車身焊接自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用

楊玻,張開熙,鄒勇

(成都普什汽車模具有限公司，四川成都 610100)

0 引言

當(dāng)前，隨著汽車行業(yè)的高速發(fā)展，汽車制造呈現(xiàn)出安全化、環(huán)?；⑤p量化、舒適化的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)車身零部件的制造工藝水平和制造質(zhì)量提出了越來越高的要求。為了適應(yīng)當(dāng)前造車的變化需求，作為汽車生產(chǎn)制造的四大工藝之一的焊裝在信息化、自動(dòng)化、智能化技術(shù)的日趨成熟和推廣應(yīng)用下，正逐漸由傳統(tǒng)的人工作業(yè)向柔性化、自動(dòng)化、規(guī)?；较蛏?jí)轉(zhuǎn)變，激光復(fù)合焊、激光拼焊板、薄板MAG焊等新型焊接工藝技術(shù)在車身零部件的制造中也得到越來越廣泛的應(yīng)用。同時(shí)，隨著近年來國(guó)內(nèi)汽車制造企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)張和中國(guó)人口紅利的逐步消失，掌握熟練技能的從業(yè)人員在整個(gè)汽車制造行業(yè)都面臨短缺，企業(yè)的人力成本也一直居高不下。因此，工作環(huán)境惡劣、勞動(dòng)強(qiáng)度大、質(zhì)量要求高的焊接工序采用智能化的機(jī)器人代替人工進(jìn)行車身零部件的自動(dòng)化焊接已成為整個(gè)汽車行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。

1 焊接機(jī)器人工作站構(gòu)成

焊接機(jī)器人是指從事焊接的工業(yè)機(jī)器人，它通常是以工作站的方式進(jìn)行工作應(yīng)用，機(jī)器人工作站(如圖1、圖2所示)是指使用一臺(tái)或多臺(tái)機(jī)器人，配以相應(yīng)的設(shè)備，用于完成某一特定工序作業(yè)的獨(dú)立生產(chǎn)系統(tǒng)，也可稱為機(jī)器人工作單元。

圖1 柔性主線焊接系統(tǒng) 圖2 焊接機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意

工作站主要由機(jī)器人及其控制系統(tǒng)、輔助設(shè)備以及其他周邊配套設(shè)備所構(gòu)成，包括：機(jī)器人本體、機(jī)器人末端執(zhí)行器(含焊槍)、控制系統(tǒng)、示教器、變位機(jī)、識(shí)別系統(tǒng)及相應(yīng)的定位工裝等。機(jī)器人本體一般是伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的六軸關(guān)節(jié)式操作機(jī)，它由驅(qū)動(dòng)器、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、機(jī)械手臂、關(guān)節(jié)以及內(nèi)部傳感器等組成，主要作用是精確地保證機(jī)器人末端執(zhí)行器(含焊槍)所要求的位置、姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)軌跡。機(jī)器人控制系統(tǒng)是整個(gè)工作站的神經(jīng)中樞，包括計(jì)算機(jī)硬件、軟件和一些專用電路，負(fù)責(zé)處理機(jī)器人工作過程中的全部信息和控制其全部動(dòng)作。機(jī)器人末端執(zhí)行器是機(jī)器人的主要輔助設(shè)備，也是工作站中重要的組成部分。同一臺(tái)機(jī)器人，安裝了不同的末端執(zhí)行器可以完成不同的作業(yè)內(nèi)容。在焊接的實(shí)際生產(chǎn)過程中，工序產(chǎn)品常需在工作站中暫存、移動(dòng)或翻轉(zhuǎn)，所以工作站也常配備有暫置臺(tái)、移動(dòng)小車或翻轉(zhuǎn)臺(tái)架等儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備。另外，監(jiān)視、檢查等感應(yīng)識(shí)別系統(tǒng)對(duì)于工作站的自動(dòng)化生產(chǎn)也是非常必要的。在配置有生產(chǎn)線異常警示和控制器排查系統(tǒng)的情況下，當(dāng)出現(xiàn)生產(chǎn)異常時(shí)會(huì)自動(dòng)停線，確保不出現(xiàn)大量的次品，并且通過自動(dòng)糾錯(cuò)系統(tǒng)迅速排查問題，提供故障診斷反饋意見，快速恢復(fù)生產(chǎn)。為了滿足焊接產(chǎn)品良好的工藝要求，焊接機(jī)器人工作站方案的設(shè)計(jì)必須依據(jù)所焊接產(chǎn)品的特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)形式、幾何尺寸、精度要求和生產(chǎn)節(jié)拍等信息對(duì)機(jī)器人相關(guān)功能單元進(jìn)行系統(tǒng)組合與集成。

2 焊接自動(dòng)化技術(shù)特點(diǎn)

