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    隨著(zhù)汽車(chē)制造業(yè)對焊接精度和速度等指標提出的要求越來(lái)越高，以及用戶(hù)個(gè)性化需求的日益加強，為了滿(mǎn)足多車(chē)型、多批次的市場(chǎng)需求，提高車(chē)身車(chē)間生產(chǎn)能力的柔性和彈性，工業(yè)機器人在車(chē)身焊接中得到了廣泛應用。本文結合實(shí)例介紹了點(diǎn)焊機器人和弧焊機器人系統在車(chē)身焊接中的應用。

    轎車(chē)車(chē)身的結構和工藝在很大程度上決定了乘車(chē)的安全系數。車(chē)身本體是由十幾個(gè)大總成和數百個(gè)薄板沖壓件，經(jīng)點(diǎn)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雜薄板結構件。由于白車(chē)身所涉及的零件多、工藝復雜且設備類(lèi)型繁多，因此車(chē)身規劃對焊接工藝、裝焊夾具、質(zhì)量控制以及維護保養等都有較高的要求。本文結合實(shí)例重點(diǎn)介紹了點(diǎn)焊機器人系統和弧焊機器人系統在車(chē)身焊接中的應用。

【點(diǎn)焊機器人系統】

    車(chē)身點(diǎn)焊的質(zhì)量直接影響著(zhù)汽車(chē)車(chē)身強度和使用安全性。點(diǎn)焊設備因易于機械化、成本較低廉、技術(shù)成熟且配套設施完善，在汽車(chē)車(chē)身的生產(chǎn)中應用廣泛。現在，點(diǎn)焊焊接過(guò)程完全自動(dòng)化已成為趨勢，機器人點(diǎn)焊系統已得到廣泛應用，正逐步取代手工點(diǎn)焊。

1．氣動(dòng)點(diǎn)焊機器人系統

    氣動(dòng)點(diǎn)焊機器人系統包括機器人本體、機器人控制器、點(diǎn)焊控制器、自動(dòng)電極修磨機、氣動(dòng)點(diǎn)焊鉗和水氣供應的水氣控制單元等，如圖1所示。

圖1氣動(dòng)點(diǎn)焊機器人系統

    氣動(dòng)焊鉗作為點(diǎn)焊機器人的執行機構，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(kāi)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(dòng)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(diǎn)焊機器人動(dòng)作穩定可靠，重復精度高，可代替人的繁重體力勞動(dòng)，并且提高了焊接質(zhì)量，提高了生產(chǎn)線(xiàn)柔性。

    2009年，上汽乘用車(chē)公司南京基地新建10萬(wàn)輛榮威350系列轎車(chē)AP11焊接生產(chǎn)線(xiàn)。該線(xiàn)從日本FANUC公司引進(jìn)49臺六軸氣動(dòng)點(diǎn)焊機器人，應用在工藝要求較高的車(chē)身下車(chē)體總成焊接工位、側圍總成及車(chē)身本體的裝配焊接上。

    在成功新建AP11主線(xiàn)后，上汽乘用車(chē)公司南京基地于2011年在A(yíng)P11基礎上建設MG5車(chē)型生產(chǎn)線(xiàn)時(shí)，再次引進(jìn)引進(jìn)日本FANUC公司的10臺點(diǎn)焊機器人，用于6萬(wàn)輛生產(chǎn)能力的AP12主線(xiàn)上，應用在工藝質(zhì)量要求較高的車(chē)身下車(chē)體總成焊接工位、側圍部件、側圍總成及車(chē)身本體的裝配焊接上。

    與原AP11主線(xiàn)不同的是，建設投產(chǎn)的AP12主焊線(xiàn)與AP11線(xiàn)實(shí)現設備全部共用，充分滿(mǎn)足了柔性混線(xiàn)生產(chǎn)的需求，實(shí)現了短時(shí)切換或無(wú)需切換的全柔性生產(chǎn)模式。為節省建設成本及場(chǎng)地，我們將生產(chǎn)線(xiàn)多數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(guò)采用自動(dòng)工具交換裝置可快速進(jìn)行焊鉗間的切換。

2．伺服點(diǎn)焊機器人系統

    為實(shí)現更高的焊接質(zhì)量并滿(mǎn)足性能要求，AP12線(xiàn)還引進(jìn)采用了新型中頻點(diǎn)焊伺服焊槍控制技術(shù)。此系統可滿(mǎn)足高強/超高強度鋼板和多層板材的焊接，以適應汽車(chē)輕量化與車(chē)身防撞安全不斷提高的要求。

