基于機(jī)器人應(yīng)用的龍門架焊接工作站方案設(shè)計(jì)

張馳勱

杭州新松機(jī)器人自動(dòng)化有限公司 浙江杭州 311228

1 前言

隨著專用汽車市場快速增長，以及用工成本不斷上升，符合企業(yè)需求且具備較高技能的人才匱乏。 同時(shí)為了提升產(chǎn)品質(zhì)量和提高生產(chǎn)效率，改善工作環(huán)境，降低焊接工人勞動(dòng)強(qiáng)度，一些專用車輛生產(chǎn)廠家開始逐步引進(jìn)機(jī)器人自動(dòng)焊接、機(jī)器人協(xié)同裝配等生產(chǎn)設(shè)備。機(jī)器人自動(dòng)焊接工作站是機(jī)器人應(yīng)用一個(gè)重要細(xì)分領(lǐng)域，并且發(fā)展較早，技術(shù)比較成熟，廣泛應(yīng)用于各種焊接領(lǐng)域，如各種弧焊、點(diǎn)焊、螺柱焊、激光焊、三維激光切割、三維等離子切割等。

現(xiàn)在以某專用汽車駕駛室的龍門架為例，闡述該部件的機(jī)器人自動(dòng)焊接工作站的方案設(shè)計(jì)方法，如圖1所示。

圖1 駕駛室龍門架

2 龍門架的作用與要求

通過調(diào)整龍門架繞固定軸在設(shè)定角度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)并在合適的位置鎖定，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)整駕駛室所需的傾角。焊接完成后要求左右矩形管的駕駛室連接面在同一平面，固定軸安裝孔中心線、調(diào)節(jié)軸安裝孔中心線分別與連接面平行，同時(shí)調(diào)節(jié)軸安裝孔中心線和固定軸安裝孔中心線平行。

3 設(shè)計(jì)輸入條件

工作模式為人工上料，機(jī)器人自動(dòng)焊接；人員需求為1人；節(jié)拍要求為10 min/件；工作時(shí)間實(shí)行單班制，每班9 h；產(chǎn)能約55件/班。

4 工藝分析

整改焊接總成由31個(gè)零件和若干個(gè)焊接螺母組成。由于整個(gè)龍門架的結(jié)構(gòu)相對簡單，通常有三種工藝：第一種工藝是分別將焊接螺母分別與相應(yīng)的零件預(yù)先焊好，然后將所有零件都放在一套夾具組裝一次性焊接（軸套孔焊前加工）。第二種工藝是用手動(dòng)工裝將零件8～ 20人工組焊成一個(gè)小組件（軸套孔焊前加工），如圖2所示，再用一套夾具完成該組件與其他各件的整體機(jī)器人自動(dòng)焊。注意：此小組件在其他工位完成裝夾、焊接，不占用本工作站的節(jié)拍時(shí)間。第三種工藝方法是將所有零件用點(diǎn)焊方法拼成一個(gè)整體，再焊接各處焊縫并矯正焊接變形，最后再用鏜床加工4個(gè)軸孔。焊接方法都是采用低成本的二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊，各種焊接方法的優(yōu)缺點(diǎn)在此不再詳細(xì)介紹。

圖2 支撐組件

5 方案確定

這三種工藝方案雖然都可以實(shí)現(xiàn)，從變位需求的外部軸角度來看，結(jié)合機(jī)器人動(dòng)態(tài)焊接模擬得出：第一和第三種工藝方法需要一個(gè)水平旋轉(zhuǎn)的Z軸和上下旋轉(zhuǎn)的X軸；第二種工藝方法只需要一個(gè)水平旋轉(zhuǎn)的Z軸。而第一種方式對夾具設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度要遠(yuǎn)大于第二種，夾具整體空間布局受較大限制，機(jī)器人單機(jī)焊接時(shí)長預(yù)計(jì)比第二種至少多1/3以上，同時(shí)，人工上料時(shí)間將是后者的2倍以上。儲備零件臺車預(yù)計(jì)也要多出4種類型以上，臺車占用場地面積相應(yīng)增大，從而增加了制造成本，上料時(shí)工人走動(dòng)的區(qū)域相應(yīng)也要擴(kuò)大，大大增加勞動(dòng)強(qiáng)度。第三種工藝方法顯然比較適合小批量人工生產(chǎn)方式。經(jīng)過與用戶反復(fù)溝通后，決定采用第二種方案，并且圖2組件作為整體來料,該組件在其他時(shí)間富余工位焊接完成，不占用本站節(jié)拍時(shí)間。下面以第二種工藝方案進(jìn)行節(jié)拍分析（機(jī)器人焊接速度暫定370 mm/min），如表1所示。

