動強度，也提高了生產線的效率[7]。

2 車身柔性焊接工裝設計原因

隨著工業4.0的到來，車企的生產線發生變化：手工焊裝線向機器人自動生產線的轉變進而要求柔性生產。

傳統的手工焊裝線分布在低節拍的生產線和分拼工位上。主要由鋼結構、水電氣、焊機、焊鉗、夾具、涂膠系統、螺柱焊系統、工位間轉運及輔助踏臺等組成。每個工位都需要定位單元，數量龐大。并且隨著車型增多，夾具數量巨大，需要有存放場地及倉庫，如圖1所示。自動化線采用機器人，伺服焊鉗，定位工裝，輸送設備，自動控制等設備組成。具有節拍高，焊接效率高等優點，如圖2所示為自動化焊接車間。

3 柔性焊接生產線應用場合

實現不同車型的混流生產，減少設備投資，減少生產準備階段，車身精度改善。概念性設備：采用具有高可靠性的自動化生產線，關鍵工位要用有品質保證的設備?？紤]應付車型變更和車型追加設備的柔性化?？紤]對重的部件和復雜工作的傳輸方法。對易引起偏差的部件考慮設備的穩定性。通過采用新技術，設計制造標準化設備維護性，品質改善，部件精度和生產率等問題。

該工位需要實現功能：（1）三個零件的物料從供應商送達現場后，放置在對中臺上，機器人從對中臺取件，放置到工位定位焊接拼臺。三個零件為車架在主要組成部件，分別為前車體（也稱前車架）、前地板（也稱中部地板）、后部下車體（也稱后車架）;（2）拼臺定位夾具對三個零件進行定位、夾緊;（3）機器人攜帶焊鉗對零件搭接處進行焊接;（4）機器人攜帶抓手對焊接后的車架總成進行搬運轉移;（5）該工位要可柔性，實現多個車型的車架定位、焊接、搬運，同平臺車型不需要切換定位夾具、焊鉗、抓手等;（6）預留抓件、夾具切換功能，后續新車型因差異過大導致夾具、抓手不能兼容時，可進行快速切換。

4 柔性焊接工裝設計內容

柔性車身合拼焊接工位包含內容：焊裝夾具，輸送裝置（抓手），焊接設備（伺服焊鉗），修模裝置，控制設備，機器人，切換裝置，水電氣供給系統，物流料箱、料架等等。

4.1 柔性夾具結構

柔性夾具結構大致與簡易夾具結構相同，主要結構包括定位夾緊機構（如連接塊，銷座，定位銷，壓塊）、支座、限位塊等功能件。如圖3所示為柔性夾具的結構示意圖。

柔性夾具不僅要滿足普通夾具的保證車身精度，減少裝夾誤差的要求，還能滿足不同零件的重復裝夾，達到減少項目投資成本，縮短項目周期的目的。

4.2 焊接機器人工位布置

根據經驗機器人工位布置遵循以下幾條：（1）根據機器人6關節活動范圍及可達性，若機器人相互工作區域沒有共同區域，即工作期間不到達共同的空間，則以機器人活動可達范圍區分，將另外的機器人布置在可達范圍以外;（2）若機器人之間有交互區域，機器人相互間的距離不得小于1500mm，此時需要對機器人設置干涉區;（3）若機器人工位與人工工位相鄰，則必須有安全隔離護欄，以提高安全性，機器人與圍欄的距離在機器人工作軌跡最接近圍欄的地方不得小于200mm。（4）機器人的站位不宜過高，根據車身廠房評估，不能與廠房上方設備干涉，且要人員可達便于維護;（5）控制柜要就近布置在機器人附近的圍欄外，便于機器人調試方便及減少機器人的通訊線長度。

4.3 定位銷設計

高精度薄板零件焊接前，需要對其進行裝夾定位，定位銷是其中一種定位元件。定位銷一般位于鈑金件定位孔內，要求耐磨。它屬于高精度零件，通常使用定位銷尺寸有8＼10＼13＼16＼18＼20＼25。設計定位時，根據零件定位孔的大小，從推薦的標準里選取即可。下車體安裝定位銷的位置，通常選擇如圖4定位點區域。車身合拼工位是主要定位拼臺，是完成整個車架定位的關鍵基礎，其中主定位孔位于前后大梁上，零件（前地板）定位選取在零件與前后車架搭接處。

5 結語

汽車自動化焊裝生產線是在當今汽車智能制造發展的強勁需求下形成的，而高節拍柔性化生產線是當前自動化生產線的主流趨勢。高節拍柔性化生產線最顯著的優勢就是適應多種汽車車型、靈活度高、占地面積集中，能大大提高焊裝生產線工藝流程的節拍速度，降低人力資本的投入，更適應了當今汽車市場車型更新換代迅速的客觀需求。本文通過對汽車焊接柔性生產線的設計，從柔性焊接生產線的設計內容出發，分別從柔性焊接夾具的技術要求、抓手設計以及機器人布置規則等方面論述。通過對下車體柔性焊接生產線的分析，對其設計要點進行研究，為自動化生產中工業機器人的使用奠定基礎。

6 展望

多品種、小批量是現階段汽車樣車開發的顯著特點。本文所開發的夾具結構，具備成本低、設計制造周期短、輕量化等特點，很好地實現了樣車車身的低成本、柔性化制造。但是柔性工作站的夾具目前只是同平臺的車型進行生產，不同平臺功能做了預留，能否很好的實現多平臺的車型柔性生產，還有待驗證。

參考文獻：

[1]單利華，劉曉晨，王玉光.汽車行業數字化車間技術探索[J].汽車實用技術，2017（10）：117-119.

[2]漆俊杰.轎車白車身焊裝生產線的工藝規劃與布局設計[J].南方農機，2018，49（12）：53.

[3]張英華.焊接機器人工作站的設計[J].電焊機，2014，44（08）：104-106. [4]秦承華，楊黃銳，張穎，熊瑋.汽車中通道焊接柔性生產線設計與應用[J].汽車零部件，2021（07）：85-88.

[5] 李占營，年雪山，魏迎旺.論轎車車身柔性焊裝線的規劃及應用[J].汽車工藝與材料，2010（09）：17-20.

[6]羅琪，李龍，張強.汽車總焊柔性生產線系統優化的研究[J].工程建設與設計，2018（S1）：132-135.

[7]葉坤.商用車國六后處理器機器人焊接生產線特點研究[J].電焊機，2020，50（03）：41-48+141-142.