一種應(yīng)用于汽車制造的可編程式多位多點氣控自動焊

莫文將 覃永 曹意

摘 要：汽車制造業(yè)是在國民經(jīng)濟中的比重越來越大，也是引領(lǐng)制造業(yè)技術(shù)發(fā)展的風(fēng)向標(biāo)之一。在汽車制造過程中，車身的焊裝工藝集聚了大部分的先進制造技術(shù)。本文介紹一種可編程式多位多點氣控自動焊的設(shè)計及實際應(yīng)用效果。通過應(yīng)用可編程式多位多點氣控自動焊裝置，解決了白車身零部件一些狹小空間位置的焊點的自動焊接問題，同時能夠優(yōu)化白車身生產(chǎn)線的人員配置，并且提升生產(chǎn)線的效率。

關(guān)鍵詞：編程式 多位多點 氣控 自動焊

Abstract：Automobile manufacturing industry plays an increasingly important role in the national economy and is also one of the wind vanes leading the technological development of manufacturing industry. In the process of automobile manufacturing， the welding process of body gathers most of the advanced manufacturing technology. This paper introduces the design and practical application effect of a programmable multi position and multi-point pneumatic automatic welding device. Through the application of programmable multi position and multi-point pneumatic automatic welding device， the automatic welding problem of welding spots in some narrow space positions of body in white parts is solved. At the same time， it can optimize the staffing and improve the efficiency of production line.

Key words：programming， multi position and multi-point， pneumatic， automatic welding

1 引言

隨著汽車市場的多樣化需求，汽車生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品也越來越豐富。焊接是汽車白車身制造的主要工藝之一，智能焊裝線已具備多種車型的生產(chǎn)能力，但是在車身焊接過程中總會存在一些因空間位置或者零件本身結(jié)構(gòu)限制而導(dǎo)致現(xiàn)有的焊接機器人焊鉗不可達的焊點。例如，車門窗框部位的焊接空間非常狹小且零件型面復(fù)雜，加上生產(chǎn)線上的工裝設(shè)備的干涉，導(dǎo)致已有的自動化焊接設(shè)備難以布置，如圖1所示。

針對上述情況，更換機器人焊鉗不僅成本高，而且場地也不一定滿足。在白車身生產(chǎn)過程中，為了保證生產(chǎn)節(jié)拍往往需要專門安排一個員工負責(zé)手工焊接機器人不可達區(qū)域的焊點，這種生產(chǎn)方式不僅增加了人工成本，而且焊接質(zhì)量也不穩(wěn)定。為了解決這個問題，本文根據(jù)生產(chǎn)實際情況因地制宜研發(fā)出了一種可編程式多位多點氣控自動焊設(shè)備，此設(shè)備可以取代人工焊接生產(chǎn)線上機器人不可達區(qū)域的焊點，為車身焊裝生產(chǎn)線自動化進程添磚加瓦。

2 多位多點氣控型自動焊的設(shè)計

2.1 多位多點氣控型自動焊裝置技術(shù)方案

針對傳統(tǒng)方案存在的問題，設(shè)計團隊多次組織到生產(chǎn)現(xiàn)場進行實地考察分析及技術(shù)方案討論，最終確認采用柔性化、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計思路，以達到簡化工裝結(jié)構(gòu)和減少制造工序的目的。

在具體的方案中，多位多點氣控型自動焊裝置主要分為焊接單元、控制單元、移動單元三大部分。焊接單元主要是1把電阻點焊焊鉗，負責(zé)執(zhí)行焊接動作；控制單元由電控和氣控兩部分組成，電控部分主要是對裝置執(zhí)行單元動作的位姿檢測及控制氣缸的動作，氣控部分主要是控制整個裝置的移動和焊接動作；移動單元負責(zé)實現(xiàn)焊鉗在整個工作空間范圍內(nèi)的移動，從而實現(xiàn)零部件不同部位的焊接。

