汽車焊裝中工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用

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摘要：基于我國(guó)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人在汽車焊裝領(lǐng)域的應(yīng)用越來越普及。通過運(yùn)用工業(yè)機(jī)器人不僅有效提高了汽車焊裝工藝效率，而且還提高了焊裝生產(chǎn)質(zhì)量，降低了故障率。工業(yè)機(jī)器人對(duì)汽車焊裝的自動(dòng)化控制主要是通過PLC實(shí)現(xiàn)，因此本文以工業(yè)機(jī)器人在企業(yè)焊裝領(lǐng)域中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)作為切入點(diǎn)，設(shè)計(jì)汽車焊裝工業(yè)機(jī)器人，分析工業(yè)機(jī)器人在汽車焊裝領(lǐng)域的具體應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人；汽車焊裝；PLC；應(yīng)用

引言

汽車焊裝是汽車制造的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，做好焊裝工藝質(zhì)量控制對(duì)汽車的整車質(zhì)量起著決定性作用。隨著智能制造技術(shù)的不斷發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人在現(xiàn)代制造行業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛。傳統(tǒng)的人工焊裝的操作模式不僅存在故障率高、工作效率低下的問題，而且還制約我國(guó)汽車制造整體發(fā)展質(zhì)量?；诠I(yè)機(jī)器人技術(shù)的汽車焊裝工藝成為現(xiàn)代汽車制造的重要組成部分，所以加強(qiáng)工業(yè)機(jī)器人在汽車焊接領(lǐng)域中的應(yīng)用研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1工業(yè)機(jī)器人在汽車焊裝領(lǐng)域應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)

工業(yè)機(jī)器人主要是用于制造生產(chǎn)的機(jī)器人系統(tǒng)，其主要包括機(jī)械部分、傳感部分以及控制部分。汽車焊裝是汽車制造的關(guān)鍵工藝，實(shí)踐證明加強(qiáng)焊裝工藝質(zhì)量對(duì)提高整車質(zhì)量至關(guān)重要。因此基于工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人在汽車焊裝領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)：首先工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用有助于降低工作強(qiáng)度，降低焊裝故障率。傳統(tǒng)的焊裝工藝采取的是人工操作模式，需要工作人員按照汽車結(jié)構(gòu)進(jìn)行裝配與焊接。根據(jù)統(tǒng)計(jì)依賴于人工焊裝的模式，會(huì)增加汽車生產(chǎn)的周期。例如在汽車搭接前后底板的焊裝操作中，采取人工焊接的方式，需要消耗兩個(gè)工人資源，而且在有限的空間內(nèi)容易限制焊接工的操作，影響焊接質(zhì)量，容易造成虛焊、漏焊等故障。而工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用則可以有效解決上述問題，通過利用工業(yè)機(jī)器人則可以準(zhǔn)確的對(duì)焊接點(diǎn)進(jìn)行定位，精準(zhǔn)的對(duì)拼接位置進(jìn)行焊接，規(guī)避了因空間狹小而造成的焊接質(zhì)量不合格的問題；其次工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用有助于提高焊接水平。工業(yè)機(jī)器人在汽車焊裝應(yīng)用最大的亮點(diǎn)就是提高了汽車焊裝的水平，優(yōu)化了汽車焊裝工藝。例如傳統(tǒng)的人工焊裝模式，由于在焊裝中受空間、專業(yè)技術(shù)等因素的限制，導(dǎo)致其焊接精準(zhǔn)度無法精準(zhǔn)控制，結(jié)果因焊點(diǎn)焊接順序不同造成汽車的偏差大小不同。而工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用則可以對(duì)焊接點(diǎn)進(jìn)行合理分配，按照工件焊接穩(wěn)定為先，兼顧工位位置和生產(chǎn)節(jié)拍的原則，有效的保證了點(diǎn)位工位焊接工件的精度和剛度；最次工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了汽車焊裝的自動(dòng)化，實(shí)現(xiàn)了對(duì)焊裝的全程可視化操作。利用工業(yè)機(jī)器人技術(shù)能夠?qū)秆b工藝進(jìn)行自動(dòng)化控制，通過機(jī)器人可視化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車整個(gè)生產(chǎn)流程的監(jiān)控，這樣可以及時(shí)分析焊裝缺陷等，并且第一時(shí)間采取相應(yīng)的解決措施。

2焊裝工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)

工業(yè)機(jī)器人是實(shí)現(xiàn)汽車焊裝自動(dòng)化生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)，焊接生產(chǎn)線主要包括在工位、右工位、執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及焊接機(jī)器人控制系統(tǒng)等。其具體設(shè)計(jì)方案如下：

