基于RobotStudio的電池托盤(pán)焊裝產(chǎn)線設(shè)計(jì)與仿真

周春東，謝 杰，王劍春，張鎖龍,彭 勇

(1.常州大學(xué)懷德學(xué)院 機(jī)械與材料工程系，江蘇 靖江 214500；2.南京理工大學(xué) 受控電弧智能增材技術(shù)工信部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210094)

0 引言

采用鋁合金電池托盤(pán)是實(shí)現(xiàn)新能源汽車(chē)輕量化進(jìn)程的重要標(biāo)志。新能源汽車(chē)市場(chǎng)需求持續(xù)增加，而傳統(tǒng)的一體化鑄造工藝或焊接工藝制造電池托盤(pán)易出現(xiàn)氣孔、裂紋等缺陷，存在工件變形大、氣密性差等問(wèn)題[1]，亟需從工藝和裝置兩方面提升生產(chǎn)質(zhì)量和效率。

機(jī)器人虛擬仿真技術(shù)是驗(yàn)證鋁合金電池托盤(pán)機(jī)器人焊裝產(chǎn)線設(shè)計(jì)合理性的有效手段。陸葉[2]、田國(guó)柱等[3]利用RobotStudio進(jìn)行了多機(jī)器人、多制造工藝過(guò)程產(chǎn)線設(shè)計(jì)與仿真，縮短了產(chǎn)線設(shè)計(jì)、制造及調(diào)試周期。本文作者[4]前期針對(duì)電池托盤(pán)CMT焊接工作站進(jìn)行了設(shè)計(jì)與仿真，但缺乏對(duì)電池托盤(pán)全工藝過(guò)程及裝置進(jìn)行深入系統(tǒng)研究。

為此，本文提出采用CMT+FSW組合式焊接工藝，并基于RobotStudio軟件將工藝參數(shù)、協(xié)同信號(hào)、路徑信息配置寫(xiě)進(jìn)機(jī)器人程序，實(shí)現(xiàn)電池托盤(pán)全制造流程仿真，以指導(dǎo)電池托盤(pán)的現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)。

1 電池托盤(pán)機(jī)器人焊接工藝方案

1.1 電池托盤(pán)產(chǎn)品分析

目前電池托盤(pán)材料以6系鋁合金為主，其結(jié)構(gòu)主要包括邊框、筋板及底板，要求焊后在長(zhǎng)度和寬度方向變形量低于1.5 mm/m，氣密性要求在10 kPa氣壓下，保壓5 min，泄漏率低于100 Pa。

采用傳統(tǒng)的滿焊、全焊透工藝可以提高氣密性，但其焊接熱輸入高會(huì)導(dǎo)致焊件變形嚴(yán)重，故提出FSW+CMT組合式新工藝。

1.2 電池托盤(pán)機(jī)器人焊接工藝設(shè)計(jì)

根據(jù)電池托盤(pán)的結(jié)構(gòu)特征將焊接接頭劃分成6類(lèi)焊縫：邊框與邊框內(nèi)部角焊縫、邊框與邊框外部角焊縫、邊框與筋板內(nèi)部角焊縫、邊框與底板內(nèi)部角焊縫、筋板與底板內(nèi)部角焊縫和背部底板與邊框焊縫。采用CMT+P焊接工藝焊接邊框與邊框、筋板內(nèi)部角焊縫，有利于使角焊縫熔透，提高氣密性；采用CMT焊接工藝焊接邊框與邊框外部角焊縫、邊框與底板內(nèi)部角焊縫、筋板與底板內(nèi)部角焊縫；將背部底板與邊框焊縫設(shè)計(jì)成對(duì)搭接形式，并用FSW焊接工藝進(jìn)行焊接。

對(duì)搭接接頭示意圖如圖1所示，設(shè)計(jì)參數(shù)滿足：

δ2+0.1

(1)

d

(2)

δ2

(3)