焊接自動(dòng)化是實(shí)現(xiàn)我國(guó)汽車制造業(yè)由大到強(qiáng)轉(zhuǎn)變的基石，焊接機(jī)器人在汽車行業(yè)的大規(guī)模應(yīng)用對(duì)整個(gè)行業(yè)影響深遠(yuǎn)。一方面，隨著焊接機(jī)器人技術(shù)的成熟和成本的下降，焊接的自動(dòng)化程度越來越高，焊接生產(chǎn)中人工作業(yè)所占比重逐漸減小。通過焊接自動(dòng)化技術(shù)的引入，很大程度上可將工人從繁重、惡劣的工作環(huán)境中解放出來。同時(shí)，因機(jī)器人的生產(chǎn)節(jié)拍是固定的，所以生產(chǎn)安排的計(jì)劃性非常明確，連續(xù)生產(chǎn)的持續(xù)時(shí)間可做到24 h不間斷，這樣不僅打破了傳統(tǒng)生產(chǎn)班次的界限，還帶動(dòng)整個(gè)行業(yè)生產(chǎn)組織模式的變革。另一方面，通過焊接自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用，可在焊接質(zhì)量、效率、成本、作業(yè)環(huán)境等方面提升企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。

2.1 提高效率、降低成本

焊接機(jī)器人響應(yīng)時(shí)間短，運(yùn)動(dòng)速度快，只要保證水、電、氣等外部動(dòng)力源條件，可以持續(xù)工作，避免工人上班過程中因個(gè)人情緒波動(dòng)、中途停頓、休息等對(duì)生產(chǎn)效率的影響。一臺(tái)機(jī)器人可以替代3～4名產(chǎn)業(yè)工人持續(xù)24 h作業(yè)，生產(chǎn)效率是手工焊接的4～5倍。同時(shí)，隨著國(guó)內(nèi)汽車產(chǎn)業(yè)的大力擴(kuò)張，造車新勢(shì)力不斷涌現(xiàn)，產(chǎn)業(yè)工人緊缺，焊接從業(yè)人員的薪資不斷上漲，給企業(yè)帶來沉重的經(jīng)濟(jì)壓力。為了提升效率、降低成本、增強(qiáng)企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力，在焊接自動(dòng)化裝備性能、效率不斷提高以及價(jià)格逐漸降低的情況下，采用焊接機(jī)器人進(jìn)行焊接自動(dòng)化生產(chǎn)是當(dāng)前汽車行業(yè)降本增效的有效途徑。

2.2 提升產(chǎn)品質(zhì)量

由于機(jī)器人自動(dòng)化焊接實(shí)現(xiàn)了程序化、標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)，具有很高的定位精度、重復(fù)定位精度和承載能力，每個(gè)動(dòng)作步驟精確、可靠，具有很好的穩(wěn)定性和一致性。若采用手工焊接工藝方式，因個(gè)人專業(yè)技能的差異和外界因素干擾，焊接過程無法做到精準(zhǔn)、量化，焊接參數(shù)、焊接運(yùn)動(dòng)軌跡以及焊接時(shí)焊槍的角度等都容易出現(xiàn)偏差，焊接成品質(zhì)量的穩(wěn)定性、一致性也無法得到有效保證，撞傷、焊偏、焊穿、未熔合等焊接質(zhì)量缺陷時(shí)有發(fā)生，不利于產(chǎn)品質(zhì)量的管控。采用自動(dòng)化焊接工藝方式，焊接過程中的每個(gè)步驟、每個(gè)動(dòng)作軌跡及工藝參數(shù)都通過程序進(jìn)行固化，避免外界因素的干擾，可很好保證焊接產(chǎn)品的合格率、穩(wěn)定性和一致性。

2.3 改善操作環(huán)境

焊接作業(yè)作為特殊工種，生產(chǎn)過程中存在火星或金屬物飛濺，并伴有弧光、煙塵、噪聲及有害氣體等危害因素。作業(yè)環(huán)境較為惡劣，對(duì)操作人員的作業(yè)保護(hù)也是一種考驗(yàn)，防護(hù)不慎就容易犯上放射性疾病、電光性皮炎等職業(yè)病，所以對(duì)焊接的作業(yè)環(huán)境和作業(yè)保護(hù)提出了嚴(yán)格的要求。焊接自動(dòng)化是由機(jī)器人作業(yè)，工人只需在安全距離外進(jìn)行監(jiān)管、操作，這樣就有效避免了煙塵、弧光、金屬飛濺等對(duì)人體的傷害，防止職業(yè)病的發(fā)生，同時(shí)也降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。所以，通過焊接自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用，能夠有力改善焊接生產(chǎn)車間的整體作業(yè)環(huán)境，保證焊接作業(yè)人員的人身安全。

3 焊接自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

3.1 自動(dòng)化柔性生產(chǎn)系統(tǒng)

