隨著汽車制造業(yè)對(duì)焊接精度和速度等指標(biāo)提出的要求越來(lái)越高，以及用戶個(gè)性化需求的日益加強(qiáng)，為了滿足多車型、多批次的市場(chǎng)需求，提高車身車間生產(chǎn)能力的柔性和彈性，工業(yè)機(jī)器人在車身焊接中得到了廣泛應(yīng)用。本文結(jié)合實(shí)例介紹了點(diǎn)焊機(jī)器人和弧焊機(jī)器人系統(tǒng)在車身焊接中的應(yīng)用。

    轎車車身的結(jié)構(gòu)和工藝在很大程度上決定了乘車的安全系數(shù)。車身本體是由十幾個(gè)大總成和數(shù)百個(gè)薄板沖壓件，經(jīng)點(diǎn)焊、弧焊、激光焊、釬焊、鉚接、機(jī)械連接以及膠接等工藝連接成的復(fù)雜薄板結(jié)構(gòu)件。由于白車身所涉及的零件多、工藝復(fù)雜且設(shè)備類型繁多，因此車身規(guī)劃對(duì)焊接工藝、裝焊夾具、質(zhì)量控制以及維護(hù)保養(yǎng)等都有較高的要求。本文結(jié)合實(shí)例重點(diǎn)介紹了點(diǎn)焊機(jī)器人系統(tǒng)和弧焊機(jī)器人系統(tǒng)在車身焊接中的應(yīng)用。

【點(diǎn)焊機(jī)器人系統(tǒng)】

    車身點(diǎn)焊的質(zhì)量直接影響著汽車車身強(qiáng)度和使用安全性。點(diǎn)焊設(shè)備因易于機(jī)械化、成本較低廉、技術(shù)成熟且配套設(shè)施完善，在汽車車身的生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛?，F(xiàn)在，點(diǎn)焊焊接過(guò)程完全自動(dòng)化已成為趨勢(shì)，機(jī)器人點(diǎn)焊系統(tǒng)已得到廣泛應(yīng)用，正逐步取代手工點(diǎn)焊。

1．氣動(dòng)點(diǎn)焊機(jī)器人系統(tǒng)

    氣動(dòng)點(diǎn)焊機(jī)器人系統(tǒng)包括機(jī)器人本體、機(jī)器人控制器、點(diǎn)焊控制器、自動(dòng)電極修磨機(jī)、氣動(dòng)點(diǎn)焊鉗和水氣供應(yīng)的水氣控制單元等，如圖1所示。

圖1氣動(dòng)點(diǎn)焊機(jī)器人系統(tǒng)

    氣動(dòng)焊鉗作為點(diǎn)焊機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，目前普遍采用了一體化焊鉗，就是焊接變壓器裝在焊鉗后面，減少了二次電纜的損失，提高焊接質(zhì)量。由于采用一體化焊鉗，變壓器必須盡量小型化，提高機(jī)器人有效負(fù)載。對(duì)于容量較大的變壓器，已開(kāi)始采用中頻逆變技術(shù)：把50Hz工頻交流變?yōu)?00～1000Hz交流再整流，使變壓器體積減少、減輕。

    氣動(dòng)焊鉗電極組件形式上與手工焊接焊鉗基本相似，完成與工件接觸及通電焊接作用，為降低維護(hù)改造成本，焊鉗組件有模塊化的趨勢(shì)。點(diǎn)焊機(jī)器人動(dòng)作穩(wěn)定可靠，重復(fù)精度高，可代替人的繁重體力勞動(dòng)，并且提高了焊接質(zhì)量，提高了生產(chǎn)線柔性。

    2009年，上汽乘用車公司南京基地新建10萬(wàn)輛榮威350系列轎車AP11焊接生產(chǎn)線。該線從日本FANUC公司引進(jìn)49臺(tái)六軸氣動(dòng)點(diǎn)焊機(jī)器人，應(yīng)用在工藝要求較高的車身下車體總成焊接工位、側(cè)圍總成及車身本體的裝配焊接上。

    在成功新建AP11主線后，上汽乘用車公司南京基地于2011年在AP11基礎(chǔ)上建設(shè)MG5車型生產(chǎn)線時(shí)，再次引進(jìn)引進(jìn)日本FANUC公司的10臺(tái)點(diǎn)焊機(jī)器人，用于6萬(wàn)輛生產(chǎn)能力的AP12主線上，應(yīng)用在工藝質(zhì)量要求較高的車身下車體總成焊接工位、側(cè)圍部件、側(cè)圍總成及車身本體的裝配焊接上。

