汽车门槛焊接总成机器人工作站规划

GXF360 2017-12-24

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徐永吉

【摘要】以汽车结构上门槛焊接总成（左右件）为参考部件，综合考虑产品结构、年生产纲领、设备成本、客户需求等因素，结合焊接工艺、机械加工、电气原理等知识领域，合理规划焊接机器人工作站，满足一定的自动化程度和实际产能要求。根据实际项目经验，提出焊接工作站规划时应注意的相关问题。

关键词：门槛；生产纲领；机器人；工作站

1. 概述

随着近年来汽车发展态势良好，量大质优是企业追逐目标，也是企业赖以生存的根本之一。同时工业4.0发展革新，也带动汽车生产向智能化、自动化跃进，焊接机器人因其重复精度高、执行动作稳定等优点，在汽车制造行业应用越来越广泛。

汽车焊接机器人工作站规划在零部件生产线中起关键作用，涉及到基建、水路、电路、气路、非标机械设计、智能控制系统等领域，工作站规划优秀等级直接决定后期量产的产品质量、节拍、物流转运、安全等方面。

文中介绍某汽车车型门槛焊接总成的焊接机器人工作站规划，该部件使用电阻点焊，牵涉螺母凸焊不再详细介绍。通过对点焊机器人特点介绍、部件焊装工艺分析、部件焊接工作站布局及焊接工作站规划注意问题进行阐述。

2. 门槛焊装工艺分析

（1）产品背景该车型属于市场占有率很高的一款家庭轿车，文中对该车型的门槛焊接总成左右件进行生产规划，除人工上下料外，实现焊接自动化，自动化率达到100%，产品如图1所示。

（2）焊接工作站规划焊接线体工作站主要参考部件年度生产纲领、自动化程度、部件复杂程度、焊点信息（数量、位置），以及设备成本等综合因素，在保证焊接工艺和质量良好的前提下，对工作站进行有效规划。

第一，生产节拍：通过车型年度生产纲领，表述生产节拍。规划要求年生产量为30万台，全年工作天数为250天，每天两班，每班工作10h，设备开动率0.85，单个产品生产节拍T=251s/件，JPH约为每小时60件。

第二，焊点信息：该部件焊点数量25个，均为两层板焊点，通过门槛数模图看出，该部件结构复杂程度适中，焊点分布均匀，间距设计符合常规设计要求，通过三维仿真模拟焊点位置，焊接过程焊钳不会干涉工件，满足基本焊接工艺要求。左右件焊点数量一致，位置对称，夹具设计可对称设计。

图1 门槛焊接总成

第三，设备成本：门槛件在焊接过程中考虑焊点全自动化焊接，即使用点焊机器人完成所有焊点焊接，而夹具上的上料、下料通过人工完成，物流转运通过人机实现。

要求通过焊接工作站能清晰看到单班产量数字屏幕，便于统计日产量，同时满足机器人工作时间最大化、动作连贯协调化。

3. 焊接工作站规划

（1）焊接工作站方案根据产品背景、焊接工作站规划依据等信息，合理布局各个夹具和产品输出。焊接工作站主要包含焊接机器人、夹具、外围设备、电气设备等硬件及软件设施，待设计、制造完成后，进行后期安装、调试，完成产品焊接。

第一，点焊机器人：市场占有率较大工业机器人主要有ABB、KUKA、FANUC、Yaskawa等，其中点焊机器人为工业机器人一种，也是汽车行业应用最广泛的焊接机器人。考虑到机器人工作灵活度、后期新产品项目导入，选用6轴自由度机器人，重复定位精度 ± 0. 05 mm，每个轴均采用交流伺服电动机驱动，最大负载为180 kg，如图2所示。规划时按照圆周直径5m旋转的工作范围作参考。机器人点焊系统由点焊机器人系统（操作机和机器人控制器）、系统控制器、触摸屏、焊接控制器、焊枪单元（焊枪和变压器）及点焊辅助设备（净化电源、压缩空气单元、冷却水单元、电极修磨器）构成，其系统控制器组成如图3所示。通过PLC信号对接，实现控制转台转动和自动修电极帽。

