焊裝機(jī)器人在新能源車身制造中的應(yīng)用

吳青云，張麗芳,王蘭，侯玲

江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心 安徽合肥 230022

1 序言

新能源是國(guó)家扶持發(fā)展的戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，也是全球“雙碳”大背景下構(gòu)筑發(fā)展新優(yōu)勢(shì)的低碳綠色產(chǎn)業(yè)。近幾年國(guó)家密集出臺(tái)多項(xiàng)扶持新能源汽車發(fā)展的相關(guān)政策，使我國(guó)新能源汽車產(chǎn)業(yè)駛?cè)肟燔嚨?。?jù)悉，2022年1-10月新能源汽車產(chǎn)銷分別達(dá)到548.5萬(wàn)輛和525萬(wàn)輛，同比均增長(zhǎng)1.1倍，市場(chǎng)占有率達(dá)到24%。新能源汽車市場(chǎng)的增長(zhǎng)對(duì)汽車生產(chǎn)技術(shù)提出了更高要求，相較于傳統(tǒng)燃油車，新能源汽車更需要輕量化，以緩解“電動(dòng)化”和“智能化”帶來車輛質(zhì)量增加的問題，從而提升續(xù)航里程和整車性能。

在實(shí)現(xiàn)車身減重的輕量化新材料、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、輕量化制造工藝三種方式中，材料輕量化是一項(xiàng)基礎(chǔ)性的核心技術(shù)，對(duì)提高汽車?yán)m(xù)航能力等關(guān)鍵性能具有重要意義。輕量化材料的應(yīng)用必然會(huì)導(dǎo)致車身連接技術(shù)的變化，傳統(tǒng)鋼車身90%以上為電阻點(diǎn)焊，輕量化車身以冷連接工藝為主，熱連接及膠接為輔。因連接工藝局限性及對(duì)質(zhì)量要求的不斷提高，輕量化車身無法像傳統(tǒng)車身那樣依靠人工實(shí)現(xiàn)連接，催生工業(yè)機(jī)器人在新能源汽車制造業(yè)中得到深入廣泛的應(yīng)用。輕量化新能源車身制造中采用機(jī)器人，不僅可以節(jié)約人力，降低成本，提高設(shè)備利用率，提高產(chǎn)品的質(zhì)量，更重要的是可以保障人員安全，改善工作條件，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率[1]。

2 焊裝機(jī)器人系統(tǒng)簡(jiǎn)介

汽車白車身連接通常以生產(chǎn)線或工作島形式進(jìn)行工藝布局，生產(chǎn)線或工作島一般由單個(gè)或多個(gè)工位組成，每個(gè)工位可看成是單個(gè)連接系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由多臺(tái)（通常為2或4臺(tái)）機(jī)器人及外部集成系統(tǒng)等構(gòu)成。

2.1 機(jī)器人系統(tǒng)構(gòu)成

機(jī)器人系統(tǒng)主要由機(jī)器人本體及外部集成系統(tǒng)組成。機(jī)器人本體主要包括機(jī)器人、機(jī)器人控制器、示教器，外部集成系統(tǒng)根據(jù)其集成的不同連接設(shè)備或者工裝略有差異，一般包括連接設(shè)備、連接設(shè)備控制系統(tǒng)、連接設(shè)備輔助系統(tǒng)、管線包、RIP單元等組成，見表1。根據(jù)節(jié)拍及車型柔性化的需要，部分機(jī)器人存在一對(duì)多的情況，需同時(shí)配置多臺(tái)相同或者不同的連接設(shè)備及工裝，這就需要配置換槍盤、連接設(shè)備/工裝托架及機(jī)器人七軸等[2]。

表1 機(jī)器人系統(tǒng)構(gòu)成

2.2 單工位系統(tǒng)構(gòu)成

單工位分總成或白車身總成工位系統(tǒng)主要由工裝夾具、機(jī)器人連接系統(tǒng)、PLC控制柜、安全圍欄等組成。單工位分總成一般采用島式結(jié)構(gòu)，1～2臺(tái)機(jī)器人對(duì)應(yīng)多套夾具，人工上下件，機(jī)器人連接。白車身總成一般采用線體結(jié)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)工位一般按照4臺(tái)（具體數(shù)量根據(jù)工藝需求配備）機(jī)器人配置，輸送一般采用滾床滑橇，如圖1所示。

