提高點(diǎn)焊機(jī)器人效率研究

姜典保，褚衛(wèi)東

(上海拖拉機(jī)內(nèi)燃機(jī)有限公司，上海 200433)

提高點(diǎn)焊機(jī)器人效率研究

姜典保，褚衛(wèi)東

(上海拖拉機(jī)內(nèi)燃機(jī)有限公司，上海 200433)

分別從焊接工藝的設(shè)計(jì)、機(jī)器人焊槍的選型、機(jī)器人運(yùn)動軌跡設(shè)計(jì)、焊接工裝設(shè)計(jì)和焊接規(guī)范選擇等方面詳細(xì)介紹了點(diǎn)焊用機(jī)器人常見的提高效率方法。

點(diǎn)焊機(jī)器人；生產(chǎn)效率

0 引言

機(jī)器人技術(shù)作為先進(jìn)制造技術(shù)的典型代表和主要技術(shù)手段，在提升企業(yè)技術(shù)水平、穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、實(shí)現(xiàn)文明生產(chǎn)等方面具有重大作用。我國焊接機(jī)器人的應(yīng)用主要集中在汽車、摩托車、工程機(jī)械、鐵路機(jī)車等行業(yè)，主要用于完成焊接、裝配、搬運(yùn)、加工、噴涂和碼垛等復(fù)雜作業(yè)。汽車是焊接機(jī)器人的最大用戶，也是最早的用戶。機(jī)器人按照在焊裝車間的用途可以分為：點(diǎn)焊機(jī)器人、弧焊機(jī)器人、涂膠機(jī)器人、螺柱焊機(jī)器人、裝配及持件機(jī)器人和激光焊接機(jī)器人。據(jù)統(tǒng)計(jì)，汽車制造和汽車零部件生產(chǎn)企業(yè)中的焊接機(jī)器人占全部焊接機(jī)器人的76%。在汽車行業(yè)中點(diǎn)焊機(jī)器人與弧焊機(jī)器人的比例為3∶2[1]。

從20世紀(jì)90年代，國內(nèi)的汽車車身制造廠開始引進(jìn)、應(yīng)用焊接機(jī)器人。這不僅提高了車身整車及零部件生產(chǎn)的自動化水平及生產(chǎn)效率，而且由于機(jī)器人焊裝生產(chǎn)線具有柔性，使汽車車身，特別是轎車車身的改型生產(chǎn)在技術(shù)上得到了基本解決，同時車身焊接的質(zhì)量也得到了保證。近幾年，隨著國內(nèi)汽車行業(yè)的迅猛發(fā)展，焊接機(jī)器人在汽車行業(yè)的應(yīng)用也越加廣泛。

因此，研究提高點(diǎn)焊機(jī)器人的效率對于現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)有深遠(yuǎn)的意義。作者就提高點(diǎn)焊機(jī)器人節(jié)拍在方法上進(jìn)行了初步系統(tǒng)的研究，研究如何使機(jī)器人的產(chǎn)能發(fā)揮到極致，提高機(jī)器人的工作效率。

1 焊接工藝設(shè)計(jì)

一般情況下，車身的焊接件在零件數(shù)模和焊點(diǎn)數(shù)模鎖定后，需要進(jìn)行焊接工藝的拆分，通過工藝拆分可以將整個車身拆分成不同的小焊接件總成。作為整車廠，在進(jìn)行整車工藝拆分時，不需要考慮各自拆分后的焊點(diǎn)信息；而作為零部件供應(yīng)商，如果采用機(jī)器人焊接，在初始設(shè)計(jì)車身焊接件小總成焊接工藝時，應(yīng)充分考慮如何提高機(jī)器人的效率。

因此，作為零部件供應(yīng)商，在設(shè)計(jì)焊接工藝拆分時，應(yīng)該做到在能保證零件尺寸的前提下，盡可能地使同一道序的焊點(diǎn)分布在相近的位置，盡可能地使同一道序的焊點(diǎn)在機(jī)器人焊接時用最少的姿態(tài)完成。

2 焊槍選型

點(diǎn)焊機(jī)器人的焊接動作主要是通過機(jī)器人末端的焊鉗來實(shí)現(xiàn)的，焊鉗電極驅(qū)動的形式如伺服驅(qū)動或氣缸驅(qū)動對焊接速度也有直接影響。