其中：H為攪拌針長(zhǎng)度，mm；D為軸肩直徑，mm；d為接頭搭接量，mm；δ1為邊框板厚，mm；δ2為底板板厚，mm。

利用FSW+CMT組合式焊接工藝完全覆蓋對(duì)搭接連接面，實(shí)現(xiàn)低熱輸入、低變形下的全焊透，焊縫質(zhì)量高。

1.3 電池托盤(pán)焊接工藝流程規(guī)劃

首先將電池托盤(pán)邊框、筋板和底板拼裝固定，然后利用TIG工藝點(diǎn)焊，再按照“邊框與邊框內(nèi)部角焊縫→邊框與筋板內(nèi)部角焊縫→邊框與底板內(nèi)部角焊縫→筋板與底板內(nèi)部角焊縫→邊框與邊框外部角焊縫→背部底板與邊框焊縫”的焊接順序采用對(duì)應(yīng)的焊接工藝進(jìn)行焊接。

利用CMT+FSW組合工藝，先CMT后FSW，即先熔焊后固相焊，一方面，CMT可以采用熱輸入較大的工藝保證焊縫熔透，另一方面，利用FSW焊接背部底板與邊框時(shí)的壓力對(duì)CMT焊接產(chǎn)生的變形進(jìn)行矯正。

圖1 FSW、CMT對(duì)搭接焊接接頭示意圖

2 電池托盤(pán)機(jī)器人焊裝產(chǎn)線設(shè)計(jì)與建模

2.1 系統(tǒng)組成、布局及動(dòng)作流程

電池托盤(pán)機(jī)器人焊裝產(chǎn)線系統(tǒng)主要包括搬運(yùn)機(jī)器人IRB4400、CMT焊接機(jī)器人IRB2600、FSW焊接機(jī)器人IRB7600、輸送鏈、變位機(jī)1(五軸雙工位回轉(zhuǎn)變位機(jī)IRBP_D300)、變位機(jī)2(雙工位回轉(zhuǎn)變位機(jī)IRBP_C500)及其控制系統(tǒng)等，系統(tǒng)布局如圖2所示。其中搬運(yùn)機(jī)器人、CMT焊接機(jī)器人、FSW焊接機(jī)器人上分別安裝有吸盤(pán)、CMT焊槍和FSW機(jī)頭，且搬運(yùn)機(jī)器人負(fù)載大于60 kg，F(xiàn)SW機(jī)器人負(fù)載大于500 kg，變位機(jī)2負(fù)載大于500 kg。

圖2 電池托盤(pán)機(jī)器人焊裝產(chǎn)線整體布局圖

產(chǎn)線單個(gè)加工周期內(nèi)的動(dòng)作流程為：初始化狀態(tài)下啟動(dòng)產(chǎn)線，待焊電池托盤(pán)輸送至待搬運(yùn)區(qū)，CMT機(jī)器人進(jìn)行焊接，同步FSW機(jī)器人進(jìn)行焊接，同步搬運(yùn)機(jī)器人卸料，然后搬運(yùn)電池托盤(pán)至變位機(jī)1待焊工位，CMT機(jī)器人焊接完成后，變位機(jī)1翻轉(zhuǎn)已焊工件、切換工位，搬運(yùn)機(jī)器人將電池托盤(pán)轉(zhuǎn)運(yùn)至變位機(jī)2待焊工位，待FSW焊接機(jī)器人完成焊接，變位機(jī)2切換工位。重復(fù)該動(dòng)作流程，進(jìn)行批量化生產(chǎn)。初始化狀態(tài)指：信號(hào)復(fù)位，且變位機(jī)1焊接工位有待焊工件，待焊工位無(wú)工件；變位機(jī)2焊接工位有已完成CMT焊接的工件，待焊工位有已完成焊接的工件。電池托盤(pán)機(jī)器人焊裝產(chǎn)線動(dòng)作流程如圖3所示。