2.2 多位多點氣控型自動焊裝置主要功能單元說明及工作原理

在確定了多位多點氣控型自動焊裝置技術(shù)方案后，經(jīng)過多次的具體設(shè)計方案的數(shù)模評審和優(yōu)化，最終設(shè)計開發(fā)完成以下的用于車門焊接的多位多點氣控型自動焊裝置，如圖2所示。多位多點氣控型自動焊裝置與車門焊接的布局示意圖圖圖3所示。

圖2和圖3所示的一種多位多點氣控型自動焊裝置各部件作用如下所述：01-多位多點氣控型自動焊裝置，對于窗框拐角處焊點可以自動焊接的自動焊；02-窗框待焊接的車門，合門包邊之后，等待焊接窗框的車門；03-上焊接電極，多位多點氣控型自動焊的上電極；04-下焊接電極，多位多點氣控型自動焊的下電極；05-自動焊本體，多位多點氣控型自動焊安裝其它功能單元的框架基礎(chǔ)；06-自動焊安裝支座，多位多點氣控型自動焊安裝在旋轉(zhuǎn)、滑移機構(gòu)上的安裝支座；07-自動焊安裝支座限位塊，對自動焊旋轉(zhuǎn)進行定位限位，讓自動焊按需要的角度旋轉(zhuǎn)，該限位塊一共有2處；08-絕緣夾墊，自動焊安裝絕緣，避免焊接過程中自動焊本體分流造成不合格焊接；09-二級滑移安裝座，自動焊二級滑移以上部分功能單元的安裝座；10-旋轉(zhuǎn)氣缸，對自動焊進行轉(zhuǎn)動，焊接電極擺動切換焊接位置；11-二級滑移導(dǎo)軌，支撐09-二級滑移安裝座在其上進行滑動；12-一級滑移安裝座，自動焊一級滑移以上部分功能單元的安裝座；13-焊接電極打開角度調(diào)節(jié)旋鈕，通過調(diào)節(jié)旋鈕可以調(diào)節(jié)控制電極打開角度，實現(xiàn)電極在滑移、轉(zhuǎn)動過程中的掃略避讓；14-電極夾緊檢測開關(guān)，檢測焊接電極已經(jīng)夾緊到位，輸出信號進行下一步動作；15-自動焊焊接氣缸，為焊接電極夾緊待焊接鈑金件提供夾緊動力；16-二級滑移氣缸，為二級機構(gòu)滑移提供滑移動力，此氣缸是行程可調(diào)；17-一級滑移氣缸，為一級機構(gòu)滑移提供滑移動力；18-滑移氣缸浮動接頭，浮動連接氣缸與滑移安裝座，使氣缸在機構(gòu)滑移的過程中伸縮自如，不被卡滯；19-一級滑移導(dǎo)軌，支撐12-一級滑移安裝座在其上進行滑動；20-自動焊安裝底板，多位多點氣控型自動焊整個機構(gòu)的安裝基礎(chǔ)底板。

以上是車門多位多點氣控型自動焊裝置的功能單元簡介，下面對整個自動焊裝置的工作原理以一個焊接循環(huán)進行詳細介紹。以上圖3所示多位多點氣控型自動焊和門是焊接之前位置狀態(tài)，下一步自動焊要進行焊接窗框拐角處焊點動作。16-二級滑移氣缸伸出，自動焊的焊接單元在09-二級滑移安裝座上通過11-二級滑移導(dǎo)軌滑移到位。此時03-上焊接電極、04-下焊接電極切入窗框拐角位置第一個焊點位置。15-自動焊焊接氣缸伸出，焊接電極夾緊窗框處板件。14-電極夾緊檢測開關(guān)檢測到已夾緊，輸出電控信號。焊接電極根據(jù)設(shè)定的焊接參數(shù)進行壓緊、焊接、維持動作，窗框拐角位置第一個焊點焊接完成，焊接電極打開。