圖1 單工位機(jī)器人系統(tǒng)

3 機(jī)器人在新能源車身焊裝生產(chǎn)線的應(yīng)用

機(jī)器人在新能源汽車生產(chǎn)線的應(yīng)用非常廣泛，在焊裝線規(guī)劃初期，會(huì)根據(jù)產(chǎn)品工藝要求及投資情況進(jìn)行自動(dòng)化程度定義，合理選擇自動(dòng)化方案。機(jī)器人應(yīng)用場(chǎng)景按照功能劃分，一般根據(jù)工藝分為連接工藝、涂膠工藝、搬運(yùn)、檢測(cè)等。

3.1 焊裝機(jī)器人應(yīng)用規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)

焊裝工位或生產(chǎn)線是否選擇自動(dòng)化，一般按照5個(gè)維度來進(jìn)行評(píng)估，如圖2所示。在方案規(guī)劃初期，首先考慮生產(chǎn)線柔性化及后續(xù)車型預(yù)留需要，一般30JPH生產(chǎn)線通常按照2平臺(tái)4車型，60JPH生產(chǎn)線按照3平臺(tái)6車型規(guī)劃，對(duì)于存在車型柔性切換需要更換工裝、設(shè)備的工位需要的優(yōu)先考慮自動(dòng)化。其次根據(jù)特殊工藝需要來定義自動(dòng)化方案，對(duì)于新能源輕量化車身來說，SPR、FDS、鋁點(diǎn)焊、激光焊等工藝由于設(shè)備工藝要求、安全、操作性等方面，需要考慮自動(dòng)化方案。然后考慮質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)高的區(qū)域，如外觀焊點(diǎn)位置，為避免焊點(diǎn)扭曲變形影響，需要考慮自動(dòng)化連接來確保質(zhì)量穩(wěn)定可靠。接著考慮下崗位勞動(dòng)強(qiáng)度是否符合崗位標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于勞動(dòng)強(qiáng)度大，操作困難的作業(yè)考慮自動(dòng)化方案。最后，除以上幾個(gè)維度外，若選擇自動(dòng)化方案相比手工方案從長(zhǎng)期生產(chǎn)運(yùn)行看有明顯經(jīng)濟(jì)效益，也優(yōu)先選擇自動(dòng)方案。

圖2 自動(dòng)化方案選擇流程

3.2 機(jī)器人連接工藝應(yīng)用

新能源輕量化車身一般選擇鋼鋁混合路線，充分發(fā)揮鋼和鋁優(yōu)勢(shì)，將合適的材料用于最合適的位置。由于下車身電池重量較大，下車身采用更輕質(zhì)的鋁合金，上車身采用高強(qiáng)的高車身，同時(shí)在碰撞安全區(qū)應(yīng)用熱成形鋼等形成安全的籠式結(jié)構(gòu)，其強(qiáng)度是高強(qiáng)鋁合金的3倍左右，更可以實(shí)現(xiàn)整車上下重量的完美配比，從安全性、操控性、舒適性等多個(gè)方面為消費(fèi)者帶來價(jià)值，多材料混合的“上鋼下鋁”車身具有較高的性能和較優(yōu)的制造及后續(xù)維護(hù)成本。輕量化鋼鋁車身連接工藝常見分布情況見表2。

表2 輕量化鋼鋁車身連接工藝分布情況

（1）機(jī)器人SPR/FDS連接工藝應(yīng)用 新能源輕量化鋁/鋼鋁車身一般以SPR、FDS冷連接為主。自沖鉚連接技術(shù)（SPR）是一種在板材和鉚釘之間形成連接，不需要預(yù)先打孔，而是把所使用的半空或?qū)嵭你T釘作為沖孔工具的一種高速機(jī)械連接工藝，SPR為雙面連接，適用于4mm鋁/鋁鋼組合連接。熱熔自攻鉚接（FDS）是通過高速旋轉(zhuǎn)及軸向下壓力使工件發(fā)生塑性變形，螺釘穿透工件，形成自攻形成完全嚙合的螺紋，擰緊至最終扭矩，適用車身單面連接區(qū)域。兩種連接工藝一般均采用機(jī)器人自動(dòng)化方式[1]。