2.2 系統(tǒng)關(guān)鍵Smart組件創(chuàng)建與信號(hào)配置

為仿真模擬電池托盤(pán)機(jī)器人焊裝產(chǎn)線工件輸送、搬運(yùn)及焊接全過(guò)程，創(chuàng)建Smart_輸送鏈、Smart_吸盤(pán)、Smart_變位機(jī)1、Smart_變位機(jī)2四個(gè)Smart組件，將Smart組件的I/O信號(hào)與機(jī)器人的I/O信號(hào)關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)輸送鏈輸送電池托盤(pán)、機(jī)器人拾取并搬運(yùn)電池托盤(pán)以及變位機(jī)工位調(diào)整等動(dòng)態(tài)效果。表1為電池托盤(pán)機(jī)器人焊裝產(chǎn)線部分I/O信號(hào)表。

圖3 電池托盤(pán)機(jī)器人焊裝產(chǎn)線動(dòng)作流程

表1 電池托盤(pán)機(jī)器人焊裝產(chǎn)線部分I/O信號(hào)

2.3 機(jī)器人產(chǎn)線系統(tǒng)工作站邏輯

電池托盤(pán)機(jī)器人焊裝產(chǎn)線工作站邏輯如圖4所示。初始化狀態(tài)下啟動(dòng)產(chǎn)線，搬運(yùn)機(jī)器人進(jìn)行卸料，CMT機(jī)器人和FSW機(jī)器人進(jìn)行焊接，當(dāng)搬運(yùn)機(jī)器人同時(shí)接收到電池托盤(pán)到位信號(hào)Do-SSL和卸料完成信號(hào)Do-BY3后執(zhí)行上料，當(dāng)變位機(jī)1同時(shí)接收到上料完成信號(hào)Do-BY1和CMT焊接完成信號(hào)Do-CMT后變位，到位后輸出信號(hào)Do-BWJ1-1給搬運(yùn)機(jī)器人，將電池托盤(pán)轉(zhuǎn)運(yùn)至變位機(jī)2，當(dāng)變位機(jī)2同時(shí)接收到轉(zhuǎn)運(yùn)完成信號(hào)Do-BY2和FSW焊接完成信號(hào)Do-FSW后變位，到位后輸出信號(hào)Do-BWJ2-1給CMT機(jī)器人、FSW機(jī)器人和搬運(yùn)機(jī)器人，CMT機(jī)器人和FSW機(jī)器人執(zhí)行焊接，搬運(yùn)機(jī)器人執(zhí)行卸料。重復(fù)上述流程進(jìn)行批量生產(chǎn)。

圖4 電池托盤(pán)機(jī)器人焊裝產(chǎn)線工作站邏輯

3 電池托盤(pán)機(jī)器人離線編程與仿真分析

3.1 焊裝產(chǎn)線機(jī)器人離線編程

根據(jù)電池托盤(pán)機(jī)器人焊接工藝設(shè)計(jì)，電池托盤(pán)包括6類(lèi)焊縫接頭形式，前5種利用CMT焊接機(jī)器人焊接，背部底板與邊框焊縫采用FSW工藝焊接。在CMT焊機(jī)上創(chuàng)建JOB1～JOB5，分別對(duì)應(yīng)設(shè)置5類(lèi)CMT焊縫的工藝參數(shù)。CMT焊接機(jī)器人離線編程時(shí)，創(chuàng)建weld1～weld5五個(gè)工藝號(hào)，分別調(diào)用JOB1～JOB5。焊接機(jī)器人系統(tǒng)部分程序如下：

(1) CMT焊接機(jī)器人離線編程程序

PROC main()

WaitDI Di-CMT,1; !等待變位完成

Path_10; !焊接邊框與邊框、筋板和底板的角焊縫

Path_20; !焊接筋板與底板的角焊縫

Path_30; !焊接邊框與邊框外部角焊縫

SetDO Do-CMT,1; !焊接完成輸出信號(hào)

ENDPROC

(2) FSW焊接機(jī)器人離線編程程序

PROC main()