為了增加潛在消費(fèi)者的選擇，更好地占領(lǐng)市場(chǎng)，各個(gè)車廠都在積極拓展自己的產(chǎn)品線，豐富自己的產(chǎn)品類型。同一公司開發(fā)不同平臺(tái)的車型，甚至是同平臺(tái)下開發(fā)不同外觀造型的車型已逐漸成為國(guó)內(nèi)汽車開發(fā)的主流模式，這對(duì)車身零部件焊接生產(chǎn)的適應(yīng)性提出比較高的要求。若采用傳統(tǒng)的做法，針對(duì)不同車型則需建設(shè)單獨(dú)的焊接生產(chǎn)線和開發(fā)單獨(dú)的焊裝夾具，配備專用的生產(chǎn)場(chǎng)地和生產(chǎn)管理人員，生產(chǎn)投入的綜合成本高。隨著機(jī)器人技術(shù)的成熟和智能制造的推廣應(yīng)用，通過對(duì)自動(dòng)化焊接生產(chǎn)線的柔性化開發(fā)，能夠?qū)崿F(xiàn)平臺(tái)化車型的混線生產(chǎn)。更有甚者通過焊接線的升級(jí)改造，可以實(shí)現(xiàn)不同平臺(tái)、不同外觀車型的混線生產(chǎn)(如圖3所示)。這樣不僅可節(jié)約焊裝生產(chǎn)線的場(chǎng)地(部分工位可共用)，還可減少生產(chǎn)線特別是總成或分總成焊接夾具的投入，既滿足了車型生產(chǎn)多樣化，提升了效率，又降低了成本，綜合效益顯著，所以，發(fā)展自動(dòng)化柔性焊接生產(chǎn)系統(tǒng)已成為當(dāng)前汽車零部件行業(yè)的主要方向。

圖3 多種車型切換柔性焊接生產(chǎn)線

3.2 自動(dòng)化在線檢測(cè)

焊接生產(chǎn)作為汽車制造過程中的關(guān)鍵工序，焊接后車身的尺寸精度是影響整車裝配性的關(guān)鍵質(zhì)量指標(biāo)，有嚴(yán)格的技術(shù)要求，因此焊接過程的質(zhì)量監(jiān)管、質(zhì)量檢測(cè)是保證整車質(zhì)量精度的重要手段，必須認(rèn)真對(duì)待。傳統(tǒng)的檢測(cè)方式是采用人工外觀精度檢測(cè)和三坐標(biāo)尺寸精度測(cè)量相結(jié)合，檢測(cè)過程復(fù)雜、效率低下，只能按一定頻次實(shí)行抽檢，無法做到產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)控的全覆蓋，存在一定質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。機(jī)器人視覺檢測(cè)系統(tǒng)(如圖4所示)作為現(xiàn)代新型的自動(dòng)化檢測(cè)方式，可與自動(dòng)化焊接機(jī)器人的生產(chǎn)過程進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，對(duì)焊接質(zhì)量進(jìn)行在線檢測(cè)，不僅能夠快速反饋焊接過程中車身尺寸精度的質(zhì)量信息，而且還能體現(xiàn)車身尺寸精度變化的趨勢(shì)。整個(gè)檢測(cè)過程高效、直觀，檢測(cè)精度非常精準(zhǔn)、可靠，能夠及時(shí)為工藝分析改進(jìn)和產(chǎn)品品質(zhì)優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐。因此，生產(chǎn)線的自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)不僅是現(xiàn)代焊接自動(dòng)化技術(shù)的完善和補(bǔ)充，而且也是焊接自動(dòng)化配套技術(shù)今后著力發(fā)展的方向。

圖4 在線檢測(cè)工作站

3.3 新材料自動(dòng)化焊接工藝

根據(jù)當(dāng)前汽車行業(yè)的輕量化要求，設(shè)計(jì)、制造、材料的輕量化在汽車零部件的開發(fā)應(yīng)用中越發(fā)被關(guān)注和重視。車身零部件的原材料使用也較傳統(tǒng)鋼板發(fā)生了明顯的改變，鍍鋅板、超高強(qiáng)板、鋁合金、鎂鋁合金及高強(qiáng)度纖維復(fù)合板等新型材料在車身零部件的開發(fā)制造中占比也越來越高。為了適應(yīng)汽車行業(yè)材料的變化需求，需要對(duì)新材料的焊接工藝技術(shù)進(jìn)行不斷探索、研究，以滿足現(xiàn)代汽車的自動(dòng)化、高效率、高品質(zhì)的焊接生產(chǎn)要求。比如適用于鍍鋅板材料的激光焊接工藝和適用于鋁合金材料的攪拌摩擦焊接工藝技術(shù)都得到了很好的發(fā)展應(yīng)用。

4 小結(jié)

隨著當(dāng)前汽車車型更新?lián)Q代的加速、整車研發(fā)周期的縮短以及汽車輕量化、安全環(huán)?；蟮牟粩嗵岣?車身零部件的柔性自動(dòng)化焊接生產(chǎn)工藝技術(shù)也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。因其展現(xiàn)出良好的成本、效率、質(zhì)量等綜合優(yōu)勢(shì)，在汽車行業(yè)的白車身焊接制造中將會(huì)得到更廣泛的發(fā)展應(yīng)用。