点焊机器人在汽车行业应用，有效地提高了汽车焊装的产量和质量，具有柔性焊接的特点，内部控制系统能实现一机多焊功能。为保证生产节拍和产品质量，从工时角度考虑上下料、机器人空程、焊接时间、按钮启动、工件转运，单个零件的25个焊点需大致均分至两台焊接机器人，完成焊接。

第二，焊接夹具：为了保证每个单件上料时定位准确、单工位焊接完成后及再次分总成上料方便，夹具设计需满足上述要求，对型面定位和主副定位孔要在规定误差范围内，同时也要满足夹紧、支撑作用。考虑整个夹具的长度和宽度，从人机工程上考虑夹具整体高度。

第三，外围和电气设备：在保证设备良好运转的前提下，规划时还应考虑操作安全性、车间占地面积等因素，如光栅、安全门、信号控制、水电气管路排布等。

（2）门槛件焊接工作站布局该门槛焊接总成为左右件，按照上文生产节拍和焊点分析，每个工件需要两个夹具、两台机器人焊接，考虑整体生产节拍和后期产品爬坡，在两工件共使用四台机器人的基础上，再增加一台机器人作为辅助，可使JPH达到每小时60辆。焊接工作站布局如图4所示。

图2 点焊机器人

图3 机器人点焊控制系统

图4 门槛焊接工作站平面布局

1.机器人本体和焊钳系统 2.机器人底座 3.围栏 4.PLC控制器 5.机器人电气柜 6.安全门7.修磨控制器 8.修磨机 9.夹具平台 10.夹具动作控制按钮 11.屏幕显示器 12.卷帘门

机器人多工位的配合焊接，增大最后程序调试工作难度，需要机器人焊接动作的连贯性和协调性，该布局可以使机器人在焊接的同时，装夹与焊接不冲突，实现机器人最短间歇焊接，使设备利用率最大化。

左侧两个夹具，从中间向左分别为A01、A02工位，A01工位负责零件初定位，A02工位负责补焊和新上件点焊，通过焊点（25个）分配至三个机器人，完成整个焊接工艺流程。

（3）三维仿真设计在整个焊接工作站完成初步规划后，对整个工作站进行仿真模拟，确认焊点分配，防止出现焊钳与夹具之间出现干涉，防止焊钳运动过程中出现两两之间干涉。通过仿真软件分析，按照正常焊点分配，避免上述情况发生，如图5所示。

针对门槛左件，ROBOT1（左3）分配焊点5个，ROBOT2（左2）分配焊点10个，ROBOT3（左1）分配焊点10个。门槛右件焊点分配同左件，满足生产节拍要求。

图5 门槛焊接工作站三维图

（4）焊接工作站操作顺序机器人工作站的工作顺序如下：首先接通机器人变压器、点焊控制器、系统控制箱、机器人控制箱各部分电源，再开起冷却水阀、气阀开关，要保证调出示教编程器内的主程序，将触摸屏上的选择开关旋至“遥控”档，然后就可以通过各个工位上的操作盒对工作站系统做重复操作。例如，A01工位由人工上件，按A01工位夹具上操作盒的“辅助”按钮和“夹紧”（双手操作保证人员安全），则气动夹具夹紧工件，退出卷帘门后，按外围设设备上总操作盒，按A01的“启动”按钮，机器人根据已经编好的运动程序，开始A01工位焊接。同时A02工位人工上件，按A01工位夹具上操作盒的“辅助”按钮和“夹紧”，退出卷帘门后，按外围设设备上总操作盒，按A02的“启动”按钮，工位准备焊接工作预约成功。当机器人焊完A01工位的焊接任务后，自动旋转至A02工位焊接，至焊接完成，同时在焊接A02的时候，人工可开始A01工位上件操作。

多个机器人协调工作，需要靠PLC控制系统完成，PLC与机器人外部输入、输出端口的通信，由 PLC编写的逻辑信号经DeviceNet传给机器人外部输入端，编写的机器人梯形图将信号转为机器人专用输入信号，机器人的专用输入信号和控制输入信号经梯形图转换传给PLC控制系统，信号之间来回接收和传递，使系统更稳定，焊接重复精度更高。