白車身焊接技術(shù)的研究進(jìn)展*

崔洪剛　汪永超　唐　浩

(①廣東工業(yè)大學(xué)，廣東 廣州 510006；②河源廣工大協(xié)同創(chuàng)新研究院，廣東 廣州 517025)

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白車身焊接技術(shù)的研究進(jìn)展*

崔洪剛①汪永超②唐浩②

(①廣東工業(yè)大學(xué)，廣東 廣州 510006；②河源廣工大協(xié)同創(chuàng)新研究院，廣東 廣州 517025)

汽車白車身焊接在汽車工業(yè)中占有重要地位，隨著白車身焊接技術(shù)的發(fā)展和機(jī)器人在焊接生產(chǎn)線中的應(yīng)用，提高了白車身焊接的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。由于汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，對白車身焊接和焊接機(jī)器人提出更高的要求。這就需要解決單臺焊接機(jī)器人或多臺機(jī)器人組成的焊接系統(tǒng)出現(xiàn)干涉多、余量少的問題，同時使機(jī)器人快速、高效率地完成各個焊點(diǎn)的焊接任務(wù)。研究白車身焊接生產(chǎn)線中機(jī)器人的路徑規(guī)劃,具有重要的理論研究價值與廣闊的應(yīng)用前景。

白車身；焊接；機(jī)器人；路徑規(guī)劃

針對這些要求，機(jī)器人的出現(xiàn)為汽車白車身的焊接過程帶了新的發(fā)展，采用機(jī)器人技術(shù)，可以降低制造成本，提高設(shè)備利用率和工作效率，提高焊接質(zhì)量，為實(shí)現(xiàn)柔性自動化生產(chǎn)注入前所未有的生機(jī)。

1　焊接技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1焊接技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

目前，隨著焊接技術(shù)的發(fā)展，各大汽車生產(chǎn)廠家的白車身焊接從傳統(tǒng)的電阻焊技術(shù)，輔助以少量的弧焊工藝逐漸向激光焊接技術(shù)、機(jī)器人焊接技術(shù)、等離子焊接技術(shù)、膠接電焊技術(shù)等新型焊接技術(shù)轉(zhuǎn)變。

新型電阻焊技術(shù)，包括中頻電阻焊、伺服點(diǎn)焊鉗、一體式點(diǎn)焊鉗，更適應(yīng)目前新型車身材料的焊接。中頻電阻焊能夠控制焊接質(zhì)量，在配置新型控制器后，可以凈化焊接環(huán)境；能夠降低焊接壓力。伺服點(diǎn)焊鉗在高強(qiáng)度鋼板、鍍鋅鋼板、不同厚度工件的電焊中有著出色的應(yīng)用。一體式點(diǎn)焊鉗，縮短了焊接二次回路，能夠節(jié)約能源降低維護(hù)成本，同時減少了強(qiáng)磁場對人體的傷害[3]。

激光焊接技術(shù)包括激光釬焊、激光熔焊、激光復(fù)合焊等，激光焊接的速度快，焊接深度大，產(chǎn)生的熱變形小，改善車身機(jī)械力學(xué)性能，而焊接設(shè)備裝置簡單。激光聚焦后,功率密度高,對難熔材料及異種材料有良好的焊接性能。非接觸式遠(yuǎn)距離焊接使激光焊接靈活度高，焊接定位準(zhǔn)確，可自動化程度高。如圖1所示，激光焊接技術(shù)在白車身頂蓋焊接中的應(yīng)用[4]。

摩擦攪拌點(diǎn)焊技術(shù)(FSW spot welding)是英國焊接研究所(TWI)研發(fā)的專利焊接技術(shù)，能夠?qū)Σ煌牧系谋“暹M(jìn)行點(diǎn)焊，非常適用于汽車鋁與鋼、鋁合金的車身件焊接?？蛇M(jìn)行不同焊接位置和多種接頭形式的連接。

