汽車車身移動式多點自動焊機(jī)的研制

韋華南，張映紅，朱瑞丹

(柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，廣西 柳州 545006)

汽車車身是汽車的四大結(jié)構(gòu)之一，也是汽車的形體語言，其由車門、車窗、車前鈑制件、殼體等薄鋼板等異型體的表面零件和內(nèi)部零件組成，汽車車身具有材料薄、殼體體積大、形狀復(fù)雜，多為立體曲面結(jié)構(gòu)、尺寸大以及表面品質(zhì)要求高等特點。汽車車身焊接是汽車制造的四大工藝之一，在中小批量生產(chǎn)中，汽車制造企業(yè)主要采用普通點焊機(jī)、多點焊機(jī)和點焊機(jī)器人組合成汽車車身焊裝半自動化生產(chǎn)線進(jìn)行生產(chǎn)。當(dāng)汽車制造企業(yè)產(chǎn)量達(dá)到一定數(shù)量時，汽車車身焊裝生產(chǎn)效率就成了生產(chǎn)的瓶頸，急需通過焊接工藝的改進(jìn)、焊接設(shè)備改造和更新?lián)Q代等途徑加以解決。

1 汽車車身焊裝現(xiàn)狀

某汽車制造企業(yè)隨著產(chǎn)量不斷增加，生產(chǎn)節(jié)拍的加快，在汽車車身焊裝生產(chǎn)線焊裝小總成工序，出現(xiàn)影響企業(yè)的生產(chǎn)效率和生產(chǎn)品質(zhì)的現(xiàn)象。在焊裝汽車車身時，乘用車車身總拼焊裝工序，首先在夾具總拼工位固定車身，然后通過人工使用普通懸掛式點焊機(jī)對側(cè)圍內(nèi)板和底板進(jìn)行焊接，完成該焊接工藝。焊接中存在的問題是生產(chǎn)節(jié)拍較長，車身品質(zhì)狀態(tài)不穩(wěn)定，特別是在生產(chǎn)批量不斷增加的情況下，在乘用車車身總拼焊裝時，出現(xiàn)的生產(chǎn)效率低和品質(zhì)不穩(wěn)定就成為特別突顯的問題，從而影響企業(yè)的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益。

如果在乘用車車身總拼焊裝時，采用側(cè)圍裙邊和底板的焊接方式，將能有效解決以上難題。但是由于側(cè)圍裙邊焊點密集，接頭搭邊小且焊鉗與總拼夾具會出現(xiàn)干涉，無法使用普通懸掛式點焊機(jī)進(jìn)行人工焊接。為此我們通過自動化控制技術(shù)與焊接技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計開發(fā)了汽車車身總拼側(cè)圍裙邊移動式多點自動焊機(jī)，來解決此問題。

2 汽車車身焊裝機(jī)設(shè)計思路

經(jīng)分析乘用車車身總拼焊裝殼體體積較大，且形狀復(fù)雜，加上焊接生產(chǎn)線上焊接夾具位置限定，作業(yè)運動空間狹窄，焊接加工難度大。其次，乘用車車身總拼側(cè)圍裙邊的焊接工藝要求較高，側(cè)圍裙邊直線均勻分布有36個焊點，焊點間距為5厘米。再次，企業(yè)要求不改變原工件的定位和夾具，來實現(xiàn)側(cè)圍裙邊和底板的焊接方式，確保焊接品質(zhì)的穩(wěn)定性。最后，焊接時要求焊鉗能上下升降，左右移動運動，不受上下工件的空間位置限制和焊接夾具等其他因素的干涉。

我們根據(jù)乘用車車身總拼側(cè)圍裙邊的結(jié)構(gòu)、焊接加工特點和焊接工藝要求，運用現(xiàn)代設(shè)計手段設(shè)計了乘用車車身總拼側(cè)圍裙邊移動式多點自動焊機(jī)。焊機(jī)的基本結(jié)構(gòu)主要由焊接執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制裝置和能量轉(zhuǎn)換裝置三大部分組成。

