點(diǎn)焊工作站柔性化改造設(shè)計(jì)

黃蜜

摘 要：常見的點(diǎn)焊工作站有懸掛點(diǎn)焊站、機(jī)器人點(diǎn)焊站、凸點(diǎn)焊站等。目前，許多汽車零部件工廠有不少老舊的懸點(diǎn)焊設(shè)備，其生產(chǎn)的產(chǎn)品產(chǎn)量較低，且焊接質(zhì)量不高、一致性差，需要改造為使用機(jī)器人焊接的方式。另外，隨著汽車市場(chǎng)的逐步變化，未來可能是小批量、多樣化的市場(chǎng)需求，這就需要柔性化的生產(chǎn)。為了適應(yīng)將來這種柔性化生產(chǎn)需求，為產(chǎn)量較低的項(xiàng)目減少機(jī)器人和設(shè)備的投資，因此有必要研究點(diǎn)焊機(jī)器人柔性化工作站，以期能夠?qū)π袠I(yè)的發(fā)展有所幫助。

關(guān)鍵詞：點(diǎn)焊;工作站;柔性化改造

中圖分類號(hào)：TG409 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1064（2020）09-0010-02

1 工作站柔性化的必要性

汽車零部件結(jié)構(gòu)或外形發(fā)生改變時(shí)的產(chǎn)品換型，都意味著其原有焊接生產(chǎn)線的改變。如果原有焊接生產(chǎn)線具有一定程度的柔性，通過局部改造，新產(chǎn)品完全可以在原焊接生產(chǎn)線上進(jìn)行生產(chǎn)。如果現(xiàn)有焊接生產(chǎn)線不具有柔性，不能混線生產(chǎn)新車型，則需要另外新建生產(chǎn)線，導(dǎo)致原有的整條焊接生產(chǎn)線全部淘汰或閑置，造成資金的極大浪費(fèi)。因此，焊接生產(chǎn)線具有柔性化非常重要，其決定著產(chǎn)品換型和多樣化的可能性，以及相應(yīng)的投資規(guī)模。

采用機(jī)器人會(huì)使焊接生產(chǎn)線更加柔性化、自動(dòng)化，使多種車身成品可在同一個(gè)工作站內(nèi)制造，實(shí)現(xiàn)多車型混線生產(chǎn)。因此，焊接生產(chǎn)線必須易于因產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、外形的改變而改變，具有較高的柔性程度。柔性焊接工作站可以適應(yīng)汽車多品種生產(chǎn)及換型的需要，是汽車車身制造自動(dòng)化的必然趨勢(shì)。

2 焊接機(jī)器人

焊接機(jī)器人是實(shí)現(xiàn)柔性化焊接工作站的關(guān)鍵。焊接機(jī)器人廣泛應(yīng)用在汽車制造業(yè)，主要是汽車零部件和部分白車身等焊接。其中，點(diǎn)焊機(jī)器人可以提高焊接質(zhì)量，甚至有時(shí)人們打算用點(diǎn)焊來替代某些弧焊作業(yè)。應(yīng)用機(jī)器人焊接后，大大提高了焊接件的外觀和內(nèi)在質(zhì)量，并保證了質(zhì)量的穩(wěn)定性，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，改善了勞動(dòng)環(huán)境[1]。

焊接機(jī)器人主要包括機(jī)器人和焊接設(shè)備兩部分。機(jī)器人由機(jī)器人本體和控制柜（硬件及軟件）組成。而焊接設(shè)備，以弧焊及點(diǎn)焊為例，則由焊接電源（包括其控制系統(tǒng)）、送絲機(jī)（弧焊）、焊槍（鉗）等部分組成。對(duì)于智能機(jī)器人，還應(yīng)有傳感系統(tǒng)，如激光或攝像傳感器及其控制裝置等[2]。

3 點(diǎn)焊機(jī)器人工作站的實(shí)際應(yīng)用

常見的點(diǎn)焊機(jī)器人工作站，一般包含了一臺(tái)點(diǎn)焊機(jī)器人和一套或兩套固定式焊接夾具等兩大部分。這種固定式工作站不能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品夾具的快換，機(jī)器人可達(dá)性也有限，焊鉗也是專用的，不適合柔性化生產(chǎn)。

4 點(diǎn)焊工作站柔性化改造設(shè)計(jì)

4.1 點(diǎn)焊工作站柔性化改造設(shè)計(jì)要點(diǎn)

