某款MPV車(chē)型柔性焊接工裝設(shè)計(jì)

李俊鋒

摘 要：近年來(lái)，隨著汽車(chē)款式的增多，汽車(chē)車(chē)身的焊裝工裝類(lèi)別越來(lái)越多樣化。焊接工裝類(lèi)別的增加，勢(shì)必造成生產(chǎn)車(chē)間場(chǎng)地浪費(fèi)，生產(chǎn)成本增加和生產(chǎn)效益的下降。所以完善汽車(chē)車(chē)身的焊裝工藝水平，使汽車(chē)車(chē)身焊接工裝柔性化設(shè)計(jì)成為一種汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。本文以汽車(chē)制造業(yè)中工業(yè)機(jī)器人焊接生產(chǎn)線(xiàn)為對(duì)象，研究工業(yè)機(jī)器人焊接生產(chǎn)線(xiàn)柔性工裝特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：車(chē)身焊接 編程 控制系統(tǒng)

1 引言

在汽車(chē)制造業(yè)中，焊接工裝的力度和裝配精度直接影響汽車(chē)的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。隨著汽車(chē)工業(yè)的不斷發(fā)展和經(jīng)濟(jì)水平的提高，人們對(duì)汽車(chē)的要求越來(lái)越高，這對(duì)汽車(chē)車(chē)身的焊接尺寸、精度和質(zhì)量提出了更高的要求，這使得焊接工裝的精度等級(jí)至關(guān)重要，為優(yōu)化汽車(chē)車(chē)身焊接工裝的結(jié)構(gòu)，提高焊接效率，設(shè)計(jì)更適合新車(chē)型的焊接工裝勢(shì)在必行[1]。

閆淑亮[2]主要分析了汽車(chē)車(chē)身的焊裝工藝設(shè)計(jì)，深入探討當(dāng)下汽車(chē)車(chē)身的焊裝工裝設(shè)計(jì)，以保證汽車(chē)生產(chǎn)的質(zhì)量。李新社等[3]闡述了乘用車(chē)工廠(chǎng)柔性焊裝線(xiàn)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)、焊接工藝性分析、柔性焊裝線(xiàn)的模式選擇等內(nèi)容。

2 車(chē)身焊接柔性工作站

隨著工業(yè)自動(dòng)化的普及和發(fā)展，焊接機(jī)器人的應(yīng)用逐漸普及，主要應(yīng)用于汽車(chē)、電子、機(jī)械等眾多領(lǐng)域。車(chē)身柔性焊接工作站一般由焊接機(jī)器人和柔性焊接平臺(tái)組成。自動(dòng)化焊接線(xiàn)的形成，不僅可以節(jié)約能源提高生產(chǎn)效率，還能避免人為的焊接失誤。如圖1所示，工業(yè)常用的車(chē)身自動(dòng)化柔性焊接。

3 工件定位工裝設(shè)計(jì)

對(duì)工作站機(jī)器人焊接區(qū)域，人工上件存在安全風(fēng)險(xiǎn)，機(jī)器人配合抓手上件、焊接是較為高效的方法。為便于機(jī)器人攜帶抓手進(jìn)行零件的快速移動(dòng)上下件，機(jī)器人抓手需要輕量化處理。輕量化抓手主要采用模塊化的鋁制八角管進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖2為某公司抓手結(jié)構(gòu)產(chǎn)品圖。

抓手設(shè)計(jì)的定位點(diǎn)需要與拼臺(tái)定位選取的點(diǎn)區(qū)分開(kāi)，因考慮到抓取放置位置精度要求，零件需要有2個(gè)銷(xiāo)孔進(jìn)行定位，銷(xiāo)孔選取時(shí)，主要考慮孔的穩(wěn)定性，其次是要靠近抓手夾緊點(diǎn)（抓取點(diǎn)）。抓手夾緊點(diǎn)選取要考慮零件的強(qiáng)度，選取零件外邊緣強(qiáng)度剛度大的部位進(jìn)行夾持。如零件小于500*500尺寸的零件，一般選取4個(gè)夾緊點(diǎn)，大尺寸的零件則需要增加夾緊點(diǎn)，以保證抓取過(guò)程零件不變形。如果零件的形狀不規(guī)則，需要對(duì)質(zhì)心進(jìn)行驗(yàn)證，保證夾具抓持零件不變形同時(shí)不能造成抓手負(fù)載的嚴(yán)重偏心。如圖3所示，為車(chē)身合拼工位的四個(gè)抓手。