2.1 焊機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計

結(jié)合企業(yè)的生產(chǎn)條件、環(huán)境和工藝的要求，進(jìn)行焊機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計。首先確定焊鉗數(shù)量、焊鉗型號和工作臺的結(jié)構(gòu)等，再運用三維模擬檢驗焊接執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計效果。

（1）焊鉗數(shù)量的確定和焊鉗類型的選擇

首先，根據(jù)汽車車身總拼側(cè)圍裙邊焊接工藝要求規(guī)定的焊接部位和焊點數(shù)量，企業(yè)提出不改變原工件的定位和夾具的要求，結(jié)合生產(chǎn)節(jié)拍設(shè)計確定點焊鉗的數(shù)量為6把；其次，合理設(shè)計每把點焊鉗作業(yè)的內(nèi)容，即1把焊鉗每次焊接6個點，6把焊鉗共焊接36點。最后，對焊接作業(yè)行程進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，按工藝要求焊點距離為5厘米，設(shè)焊鉗移動次數(shù)為6次，焊鉗升降高度為10厘米，焊鉗底座可上下升降直線運動（以避開焊接夾具），工作臺可左右移動的直線運動形式。然后依據(jù)產(chǎn)品材料、夾具結(jié)構(gòu)、作業(yè)方位等因素選擇的點焊鉗類型為X型。

（2）工作臺結(jié)構(gòu)的設(shè)計

要實現(xiàn)焊鉗在工作時能上下升降，左右移動直線運動，不受上下工件的空間位置限制和焊接夾具等其他因素的干涉，需設(shè)計支撐焊鉗的工作臺和焊接工作的運動。同時，根據(jù)企業(yè)要求不改變原工件焊接的定位和夾具的要求，設(shè)計工作臺的高度和外型結(jié)構(gòu)為長方體的框架結(jié)構(gòu)。最后，根據(jù)產(chǎn)品焊接位置的需要，工作臺直接安裝在半自動化生產(chǎn)線兩旁邊的地面上，使之具有良好的機(jī)械強度、抗振動和耐沖擊剛度，防止加壓時電極移位，保證高品質(zhì)的焊接。

具體的焊接執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

圖1 焊接執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計示意圖

2.2控制裝置的設(shè)計

根據(jù)國內(nèi)汽車車身焊接設(shè)備運用自動化技術(shù)的成果和企業(yè)現(xiàn)場簡易焊接裝置的經(jīng)驗，本項目擬采用氣動控制與自動化控制和焊接技術(shù)相結(jié)合，通過增加移動式多點焊接自動控制功能，以實現(xiàn)焊接自動化。

（1）移動式多點焊接機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計

控制系統(tǒng)是整個焊機(jī)的指揮與協(xié)調(diào)中心，負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的管理與控制，其設(shè)計方案如圖2所示?？刂坪诵氖荘LC，主要用于實現(xiàn)外部的邏輯控制和執(zhí)行元件的控制。焊接控制器和焊接電源是整個系統(tǒng)的核心元件，從而實現(xiàn)焊接參數(shù)和內(nèi)部的邏輯控制。

圖2 焊機(jī)控制系統(tǒng)方案圖

（2）控制器的選擇

根據(jù)工件的焊接工藝、第一次焊接電流、第二次焊接電流、第三次焊接電流、焊接時間、預(yù)壓時間、加壓時間等參數(shù)指標(biāo)，結(jié)合市場流行的焊接控制器類型和功能，綜合分析后選擇了電阻焊控制器為WDK-2A。

（3）移動式多點焊機(jī)氣動控制系統(tǒng)的設(shè)計

根據(jù)移動式多點焊機(jī)要實現(xiàn)的功能，設(shè)計了三個不同的氣動控制系統(tǒng)。其中一個控制焊機(jī)上下方向運動，一個控制焊機(jī)左右運動，圖3為焊機(jī)外部上下、左右運動狀態(tài)的氣動控制結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3 焊機(jī)外部上下、左右運動的氣動控制示意圖