    與原AP11主線不同的是，建設(shè)投產(chǎn)的AP12主焊線與AP11線實(shí)現(xiàn)設(shè)備全部共用，充分滿足了柔性混線生產(chǎn)的需求，實(shí)現(xiàn)了短時(shí)切換或無(wú)需切換的全柔性生產(chǎn)模式。為節(jié)省建設(shè)成本及場(chǎng)地，我們將生產(chǎn)線多數(shù)工位上的一臺(tái)機(jī)器人改造為可帶兩把以上焊鉗或抓手工具，通過(guò)采用自動(dòng)工具交換裝置可快速進(jìn)行焊鉗間的切換。

2．伺服點(diǎn)焊機(jī)器人系統(tǒng)

    為實(shí)現(xiàn)更高的焊接質(zhì)量并滿足性能要求，AP12線還引進(jìn)采用了新型中頻點(diǎn)焊伺服焊槍控制技術(shù)。此系統(tǒng)可滿足高強(qiáng)/超高強(qiáng)度鋼板和多層板材的焊接，以適應(yīng)汽車輕量化與車身防撞安全不斷提高的要求。

    伺服點(diǎn)焊機(jī)器人系統(tǒng)包括機(jī)器人本體、機(jī)器人控制器、中頻點(diǎn)焊控制器、自動(dòng)電極修磨機(jī)和伺服點(diǎn)焊鉗等。伺服焊槍的優(yōu)點(diǎn)是傳統(tǒng)氣動(dòng)焊機(jī)無(wú)法比擬的，其特點(diǎn)是以伺服裝置代替氣動(dòng)裝置，按照預(yù)先編制的程序，由伺服控制器發(fā)出指令，控制伺服電動(dòng)機(jī)按照既定速度、位移進(jìn)給，形成對(duì)電極位移與速度的精確控制，脈沖數(shù)目與頻率決定電極位移與速度，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩決定電極壓力。

    伺服焊槍具有增強(qiáng)診斷及監(jiān)控、簡(jiǎn)化焊鉗設(shè)計(jì)、提高柔性、降低維修率、提高運(yùn)行時(shí)間及減少生產(chǎn)成本（耗氣/備件/省電）等特點(diǎn)，將是未來(lái)汽車裝配生產(chǎn)線上應(yīng)用的主要設(shè)備。其中頻點(diǎn)焊的質(zhì)量和效率均遠(yuǎn)高于工頻焊接，主要表現(xiàn)在以下幾方面：

（1）減少生產(chǎn)節(jié)拍機(jī)器人與焊鉗同步協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，大大提高了生產(chǎn)節(jié)拍，使焊點(diǎn)間及障礙物的跳轉(zhuǎn)路徑小化；可隨意縮短電極開(kāi)口減小關(guān)閉焊鉗時(shí)間；焊接開(kāi)始信號(hào)發(fā)出后可更快、更好地控制加壓；更快地更改焊接壓力，其壓力調(diào)節(jié)速度可達(dá)200kgf/cycle（98N/ms）；能夠很好地避免和抑制飛濺，有效保證和提高焊接質(zhì)量；焊接完成信號(hào)發(fā)出后可更快打開(kāi)焊鉗；減少電極更換及修磨時(shí)間；換槍、電極修磨及更換后快速標(biāo)定。

（2）提高焊接質(zhì)量軟接觸可實(shí)現(xiàn)極少的產(chǎn)品沖擊，還可以減小噪聲；高精確度的可重復(fù)性加壓；焊接中精確恒壓控制；焊接過(guò)程中壓力可實(shí)現(xiàn)調(diào)整；更穩(wěn)定的電極管理及控制等。