窗框拐角位置第一個焊點焊接完成后， 14-電極夾緊檢測開關(guān)輸出焊接電極已打開電控信號。17-一級滑移氣缸伸出，12-一級滑移安裝座通過19-一級滑移導(dǎo)軌滑移到位。此時03-上焊接電極、04-下焊接電極切入窗框拐角位置第二個焊點位置。15-自動焊焊接氣缸伸出，焊接電極夾緊窗框處板件。14-電極夾緊檢測開關(guān)檢測到已夾緊，輸出電控信號。焊接電極根據(jù)設(shè)定的焊接參數(shù)進行壓緊、焊接、維持動作，窗框拐角位置第二個焊點焊接完成，焊接電極打開。

窗框拐角位置第二個焊點焊接完成后， 14-電極夾緊檢測開關(guān)輸出焊接電極已打開電控信號。10-旋轉(zhuǎn)氣缸帶動焊接單元進行旋轉(zhuǎn)切換，有07-自動焊安裝支座限位塊對旋轉(zhuǎn)進行定位。此時03-上焊接電極、04-下焊接電極切入窗框拐角位置第三個焊點位置。15-自動焊焊接氣缸伸出，焊接電極夾緊窗框處板件。14-電極夾緊檢測開關(guān)檢測到已夾緊，輸出電控信號。焊接電極根據(jù)設(shè)定的焊接參數(shù)進行壓緊、焊接、維持動作，窗框拐角位置第三個焊點焊接完成，焊接電極打開。

窗框拐角位置第三個焊點焊接完成后， 14-電極夾緊檢測開關(guān)輸出焊接電極已打開電控信號。16-二級滑移氣缸縮回，自動焊的焊接單元在09-二級滑移安裝座上通過11-二級滑移導(dǎo)軌滑移回退到位。此時03-上焊接電極、04-下焊接電極切入窗框拐角位置第四個焊點位置。15-自動焊焊接氣缸伸出，焊接電極夾緊窗框處板件。14-電極夾緊檢測開關(guān)檢測到已夾緊，輸出電控信號。焊接電極根據(jù)設(shè)定的焊接參數(shù)進行壓緊、焊接、維持動作，窗框拐角位置第四個焊點焊接完成，焊接電極打開。

窗框拐角位置第四個焊點位置全部焊接完成后，17-一級滑移氣缸回退，12-一級滑移安裝座通過19-一級滑移導(dǎo)軌滑移回退到位。10-旋轉(zhuǎn)氣缸帶動焊接單元進行旋轉(zhuǎn)回退到位。整個多位多點氣控型自動焊裝置回到焊接之前位置狀態(tài)，等待下一個焊接工序循環(huán)。

3 多位多點氣控型自動焊的技術(shù)創(chuàng)新點及應(yīng)用效果

本文介紹的自主設(shè)計的多位多點氣控型自動焊裝置解決了目前人工焊接窗框焊點的成本高、效率低和人工工程痛點問題。該裝置具有以下的創(chuàng)新亮點：裝置的基本結(jié)構(gòu)是根據(jù)車身焊接空間完全自主設(shè)計的；焊接程序是完全自主編寫的；3、采用一、二級氣缸來實現(xiàn)平面滑移，實現(xiàn)了多點焊接；4、采用了多個檢測單元，各單元控焊鉗的一部分動作，完美實現(xiàn)了自動焊接的過程；采用氣動控制，除去各感應(yīng)器外無需電控，設(shè)備維護簡單。此外，該自動焊裝置在應(yīng)用上也是具有獨特的優(yōu)勢。第一，該自動焊裝置可以實現(xiàn)小空間焊接的要求，能實現(xiàn)焊點的重復(fù)一致性高質(zhì)量焊接；第二，自動焊裝置投入使用后，優(yōu)化了工藝人員崗位，實現(xiàn)了降本增效；第三，該自動焊裝置制作成本低，只占到伺服自動焊設(shè)備費用的20%～40%；第四，該自動焊裝置簡潔、加工、安裝調(diào)試簡單，可以迅速投入使用，能夠滿足柔性焊裝生產(chǎn)線的車型生產(chǎn)快速切換；第五，該自動焊裝置結(jié)構(gòu)可靠、運行穩(wěn)定，設(shè)備問題少，后期基本不用維護。

