機器人焊接工作站在汽車行業(yè)中的應(yīng)用

樊志家　王賀

摘 要：在“中國制造2025”的時代背景下，中國制造向自動化、智能化的方向邁進，機器人焊接裝備作為自動化生產(chǎn)的主力軍，隨著中國汽車工業(yè)的快速發(fā)展，機器人焊接工作站的需求大幅度增長，提高汽車的產(chǎn)量是汽車生產(chǎn)企業(yè)的首要任務(wù)，國產(chǎn)機器人焊接工作站在汽車焊裝市場中的占有率比較低，影響了我國汽車制造業(yè)水平及機器人焊接工作站的設(shè)計水平的提升。

關(guān)鍵詞：機器人焊接;焊接工作站;夾具

中圖分類號：TP242? ? ? 文獻標志碼：A

0 引言

以往汽車行業(yè)的焊接件主要依靠手工夾具、手工焊接來完成，焊接人工成本高，工作效率低，產(chǎn)品穩(wěn)定性差，不能滿足市場對于汽車產(chǎn)量的需求，為了提高產(chǎn)品質(zhì)量及降低生產(chǎn)成本，機器人工作站在國內(nèi)主要用于焊接汽車零部件，該文針對機器人焊接工作站的主要組成及焊裝夾具設(shè)計流程進行闡述。

1 機器人焊接工作站的組成

機器人焊接工作站是汽車生產(chǎn)線上的重要生產(chǎn)設(shè)備，焊接工作站既能完成本工序的零件焊接與裝配等工作，同時還能夠檢驗和校正上一道工序的零件的產(chǎn)品質(zhì)量，實現(xiàn)機械化及自動化汽車生產(chǎn)過程。常見焊接工作站一般由機器人系統(tǒng)、焊接系統(tǒng)、工裝夾具、控制系統(tǒng)、安全防護系統(tǒng)及其他輔助設(shè)備系統(tǒng)組成。

1.1 機器人系統(tǒng)

工作站需要具有聯(lián)網(wǎng)、監(jiān)控、質(zhì)量控制等功能，焊接生產(chǎn)線大多數(shù)采用KUKA、FANUC等品牌的機器人，也有一些工作站采用SIASUN品牌的機器人;機器人是典型的機電一體化產(chǎn)品，傳感器提供機器人本體及周邊環(huán)境信息，控制系統(tǒng)根據(jù)控制程序產(chǎn)生指令信號，通過控制各關(guān)節(jié)運動坐標的驅(qū)動器，使各臂桿端點按照要求的軌跡、速度和加速度，以一定的姿態(tài)達到空間指定的位置，驅(qū)動器將控制系統(tǒng)輸出的信號變換成大功率的信號以驅(qū)動執(zhí)行器工作，實現(xiàn)對機械本體進行精確控制。

1.2 焊接系統(tǒng)

焊接工作站主要就是為了完成零部件的焊接工作，由于焊接方式的不同，主要分為點焊工作站與弧焊工作站，2種工作站的差別主要集中在焊槍樣式及工裝夾具上，常用的焊接系統(tǒng)品牌有福尼斯、小原等，焊接系統(tǒng)一般配有專用的焊接控制器及編程器。

1.3 工裝夾具

工裝夾具主要是為了能夠?qū)⒐ぜ潭ㄔ诤细竦某叽缥恢蒙希诤附舆^程中保證工件的變形量在可控范圍內(nèi)，得到合格產(chǎn)品;工裝夾具主要由夾具底板、定位機構(gòu)、支撐機構(gòu)及壓緊機構(gòu)組成，按照“六點定位原則”對零件進行定位或過定位。

1.4 控制系統(tǒng)

工作站控制系統(tǒng)主要包括PLC控制系統(tǒng)及焊接控制系統(tǒng)，其中焊接控制系統(tǒng)一般由焊機廠家配套提供，焊接控制器需要通過協(xié)議與工作站PLC通信，實現(xiàn)信號交互及動作聯(lián)動的功能;控制系統(tǒng)基于各類電氣元件與設(shè)備，通過電氣程序控制機器人及焊接設(shè)備滿足焊接功能要求。

2 焊裝夾具設(shè)計流程

2.1 焊裝夾具設(shè)計依據(jù)

設(shè)計依據(jù)是按照客戶提供的產(chǎn)品三維模型、產(chǎn)品圖紙、產(chǎn)品技術(shù)要求輸入信息，并結(jié)合企業(yè)自身的加工水平進行設(shè)計。分析用戶提供的產(chǎn)品圖紙，對各零部件的基準定位信息進行記錄并標記。

2.2 設(shè)計前準備工作

在開始焊裝夾具之前，應(yīng)根據(jù)分析圖紙所得到的信息，在產(chǎn)品三維模型上對產(chǎn)品的焊接位置進行標記，以免在設(shè)計過程中丟漏焊縫;確定產(chǎn)品在夾具底板上的擺放位置，在滿足支撐定位的前提下，盡量使產(chǎn)品離夾具底板近一些，便于對機器人背面進行焊接;同時確定焊槍型號，并提供焊槍的完整數(shù)模，將焊槍以合理的角度擺放在焊縫上，直觀地反應(yīng)焊接過程，焊槍布置應(yīng)與產(chǎn)品對接面有45°夾角，與焊縫走向有75°夾角。