    伺服點(diǎn)焊機器人系統包括機器人本體、機器人控制器、中頻點(diǎn)焊控制器、自動(dòng)電極修磨機和伺服點(diǎn)焊鉗等。伺服焊槍的優(yōu)點(diǎn)是傳統氣動(dòng)焊機無(wú)法比擬的，其特點(diǎn)是以伺服裝置代替氣動(dòng)裝置，按照預先編制的程序，由伺服控制器發(fā)出指令，控制伺服電動(dòng)機按照既定速度、位移進(jìn)給，形成對電極位移與速度的精確控制，脈沖數目與頻率決定電極位移與速度，電動(dòng)機轉矩決定電極壓力。

    伺服焊槍具有增強診斷及監控、簡(jiǎn)化焊鉗設計、提高柔性、降低維修率、提高運行時(shí)間及減少生產(chǎn)成本（耗氣/備件/省電）等特點(diǎn)，將是未來(lái)汽車(chē)裝配生產(chǎn)線(xiàn)上應用的主要設備。其中頻點(diǎn)焊的質(zhì)量和效率均遠高于工頻焊接，主要表現在以下幾方面：

（1）減少生產(chǎn)節拍機器人與焊鉗同步協(xié)調運動(dòng)，大大提高了生產(chǎn)節拍，使焊點(diǎn)間及障礙物的跳轉路徑小化；可隨意縮短電極開(kāi)口減小關(guān)閉焊鉗時(shí)間；焊接開(kāi)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，其壓力調節速度可達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(kāi)焊鉗；減少電極更換及修磨時(shí)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(shí)現極少的產(chǎn)品沖擊，還可以減小噪聲；高精確度的可重復性加壓；焊接中精確恒壓控制；焊接過(guò)程中壓力可實(shí)現調整；更穩定的電極管理及控制等。

    相對氣動(dòng)焊槍?zhuān)欧笜尩臐u進(jìn)和預壓過(guò)程是影響焊接效率的兩個(gè)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(gè)焊點(diǎn)的漸進(jìn)時(shí)間，也可以提高焊接生產(chǎn)率。以預壓為例進(jìn)行分析，圖2所示為氣動(dòng)焊槍和伺服焊槍在焊接過(guò)程中電極力的變化，假定達到設定預壓力，電極力將保持恒定。如表所示，伺服焊槍焊接的一個(gè)焊點(diǎn)可節省0.44s，以一臺轎車(chē)約3500～5000個(gè)焊點(diǎn)為例，將節省26～37min的焊接時(shí)間，生產(chǎn)率得到極大提高，車(chē)身焊裝線(xiàn)的生產(chǎn)能力大大提升。

圖2氣動(dòng)焊槍和伺服焊槍在焊接過(guò)程中電極力的變化

氣動(dòng)焊機和伺服焊槍的預壓時(shí)間對比

弧焊機器人系統

    汽車(chē)車(chē)身結構的特點(diǎn)決定了車(chē)身制造離不開(kāi)弧焊技術(shù)。傳統手工弧焊焊接時(shí)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(dòng)也較大。特別是汽車(chē)的重要結構安全件，其焊接質(zhì)量對汽車(chē)的安全性起著(zhù)決定性的作用，因此整車(chē)廠(chǎng)有逐步采用自動(dòng)化弧焊機器人替代手工方式的趨勢。

圖3弧焊機器人系統

對車(chē)身弧焊機器人工作站的設計規劃應首先考慮是否滿(mǎn)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計。具體內容包括：

    機器人系統設計參數包括有效載荷、軸數、各軸的自由度范圍及控制系統等。

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

    確定機器人的高度及與前后左右距離，確保所有弧焊點(diǎn)機器人焊槍可達。進(jìn)行優(yōu)化設計可靠的方法是通過(guò)機器人仿真軟件模擬實(shí)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(jìn)行工作站的裝配和調試，路徑模擬，發(fā)現是否干涉，以此調整各部分的相對尺寸達到合理。

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

    上汽乘用車(chē)公司南京基地榮威350/MG5車(chē)型生產(chǎn)線(xiàn)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(jìn)的CMT焊機系統（具備“冷”金屬過(guò)渡焊接技術(shù)）。CMT焊接技術(shù)系統的特點(diǎn)是：作為完全的“冷”技術(shù)，近乎無(wú)電流狀態(tài)下的熔滴過(guò)渡，低熱輸入量；能夠進(jìn)行薄板/超薄板焊接；確保無(wú)飛濺過(guò)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(guò)程操作容易；焊接過(guò)程送絲穩定，焊接工藝專(zhuān)家數據庫化，簡(jiǎn)化縮短工藝調試過(guò)程等。