某新能源輕量化車身下車體為全鋁，車型規(guī)劃為兩平臺(tái)，節(jié)拍30JPH?？紤]連接設(shè)備成本高，下車體UBGEO工位方案考慮采用小循環(huán)臺(tái)車方案，最大限度提高連接設(shè)備利用率。規(guī)劃4個(gè)工位。UB010為臺(tái)車等待工位，U B020為下車體各總成上件工位，3臺(tái)機(jī)器人將從APC或者EMS小車上分別取前后地板總成、發(fā)倉(cāng)總成，機(jī)器人涂膠后上件至臺(tái)車上。臺(tái)車輸送到UB030工位定位鎖緊，4臺(tái)SPR機(jī)器人對(duì)下車體進(jìn)行點(diǎn)定后，臺(tái)車輸送至UB040工位，4臺(tái)FDS機(jī)器人對(duì)下車體進(jìn)行點(diǎn)定后，1臺(tái)7軸機(jī)器人將下車體總成輸送至下一工位，通過升降機(jī)輸送至UB后續(xù)線體。具體工藝布置如圖3所示。

圖3 UBGEO工作島SPR/FDS工藝布置方案

下車體GEO工作島規(guī)劃節(jié)拍30JPH，考慮設(shè)備開動(dòng)率85%，單工位節(jié)拍為102s，各輸送采用高速滾床+臺(tái)車方式，柔性化考慮臺(tái)車車型切換，輸送節(jié)拍舉升2～3s，行走6～8s，SPR連接按照6s/點(diǎn)，F(xiàn)DS連接按照平均7s/點(diǎn)，涂膠按照80ms/s，工位節(jié)拍及最大連接能力分析詳細(xì)見表3。

表3 UBGEO工作島各工位節(jié)拍及最大連接能力分析

（2）機(jī)器人激光焊連接工藝應(yīng)用 激光焊接技術(shù)是以高能激光束為熱源，使其沖擊焊件接頭，通過熔化釬料或母材，完成板材間連接的一種熱連接技術(shù)。目前白車身激光焊接中應(yīng)用較為廣泛的兩種焊接方式為激光釬焊和激光熔焊，圖4為兩種激光焊接方式的焊縫形式。

圖4 兩種激光焊接方式的焊縫形式

相比冷連接和傳統(tǒng)點(diǎn)焊工藝，激光焊接具有以下優(yōu)點(diǎn)：①焊接速度快，生產(chǎn)效率高，可以沿任意軌跡進(jìn)行焊接。②激光光束能量密度高，熱影響區(qū)域小，焊縫深寬比大，焊接變形小。③可實(shí)現(xiàn)不同型號(hào)、異種金屬之間的焊接。④配合輕量化車身，可實(shí)現(xiàn)車身進(jìn)一步輕量化及降成本。激光焊接應(yīng)用在輕量化鋁合金連接中，用于解決焊接困難，并進(jìn)一步降低車身重量，目前大量應(yīng)用在頂蓋、后備箱蓋、側(cè)圍門框、流水槽等位置，某輕量化車身激光焊應(yīng)用情況見表4。