冷金屬過渡焊接(cold metal transfer 簡稱 CMT)是在傳統(tǒng)電弧焊基礎(chǔ)上發(fā)展起來的精確控制型電弧焊方法和工藝，能夠在焊絲運(yùn)動和熔滴過渡之間形成一個聯(lián)系，通過這個聯(lián)系能夠保證這種工藝實(shí)現(xiàn)熱輸入量小、變形小、無飛濺等特點(diǎn)[5]。

1.2機(jī)器人在焊裝生產(chǎn)線的發(fā)展現(xiàn)狀

采用MATLAB軟件，對成都地鐵4號線來龍站—明蜀王陵站間的追蹤間隔進(jìn)行了模擬計(jì)算，發(fā)現(xiàn)在不對緊急制動距離進(jìn)行優(yōu)化時，正線的追蹤間隔為100 s(見圖5)；當(dāng)在列車進(jìn)站前450 m的區(qū)域設(shè)置36 km/h的功能限速時，可得到最小的追蹤間隔78 s(見圖6)；當(dāng)功能限速值更低或限速區(qū)域更長時，不會再降低追蹤間隔，反而會使得追蹤間隔增大。

汽車車身焊裝線從最初的使用懸掛式點(diǎn)焊機(jī)進(jìn)行人工作業(yè)，發(fā)展到多點(diǎn)自動焊接技術(shù)的運(yùn)用和簡單的人工操作機(jī)械手作業(yè)，進(jìn)入20世紀(jì)以來，高度自動化、柔性化、多工位混流機(jī)器人焊裝自動線已經(jīng)成為汽車白車身焊裝的主流。目前機(jī)器人在白車身焊裝生產(chǎn)線中的應(yīng)用主要有：點(diǎn)焊、弧焊、滾邊、搬運(yùn)、裝配、檢測等[6]。

國外在機(jī)器人焊裝線方面的研究應(yīng)用處于領(lǐng)先地位，在美國、日本、德國等汽車工業(yè)較為發(fā)達(dá)的國家，機(jī)器人在汽車焊裝線中的應(yīng)用已經(jīng)極為普遍和成熟。美國通用汽車的機(jī)器人焊裝自動線，使用“模塊化”和“柔性化”設(shè)計(jì)車身焊接夾具，使得焊裝線使用更為靈活，能夠適應(yīng)多種車型的焊裝。德國大眾(Volkswagen)汽車公司的“高爾夫”、“寶來”焊裝廠使用混流柔性焊裝線，采取先進(jìn)焊接技術(shù)，日產(chǎn)量達(dá)到2 400輛。目前，國外機(jī)器人在焊裝生產(chǎn)線中的應(yīng)用發(fā)展有如下幾個趨勢:由適用于單一車型向著適用多車型的柔性化發(fā)展；焊裝線裝備結(jié)構(gòu)和控制方法向著結(jié)構(gòu)復(fù)雜、機(jī)器人系統(tǒng)集成控制發(fā)展；由人工作業(yè)、半自動化作業(yè)向著系統(tǒng)集成控制的方向發(fā)展[7]。

我國這方面的研究起步較晚，但在機(jī)器人的整機(jī)設(shè)計(jì)、關(guān)鍵零部件及周邊設(shè)備的設(shè)計(jì)開發(fā)、機(jī)器人應(yīng)用等方面取得了很大進(jìn)展。資料顯示，2014年全國工業(yè)機(jī)器人銷售 3.7 萬臺，汽車行業(yè)運(yùn)用最多，焊裝生產(chǎn)線是使用機(jī)器人最多的部位。湖北恒力達(dá)焊接裝備公司為東風(fēng)小康重慶工廠 SUV 車型生產(chǎn)的焊裝生產(chǎn)線，整體自動化程度超過 60%?？稍趦煞职腌妰?nèi)，將一堆沖壓鋼板經(jīng)過底盤、側(cè)圍、頂蓋、總拼等工位，焊成一臺完整的白車身。圖2所示為寶馬鐵西工廠的焊裝生產(chǎn)線，該生產(chǎn)線高度自動化，智能化，采用了最新的焊接技術(shù)，極大地提高了焊裝效率和焊裝質(zhì)量。

