一種重載汽車(chē)輪轂總成自動(dòng)點(diǎn)焊機(jī)器人的研制*

唐大勇

(1.重慶文理學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，2.重慶文理學(xué)院智能裝備制造及信息化技術(shù)研究所)

隨著人們生活水平的不斷提高，汽車(chē)已成為人們生活中重要的交通和運(yùn)輸工具。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界重載汽車(chē)產(chǎn)量突破9 000萬(wàn)輛[1-2]，輪轂總成作為重載汽車(chē)行走、制動(dòng)的重要部件，是每臺(tái)汽車(chē)的必備部件。輪轂總成傳統(tǒng)的裝配方式是將輪轂盤(pán)與內(nèi)齒圈壓裝好后采用人工塞焊方式將內(nèi)齒圈與輪轂盤(pán)固定，但人工塞焊存在焊接變形大、焊點(diǎn)一致性差、焊接效率低下、成本高等缺點(diǎn)，且工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，焊接弧光、煙霧等對(duì)操作者身心健康造成嚴(yán)重傷害[3]。為此，設(shè)計(jì)了一種重載汽車(chē)輪轂總成自動(dòng)點(diǎn)焊機(jī)器人，以提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本及焊接弧光、煙霧等對(duì)操作者身體的傷害。

1 自動(dòng)點(diǎn)焊機(jī)器人的本體設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)器人的主要技術(shù)參數(shù)

由重型汽車(chē)輪轂總成的平面結(jié)構(gòu)圖可知(見(jiàn)圖1)，塞焊點(diǎn)均勻分布在內(nèi)齒圈分度圓直徑上，塞焊孔尺寸為6 mm×6 mm×3 mm，機(jī)器人采用四自由度直角坐標(biāo)型結(jié)構(gòu)，即X、Y、Z3個(gè)線性軸和焊接臂回轉(zhuǎn)軸(R軸)。其主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

1.2 機(jī)器人本體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)器人采用龍門(mén)式直角坐標(biāo)型結(jié)構(gòu)[4]，本體采用高強(qiáng)度鋁型材通過(guò)加強(qiáng)筋連接而成，X軸、Y軸、Z軸分別通過(guò)伺服電機(jī)與滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)各軸作線性運(yùn)動(dòng)，但由于X軸支承著Y軸和Z軸，承載較大，故需在X軸上增加一減速器；Z軸上安裝有焊接臂等裝置，為保證Z軸啟動(dòng)與制動(dòng)性能，在Z軸上需增加一剎車(chē)裝置，以提高焊接臂的啟動(dòng)與制動(dòng)性能?？紤]到焊點(diǎn)分布圓直徑較大，為減小機(jī)器人總體尺寸，減輕產(chǎn)品重量，在焊接臂上增加可360°旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)軸(R軸實(shí)際旋轉(zhuǎn)角度為210°)，以提高焊接機(jī)器人的靈活性和適用性；根據(jù)重載汽車(chē)輪轂總成結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與焊接要求，以其內(nèi)孔為定位中心，同時(shí)增加周向定位氣缸和軸向壓緊旋轉(zhuǎn)氣缸，機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖1 重載汽車(chē)輪轂總成平面圖

2 機(jī)器人的控制系統(tǒng)

2.1 控制系統(tǒng)框圖與控制柜

為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人各軸快速有效地完成汽車(chē)輪轂總成的點(diǎn)焊工作，需要按以下程序框圖進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)(見(jiàn)圖3)，電氣控制系統(tǒng)原理見(jiàn)圖4。機(jī)器人的電氣控制柜放置在機(jī)身后側(cè)下方，柜中按上、中、下3層分別由四軸伺服驅(qū)動(dòng)器、繼電器、電源及機(jī)器人控制器等幾部分組成(見(jiàn)圖5)。

表1 自動(dòng)點(diǎn)焊機(jī)器人主要技術(shù)參數(shù)

圖2 輪轂總成自動(dòng)點(diǎn)焊機(jī)器人結(jié)構(gòu)

控制器選用安吉金科公司生產(chǎn)的四軸高速焊接控制器，主要由主機(jī)單元、速度伺服驅(qū)動(dòng)板、輸入/輸出板(I/O)及示教編程器等幾部分組成。伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用松下伺服電機(jī)及其配套驅(qū)動(dòng)器，通過(guò)I/O信號(hào)線與控制器連接，可實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人各軸啟動(dòng)、減速、停止、暫停、急停等進(jìn)行控制。各焊點(diǎn)均采用點(diǎn)位控制模式(PTP)，需用示教器根據(jù)各塞焊點(diǎn)的坐標(biāo)位置進(jìn)行示教編程、控制、單步運(yùn)行、調(diào)試運(yùn)行等方式進(jìn)行操作。