前車(chē)體本身為非常穩(wěn)固的零件，其抓手兩個(gè)小四個(gè)夾緊點(diǎn)選擇為左右縱大梁，強(qiáng)度、位置度都能很好的保證。前地板為薄片零件，質(zhì)量輕，容易變形。因此夾持點(diǎn)在零件外側(cè)，中間增加磁鐵磁盤(pán)，定位銷(xiāo)均布在零件中間，保證零件的平穩(wěn)。后部下車(chē)體的零件剛度強(qiáng)，質(zhì)量大，四個(gè)夾緊點(diǎn)在后大梁的前后端，定位銷(xiāo)45度布置在后地板面上，可以保證零件的穩(wěn)定。

4 車(chē)身焊接切換機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

在車(chē)型相似只需要做局部差異化時(shí)，其存在平面與立面兩方向差異時(shí)，采用翻轉(zhuǎn)切換，在車(chē)型差異化僅體現(xiàn)在平面或立面一個(gè)方向上時(shí)，采用滑移切換。

（1）翻轉(zhuǎn)切換。位翻轉(zhuǎn)切換機(jī)構(gòu)的兩種車(chē)型時(shí)的不同狀態(tài)。該切換機(jī)構(gòu)主要用于設(shè)計(jì)所切換車(chē)型的定位銷(xiāo)、定位塊不能共用情況。顯然，翻轉(zhuǎn)切換機(jī)構(gòu)是兩種結(jié)構(gòu)的組合，其使用要求定位處有足夠的空間，滿(mǎn)足兩套或多套夾具布置和翻轉(zhuǎn)的需求。其優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)時(shí)無(wú)需多車(chē)型進(jìn)行顧慮，適合差異較大的車(chē)型共線(xiàn)的情況。同時(shí)，這樣的切換非常有限，不同車(chē)型即要一套定位夾具，成本也非常高，主要用在批量大，車(chē)型類(lèi)型少的生產(chǎn)線(xiàn)。（2）滑移切換?；魄袚Q又可以分為橫向滑移切換、縱向滑移切換，橫向滑移機(jī)構(gòu)與縱向滑移機(jī)構(gòu)的原理一致，都是利用氣缸實(shí)現(xiàn)位置平移，達(dá)到切換的目的。當(dāng)不同平臺(tái)車(chē)型導(dǎo)入，以至于抓手和夾具均無(wú)法滿(mǎn)足新車(chē)型要求是，該支撐立起來(lái)，兼做抓手的支撐，將夾具連同抓手一并切換如圖4。這樣既減少了抓手放置架，同時(shí)精度高，切換快速。

5 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

焊接機(jī)器人控制系統(tǒng)包括人機(jī)界面、伺服閉環(huán)驅(qū)動(dòng)、PLC定位模塊等自動(dòng)化控制元件，精度得到了保證，操作更便利，維護(hù)更簡(jiǎn)單。工作站控制系統(tǒng)需要按照規(guī)范，統(tǒng)一布置、標(biāo)記，使現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備整齊，操作簡(jiǎn)便快捷，維修一目了然。如圖5為現(xiàn)場(chǎng)合拼工位的MCP柜、PDP柜的布局?？刂葡到y(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的總體控制框架。

MCP：主控柜，設(shè)置PLC機(jī)架和本地IO、以太網(wǎng)交換機(jī)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)總線(xiàn)（Ethernet IP 和 Safety DeviceNet）與其他設(shè)備通訊并總控其運(yùn)行狀態(tài);

PDP：380V動(dòng)力配電柜;

VFD：變頻器控制柜;

RBT：機(jī)器人;