我國在機(jī)器人焊裝生產(chǎn)線方面的研究應(yīng)用現(xiàn)狀主要表現(xiàn)在以下幾個方面:設(shè)計(jì)開發(fā)的機(jī)器人焊裝生產(chǎn)線及機(jī)器人工作站的整體性能與國外水平有一定差距；焊裝線系統(tǒng)控制在生產(chǎn)線的多級、多總線控制及聯(lián)網(wǎng)水平方面仍較為落后；大型、專業(yè)的應(yīng)用工程軟件的開發(fā)基本處于空白；目前研究重點(diǎn)在機(jī)器人作業(yè)系統(tǒng)的周邊裝備及控制系統(tǒng)上。總之，我國機(jī)器人焊裝線的自動化程度及裝備的設(shè)計(jì)制造水平和國外先進(jìn)水平仍有很大距離，焊裝生產(chǎn)線的關(guān)鍵技術(shù)和機(jī)器人設(shè)備的自主研發(fā)仍需進(jìn)一步提升。

2　機(jī)器人焊接路徑規(guī)劃的研究現(xiàn)狀及分析

在焊裝生產(chǎn)線中，白車身焊接任務(wù)一般較為繁重，對單臺焊接機(jī)器人而言，滿足工作需求較為困難，所以一般需要多臺焊接機(jī)器人相互協(xié)作完成復(fù)雜的焊接任務(wù)。多臺焊接機(jī)器人系統(tǒng)中對單臺機(jī)器人本身要求不高，但需要整個系統(tǒng)在任務(wù)、空間與時間上有較好的分布性，在信息、資源和功能上能有一定互補(bǔ)。由于工位設(shè)備多，機(jī)器人工作空間有限，機(jī)器人與機(jī)器人難免發(fā)生干涉，因此焊裝機(jī)器人路徑規(guī)劃的研究是焊裝生產(chǎn)線的重要一環(huán)。通過合理規(guī)劃機(jī)器人焊接路徑,可以減少機(jī)器人工位的生產(chǎn)時間,縮短整體工時,提高生產(chǎn)效率,降低生產(chǎn)成本。

傳統(tǒng)的機(jī)器人焊接路徑規(guī)劃方法一般是由設(shè)計(jì)人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)、工位上的焊點(diǎn)數(shù)量及焊接順序，對相應(yīng)的設(shè)備進(jìn)行焊接程序設(shè)計(jì)，這種方法缺少嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)理論依據(jù)，焊接方案也可能因人而異。涉及到多機(jī)器人協(xié)調(diào)加工時，易出現(xiàn)發(fā)生碰撞而損壞設(shè)備的情況，焊接順序設(shè)計(jì)不當(dāng)，路徑復(fù)雜，影響整線生產(chǎn)等問題。而且需要反復(fù)調(diào)試機(jī)器人，效率較低下。傳統(tǒng)的路徑規(guī)劃方法大多存在收斂過快、易陷入局部最優(yōu)和搜索率較低等缺陷。所以近年來,模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法等智能方法被廣泛用于機(jī)器人的路徑規(guī)劃[8]。在實(shí)際的焊接過程中,有很多因素影響機(jī)器人焊接路徑,在用上述算法求得優(yōu)化的路徑后,可以模擬實(shí)際的工作環(huán)境并模擬仿真其工作過程，進(jìn)而增加安全性,縮短了機(jī)器人不工作時間，降低了成本等。

國外較早開始針對機(jī)器人路徑規(guī)劃問題的研究，取得了巨大的成果。自1975年以來國外學(xué)者先后提出遺傳算法、人工勢場法、蟻群算法、粒子群算法等智能算法。每種算法都有其適用的場合和優(yōu)缺點(diǎn)。國內(nèi)關(guān)于機(jī)器人路徑規(guī)劃算法的研究晚于國外。