另外一個是控制焊鉗加壓和釋放電流的氣動控制系統(tǒng)，如圖4所示，其是通過電氣比例閥由焊接控制器根據(jù)焊接程序設(shè)定的焊接壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)焊接壓力的精確設(shè)定與調(diào)節(jié)。兩位三通電磁閥根據(jù)其導(dǎo)通狀態(tài)的不同實現(xiàn)氣缸移動方向的切換，從而實現(xiàn)加壓和釋放兩種不同工作狀態(tài)的切換。通過調(diào)節(jié)調(diào)速閥，實現(xiàn)氣缸動作速度的調(diào)節(jié)。

圖4 控制焊鉗動作的氣動控制系統(tǒng)圖

2.3 能量轉(zhuǎn)換裝置設(shè)計

（1）電氣控制系統(tǒng)設(shè)計

為了實現(xiàn)焊接過程的外部邏輯控制和相關(guān)的其間驅(qū)動，選擇西門子PLC為主控單元，配合電氣比例閥等實現(xiàn)焊機(jī)工作過程的程序控制，如圖5所示。

圖5 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計圖

（2）焊接變壓器的選擇

為了確保焊機(jī)的正常運行，根據(jù)汽車車身總拼側(cè)圍裙邊的材料、厚度、形狀、工位和工藝要求等參數(shù)，焊機(jī)所需的電流容量的大小，結(jié)合市場提供的焊接變壓器產(chǎn)品進(jìn)行綜合性的分析，決定選用160 KVA的焊接變壓器。

3 焊機(jī)的檢驗和實踐

對移動式多點焊自動焊機(jī)內(nèi)所設(shè)計的焊接執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制裝置和能量轉(zhuǎn)換裝置三大部分有機(jī)組合，運用三維模擬檢驗設(shè)計效果。

在設(shè)計過程中，通過確定焊鉗數(shù)量、焊鉗作業(yè)內(nèi)容和行程、工作臺結(jié)構(gòu)等要素，模擬焊接作業(yè)方位、作業(yè)內(nèi)容，檢測以下主要項目：

（1）點焊鉗能否正確進(jìn)入焊接部位實現(xiàn)焊接；

（2）點焊鉗及附件作業(yè)時是否與產(chǎn)品、工裝、夾具等發(fā)生干涉；

（3）點焊鉗的上下、左右移動距離是否合理；

對不合適項目制訂修改方案，經(jīng)多次修改測試后，進(jìn)行汽車車身移動式多點焊自動焊機(jī)的制作、安裝、調(diào)試，并在汽車車身總拼側(cè)圍裙邊焊接生產(chǎn)工位試焊五臺新車，檢測產(chǎn)品焊接品質(zhì)、焊接速度、焊接的操作功能。在試焊過程中，對焊鉗移動距離、升降高度、焊接參數(shù)等項目進(jìn)行反復(fù)微調(diào)，達(dá)到了預(yù)先的設(shè)計要求。

4 結(jié)束語

使用汽車車身移動式多點自動焊機(jī)后，采用側(cè)圍裙邊與地板的焊接固定的方式，不用改變原工件的定位和夾具的基礎(chǔ)上，在汽車車身總拼總成工位實現(xiàn)了裙邊與地板的自動連續(xù)焊接，解決了汽車車身左右側(cè)圍在以前吊墜的問題，車身狀態(tài)穩(wěn)定性大大提高。

使用新焊機(jī)在汽車車身總拼側(cè)圍裙邊焊接生產(chǎn)時，實現(xiàn)6把焊鉗每次自動焊接36個點，生產(chǎn)效率提高30%以上，同時，可給工件下道工序進(jìn)行定位和減少焊點，為下道工序的工藝分解提高了硬件條件，從而提高工件的焊接品質(zhì)和生產(chǎn)效率，解決了汽車車身生產(chǎn)生產(chǎn)效率低和品質(zhì)不穩(wěn)定的瓶頸，滿足了企業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展需求。

新自動焊機(jī)研制的方法和途徑，為解決汽車車身焊裝結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜、焊點密集、接頭搭邊小、操作空間小、焊接品質(zhì)難以保證等問題提供了參考和借鑒。

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