摘要：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。焊接機器人系統(tǒng)有如下幾種形式：焊接機器人工作站、焊接機器人生產(chǎn)線、焊接專機。焊接機器人系統(tǒng)一般適合中、小批量生產(chǎn)，被焊工件的焊縫可以短而多，形狀較復(fù)雜?，F(xiàn)階段由于我國生產(chǎn)能力的提升、勞動力紅利的比較優(yōu)勢逐漸下降，在產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的政策之下，一些企業(yè)紛紛引入機器人代替原來的人工作業(yè)。所謂"機器人"多以"機械手臂居多"，主要是指一種智能化的生產(chǎn)工具。本次研究選擇焊接機械器作為研究對象，探討其在汽車生產(chǎn)領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用

    關(guān)鍵詞：焊接機器人；汽車；機械手

前言

     隨著汽車制造業(yè)對焊接精度和速度等指標(biāo)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。

    焊接技術(shù)作為制造業(yè)的傳統(tǒng)基礎(chǔ)工藝與技術(shù)，在工業(yè)中應(yīng)用的歷史并不長，但它的發(fā)展卻是非常迅速的。焊接機器人是在工業(yè)機器人基礎(chǔ)上發(fā)展起來的先進焊接設(shè)備，是從事焊接（包括切割與噴涂）的工業(yè)機器人，主要用于工業(yè)自動化領(lǐng)域，其廣泛應(yīng)用于汽車及其零部件制造、摩托車、工程機械等行業(yè)，在汽車生產(chǎn)的沖壓、焊裝、涂裝、總裝，四大生產(chǎn)工藝過程都有廣泛應(yīng)用，其中應(yīng)用最多的以弧焊、點焊為主。

    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。

    典型的焊接機器人系統(tǒng)有如下幾種形式：焊接機器人工作站、焊接機器人生產(chǎn)線、焊接專機。焊接機器人系統(tǒng)一般適合中、小批量生產(chǎn)，被焊工件的焊縫可以短而多，形狀較復(fù)雜。柔性焊接線特別適合產(chǎn)品品種多，每批數(shù)量又很少的情況下采用。焊接專機適合批量大、改型慢的產(chǎn)品，對焊縫數(shù)量較少、較長，形狀規(guī)矩的工件也較為適用，至于選用哪種自動化焊接生產(chǎn)形式，需根據(jù)企業(yè)的實際情況而定。

1焊接機器人概述

    從應(yīng)用的角度觀察，焊接機器人的工作原理相對簡單，主要代替原來的人工勞作，但其特征主要體現(xiàn)在連續(xù)性、系統(tǒng)性、編程控制方面。其原理主要是通過電腦編程，在視頻監(jiān)控或數(shù)據(jù)監(jiān)控狀態(tài)下實現(xiàn)單軸運動、系統(tǒng)協(xié)調(diào)運動，以達到生產(chǎn)工藝要求；操作過程中需要確定工作位置、操作參數(shù)、工作姿態(tài)的定位，程序命令啟動等。目前的焊接機器人的工作原理應(yīng)用主要動力來自于電力和壓力，其工作方法以機械運動為準(zhǔn)。從流程觀察，需要建立操作系統(tǒng)、傳感器控制、生產(chǎn)線狀態(tài)信號連接、異常信號警報。在具體的焊接操作中，根據(jù)編程可以對機器人實施相應(yīng)的工作狀態(tài)檢測、故障或錯誤自動化控制。概括起來講，焊接機器人的工作原理及應(yīng)用主要是通過PLC機器人按照焊接生產(chǎn)工藝完成汽車相關(guān)部件生產(chǎn)的焊接動作，完成焊接任務(wù)。

2點焊機器人系統(tǒng)在汽車行業(yè)中的應(yīng)用

    縱觀整個汽車工業(yè)的焊接現(xiàn)狀，不難分析出汽車工業(yè)的焊接發(fā)展趨勢為：發(fā)展自動化柔性生產(chǎn)系統(tǒng)。而工業(yè)機器人，因集自動化生產(chǎn)和靈活性生產(chǎn)特點于一身，故轎車生產(chǎn)近年來大規(guī)模、迅速地使用了機器人。在焊接方面，主要使用的是點焊機器人和弧焊機器人。特別是近幾年，國內(nèi)的汽車生產(chǎn)企業(yè)非常重視焊接的自動化。如一汽引進的捷達車身焊裝車間的13條生產(chǎn)線的自動化率達80%以上，各條線都由計算機(可編程控制器PLC-3)控制，自動完成工件的傳送和焊接。焊接由R30型極坐標(biāo)式機器人和G60肘節(jié)式機器人共61臺進行，機器人驅(qū)動由微機控制，數(shù)字和文字顯示，磁帶記錄儀輸入和輸出程序。機器人的動作采用點到點的序步軌跡，具有很高的焊接自動化水平，既改善了工作條件，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)率，又降低材料消耗。