劉海江, 張春偉, 姜冬冬[9]通過建立白車身焊接中機(jī)器人關(guān)節(jié)包絡(luò)的簡化模型，根據(jù)多機(jī)器人之間啟動時間的不同和焊點(diǎn)的先后順序，提出一種機(jī)器人干涉規(guī)避算法，該算法能夠解決多機(jī)器人在焊接生產(chǎn)線上的動態(tài)干涉問題。并使用ROB-CAD軟件建立了如圖3所示的KUKA機(jī)器人仿真模型，能夠通過仿真實(shí)際工作環(huán)境和工作過程驗(yàn)證算法的真確性。

林巨廣, 湯東華[10]通過DELMIA仿真軟件以機(jī)器人補(bǔ)焊工作站為基礎(chǔ)，仿真分析了該機(jī)器人在電阻點(diǎn)焊中的應(yīng)用情況，確定了機(jī)器人數(shù)量選型，空間布置，以及焊槍設(shè)計(jì)等內(nèi)容。并通過對機(jī)器人焊接動作的模擬仿真分析，有效的避免了機(jī)器人運(yùn)動過程中的干涉。林巨廣、陳甦欣、戴淮初等[11]使用DELMIA仿真軟件建立了白車身底板焊接工藝模型，對機(jī)器人焊接路徑進(jìn)行了仿真分析，結(jié)合白車身底板焊接的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出蟻群算法的計(jì)算程序，從而優(yōu)化了焊接路徑，并通過仿真分析驗(yàn)證了蟻群算法的可行性。如圖4所示為使用蟻群算法對焊接路徑規(guī)劃的對比圖。

晁永生等[12]提出一種綜合運(yùn)用遺傳算法和仿真分析的求解方法，合理規(guī)劃多焊接機(jī)器人的焊接路徑，分析各個焊點(diǎn)的焊接順序，以最短的工位時間為優(yōu)化目標(biāo)，建立焊接路徑的數(shù)學(xué)模型，采用自適應(yīng)遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化。同時在eM-power平臺上進(jìn)行生產(chǎn)線的虛擬仿真，模擬優(yōu)化后的路徑，并將模擬結(jié)果作為優(yōu)化條件，調(diào)整焊點(diǎn)優(yōu)先順序，直至焊接全程路徑最優(yōu)。通過這種求解方法，有效地避免了焊槍與零件的干涉，提高了焊接的可靠性，大大縮短了路徑規(guī)劃的時間，同時也避免了在實(shí)際加工環(huán)境中因機(jī)器人與設(shè)備發(fā)生碰撞而損壞設(shè)備的情況發(fā)生，同時增加了焊接系統(tǒng)的柔性。如圖5所示為對焊接過程干涉情況進(jìn)行優(yōu)化前后的仿真分析對比圖。

吳迪[13]基于后端板兩道焊接工序路徑規(guī)劃的特點(diǎn)，結(jié)合前人對遺傳算法和蟻群算法對比研究的成果，使用基于路徑編碼的遺傳算法結(jié)合旅行商問題，處理后端板焊接工序一中的20個焊點(diǎn)；同時對后端板焊接工序二中44和88個焊點(diǎn)采用蟻群算法結(jié)合旅行商問題進(jìn)行路徑規(guī)劃，并對比得出最優(yōu)解。然后通過DELMIA仿真軟件搭建了點(diǎn)焊機(jī)器人工作站，對焊接工藝流程進(jìn)行仿真分析，對機(jī)器人焊接路徑進(jìn)行優(yōu)化，找到最優(yōu)的焊接方案。