伺服焊鉗使用的是帶有數(shù)字控制的伺服電機(jī)，伺服焊鉗的動作可以通過PLC精確控制伺服電機(jī)來實(shí)現(xiàn)精確控制，即焊鉗的工作行程(開口)可以在一定范圍內(nèi)任意設(shè)定。而氣動焊鉗是用氣缸來實(shí)現(xiàn)其焊接動作，可以分為單行程和雙行程兩種形式，單行程焊鉗只有一個工作行程，而雙行程焊鉗有工作行程和輔助行程。氣動焊鉗在焊接零件的過程中只能以工作行程或是輔助行程進(jìn)入到焊點(diǎn)位置，然后實(shí)施焊接。

氣動焊槍在使用一定時間后需要對焊槍的氣缸進(jìn)行保養(yǎng)，如果時間長不保養(yǎng)，焊槍的氣缸阻尼會增大，相應(yīng)地電極臂的打開和夾緊動作速度也會降低，因此會影響到單個焊點(diǎn)的焊接速度，從而會影響整個焊接系統(tǒng)的節(jié)拍。而伺服焊槍則不會存在這種問題。

3 機(jī)器人軌跡

在初始工藝設(shè)計(jì)時，機(jī)器人工作站需要焊接的焊點(diǎn)數(shù)和位置是已知固定的，而焊接這些焊點(diǎn)的機(jī)器人軌跡可以隨意設(shè)計(jì)。一個工作站焊點(diǎn)的焊接順序?qū)υ摴ぷ髡菊麄€機(jī)器人系統(tǒng)的節(jié)拍影響較大，焊點(diǎn)的焊接順序也會影響零件的質(zhì)量。例如，對于一些初始安裝上的零件，需要一定數(shù)量的焊點(diǎn)固定，來保證零件的尺寸，因而這些關(guān)鍵的零件尺寸固定焊點(diǎn)需要先焊接。

因此，在能保證零件尺寸的前提下，盡可能地在焊槍一次進(jìn)槍過程中將鄰近焊點(diǎn)全部焊接完，這樣可以減少機(jī)器人不必要的進(jìn)槍動作，提高機(jī)器人節(jié)拍。

另外，機(jī)器人在焊接過程中，其運(yùn)動軌跡不是嚴(yán)格按照示教軌跡運(yùn)行的，兩段軌跡之間機(jī)器人自動以圓弧的形式將其進(jìn)行連接，因而與機(jī)器人示教點(diǎn)之間會產(chǎn)生大約毫米級的偏差，而這個偏差大小取決于在軌跡命令上是否有嚴(yán)格的位置等級要求。如首鋼MOTOMAN的ES165N點(diǎn)焊機(jī)器人位置精度從0～8共有9個不同的位置等級，在設(shè)定不同的位置等級時，其運(yùn)動軌跡接近示教點(diǎn)的程度會有所不同，如圖1所示。

圖1 設(shè)定不同的位置等級時，機(jī)器人

因此，設(shè)計(jì)機(jī)器人軌跡時，需要給機(jī)器人運(yùn)動軌跡和焊接工裝之間留下合適的空間供機(jī)器人運(yùn)動，在此基礎(chǔ)上，可以將機(jī)器人的運(yùn)動軌跡盡量簡單化，以減少機(jī)器人空行程的時間，其整體速度會有所提高。如圖2中的運(yùn)動軌跡就可以設(shè)計(jì)成圖3所示的運(yùn)動軌跡。

圖2 運(yùn)動軌跡示例

圖3 圖2中的運(yùn)動軌跡的簡化

此外，一般機(jī)器人焊接時，其運(yùn)動軌跡在接近焊點(diǎn)的位置有進(jìn)槍的程序點(diǎn)，焊接完成后有退槍的程序點(diǎn)。而機(jī)器人在焊接相鄰近的焊點(diǎn)時其運(yùn)動軌跡大都設(shè)計(jì)成如圖4所示，1和2表示焊點(diǎn)位置。