WaitDI Di-FSW,1; !等待變位完成

MoveL P1,v1000,z0,tool0WObj:=wobj0; !P1為安全點(diǎn)

SetDO Do-FSW-1,1; !開(kāi)始FSW焊接

Path_10; !焊接路徑例行程序

MoveL P2,v1000,z0,tool0WObj:=wobj0; !P2為安全點(diǎn)

SetDO Do-FSW-1,0; !關(guān)閉FSW主軸電機(jī)

SetDO Do-FSW,1; !焊接完成輸出信號(hào)

ENDPROC

3.2 仿真結(jié)果及分析

經(jīng)過(guò)數(shù)次調(diào)試，在保證各工序穩(wěn)定進(jìn)行的條件下，調(diào)整機(jī)器人位置和運(yùn)行速度至最優(yōu)，以最大程度地減少機(jī)器人等待時(shí)間，仿真效果如表2所示。傳統(tǒng)生產(chǎn)單個(gè)電池托盤(pán)總時(shí)間為T(mén)1，且滿足：

T1=L1v1+t1+2t2+L2v2+L3v3+2t3.

(4)

其中：L1為輸送鏈長(zhǎng)度，L1=4 800 mm；v1為輸送鏈輸送速度,v1=100 mm/s；t1為搬運(yùn)機(jī)器人上料、轉(zhuǎn)運(yùn)和卸料總時(shí)長(zhǎng)，t1=300 s；t2為單個(gè)變位機(jī)工位切換總用時(shí)，t2=10 s；L2為電池托盤(pán)上CMT焊縫總長(zhǎng)，L2=6 040 mm;L3為FSW焊縫總長(zhǎng)，L3=4 020 mm；v2為CMT焊接速度，v2=10 mm/s;v3為FSW焊接速度，v3=6 mm/s;t3為單個(gè)機(jī)器人過(guò)渡點(diǎn)運(yùn)動(dòng)總用時(shí)，t3=30 s。按傳統(tǒng)單工藝路線流程執(zhí)行，生產(chǎn)一個(gè)電池托盤(pán)時(shí)長(zhǎng)T1=1 702 s。

而從本文的模擬結(jié)果來(lái)看，將工件輸送、搬運(yùn)及焊接協(xié)同進(jìn)行，同步進(jìn)行CMT和FSW焊接，生產(chǎn)單個(gè)電池托盤(pán)總時(shí)間T2滿足以下公式：

T2=t2+L3v3+t3.

(5)

生產(chǎn)一個(gè)電池托盤(pán)時(shí)長(zhǎng)T2=710 s。假設(shè)一天工作8 h，按傳統(tǒng)單工藝機(jī)器人工作站制造流程，每天可生產(chǎn)約17個(gè)電池托盤(pán)；而用本文設(shè)計(jì)的產(chǎn)線每天可生產(chǎn)約40個(gè)，效率可提高約2.3倍。

表2 電池托盤(pán)機(jī)器人焊裝產(chǎn)線仿真圖示

4 結(jié)論

根據(jù)電池托盤(pán)的材料、結(jié)構(gòu)及工藝特點(diǎn)和要求，設(shè)計(jì)了CMT+FSW組合式焊接工藝及制造流程，并利用RobotStudio平臺(tái)對(duì)電池托盤(pán)輸送、焊接、搬運(yùn)等全制造流程進(jìn)行仿真研究，創(chuàng)建輸送鏈、吸盤(pán)和變位機(jī)等Smart組件，建立焊接、搬運(yùn)機(jī)器人與Smart組件間I/O連接，實(shí)現(xiàn)了電池托盤(pán)機(jī)器人焊裝產(chǎn)線的仿真。本文研究為電池托盤(pán)自動(dòng)化焊接工藝和裝備設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)，有利于提高電池托盤(pán)的生產(chǎn)質(zhì)量和效率，有助于推動(dòng)新能源汽車(chē)的發(fā)展。