趙碩[14]針對單臺焊接機(jī)器人的特點(diǎn)，建立焊接機(jī)器人路徑規(guī)劃的數(shù)學(xué)模型，采用粒子群算法對其進(jìn)行路徑規(guī)劃，并求解旅行商問題，最后使用MATLAB軟件驗(yàn)證求解的正確性。同時分析了多臺焊接機(jī)器人路徑規(guī)劃的約束條件和目標(biāo)，使用基于協(xié)同進(jìn)化的粒子群算法對多臺機(jī)器人焊接路徑規(guī)劃的算法，分析多臺機(jī)器人工作時易出現(xiàn)的干涉問題，建立防干涉模型，在MATLAB中編寫程序，證明了多臺焊接機(jī)器人路徑規(guī)劃的合理性，并通過對ROBCAD二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)對路徑規(guī)劃的仿真分析，再次驗(yàn)證了基于協(xié)同的粒子群算法的有效性。

趙娜[15]采用一種將遺傳算法和蟻群算法相融合的算法：遺傳蟻群算法。這種算法同時兼具遺傳算法和蟻群算法的優(yōu)點(diǎn)，可隨機(jī)搜索，具有全局收斂性，同時求解率較高。通過對白車身結(jié)構(gòu)和側(cè)圍焊接工藝流程的分析，建立焊接任務(wù)規(guī)劃的數(shù)學(xué)模型，對單機(jī)器人焊接路徑進(jìn)行優(yōu)化，并以雅閣側(cè)圍點(diǎn)焊為對象對多機(jī)器人協(xié)調(diào)點(diǎn)焊系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，在MATLAB軟件中進(jìn)行分析，驗(yàn)證了改進(jìn)后遺傳蟻群算法的正確性。

國內(nèi)學(xué)者通過對機(jī)器人焊接路徑建立數(shù)學(xué)模型，采用各種智能算法所建立的模型進(jìn)行優(yōu)化，得出最優(yōu)路徑，同時使用仿真軟件建立模型進(jìn)行仿真分析，進(jìn)而驗(yàn)證采用的智能算法對路徑規(guī)劃的有效性和正確性，同時能夠確定焊接過程最優(yōu)路徑。

3　結(jié)語

目前國內(nèi)外學(xué)者在白車身焊裝生產(chǎn)線的機(jī)器人應(yīng)用上投入了大量研究。隨著焊接技術(shù)及機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，極大的提高了白車身焊接的質(zhì)量和效率，同時更能適應(yīng)現(xiàn)階段汽車工業(yè)對白車身焊接的要求。通過對機(jī)器人焊接路徑的規(guī)劃更能推進(jìn)機(jī)器人的應(yīng)用，提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量。但同時對機(jī)器人路徑規(guī)劃結(jié)果的評價指標(biāo)較為單一，如何將評價指標(biāo)有機(jī)綜合評價規(guī)劃結(jié)果仍有待研究。

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(編輯汪藝)

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Research development of welding technology of body in white

CUI Honggang①，WANG Yongchao②，TANG Hao②

(①Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, CHN; ②Synergy Innovation Institute of GDUT, Guangzhou 517025, CHN)

The welding of body in white occupies an important position in the automotive industry. It could improve the quality and production efficiency of welding body in white with the development of welding technology and the application of robot in welding production line. Welding and welding robot was put forward higher request due to the continuous development of the automotive industry. This need to solve problem that composed of interference, less allowance about a single or welding system with more welding robots and make complete each solder welding robot tasks fast and efficient. The welding robot path planning in the production line has the important theoretical research value and broad application prospects.

body in white; welding; robot; path planning

TP242;TG409

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.08.002

崔洪剛，男，1976年生，講師，主要研究方向?yàn)橹悄苤圃?、智能?jì)算。

2015-02-03)

160813

*廣東省科技計(jì)劃:河源市優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)信息服務(wù)共享平臺研究(2015A040405007);國家火炬計(jì)劃項(xiàng)目:陽泉市科技型中小企業(yè)創(chuàng)新資源共享服務(wù)平臺(2015GH511343);廣東省科技計(jì)劃:瓷磚超高壓水切割和拼圖機(jī)器人系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用(2015B090922003)