圖3 控制系統(tǒng)框圖

圖4 電氣控制原理圖

圖5 控制柜實(shí)物照片

2.2 傳感系統(tǒng)應(yīng)用

在軟件應(yīng)用與傳感系統(tǒng)選用方面，與六自由度機(jī)器人相比，直角坐標(biāo)型自動(dòng)點(diǎn)焊機(jī)器人的操作軟件和弧焊控制模塊主要包括以下方面：①示教編程功能；②數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理與調(diào)用功能；③漏焊補(bǔ)焊功能；④自診斷功能；⑤傳感與跟蹤功能。該系統(tǒng)通過(guò)示教編程完成各焊點(diǎn)的坐標(biāo)設(shè)置，為保證輪轂總成焊接變形較小，焊接臂采用見(jiàn)圖6所示的焊接順序與行走方式進(jìn)行焊接。而傳感系統(tǒng)主要包括X軸、Y軸、Z軸3軸的行程開(kāi)關(guān)，以控制焊槍在3軸的工作空間，R軸上安裝有角度編碼器，以控制R軸的旋轉(zhuǎn)角度。在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，傳感系統(tǒng)與跟蹤功能通過(guò)對(duì)電壓、電流變化情況進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，以修正焊槍的移動(dòng)速度和位置，同時(shí)控制焊機(jī)的起弧、熄弧及焊接時(shí)間。如果由于焊機(jī)故障出現(xiàn)漏焊情況，只需將單點(diǎn)焊接程序調(diào)用運(yùn)行即可完成焊點(diǎn)補(bǔ)焊。

圖6 焊槍行走軌跡與焊接順序

3 機(jī)器人的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

重載汽車(chē)輪轂總成自動(dòng)點(diǎn)焊機(jī)器人樣機(jī)試制完成后，首先進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，先后完成了20件樣品的試焊，焊接過(guò)程中，有5件產(chǎn)品出現(xiàn)漏焊，且個(gè)別焊點(diǎn)存在氣孔情況。針對(duì)以上兩種情況，對(duì)電流、電壓及收弧電流和電壓等參數(shù)進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)漏焊是送絲機(jī)的送絲速度與焊機(jī)的焊接參數(shù)(電壓、電流)未完全匹配造成的；氣孔則是由于保護(hù)氣體氣壓與流量過(guò)小造成的。經(jīng)過(guò)多次調(diào)整焊接參數(shù)與送絲速度，確定了自動(dòng)焊接機(jī)器人焊接參數(shù)，其焊接電流由原來(lái)的32 A調(diào)至49 A，電壓由19 V調(diào)至23.9 V，CO2氣體壓力由5 MPa調(diào)至8 MPa，根據(jù)調(diào)整好的參數(shù)再次焊接了20件，未出現(xiàn)漏焊、氣孔等情況。最后，將自動(dòng)點(diǎn)焊機(jī)器人送往重慶綦同汽車(chē)配件有限公司進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)，共試驗(yàn)了50 d，焊接輪轂總成10 234件，未出現(xiàn)漏焊、氣孔、虛焊等現(xiàn)象，焊接速度是原人工焊接速度的4～6倍?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及工件見(jiàn)圖7。

圖7 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及工件

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)自動(dòng)焊接機(jī)器人采用X、Y、Z直角坐標(biāo)型結(jié)構(gòu)形式，同時(shí)為增加機(jī)器人的焊接范圍與靈活性，在Z軸上增加了可隨Z軸旋轉(zhuǎn)的R軸。

(2)焊點(diǎn)坐標(biāo)按示教在線編程的方式獲得，使焊點(diǎn)參數(shù)更為精確。

(3)為減少變形，采用對(duì)稱點(diǎn)焊的形式，焊槍行走路徑按直線插補(bǔ)方式工作，大大提高了點(diǎn)焊效率。

(4)在示教在線編程的同時(shí)，對(duì)點(diǎn)焊焊接工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化、論證，通過(guò)大量試驗(yàn)的方式，獲得了準(zhǔn)確的點(diǎn)焊工藝參數(shù)，達(dá)到了理想的焊接產(chǎn)品。

(5)根據(jù)焊接產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可焊接不同的產(chǎn)品，如環(huán)焊縫、縱焊縫及其他結(jié)構(gòu)的點(diǎn)焊工件，適用范圍廣。