    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?，F(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。

    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(fù)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。

    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(yuǎn)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(biāo)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。

3弧焊機器人系統(tǒng)簡介

    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。

    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?；『笝C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。

4焊接機器人發(fā)展現(xiàn)狀

    隨著我國汽車工業(yè)的發(fā)展和對自動化水平要求的不斷提高，將為焊接機器人市場的快速增長提供了一個良好的機會。預(yù)計國內(nèi)企業(yè)對焊接機器人的需求量將以30%以上的速度增長。從機器人技術(shù)發(fā)展趨勢看，焊接機器人不斷向智能化方向發(fā)展，完全實現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)中機器人的群體協(xié)調(diào)和集成控制，從而達到更高的可靠性和安全性。而采用焊接機器人的汽車生產(chǎn)企業(yè)在高技術(shù)、高質(zhì)量、低成本條件下必將獲得高速發(fā)展，也必將為汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來新的生機。相信，在不久的將來，通過我們的共同努力，國內(nèi)汽車行業(yè)的焊接技術(shù)會逐步縮短與國外先進焊裝技術(shù)水平的差距，迎接WTO帶給汽車工業(yè)的機遇和挑戰(zhàn)。

    在焊接機器人的應(yīng)用過程中，焊縫跟蹤技術(shù)的應(yīng)用相普通，焊接機器人在進行焊接作業(yè)操作過程匯總，由于焊縫的過程可能會受到強弧光輻射、煙塵、飛濺、加工誤差、夾具精度、工件熱變形等因素的影響，必須特別注意這些因素的控制，避免出現(xiàn)焊炬偏離焊縫，導(dǎo)致焊接質(zhì)量出現(xiàn)問題，焊縫跟蹤技術(shù)的存在，在一定程度上可以結(jié)合焊接條件的變化，實時監(jiān)測出焊縫的偏差，并及時調(diào)整焊接路徑和焊接參數(shù)，有效的避免焊接過程中出現(xiàn)的質(zhì)量問題。 

    不斷的實踐工作經(jīng)驗表明，在焊接機器人系統(tǒng)中，電氣性能良好的專用弧焊電源，是確保焊接機器人使用性能的正常發(fā)揮的關(guān)鍵之一。焊接機器人所用的專用弧焊逆變電源大多都是單片微機控制的晶體管式弧焊逆變器，在精細(xì)的波形控制方法的焊接電源，可以在一定程度上確保焊縫烙寬以及烙深的一致性，促使焊接表面更加的美觀。因此在焊接機器人的應(yīng)用過程中，針對專用弧焊電源進行深入的研究非常重要。

    在焊接作業(yè)的操作過程中，離線編程與路徑規(guī)劃技術(shù)主要是指機器人編程語言的進一步擴展，其主要利用計算機圖形學(xué)的研究成果建立的機器人已經(jīng)工作環(huán)境的模型，并通過專業(yè)的算法，對焊接器件的圖形進行一定的控制和操作，是促使焊接機器人可以在設(shè)定好的軌跡規(guī)劃基礎(chǔ)上進行焊接作業(yè)，離線編程的另一現(xiàn)實基礎(chǔ)，是自動編程技術(shù)的應(yīng)用。通過應(yīng)用自動編程技術(shù)，為焊接機器人實現(xiàn)焊接任務(wù)、焊接參數(shù)、焊接路徑以及焊接軌跡的同時，輔助編程人員進行編程任務(wù)的一種技術(shù)。

    在實際工作過程中，多機器人協(xié)調(diào)控制技術(shù)主要是指為了完成某一項工作任務(wù)選行組織數(shù)量若干的機器人通過合作與協(xié)調(diào)組合成的一體系統(tǒng)，多機器人協(xié)調(diào)控制技術(shù)在應(yīng)用的過程中，主要是多焊接機器人系統(tǒng)安排某項任務(wù)之前，需要考慮如何根據(jù)實際的操作任務(wù)組織焊接機器人進行有效的工作。當(dāng)確定工作機制以后，就需要結(jié)合實際工作，考慮如何保持焊接機器人運動協(xié)調(diào)的一致性問題了。

5結(jié)論

    根據(jù)現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的趨勢機器人生產(chǎn)必然會越來越多的得到廣泛應(yīng)用，尤其是在對人體危害較大、安全性較低、生產(chǎn)質(zhì)量要求較高的崗位或生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，使用機械人具有一定的技術(shù)支持與可操作性。因此，在當(dāng)前的汽車生產(chǎn)中可以嘗試引入焊接機器人，并在這種崗位化、部分化的生產(chǎn)實踐中逐漸摸索、認(rèn)識機器人應(yīng)用的優(yōu)勢與不足，從而在未來的汽車行業(yè)的轉(zhuǎn)型發(fā)展為其大范圍的應(yīng)用積累一些經(jīng)驗，提高應(yīng)用水平與控制能力。

    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。