表4 輕量化車身激光焊應(yīng)用情況

針對(duì)激光焊工藝分布情況分別制定工藝方案，頂蓋與側(cè)圍搭接規(guī)劃在主線外總拼工位，前后車門門框集中規(guī)劃在門蓋工作島同一工位進(jìn)行焊接，側(cè)圍門框及流水槽集中在側(cè)圍外板線進(jìn)行規(guī)劃。以側(cè)圍外板為例介紹機(jī)器人激光焊工藝應(yīng)用方案。在側(cè)圍外板線規(guī)劃建設(shè)激光房，工位規(guī)劃5臺(tái)機(jī)器人，1臺(tái)機(jī)器人將側(cè)圍外板、前部加強(qiáng)框總成、流水槽總成上件至側(cè)圍外板總成定位工裝上，定位工裝采用四面體轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)4車型柔性切換，上件后工裝定位夾緊，機(jī)器人離開激光房并關(guān)閉房門，3臺(tái)機(jī)器人進(jìn)行激光焊（2臺(tái)側(cè)圍門框激光熔焊和1臺(tái)流水槽激光釬焊），完成后1臺(tái)7軸機(jī)器人將側(cè)圍外板總成下線并進(jìn)行人工焊縫檢查。為保障激光焊每次都能準(zhǔn)確地尋找到焊接起始位置，在焊接頭的前端增加一套焊縫尋位系統(tǒng)。具體平面布置如圖5所示。

圖5 側(cè)圍激光焊工藝布置方案

3.3 機(jī)器人涂膠工藝應(yīng)用

（1）白車身焊裝用膠 車身焊裝常用膠為折邊膠、點(diǎn)焊膠、結(jié)構(gòu)膠、減震膠和雙組份膠等，折邊膠是用于車身鈑金件折邊結(jié)構(gòu)的膠粘劑，主要應(yīng)用于四門兩蓋及輪罩等包邊位置。點(diǎn)焊膠是預(yù)先涂布板件焊接的搭接位置，點(diǎn)焊后填充板件縫隙，防止銹蝕，減噪，防止焊縫間隙漏水、通風(fēng)、漏塵，保障車內(nèi)環(huán)境，適用于車身點(diǎn)焊位置。減震膠用于減少車輛行駛過程中的噪聲和振動(dòng)，車身很多零件如門外板件、頂蓋外板及側(cè)圍外板等外板件與內(nèi)板件之間存在間隙，且無法通過焊點(diǎn)連接，將膨脹膠涂在兩零件之間，其經(jīng)過加熱膨脹固化后，膠層具有較高的粘結(jié)強(qiáng)度。結(jié)構(gòu)膠主要起到增強(qiáng)車身結(jié)構(gòu)作用，還能夠局部替代某些位置的焊點(diǎn)。雙組份膠是兩種膠通過一定比率混合，在室溫下固化的結(jié)構(gòu)膠粘結(jié)，主要應(yīng)用外板包邊位置，因其具有室溫下固化強(qiáng)度高的特點(diǎn)，可以更好地防止包邊后外板件竄動(dòng)，避免影響總成精度[3，4]。

（2）新能源車身涂膠方案 車身涂膠方案一般有人工手動(dòng)和機(jī)器人自動(dòng)兩種方式，如圖6所示。隨著汽車制造工藝及質(zhì)量要求的不斷提高，機(jī)器人涂膠應(yīng)用越來越廣泛，尤其是新能源汽車更需要采用機(jī)器人涂膠方案。主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面原因。

圖6 人工及機(jī)器人涂膠布局

1）涂膠量大。新能源輕量化車身因其主要連接工藝為SPR、FDS冷連接工藝。單純冷連接工藝強(qiáng)度相比焊接強(qiáng)度低，無法達(dá)到白車身強(qiáng)度、剛度要求，一般需要配合結(jié)構(gòu)膠才能達(dá)到使用要求。通常SPR、FDS增加結(jié)構(gòu)膠后的強(qiáng)度為單獨(dú)連接強(qiáng)度的5～8倍，因而輕量化鋁車身結(jié)構(gòu)應(yīng)用相比鋼制車身在結(jié)構(gòu)膠用量要增加近幾十倍，普通鋼車身結(jié)構(gòu)膠長(zhǎng)一般在5～10m以下，鋼鋁車身結(jié)構(gòu)膠長(zhǎng)在80～100m，全鋁車身結(jié)構(gòu)膠長(zhǎng)近200m。

