鴻栢科技談機器人焊接技術(shù)在汽車行業(yè)的應(yīng)用

隨著汽車制造業(yè)對焊接精度和速度等指標提出的要求越來越高，以及用戶個性化需求的日益加強，為了滿足多車型、多批次的市場需求，提高車身車間生產(chǎn)能力的柔性和彈性，工業(yè)機器人在車身焊接中得到了廣泛應(yīng)用。本文結(jié)合實例介紹了點焊機器人和弧焊機器人系統(tǒng)在車身焊接中的應(yīng)用。

轎車車身的結(jié)構(gòu)和工藝在很大程度上決定了乘車的安全系數(shù)。車身本體是由十幾個大總成和數(shù)百個薄板沖壓件，經(jīng)點焊、弧焊、激光焊、釬焊、鉚接、機械連接以及膠接等工藝連接成的復(fù)雜薄板結(jié)構(gòu)件。由于白車身所涉及的零件多、工藝復(fù)雜且設(shè)備類型繁多，因此車身規(guī)劃對焊接工藝、裝焊夾具、質(zhì)量控制以及維護保養(yǎng)等都有較高的要求。本文結(jié)合實例重點介紹了點焊機器人系統(tǒng)和弧焊機器人系統(tǒng)在車身焊接中的應(yīng)用。

 【點焊機器人系統(tǒng)】

車身點焊的質(zhì)量直接影響著汽車車身強度和使用安全性。點焊設(shè)備因易于機械化、成本較低廉、技術(shù)成熟且配套設(shè)施完善，在汽車車身的生產(chǎn)中應(yīng)用得最為廣泛。現(xiàn)在，點焊焊接過程完全自動化已成為趨勢，機器人點焊系統(tǒng)已得到廣泛應(yīng)用，正逐步取代手工點焊。

1．氣動點焊機器人系統(tǒng)

氣動點焊機器人系統(tǒng)包括機器人本體、機器人控制器、點焊控制器、自動電極修磨機、氣動點焊鉗和水氣供應(yīng)的水氣控制單元等，如圖1所示。

圖1氣動點焊機器人系統(tǒng)

氣動焊鉗作為點焊機器人的執(zhí)行機構(gòu)，目前普遍采用了一體化焊鉗，就是焊接變壓器裝在焊鉗后面，減少了二次電纜的損失，提高焊接質(zhì)量。由于采用一體化焊鉗，變壓器必須盡量小型化，提高機器人有效負載。對于容量較大的變壓器，已開始采用中頻逆變技術(shù)：把50Hz工頻交流變?yōu)?00～1000Hz交流再整流，使變壓器體積減少、減輕。

氣動焊鉗電極組件形式上與手工焊接焊鉗基本相似，完成與工件接觸及通電焊接作用，為降低維護改造成本，焊鉗組件有模塊化的趨勢。點焊機器人動作穩(wěn)定可靠，重復(fù)精度高，可代替人的繁重體力勞動，并且提高了焊接質(zhì)量，提高了生產(chǎn)線柔性。

2009年，上汽乘用車公司南京基地新建10萬輛榮威350系列轎車AP11焊接生產(chǎn)線。該線從日本FANUC公司引進49臺六軸氣動點焊機器人，應(yīng)用在工藝要求較高的車身下車體總成焊接工位、側(cè)圍總成及車身本體的裝配焊接上。

在成功新建AP11主線后，上汽乘用車公司南京基地于2011年在AP11基礎(chǔ)上建設(shè)MG5車型生產(chǎn)線時，再次引進引進日本FANUC公司的10臺點焊機器人，用于6萬輛生產(chǎn)能力的AP12主線上，應(yīng)用在工藝質(zhì)量要求較高的車身下車體總成焊接工位、側(cè)圍部件、側(cè)圍總成及車身本體的裝配焊接上。

與原AP11主線不同的是，建設(shè)投產(chǎn)的AP12主焊線與AP11線實現(xiàn)設(shè)備全部共用，充分滿足了柔性混線生產(chǎn)的需求，實現(xiàn)了短時切換或無需切換的全柔性生產(chǎn)模式。為節(jié)省建設(shè)成本及場地，我們將生產(chǎn)線多數(shù)工位上的一臺機器人改造為可帶兩把以上焊鉗或抓手工具，通過采用自動工具交換裝置可快速進行焊鉗間的切換。

2．伺服點焊機器人系統(tǒng)

為實現(xiàn)更高的焊接質(zhì)量并滿足性能要求，AP12線還引進采用了新型中頻點焊伺服焊槍控制技術(shù)。此系統(tǒng)可滿足高強/超高強度鋼板和多層板材的焊接，以適應(yīng)汽車輕量化與車身防撞安全不斷提高的要求。

伺服點焊機器人系統(tǒng)包括機器人本體、機器人控制器、中頻點焊控制器、自動電極修磨機和伺服點焊鉗等。伺服焊槍的優(yōu)點是傳統(tǒng)氣動焊機無法比擬的，其最大的特點是以伺服裝置代替氣動裝置，按照預(yù)先編制的程序，由伺服控制器發(fā)出指令，控制伺服電動機按照既定速度、位移進給，形成對電極位移與速度的精確控制，脈沖數(shù)目與頻率決定電極位移與速度，電動機轉(zhuǎn)矩決定電極壓力。

伺服焊槍具有增強診斷及監(jiān)控、簡化焊鉗設(shè)計、提高柔性、降低維修率、提高運行時間及減少生產(chǎn)成本（耗氣/備件/省電）等特點，將是未來汽車裝配生產(chǎn)線上應(yīng)用的主要設(shè)備。其中頻點焊的質(zhì)量和效率均遠高于工頻焊接，主要表現(xiàn)在以下幾方面：