圖4 通常機(jī)器人焊接相鄰近的焊點(diǎn)時的進(jìn)、退槍軌跡

圖5 圖4 中的進(jìn)、退槍軌跡的簡化

為了提高機(jī)器人的節(jié)拍，加快機(jī)器人的運(yùn)動速度可以將鄰近焊點(diǎn)的焊接運(yùn)動軌跡設(shè)計(jì)成圖5所示的軌跡。這樣省去了機(jī)器人再次進(jìn)槍的動作，一次性完成機(jī)器人的移位和焊點(diǎn)位置的焊槍進(jìn)槍，減少機(jī)器人的運(yùn)行時間提高機(jī)器人的整體節(jié)拍。

4 焊接工裝設(shè)計(jì)

目前，在汽車制造行業(yè)點(diǎn)焊機(jī)器人的使用較多，而幾乎所有使用點(diǎn)焊機(jī)器人的制造廠家在進(jìn)行機(jī)器人PLC控制程序的設(shè)計(jì)時將程序設(shè)計(jì)為機(jī)器人焊接完成回作業(yè)原點(diǎn)后，焊接夾具才按順序逐步打開。

在汽車行業(yè)的整車廠或是車身零部件制造廠，焊接工裝一般是在PLC程序發(fā)出夾具打開信號后，夾具上的電磁閥收到信號后產(chǎn)生動作，這樣夾具會在壓縮空氣的作用下打開，而氣動工裝在打開過程中由于氣缸阻尼的作用下，完全打開需要時間，另一方面考慮到安全性，其打開速度也不應(yīng)設(shè)置得很快。

因此，在充分考慮安全性的前提下，可以將PLC程序設(shè)計(jì)成焊接完成焊槍移開到安全距離后夾具提前打開，這樣可以提前將零件拿出，節(jié)約工作時間，提高工作效率。而對于自動線這樣的設(shè)計(jì)效果則更為明顯。如整車廠的流水線，可以設(shè)計(jì)成機(jī)器人焊接完成后將夾具提前打開，再將焊槍移開到安全距離后，流水線即可提前運(yùn)動，提高整條生產(chǎn)線機(jī)器人的焊接效率。

5 PLC程序設(shè)計(jì)

單機(jī)機(jī)器人工作站有單工位和多工位兩種。在實(shí)際的焊接生產(chǎn)過程中，由于焊接工件形狀比較復(fù)雜，焊點(diǎn)多數(shù)分布在空間曲面上，而且工件與工裝夾具之間的空間較小，使焊鉗的可達(dá)性較差。這就要求在焊接過程中，在焊點(diǎn)不可達(dá)或焊鉗姿態(tài)不易調(diào)整的時候，先變換工件的位置然后進(jìn)行焊接，此時焊接工裝可能需要增加變位機(jī)，或是增加簡單的轉(zhuǎn)臺來滿足機(jī)器人焊接需要。

有轉(zhuǎn)臺或是變位機(jī)的焊接工裝，在焊接過程中需要變換零件的空間位置，此時機(jī)器人需要等待變位機(jī)動作完成后再進(jìn)行焊接，無論是單工位工作站還是多工位工作站只要有變位機(jī)都存在變位機(jī)動作時機(jī)器人等待焊接的現(xiàn)象。如果一幅焊接工裝需要兩次或是兩次以上的變位動作，則機(jī)器人需要等待更長的時間，會大大降低機(jī)器人的效率。

而對于多工位工作站來說，可以充分利用變位機(jī)動作時間，提高機(jī)器人效率。以3工位工作站為例，假設(shè)2號工位需要焊接工裝變位，則機(jī)器人的PLC程序邏輯和機(jī)器人動作程序可以按如下方法設(shè)計(jì)：首先，機(jī)器人在焊接2號工位的過程中，焊接到中途，由于需要變位機(jī)動作，機(jī)器人在與工裝無干涉區(qū)域等待變位機(jī)的動作完成，此時將機(jī)器人動作程序設(shè)計(jì)成變位機(jī)開始動作時如果1號工位已在預(yù)約狀態(tài)機(jī)器人去1號工位進(jìn)行焊接，1號工位焊接完成后機(jī)器人回到2號工位焊接未完成的焊點(diǎn)。如果3號工位在預(yù)約機(jī)器人則去3號工位焊接，待3號工位完成后，機(jī)器人繼續(xù)回到2號工位焊接工件。此時，PLC程序需要在安全性上做好充分的考慮。2號工位變位機(jī)在運(yùn)動時，PLC程序需要判別1號和3號工位是否已經(jīng)預(yù)約，如果1號在預(yù)約狀態(tài)而3號工位沒有預(yù)約，機(jī)器人則去1號工位焊接；如果3號在預(yù)約狀態(tài)而1號工位沒有預(yù)約，機(jī)器人則去3號工位焊接；如果1號和3號在都在預(yù)約狀態(tài)，則機(jī)器人去1號工位焊接，焊接完成后繼續(xù)回2號工位焊接。這樣可以省去機(jī)器人的等待時間，提高機(jī)器人的效率。