2）工藝要求高。為保證膠的覆蓋率，同時(shí)避免溢膠對(duì)涂裝電泳的影響，因而工藝對(duì)膠的直徑、膠邊距（膠距離板件止口邊距離）、起止點(diǎn)等有明確的要求，由于通過人工涂膠有時(shí)難以保障質(zhì)量，因此需要機(jī)器人系統(tǒng)來確保涂膠位置的穩(wěn)定性和一致性。

3）質(zhì)量要求高。因新能源車涂膠量大，對(duì)膠質(zhì)量要求更高，涂膠質(zhì)量不良會(huì)嚴(yán)重影響車身性能。采用機(jī)器人涂膠同時(shí)配合視覺檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)膠條質(zhì)量在線監(jiān)控，可檢測(cè)膠條位置、寬度、連續(xù)性，在膠槍工作時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，不占用生產(chǎn)節(jié)拍，并且可以存儲(chǔ)圖像和數(shù)據(jù)，用于工藝分析和質(zhì)量追溯，因而機(jī)器人涂膠能夠更好地保障涂膠質(zhì)量。

3.4 機(jī)器人搬運(yùn)工藝應(yīng)用

白車身生產(chǎn)過程中經(jīng)常涉及沖壓件、分總成及總成在同工位或不同工位間的搬運(yùn)，因考慮操作性、安全性、柔性化、質(zhì)量及節(jié)拍等工藝要求，需要采用機(jī)器人來搬運(yùn)工件。

常見機(jī)器人搬運(yùn)工藝應(yīng)用情況見表5。

表5 機(jī)器人搬運(yùn)工藝應(yīng)用情況

3.5 機(jī)器人檢測(cè)工藝應(yīng)用

機(jī)器人檢測(cè)工藝主要指通過機(jī)器人攜帶視覺系統(tǒng)來檢測(cè)工藝質(zhì)量、工件位置、精度等，來達(dá)到某種工藝應(yīng)用需求。常用的機(jī)器人視覺檢測(cè)工藝主要有焊縫視覺檢測(cè)、涂膠視覺檢測(cè)、上件視覺檢測(cè)引導(dǎo)、在線精度檢測(cè)等。

（1）工藝質(zhì)量檢測(cè) 工藝質(zhì)量檢測(cè)包括對(duì)焊縫質(zhì)量和涂膠質(zhì)量的檢測(cè)等。焊縫視覺檢測(cè)主要應(yīng)用于激光焊或弧焊，用于檢測(cè)工件位置精度來確定焊縫位置從而實(shí)時(shí)匹配機(jī)器人的軌跡，或用于焊后焊縫質(zhì)量的監(jiān)控和追溯。機(jī)器人涂膠檢測(cè)同樣用于對(duì)涂膠質(zhì)量的實(shí)時(shí)監(jiān)控和質(zhì)量追溯[5]。

（2）上件引導(dǎo)檢測(cè) 視覺引導(dǎo)上件技術(shù)結(jié)合了視覺檢測(cè)技術(shù)和工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，為機(jī)器人安裝“眼睛”，突破機(jī)器人只能單純地重復(fù)示教軌跡的限制，使其能根據(jù)被操作工件的位置變化實(shí)時(shí)調(diào)整其工作軌跡，準(zhǔn)確抓取工件，直接提升整個(gè)車身制造過程的自動(dòng)化效率。視覺引導(dǎo)上件相比傳統(tǒng)人工上件、高精度料架上件具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，三種上件方式對(duì)比見表6。