（1）減少生產(chǎn)節(jié)拍機器人與焊鉗同步協(xié)調(diào)運動，大大提高了生產(chǎn)節(jié)拍，使焊點間及障礙物的跳轉(zhuǎn)路徑最小化；可隨意縮短電極開口減小關(guān)閉焊鉗時間；焊接開始信號發(fā)出后可更快、更好地控制加壓；更快地更改焊接壓力，其壓力調(diào)節(jié)速度可達200kgf/cycle（98N/ms）；能夠很好地避免和抑制飛濺，有效保證和提高焊接質(zhì)量；焊接完成信號發(fā)出后可更快打開焊鉗；減少電極更換及修磨時間；換槍、電極修磨及更換后快速標定。

（2）提高焊接質(zhì)量軟接觸可實現(xiàn)極少的產(chǎn)品沖擊，還可以減小噪聲；高精確度的可重復(fù)性加壓；焊接中精確恒壓控制；焊接過程中壓力可實現(xiàn)調(diào)整；更穩(wěn)定的電極管理及控制等。

相對氣動焊槍，伺服焊槍的漸進和預(yù)壓過程是影響焊接效率的兩個關(guān)鍵階段。可編程電極行程和速度可以縮短同一工位上多個焊點的漸進時間，也可以提高焊接生產(chǎn)率。以預(yù)壓為例進行分析，圖2所示為氣動焊槍和伺服焊槍在焊接過程中電極力的變化，假定達到設(shè)定預(yù)壓力，電極力將保持恒定。如表所示，伺服焊槍焊接的一個焊點可節(jié)省0.44s，以一臺轎車約3500～5000個焊點為例，將節(jié)省26～37min的焊接時間，生產(chǎn)率得到極大提高，車身焊裝線的生產(chǎn)能力大大提升。

圖2氣動焊槍和伺服焊槍在焊接過程中電極力的變化

氣動焊機和伺服焊槍的預(yù)壓時間對比

 弧焊機器人系統(tǒng)

汽車車身結(jié)構(gòu)的特點決定了車身制造離不開弧焊技術(shù)。傳統(tǒng)手工弧焊焊接時的火花及煙霧對人體造成危害較大，工作環(huán)境惡劣，且對工人技能要求更高，焊縫質(zhì)量一致性差，波動也較大。特別是汽車的重要結(jié)構(gòu)安全件，其焊接質(zhì)量對汽車的安全性起著決定性的作用，因此整車廠有逐步采用自動化弧焊機器人替代手工方式的趨勢。

圖3弧焊機器人系統(tǒng)

對車身弧焊機器人工作站的設(shè)計規(guī)劃應(yīng)首先考慮是否滿足生產(chǎn)綱領(lǐng)、工作站的柔性和焊接質(zhì)量，以及機器人及焊槍的選型及電控設(shè)計。具體內(nèi)容包括：

機器人系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)包括有效載荷、軸數(shù)、各軸的自由度范圍及控制系統(tǒng)等。

機器人工作范圍及姿態(tài)，充分考慮車身形式和弧焊點位置、夾具形式。通過3D設(shè)計模型仿真模擬干涉危險點的焊接，對焊槍及夾具的形狀、機器人操作位置等進行反復(fù)修改，確定方案再進行可行性論證及設(shè)計修正。

確定機器人的高度及與前后左右距離，確保所有弧焊點機器人焊槍可達。進行優(yōu)化設(shè)計最可靠的方法是通過機器人仿真軟件模擬實際的焊接工作，具體方法是加入工位夾具、工件及焊槍的3D模型，在虛擬環(huán)境進行工作站的裝配和調(diào)試，路徑模擬，發(fā)現(xiàn)是否干涉，以此調(diào)整各部分的相對尺寸達到最佳。

工藝時序設(shè)計，控制流程圖設(shè)計。弧焊機器人工作站的設(shè)備構(gòu)成包括弧焊機器人、機器人控制器、焊機、清槍系統(tǒng)、輸送系統(tǒng)、焊接夾具、排煙除塵設(shè)備、安全防護網(wǎng)、弧光遮擋簾和水電氣單元等。

上汽乘用車公司南京基地榮威350/MG5車型生產(chǎn)線采用了4臺日本FANUC公司的弧焊機器人及奧地利Fronius公司先進的CMT焊機系統(tǒng)（具備“冷”金屬過渡焊接技術(shù)）。CMT焊接技術(shù)系統(tǒng)的特點是：作為完全的“冷”技術(shù)，近乎無電流狀態(tài)下的熔滴過渡，低熱輸入量；能夠進行薄板/超薄板焊接；確保無飛濺過渡，減少了焊后清理工作；引弧可靠，良好的搭橋能力使得焊接過程操作容易；焊接過程送絲穩(wěn)定，焊接工藝專家數(shù)據(jù)庫化，簡化縮短工藝調(diào)試過程等。

 結(jié)語

作為一種大眾商品，人們對轎車的要求不僅是美觀舒適，而且還要結(jié)實耐用。這就要求白車身既要有足夠的焊接強度，又要有合格的外觀質(zhì)量。點焊機器人和弧焊機器人系統(tǒng)作為一個靈活、獨立的焊接加工單元給大批量、高效率和高質(zhì)量進行流水線的汽車制造提供了有利保障，讓高柔性化的短時彈性生產(chǎn)也成為可能。