2.1工業(yè)機(jī)器人整體需求

在汽車焊接制造中需要兩臺(tái)工業(yè)機(jī)器人之間相互配合，這樣可以在有效的空間內(nèi)完成對(duì)汽車車身的自動(dòng)焊接工作。以某汽車制造企業(yè)為例，該企業(yè)車身焊裝工藝采取兩臺(tái)工業(yè)機(jī)器人、四個(gè)焊接工作臺(tái)：第一個(gè)焊接臺(tái)是完成防撞桿的焊裝工藝、第二個(gè)焊接臺(tái)是對(duì)車身加強(qiáng)版的焊接工作、第三個(gè)則是對(duì)防撞桿和焊接鉸鏈部位進(jìn)行加強(qiáng)版焊接、第四個(gè)平臺(tái)的主要作用就是對(duì)窗框進(jìn)行焊接?；谲嚿砗秆b整體設(shè)計(jì)的要求，工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)需要具有以下功能：一是安全性。工業(yè)機(jī)器人在車身焊裝工藝中必須要具有足夠的安全性，保障各項(xiàng)操作系統(tǒng)在可控的前提下進(jìn)行操作；二是穩(wěn)定性。工業(yè)機(jī)器人在焊裝操作中必須要保證各項(xiàng)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，做好各個(gè)環(huán)節(jié)的銜接工作，防止因系統(tǒng)不穩(wěn)定而造成工業(yè)機(jī)器人出現(xiàn)軌跡偏離而造成虛焊或者漏焊等問題；三是靈活性。由于本次設(shè)置兩臺(tái)工業(yè)機(jī)器人同步操作，因此需要設(shè)置靈活的操作系統(tǒng)，保證工業(yè)機(jī)器人相互配合。

2.2焊接工業(yè)機(jī)器人硬件設(shè)計(jì)

焊接工業(yè)機(jī)器人在工作中必須要借助夾具等工具進(jìn)行操作：

2.2.1焊裝工裝夾具設(shè)計(jì)基于汽車焊裝工藝的規(guī)范化、自動(dòng)化以及集成化要求，焊裝夾具必須要滿足以下功能：一是夾具要能更準(zhǔn)確定位裝配和具有一定的夾緊力。這樣可以在焊機(jī)作業(yè)中能保證車身在點(diǎn)焊移動(dòng)時(shí)保持精準(zhǔn)的定位，防止出現(xiàn)移位。二是要充分考慮工裝零件的時(shí)間和成本。三是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，滿足一定的時(shí)間壽命。在具體的設(shè)計(jì)上：①工裝夾具材料的選擇。按照相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，焊裝夾具要根據(jù)不同的功能選擇相應(yīng)的材料，例如定位塊，由于其需要對(duì)車身進(jìn)行定位，因此需要選擇高強(qiáng)度的材料，一般為42CrMo，因此此種材料具有韌性好、強(qiáng)度高以及無明顯回火脆性的特點(diǎn)，尤其是經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理后其具有較高的疲勞極限。在調(diào)整墊片上選擇SPCC材料，在限位擋板上則要采取15rMn材料。②零件選型。驅(qū)動(dòng)氣缸是工裝夾具的重要零部件，在整個(gè)工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)中發(fā)揮巨大作用，因此在具體的零部件選擇上需要本著經(jīng)濟(jì)、質(zhì)量等原則，充分考慮其工作狀態(tài)性能后選擇德國(guó)TUENKERS驅(qū)動(dòng)氣缸。

2.2.2傳感器設(shè)計(jì)在汽車焊裝工藝中，工業(yè)機(jī)器人夾具動(dòng)作的完成需要通過氣壓回路的氣缸實(shí)現(xiàn)。一般工業(yè)機(jī)器人的每個(gè)氣缸中都會(huì)裝有電磁閥，這可以實(shí)現(xiàn)對(duì)氣缸的自動(dòng)化控制。本文設(shè)計(jì)的焊裝工業(yè)機(jī)器人采取三位五通的電磁閥型號(hào)。為了便于對(duì)工業(yè)機(jī)器人控制，在焊接平臺(tái)中安裝相對(duì)應(yīng)的氣缸，每個(gè)氣缸中安裝傳感器。由于本文選擇的是S7-200型號(hào)的PLC，因此在通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，夾具體識(shí)別信號(hào)和機(jī)器人的通訊接I/O輸出輸入點(diǎn)控制在200以內(nèi)并且設(shè)置兩個(gè)型號(hào)為EM223和EM221的I/O擴(kuò)張模塊。

2.2.3伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是工業(yè)機(jī)器人的核心，其主要完成對(duì)工業(yè)機(jī)器人的控制。本文設(shè)計(jì)的工業(yè)機(jī)器人伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要采取的電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，此種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不需要能量轉(zhuǎn)化，操作靈活，在工業(yè)機(jī)器人中的應(yīng)用較為廣泛。伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采取閉環(huán)控制系統(tǒng)（見圖1）所示，采用位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)控制，這樣能夠有效提升PLC的控制精度，尤其是設(shè)計(jì)模糊PID控制，可以對(duì)電機(jī)的速度進(jìn)行有效控制，達(dá)到控制工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)的目的，保證工業(yè)機(jī)器人在關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的時(shí)候可以更加精準(zhǔn)的操作。2.3軟件設(shè)計(jì)