改造點(diǎn)焊機(jī)器人工作站，要利用一臺(tái)機(jī)器人（盡量利用工廠現(xiàn)有機(jī)器人）和產(chǎn)能較低工位點(diǎn)焊夾具（特別是懸掛點(diǎn)焊夾具）進(jìn)行改造，建一個(gè)機(jī)器人集群工作站。工作站內(nèi)由一個(gè)機(jī)器人使用兩把焊鉗，以行走的方式焊接六套夾具。具體設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下：

改造現(xiàn)有的六套懸掛點(diǎn)焊或固定點(diǎn)焊夾具，使其適用于此機(jī)器人集群工作站，并具有夾具快換和定位功能。夾具動(dòng)作控制方式保留原來的氣動(dòng)控制方式，裝件位在外，裝好工件，按雙手預(yù)約啟動(dòng)后，機(jī)器人開始焊接。增加夾具識(shí)別功能（夾具上增加遠(yuǎn)程模塊與PLC通訊識(shí)別），每套夾具至少增加一個(gè)關(guān)鍵夾具的夾緊信號(hào)和一個(gè)工件檢測(cè)的信號(hào)，以便機(jī)器人能判斷并調(diào)用正確的焊接程序進(jìn)行焊接。

夾具上的電氣和氣動(dòng)接口，使用標(biāo)準(zhǔn)航插和快速接口，無需工具即可連接。焊鉗選型，選用C型和X型焊鉗各一把并采用快換盤快換。但焊接工藝上盡量考慮使用一把焊鉗兼容所焊的六套夾具和零件，若不能滿足焊接要求，則換槍后再焊接，避免頻繁換槍。采用能使機(jī)器人移動(dòng)的直線導(dǎo)軌，采用伺服電機(jī)的方式使機(jī)器人能精確移動(dòng)到焊接位置，使六套夾具上的焊點(diǎn)、焊鉗全部可達(dá)。

使用一套PLC控制柜和兩個(gè)觸摸屏，控制整個(gè)工作站。PLC控制系統(tǒng)用于機(jī)器人系統(tǒng)及其周邊裝置的協(xié)調(diào)與控制，可實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)定、系統(tǒng)編程、工作狀態(tài)顯示及故障報(bào)警顯示等。PLC采用SIMATIC S7-300，通過Profibus DP總線與夾具上兩個(gè)ET200SP遠(yuǎn)程I/O模塊互聯(lián)。采用這種結(jié)構(gòu)既可減少現(xiàn)場(chǎng)接線，又可提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。同時(shí)，由于ET200SP具有熱插拔和易于擴(kuò)展的特點(diǎn)，使系統(tǒng)擴(kuò)展和維護(hù)非常方便。其中，一個(gè)ET200S模塊用于夾具信號(hào)連接及動(dòng)作控制，另一個(gè)ET200S模塊用于夾具自動(dòng)識(shí)別（通過短路線短接不同的輸入信號(hào)、區(qū)別不同的夾具，簡(jiǎn)單又可靠），通過HMI SIMATIC-TP-170B觸摸屏作為人機(jī)界面，實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)各部分的狀態(tài)，提高系統(tǒng)診斷和故障排除速度[3]。

4.2 點(diǎn)焊工作站柔性化改造設(shè)計(jì)原則

在點(diǎn)焊工作站的設(shè)計(jì)過程中，生產(chǎn)線的柔性和安全性是兩個(gè)重要原則。

生產(chǎn)線的柔性主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

所有焊接設(shè)備及工裝夾具具有互換性、通用性，通過更換夾具即可快速實(shí)現(xiàn)多種產(chǎn)品的生產(chǎn)要求，更換時(shí)間不超過10min;機(jī)器人工作站具有互換性、通用性，整個(gè)焊接區(qū)有一個(gè)公用底板，底板上各方向均設(shè)有標(biāo)準(zhǔn)5t叉車搬運(yùn)孔，易搬運(yùn);工裝夾具與安裝支座連接標(biāo)準(zhǔn)化，水、電、氣等采用標(biāo)準(zhǔn)快速連接，以適應(yīng)柔性生產(chǎn)的要求。柔性控制。更換不同夾具時(shí)，只需要在觸摸屏上選擇相應(yīng)的工件號(hào)即可。與夾具自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)進(jìn)行比較，如果相同，則自動(dòng)調(diào)用焊接程序;如果選擇錯(cuò)誤，則報(bào)警提示。