表1 節(jié)拍時(shí)間表

由表1可見，采用單機(jī)器人焊接的方式是能夠達(dá)到工藝要求的。此外，考慮到將來單班產(chǎn)能的提升需求，機(jī)器人純焊接時(shí)間比較長，為了提高人員有效利用率，采用雙工位模式，即一個(gè)工作臺上有兩套完全相同的夾具，且這兩套相同夾具關(guān)于水平旋轉(zhuǎn)的Z軸對稱布置，如圖3所示，可通過轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)180°進(jìn)行工作狀態(tài)切換。即機(jī)器人焊接同時(shí)，人工就可以在圖3所示的上下料工作區(qū)進(jìn)行上下料，上下料與機(jī)器人焊接同時(shí)進(jìn)行互不干涉。在計(jì)算雙工位工作模式的實(shí)際節(jié)拍時(shí)，由于上下件和機(jī)器人焊接是同步進(jìn)行的，故以較長時(shí)間的工序?yàn)橐罁?jù)進(jìn)行累加。

鑒于對方工廠已經(jīng)布置較為完善的氣路管道，且各管道端口空氣壓力穩(wěn)定滿足使用要求，故采用結(jié)構(gòu)簡單緊湊、響應(yīng)速度較快、清潔，便于調(diào)節(jié)、較低成本的氣動(dòng)控制方式。

6 布局

經(jīng)過以上的工藝和方案可行性分析，接下來就以上述方案考慮工作站的整體布局。結(jié)合工件整體的輪廓尺寸初步工裝Base板輪廓尺寸；由于采用人工上下料方式，結(jié)合人機(jī)工程學(xué)的要求確定工裝臺面高度控制在800～850 mm；人工切換上下料與焊接工作狀態(tài)。為了保證人員安全，工作站配備安全焊房，切換按鈕布置在焊房上下料區(qū)的外側(cè)，操作者在安全焊房上下料區(qū)進(jìn)行上下料操作，機(jī)器人焊接在封閉焊房內(nèi)，焊房配備除塵系統(tǒng)、安全門鎖、人工上下料通道配備光幕。當(dāng)安全門鎖非正常打開或觸發(fā)光幕時(shí)，系統(tǒng)停止運(yùn)行并觸發(fā)警報(bào)系統(tǒng)。整體布局平面圖如圖3所示。

圖3 整體布局平面圖

該布局的操作者相應(yīng)工作流程：

a.操作者在上下料區(qū)將散件裝夾到A工裝上并夾緊后，退出到安全光幕外，按啟動(dòng)按鈕轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)入到焊接位置機(jī)器人進(jìn)行自動(dòng)焊接；

b.機(jī)器人焊接時(shí)操作者在B工裝上裝夾散工件，完成后退出到安全光幕外，按下 “就緒” 按鈕等待機(jī)器人焊接；

c.A工裝工件焊接完成后，旋轉(zhuǎn)至上下料區(qū)，B工裝轉(zhuǎn)至焊接區(qū)并進(jìn)行機(jī)器人自動(dòng)焊接；

d.操作者取下A工裝已經(jīng)焊接的工件，并放到成品存放區(qū)的臺車上，再將散件裝夾到A工裝上并夾緊，退出到安全光幕外，按下 “啟動(dòng)” 按鈕轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)入到焊接位置機(jī)器人進(jìn)行自動(dòng)焊接；

e.操作者取下B工裝的工件，重新給B工裝裝夾散件并夾緊后，退出到安全光幕外，按啟動(dòng)按鈕轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)入到焊接位置機(jī)器人進(jìn)行自動(dòng)焊接，完成一個(gè)工作循環(huán)。

7 結(jié)語

在確定方案前，首先要對產(chǎn)品功能、使用條件、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、產(chǎn)品的工藝要了解透徹。在分析產(chǎn)品的工藝時(shí)，需要掌握相應(yīng)產(chǎn)品當(dāng)前的生產(chǎn)工藝的優(yōu)缺點(diǎn)，充分結(jié)合實(shí)際要求對現(xiàn)有工藝進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)合實(shí)際環(huán)境，如場地面積、物流狀況、現(xiàn)有的水、電、氣的布局和各自容量，成本、產(chǎn)量等因素進(jìn)行綜合考慮。在確定最優(yōu)方案以后，所需的設(shè)備及數(shù)量甚至型號基本已經(jīng)確定，接著還需要對前面各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行細(xì)化、分解，最后整合到布局圖上，而且還要輸出相應(yīng)的技術(shù)文檔等資料。至此，整個(gè)機(jī)器人自動(dòng)焊接工作站方案設(shè)計(jì)的工作基本完成。