2.3.1系統(tǒng)軟件的模塊化設(shè)計(jì)其主要包括程序：①指令模塊。機(jī)器人應(yīng)用程序由機(jī)器人為進(jìn)行作業(yè)而由用戶記述的指令以及其它附帶信息構(gòu)成。②程序解釋模塊。程序是控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的核心，工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)需要設(shè)置解釋模塊。③狀態(tài)監(jiān)控模塊。狀態(tài)監(jiān)控將機(jī)器人控制裝置的輸入/輸出信號(hào)、報(bào)警、暫存器等的值作為條件，由控制裝置本身來對(duì)這些條件進(jìn)行監(jiān)視，在條件成立時(shí)，執(zhí)行所指定的程序。具體見圖2所示。

2.3.2離線編程系統(tǒng)離線編程系統(tǒng)是控制工業(yè)機(jī)器人的重要系統(tǒng)，其可以實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制。利用編程離線控制系統(tǒng)可以通過控制器完成對(duì)工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡的控制，并且及時(shí)根據(jù)工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)出停止或者開始指令。離線編程系統(tǒng)主要從仿真、軌跡規(guī)劃、自動(dòng)編程模塊以及狀態(tài)檢測(cè)等方面入手。

3工業(yè)機(jī)器人在汽車焊裝領(lǐng)域的具體應(yīng)用

工業(yè)機(jī)器人在汽車焊裝領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。焊接變形是影響汽車焊接質(zhì)量的重要因素，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)則可以實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接點(diǎn)位的精準(zhǔn)控制。結(jié)合調(diào)查工業(yè)機(jī)器人在汽車焊裝領(lǐng)域中的應(yīng)用比較廣泛。因此本文主要是從車身主拼工位點(diǎn)焊工藝進(jìn)行分析。

3.1電阻焊原理

汽車車身常用的焊接方法主要包括：點(diǎn)焊、電弧焊、MIG焊等。由于現(xiàn)代汽車的車身使用大量的高強(qiáng)度薄體鍍鋅、合金等鋼板，因此在焊接工藝上需要選擇雙面點(diǎn)焊的工藝方式。電阻焊的原理就是利用在通電過程中電阻產(chǎn)生的熱量融化金屬母材，以此達(dá)到焊接的工藝過程。由于焊點(diǎn)質(zhì)量受諸多因素的影響，例如焊接電流、焊接壓力、焊接時(shí)間等等都會(huì)影響到點(diǎn)焊質(zhì)量。因此需要合理確定點(diǎn)焊工藝的參數(shù)。

3.2工業(yè)機(jī)器人焊裝的操作流程

工業(yè)機(jī)器人在焊接中的操作主要是采取氣動(dòng)自動(dòng)焊槍，根據(jù)汽車結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，自動(dòng)焊槍的外形是以X型為主，在處理特殊位置的焊接時(shí)采取異形焊槍。焊槍電流采取無極均勻調(diào)節(jié)，這樣可以滿足在任何條件下可靠焊接并且達(dá)到火花飛濺最小的目的。為了降低焊接變形程度，在焊接時(shí)需要采取大電流和短時(shí)間焊接的方案。例如在使用C型焊槍時(shí)，工業(yè)機(jī)器人首先按照預(yù)定的程度進(jìn)入焊接工位（焊裝工業(yè)機(jī)器人上下電極帽距離工位的位置要大于3mm），這樣可以為車身焊接中出現(xiàn)的變形等預(yù)留空間。當(dāng)自動(dòng)輸出裝置將車身傳出到焊裝預(yù)定平臺(tái)后，焊裝工業(yè)機(jī)器人啟動(dòng)焊接伺服系統(tǒng)，并且通過機(jī)械裝置將驅(qū)動(dòng)工業(yè)機(jī)器人動(dòng)臂使電極擠壓工件至焊接電流通過，同時(shí)機(jī)器人補(bǔ)償靜臂運(yùn)動(dòng)距離使靜電極帽擠壓工件，焊接回路接通。在車身鋼板受力發(fā)生變形后，工業(yè)機(jī)器人焊接電流就會(huì)瞬間增加將板材發(fā)熱熔化。當(dāng)然在焊接的過程中PLC通過焊接壓力以及焊接脈沖時(shí)間的控制達(dá)到焊點(diǎn)大小控制的效果。根據(jù)調(diào)查工業(yè)機(jī)器人焊接時(shí)間要持續(xù)在0.35-0.8s之間，這樣可以有效防止焊接中出現(xiàn)飛濺現(xiàn)象。工業(yè)機(jī)器人完成上述操作后，控制器就會(huì)迅速降低焊接電流，將焊接壓力維持在固定的點(diǎn)位，直到焊核冷卻發(fā)生固結(jié)。在車身焊接完成后，工業(yè)機(jī)器人動(dòng)臂和靜臂同步復(fù)位，電極桿釋放工件，工業(yè)機(jī)器人復(fù)位進(jìn)入下一個(gè)焊接點(diǎn)位。通過試驗(yàn)檢驗(yàn)，基于焊裝的工業(yè)機(jī)器人不僅能夠快速的完成焊裝工作，而且其在整個(gè)焊接作業(yè)中沒有與設(shè)備、夾具等發(fā)生碰撞，高效率的完成了汽車焊接作業(yè)。

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作者：南博 單位：三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院