因此，合理利用機(jī)器人等待變位機(jī)動作的時間也是提高機(jī)器人效率的一種很實(shí)用的方法之一。

6 焊接規(guī)范選擇

點(diǎn)焊用焊接規(guī)范一般是根據(jù)板材材質(zhì)、板材的表面狀態(tài)及板材的厚度來制定的。對于裸板，大都選擇單脈沖的焊接規(guī)范，而對于鍍鋅板，需要有一定的預(yù)熱脈沖來實(shí)現(xiàn)焊接。目前，汽車行業(yè)越來越多的車型采用高強(qiáng)度鍍鋅鋼板，如上海通用的新君威、新君越和科魯茲等新車大都是采用高強(qiáng)度鍍鋅鋼板。對于高強(qiáng)度鍍鋅鋼板，其焊接規(guī)范的選擇較為嚴(yán)格，一般要選擇帶有預(yù)熱脈沖的多脈沖焊接規(guī)范。

對于點(diǎn)焊機(jī)器人的整個節(jié)拍來說，焊點(diǎn)的通電焊接時間是其主要的組成部分，因此，該部分時間的長短也是影響點(diǎn)焊機(jī)器人節(jié)拍的關(guān)鍵因素。因而，在焊接規(guī)范的選擇上應(yīng)該注意，能用硬規(guī)范焊接的盡可能不用軟規(guī)范焊接。對于焊接脈沖來說，如果焊點(diǎn)的質(zhì)量能夠得到保證，能用單脈沖焊接的盡量不用雙脈沖焊接，這樣可以省去多脈沖之間的冷卻周波，提高機(jī)器人的速度。焊接的預(yù)壓和加壓時間也應(yīng)該合理選擇，在焊槍的氣缸或是伺服電機(jī)穩(wěn)定的前提下，在焊點(diǎn)位置零件匹配較好時，選擇較小但是合理的預(yù)壓和加壓時間，這樣也可以節(jié)約焊接時間，提高機(jī)器人的整體節(jié)拍。另外，在焊點(diǎn)質(zhì)量可靠的前提下，焊后的冷卻和維持周波數(shù)也應(yīng)該選擇較小的值。

7 結(jié)論

提高點(diǎn)焊機(jī)器人節(jié)拍的方法有很多種，但是從生產(chǎn)線初始設(shè)計(jì)、焊槍選型、機(jī)器人運(yùn)動軌跡、PLC程序控制優(yōu)化夾具打開時間、消除變位機(jī)的影響和焊接規(guī)范的選擇上來優(yōu)化提高機(jī)器人的速度，這些提高機(jī)器人節(jié)拍的方法是經(jīng)過實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證的行之有效的方法，需要在初期焊接工藝設(shè)計(jì)時進(jìn)行充分模擬。

【1】袁軍民．MOTOMAN點(diǎn)焊機(jī)器人系統(tǒng)及應(yīng)用[J]．金屬加工(熱加工),2008(14):35-38．

Research on Improving the Efficiency of Robot Spot Welding

JIANG Dianbao,CHU Weidong

(Shanghai Tractor & Internal Combustion Company,Shanghai 200433,China)

The methods to improve the efficiency of spot-welding robots were presented from the design of welding technology, design of robot moving track, the structure of the robot-gun, design of welding-fixtures, and the choose of welding parameters.

Spot-welding robots; Production efficiency

2017-01-18

姜典保(1982—)，男，碩士研究生，工程師，研究方向?yàn)闄C(jī)器人焊接。E-mail：dianbaoj@shanghaitn.com.cn。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.05.021

U461.99

A

1674-1986(2017)05-090-03