WTC：wtc焊接控制;

TD：機(jī)器人焊槍電極自動(dòng)修磨器;

BS及HMI：操作站，配置相應(yīng)操作按鈕及指示燈，用于操作設(shè)備及顯示監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài);

OP：每個(gè)人工操作區(qū)域按鈕操作臺(tái);

GB：安全門(mén)控制箱;

JB：安全信號(hào)設(shè)備接線(xiàn)箱;

IO：現(xiàn)場(chǎng)普通IO箱，用于采集傳感器信號(hào)或控制閥體;

BK：IP67IO用于采集傳感器信號(hào)或控制閥體;

E-Stop（E-ST）：現(xiàn)場(chǎng)急停盒，帶觸點(diǎn)反饋和狀態(tài)指示燈;

MWS：現(xiàn)場(chǎng)維修工作站，通過(guò)以太網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)PLC。

6 變位機(jī)

對(duì)于本機(jī)器人工作站來(lái)說(shuō)，車(chē)架底盤(pán)總長(zhǎng)3000mm，在一定焊接區(qū)域范圍內(nèi)，機(jī)器人無(wú)法覆蓋到所有焊縫位置，從而造成在焊接過(guò)程中無(wú)法使焊槍達(dá)到適合所有焊縫位置焊槍姿態(tài)的難題。因此，引入變位機(jī)配合焊接機(jī)器人完成工件焊接是解決這一難題的突破口。目前，焊接機(jī)器人和變位機(jī)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系可分為兩種：一是非同步工作方式，這種協(xié)作方式是機(jī)器人和變位機(jī)兩者不同時(shí)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)變位機(jī)運(yùn)動(dòng)到一定角度滿(mǎn)足焊槍施焊姿態(tài)后，機(jī)器人再進(jìn)行運(yùn)動(dòng)完成對(duì)工件的焊接;二是同步工作方式，該種協(xié)作方式要求兩者進(jìn)行同步運(yùn)動(dòng)，如在焊接結(jié)束后機(jī)器人需要回到初始位置，變位機(jī)需要回到原點(diǎn)[4]。針對(duì)論文研究的機(jī)器人工作站，需要同時(shí)采取這兩種運(yùn)動(dòng)方式。如表1所示為變位機(jī)的主要參數(shù)設(shè)置。

7 結(jié)語(yǔ)

機(jī)器人柔性焊接工作站的方案規(guī)劃內(nèi)容包括焊裝夾具，輸送裝置（抓手），焊接設(shè)備（伺服焊鉗），修模裝置，控制設(shè)備，機(jī)器人，切換裝置，水電氣供給系統(tǒng)，物流料箱、料架等。

本文通過(guò)工件定位工裝的設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中揉合了人機(jī)界面、伺服閉環(huán)驅(qū)動(dòng)、PLC等主流自動(dòng)化控制元件;并通過(guò)PLC與焊接機(jī)器人通訊，使得焊接變位機(jī)與焊接機(jī)器人無(wú)縫聯(lián)接。變位機(jī)的引入，解決了焊縫位置焊槍無(wú)法到達(dá)的難題。使機(jī)器人無(wú)法覆蓋到的焊縫區(qū)域，都能得到焊接。機(jī)器人柔性焊接工作站的設(shè)計(jì)及投入使用，極大的提高生產(chǎn)效率，與人工焊接比較，效率大幅提高，并且大大降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

參考文獻(xiàn)

[1]陳衛(wèi)國(guó).汽車(chē)車(chē)身焊裝夾具設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)研究[D].華中科技大學(xué)，2007.

[2]閆淑亮.當(dāng)前汽車(chē)車(chē)身焊裝的工藝設(shè)計(jì)及工裝設(shè)計(jì)探析[J].中國(guó)設(shè)備工程，2019（01）：152-153.

[3]李新社，莫江妍.車(chē)身年產(chǎn)20萬(wàn)臺(tái)柔性焊裝線(xiàn)的工藝及工裝設(shè)備開(kāi)發(fā)[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2017（06）：116-118.