該自動焊裝置在上汽通用五菱汽車股份有限公司的河西制造基地車身車間進行了推廣應(yīng)用，下面從人員優(yōu)化提升、運行效率提升、焊接質(zhì)量提升及運行效益四個方面分析應(yīng)用效果。

首先，在人員優(yōu)化提升方面，應(yīng)用了本文介紹的多位多點氣控型自動焊裝置后，由于該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)多個位置多個焊點的焊接，從而可以減少焊裝生產(chǎn)線的人員配置。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，如圖4所示，車身西部車間生產(chǎn)線人員配置從140人下降到130人，車身東部車間生產(chǎn)線人員配置從150人下降到144人，人員優(yōu)化4%～7%。

其次，在運行效率提升方面，在傳統(tǒng)焊接機器人不可達區(qū)域應(yīng)用“自研氣控自動焊”后，原人力操作崗位CT時間及瓶頸工位的運行效率得到明顯的提升。如圖5所示，工位CT時間從改善前的60秒下降至改善后的52秒，效率提升了13%以上。

第三，在焊接質(zhì)量提升方面，原手工焊接質(zhì)量不穩(wěn)定，焊接間距位置得不到保證，一致性非常差。創(chuàng)新制作氣控自動焊后，車身焊接焊點穩(wěn)定性得到明顯提升，問題逃逸率也有明顯改善。

第四，在運行效益方面，通過應(yīng)用多位多點氣控型自動焊裝置，達到了優(yōu)化產(chǎn)線人員配置、提升產(chǎn)線效率及焊接質(zhì)量的目的，預(yù)計每年可節(jié)約車間運行成本300多萬元。

4 結(jié)語

現(xiàn)如今人們對于焊接自動化的研究程度比較深，也越來越注重電、光和機械之間的聯(lián)系。汽車焊接向智能化發(fā)展也很重要。因為如果汽車焊接的控制系統(tǒng)比較智能，對應(yīng)的工作人員將得到減少，這樣不僅成本投入得到有效縮減，汽車車身的質(zhì)量也具有一定的保障。在汽車新品競爭越來越激烈的今天，新汽車產(chǎn)品的更新?lián)Q代不可避免，我們既要滿足新工藝新 設(shè)備帶來的挑戰(zhàn)， 也應(yīng)該結(jié)合舊的生產(chǎn)線進行持續(xù)改進，不斷優(yōu)化和完善各個單元。

本文介紹了一種基于SGMW低成本高價值理念自主設(shè)計的自動焊裝置。該裝置采用柔性化、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計思路，創(chuàng)造性地應(yīng)用傳統(tǒng)的氣控方式代替電控實現(xiàn)裝置的自動化運行，既滿足了現(xiàn)代車身焊接生產(chǎn)線的自動化需求，又兼顧了成本領(lǐng)先的價值理念。

參考文獻：

[1]史敏，高穎閣.淺析某汽車零件定位工裝的設(shè)計[J].時代汽車，2021（24）：158-159.

[2]袁濤.上汽通用五菱汽車預(yù)批量生產(chǎn)工裝制備技術(shù)研究[J].時代汽車，2019（20）：20-21.

[3]劉靜.汽車車身焊接工藝分析及工裝設(shè)計[J].時代汽車，2020（16）：123-124.

[4]聞邦椿.機械設(shè)計手冊（1-2）[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010.

[5]閆淑亮.當(dāng)前汽車車身焊裝的工藝設(shè)計及工裝設(shè)計探析[J].中國設(shè)備工程，2019（01）：152-153.

[6]江志元.汽車車身焊裝的工藝設(shè)計與工裝設(shè)計[J].企業(yè)技術(shù)開發(fā)，2017，36（07）：50-51，54.

[7]李文忠.轎車車身焊接生產(chǎn)線的發(fā)展趨勢[J].汽車制造業(yè)，2002（12）：45-47.

[8]韓跟云.汽車車身焊接夾具的設(shè)計[J].新技術(shù)新工藝，2001（8）：11-12.