生產(chǎn)線的安全性設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

采用封閉式機(jī)器人焊接防護(hù)欄;機(jī)器人程序啟動(dòng)采用雙手按鈕;焊接房安裝有自動(dòng)卷簾門，焊接時(shí)關(guān)閉，防止焊接弧光或飛濺對(duì)人員的傷害，在門的上下分別設(shè)有到位開關(guān)以檢測(cè)門的工作狀態(tài)（開/關(guān)）。同時(shí)，在門的開關(guān)兩個(gè)位置分別設(shè)有位置鎖（防止松動(dòng)裝置及門的誤動(dòng)作）;在自動(dòng)卷簾門內(nèi)地面300mm高度設(shè)有安全光幕，采用30度傾斜布置，光幕長(zhǎng)度900mm。在自動(dòng)工作狀態(tài)下，如有人進(jìn)入焊接房或在夾具操作位置有人，機(jī)器人及變位機(jī)自動(dòng)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

5 項(xiàng)目完成后的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比分析

各種指標(biāo)對(duì)比如表1所示。

6 改造設(shè)計(jì)后的先進(jìn)性

使用機(jī)器人替代原有懸掛點(diǎn)焊，減少人員，提高效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。對(duì)低產(chǎn)能的車型零件場(chǎng)地進(jìn)行拆除和優(yōu)化整合，為公司新項(xiàng)目和潛在的項(xiàng)目進(jìn)行布局優(yōu)化，提高場(chǎng)地利用率。提高閑置設(shè)備的利用率，為部分新項(xiàng)目提供了焊接平臺(tái)，減少機(jī)器人投入。使用了快換機(jī)構(gòu)，后續(xù)產(chǎn)能降低或新項(xiàng)目都可以改造進(jìn)入此集群工作站。

7 應(yīng)用實(shí)例

利用工廠內(nèi)閑置的一臺(tái)機(jī)器人和其他產(chǎn)能較低工位懸掛點(diǎn)焊夾具進(jìn)行改造，建成一個(gè)機(jī)器人集群工作站。工作站內(nèi)由一個(gè)機(jī)器人使用兩把焊鉗以行走的方式焊接六套夾具，使點(diǎn)焊工作站更加柔性化，為以后產(chǎn)品換型、改造、混線生產(chǎn)創(chuàng)造了有利條件。

總之，隨著汽車工業(yè)日益發(fā)展，對(duì)焊接專業(yè)化和自動(dòng)化程度以及新焊接工藝和技術(shù)不斷提出要求。必須進(jìn)一步研究探索，在保證高質(zhì)量、高效率和高可靠性的前提下，使焊接工作站用最少的投資生產(chǎn)出盡可能多的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。

8 結(jié)語

通過對(duì)機(jī)器人周邊裝置及控制系統(tǒng)的柔性設(shè)計(jì)，點(diǎn)焊工作站的柔性特點(diǎn)會(huì)得到更充分地發(fā)揮，從而滿足日益加劇的多品種、小批量的生產(chǎn)要求，為企業(yè)參與激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)提供有利的加工手段。點(diǎn)焊工作站柔性化改造的設(shè)計(jì)及投入使用，極大提高了生產(chǎn)效率。與人工焊接比較，效率提高了3倍多，并且大大降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。相比傳統(tǒng)焊接工作站投資方案，其可以減少50%以上的投資。汽車車身焊接工作站必須具有柔性，才能通過少量改造和投資，實(shí)現(xiàn)多品種零件混流生產(chǎn)。采用機(jī)器人可提高汽車焊接生產(chǎn)線的柔性，機(jī)器人是焊接生產(chǎn)線柔性化的關(guān)鍵。目前，在我國(guó)汽車產(chǎn)量和品種迅速增加的時(shí)候，在汽車工廠設(shè)計(jì)、技術(shù)改造中，應(yīng)積極推廣柔性化點(diǎn)焊工作站在汽車焊接生產(chǎn)線中的應(yīng)用，為汽車廠產(chǎn)品換型創(chuàng)造有利條件和可能性。

參考文獻(xiàn)

[1] 張建勛.現(xiàn)代焊接制造與管理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

[2] 杜杰偉，虞然，鄭衛(wèi)剛.桁架結(jié)構(gòu)焊接機(jī)器人工作站設(shè)計(jì)與研究[J].熱加工工藝，2014（15）：5-6.

[3] 郭洪紅.工業(yè)機(jī)器人技術(shù)[M].第2版.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2012.