2.3 產(chǎn)品的定位系統(tǒng)

產(chǎn)品的定位分為定位銷定位和定位面定位，其中，定位銷分為圓形定位銷和菱形定位銷，圓形定位銷作為主要定位基準，菱形定位銷為防轉(zhuǎn)定位銷;定位面一般為支撐面，應(yīng)有對應(yīng)的壓緊機構(gòu)，使產(chǎn)品在焊裝作業(yè)時保持在固定的位置上。在產(chǎn)品定位過程中，應(yīng)注意5個常見問題：

（1）當零件與焊接總成基準不一致時，通常按焊接總成基準定位。

（2）在零件基準無法使用時，可以選擇總成中功能性位置作為定位基準。

（3）支撐面一般選擇在零件的基準面上，以保證不同批次產(chǎn)品的定位基準相同。

（4）壓緊位置應(yīng)選擇在距離焊縫近且底部有支撐的位置，原則上無支撐不壓緊，在底部無支撐的情況下仍需要通過壓緊來固定零件，因此可以采用彈簧壓頭或增加壓緊限位擋塊的方式，以免導(dǎo)致零件變形。

（5）壓緊機構(gòu)一般采用壓臂缸進行壓緊，壓臂的打開角度是由裝件時夾具平臺的角度決定的，如夾具平臺人工裝件的角度為15°，則遠離人側(cè)的壓臂缸打開角度需大于105°，以免壓臂在裝件過程中落下，影響裝件效率。

2.4 典型的定位機構(gòu)

在焊裝夾具的設(shè)計過程中，應(yīng)盡量選擇通用的夾緊機構(gòu)以及標準的零部件，提高夾具的通用程度，便于進行夾具維護。下面介紹4種常用的機構(gòu)。

2.4.1 抽銷機構(gòu)

當產(chǎn)品孔的軸線方向與取件方向（一般為豎直方向）的夾角大于5°時，定位銷應(yīng)設(shè)計成活動銷，在裝件之前定位銷伸出，裝件后完成焊接，在取件前定位銷縮回。可以根據(jù)銷孔的形式，對機構(gòu)進行修改，用于不同夾具的定位。

2.4.2 浮動壓緊機構(gòu)

多點同時壓緊或曲面壓緊時，為了讓所有壓點都能有效壓緊，可選擇浮動壓緊機構(gòu)，可以根據(jù)實際情況改變擺臂的形狀，通常擺臂回轉(zhuǎn)處間隙不能超過0.5 mm，以保證良好的浮動壓緊效果。

2.4.3 圓管支撐壓緊機構(gòu)

此機構(gòu)是底部“V”形塊+可調(diào)節(jié)支撐銷來進行支撐的，可調(diào)節(jié)性良好，提高圓柱類零件的定位準確性。

2.4.4 “U”形支撐+彈簧壓緊機構(gòu)

常用于方管的定位支撐，“U”形塊單側(cè)與方管一面接觸，方管另一面依靠彈簧壓緊機構(gòu)來定位，“U”形塊的另一側(cè)起初導(dǎo)向作用，產(chǎn)品取出時需克服與彈簧壓緊機構(gòu)和方管之間的摩擦力。采用通用化、標準化機構(gòu)能大大地提高設(shè)計人員的設(shè)計效率，節(jié)省設(shè)計時間。

2.5 夾具框架及氣路布置等相關(guān)附件

（1）夾具框架的強度及穩(wěn)定性對整個夾具的準確性和焊接質(zhì)量有很大的影響，夾具框架一般由矩形管焊接而成，所有的組立都連接在其上，夾具底板在滿足強度要求的前提下，應(yīng)盡量增大開口率，以減輕重量，使夾具在回轉(zhuǎn)過程中的慣性矩變小，延長變位機等回轉(zhuǎn)元件的壽命。夾具底板通常由4釘2銷定位固定，4釘四角分布，2銷對角線布置。

（2）氣路管道根據(jù)氣動元件的工作位置及順序進行分組，并分配相應(yīng)的電磁閥進行控制，通常一個電磁閥最多同時控制4個氣缸（40缸徑，行程小于50 mm），這樣可以使氣缸的動作穩(wěn)定并快速響應(yīng)。

（3）為了滿足焊裝夾具的安裝調(diào)試等要求，夾具底板上需增加用于夾具吊裝的吊裝孔，吊裝時夾具整體趨于水平狀態(tài);用于夾具定位調(diào)整的坐標檢測孔一般采用3個基準坐標孔，為了操作方便，有時也布置4個基準坐標孔;布置端子箱及氣管走向，應(yīng)盡量避開焊縫區(qū)域，無法避開焊縫的管線應(yīng)做防燙、防飛濺處理，以免損壞管線。

2.6 其他設(shè)計收尾工作

完成工程圖紙、機電交流文件、氣路原理圖等相關(guān)文件的編寫和繪制，完成設(shè)計工作。

3 結(jié)語

該文按照常規(guī)的設(shè)計工作流程，進行焊裝夾具設(shè)計;通用化、標準化的焊裝夾具設(shè)計流程，能快速、高效、高質(zhì)量地完成夾具設(shè)計任務(wù)，減少不必要的時間，對之后的焊裝夾具設(shè)計工作有借鑒和指導(dǎo)意義。

參考文獻

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