    相對(duì)氣動(dòng)焊槍，伺服焊槍的漸進(jìn)和預(yù)壓過(guò)程是影響焊接效率的兩個(gè)關(guān)鍵階段?？删幊屉姌O行程和速度可以縮短同一工位上多個(gè)焊點(diǎn)的漸進(jìn)時(shí)間，也可以提高焊接生產(chǎn)率。以預(yù)壓為例進(jìn)行分析，圖2所示為氣動(dòng)焊槍和伺服焊槍在焊接過(guò)程中電極力的變化，假定達(dá)到設(shè)定預(yù)壓力，電極力將保持恒定。如表所示，伺服焊槍焊接的一個(gè)焊點(diǎn)可節(jié)省0.44s，以一臺(tái)轎車約3500～5000個(gè)焊點(diǎn)為例，將節(jié)省26～37min的焊接時(shí)間，生產(chǎn)率得到極大提高，車身焊裝線的生產(chǎn)能力大大提升。

圖2氣動(dòng)焊槍和伺服焊槍在焊接過(guò)程中電極力的變化

氣動(dòng)焊機(jī)和伺服焊槍的預(yù)壓時(shí)間對(duì)比

弧焊機(jī)器人系統(tǒng)

    汽車車身結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)決定了車身制造離不開(kāi)弧焊技術(shù)。傳統(tǒng)手工弧焊焊接時(shí)的火花及煙霧對(duì)人體造成危害較大，工作環(huán)境惡劣，且對(duì)工人技能要求更高，焊縫質(zhì)量一致性差，波動(dòng)也較大。特別是汽車的重要結(jié)構(gòu)安全件，其焊接質(zhì)量對(duì)汽車的安全性起著決定性的作用，因此整車廠有逐步采用自動(dòng)化弧焊機(jī)器人替代手工方式的趨勢(shì)。

圖3弧焊機(jī)器人系統(tǒng)

對(duì)車身弧焊機(jī)器人工作站的設(shè)計(jì)規(guī)劃應(yīng)首先考慮是否滿足生產(chǎn)綱領(lǐng)、工作站的柔性和焊接質(zhì)量，以及機(jī)器人及焊槍的選型及電控設(shè)計(jì)。具體內(nèi)容包括：

    機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)包括有效載荷、軸數(shù)、各軸的自由度范圍及控制系統(tǒng)等。

    機(jī)器人工作范圍及姿態(tài)，充分考慮車身形式和弧焊點(diǎn)位置、夾具形式。通過(guò)3D設(shè)計(jì)模型仿真模擬干涉危險(xiǎn)點(diǎn)的焊接，對(duì)焊槍及夾具的形狀、機(jī)器人操作位置等進(jìn)行反復(fù)修改，確定方案再進(jìn)行可行性論證及設(shè)計(jì)修正。

    確定機(jī)器人的高度及與前后左右距離，確保所有弧焊點(diǎn)機(jī)器人焊槍可達(dá)。進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)可靠的方法是通過(guò)機(jī)器人仿真軟件模擬實(shí)際的焊接工作，具體方法是加入工位夾具、工件及焊槍的3D模型，在虛擬環(huán)境進(jìn)行工作站的裝配和調(diào)試，路徑模擬，發(fā)現(xiàn)是否干涉，以此調(diào)整各部分的相對(duì)尺寸達(dá)到合理。

    工藝時(shí)序設(shè)計(jì)，控制流程圖設(shè)計(jì)。弧焊機(jī)器人工作站的設(shè)備構(gòu)成包括弧焊機(jī)器人、機(jī)器人控制器、焊機(jī)、清槍系統(tǒng)、輸送系統(tǒng)、焊接夾具、排煙除塵設(shè)備、安全防護(hù)網(wǎng)、弧光遮擋簾和水電氣單元等。

    上汽乘用車公司南京基地榮威350/MG5車型生產(chǎn)線采用了4臺(tái)日本FANUC公司的弧焊機(jī)器人及奧地利Fronius公司先進(jìn)的CMT焊機(jī)系統(tǒng)（具備“冷”金屬過(guò)渡焊接技術(shù)）。CMT焊接技術(shù)系統(tǒng)的特點(diǎn)是：作為完全的“冷”技術(shù)，近乎無(wú)電流狀態(tài)下的熔滴過(guò)渡，低熱輸入量；能夠進(jìn)行薄板/超薄板焊接；確保無(wú)飛濺過(guò)渡，減少了焊后清理工作；引弧可靠，良好的搭橋能力使得焊接過(guò)程操作容易；焊接過(guò)程送絲穩(wěn)定，焊接工藝專家數(shù)據(jù)庫(kù)化，簡(jiǎn)化縮短工藝調(diào)試過(guò)程等。