表6 三種上件方式對(duì)比

某新能源輕量化車型側(cè)圍外板上件考慮采用視覺引導(dǎo)上件方案，方案平面布局如圖7所示。采用AGV將左右側(cè)圍工位料架送至庫(kù)位，根據(jù)料架精度，可考慮機(jī)器人攜帶抓手直接對(duì)側(cè)圍外板L進(jìn)行視覺拍照后抓件，或機(jī)器人攜帶抓手先對(duì)料架位置進(jìn)行初步拍照尋位，再對(duì)側(cè)圍外板L進(jìn)行二次視覺拍照后抓件。機(jī)器人抓取側(cè)圍外板L件后上至轉(zhuǎn)臺(tái)夾具，人工上尾燈板、流水槽、鎖扣等小總成后夾具夾緊并旋轉(zhuǎn)180°至焊接位對(duì)板件進(jìn)行點(diǎn)定。機(jī)器人將焊接完成的側(cè)圍外板總成R從轉(zhuǎn)臺(tái)夾具上取下后并進(jìn)行固定補(bǔ)焊后掛在EMS小車上。接著機(jī)器人重復(fù)從另一個(gè)料架里抓取側(cè)圍外板R，上件至轉(zhuǎn)臺(tái)夾具上，人工上小總成夾緊后，此時(shí)轉(zhuǎn)臺(tái)另一側(cè)側(cè)圍外板總成L點(diǎn)定連接完成，轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)180°，機(jī)器人取側(cè)圍外板總成L至固定焊鉗補(bǔ)焊后掛在EMS小車上，進(jìn)入下個(gè)循環(huán)取側(cè)圍外板L。此方案最大程度提高視覺引導(dǎo)設(shè)備的利用率，實(shí)現(xiàn)視覺檢測(cè)系統(tǒng)及抓手的共用，減輕人員操作強(qiáng)度，降低外板變形對(duì)精度的影響，同時(shí)四面體轉(zhuǎn)臺(tái)夾具可以滿足2車型柔性化需要。

圖7 側(cè)圍外板總成上件引導(dǎo)視覺方案

（3）在線精度檢測(cè) 機(jī)器人在線精度檢測(cè)主要包括對(duì)白車身各部件總成關(guān)鍵孔位精度在線檢測(cè)及白車身總成間隙面差在線檢測(cè)，典型在線精度檢測(cè)應(yīng)用方案如圖8所示。從成本角度看，通常在車身總成兩側(cè)各安裝1～2臺(tái)機(jī)器人構(gòu)成檢測(cè)系統(tǒng)，一套完整的測(cè)量系統(tǒng)包括硬件和軟件兩個(gè)部分,其中硬件部分包括：工業(yè)機(jī)器人、激光視覺傳感器（測(cè)頭）、測(cè)量計(jì)算機(jī)及圖象處理系統(tǒng)、測(cè)量數(shù)據(jù)管理網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、電氣控制系統(tǒng)等。軟件部分包括：測(cè)量控制軟件和數(shù)據(jù)管理與分析軟件。測(cè)量過程為：當(dāng)機(jī)器人接收到開始測(cè)量信號(hào)后，就按預(yù)先規(guī)劃的測(cè)量路徑帶動(dòng)視覺傳感器運(yùn)動(dòng)，依次使視覺傳感器到達(dá)被測(cè)點(diǎn)，由視覺傳感器完成測(cè)量。測(cè)量結(jié)束后，機(jī)器人回到初始狀態(tài)，并發(fā)送測(cè)量完畢信號(hào)。

圖8 在線精度檢測(cè)方案

4 結(jié)束語(yǔ)

車身輕量化是新能源汽車發(fā)展的必然趨勢(shì)，車身輕量化的設(shè)計(jì)手段不斷優(yōu)化，輕量化材料的應(yīng)用也越來越廣泛。新能源車身由于采用輕量化鋁合金材料，導(dǎo)致工藝變化，SPR及FDS等冷連接工藝因設(shè)備安全性及操作性必須要采用自動(dòng)化連接，激光焊和鋁點(diǎn)焊因職業(yè)衛(wèi)生需要也必須采用機(jī)器人自動(dòng)化方式。輕量化工藝需要結(jié)構(gòu)膠配合才能更好保證車身強(qiáng)度及剛度，新能源輕量化車身涂膠量是傳統(tǒng)車的幾十倍以上，同時(shí)由于涂膠工藝質(zhì)量要求的提高，也需要采用機(jī)器人涂膠。同時(shí)隨著對(duì)工藝柔性化、自動(dòng)化、質(zhì)量等要求的提高，機(jī)器人搬運(yùn)及在線精度檢測(cè)也越來越普遍。因而，隨著輕量化在新能源車身的發(fā)展及工藝要求的提高，自動(dòng)化也是新能源車身發(fā)展的必然趨勢(shì)。