工業(yè)機(jī)器人卡扣裝配與超聲波焊接集成運用

徐庶庚，張汝飛，張汝強

(成都航天華濤汽車塑料飾件有限公司，四川 成都 641400)

本集成設(shè)備是用于某汽車品牌塑膠產(chǎn)品- 前端支架殼體NCS NF（PA），集成設(shè)備全自動實現(xiàn)卡扣裝配及超聲波焊接的多機(jī)器人聯(lián)動應(yīng)用項目。塑膠件上料后，旋轉(zhuǎn)工作臺旋轉(zhuǎn)至工作位，機(jī)器人連續(xù)不間斷加工。主體采用兩臺ABB 六軸工業(yè)機(jī)器人多機(jī)聯(lián)動生產(chǎn)線，振動盤伺服模組分料供應(yīng)卡扣，機(jī)器人治具取料，利用機(jī)器人末端卡扣裝配工裝機(jī)構(gòu)，包括產(chǎn)品固定座、氣缸、導(dǎo)向單元，控制所述的不同夾具氣缸動作，抓取相應(yīng)的金屬卡扣，按照設(shè)定好的程序，依次裝配兩種類型共14 個卡扣，將輔件安裝固定于塑膠產(chǎn)品所需的預(yù)定位置，金屬卡扣安裝完成，同步通訊至焊接機(jī)器人，完成相應(yīng)的USB 座5 個片筋點位的超聲波焊接，有效的減少人工，提高生產(chǎn)效率。

1 系統(tǒng)介紹

（1）產(chǎn)品信息。生產(chǎn)加工所需塑膠產(chǎn)品—— 前端支架塑膠殼體NCS NF（PA），該產(chǎn)品屬于某汽車副板總成的一個組成部件，如圖1 示。

圖1 待加工塑膠產(chǎn)品示意圖

（2）金屬卡扣上料系統(tǒng)為A、B 型兩種金屬卡扣震動篩選盤加直線震動送料，如圖2 示。

圖2 震動篩選盤及直線震動送料系統(tǒng)示意圖

（3）塑膠產(chǎn)品裝配工裝夾具兩套，安裝于旋轉(zhuǎn)工作臺，如圖3 示。

圖3 塑膠產(chǎn)品壓緊工裝

（4）塑膠產(chǎn)品USB 殼體焊接工裝夾具，如圖4 示。

圖4 焊接工位壓緊工裝示意圖

（5）系統(tǒng)加工說明。

塑膠產(chǎn)品NCS NF（PA）前端支架共需安裝兩種型號的14 顆金屬卡扣，A 型金屬卡扣安裝于1#～10#位置，B 型金屬卡扣安裝于11#～14#位置，如圖5、圖6 示。

圖5 兩種型號的金屬卡扣安裝位置示意圖

圖6 金卡扣完成安裝示意圖

紫色部件為USB 接線盒裝配底座，5 個片筋支撐，如圖7 示，安裝后需進(jìn)行超聲波焊接固定（5 處片筋），片筋超聲波焊接點部位如圖8 紅框處示。

圖7 USB 接線盒裝配于底座示意圖

圖8 USB 接線盒5 個片筋焊接位置示意圖

2 設(shè)備改造背景

設(shè)備改造前，該塑膠產(chǎn)品安裝兩種型號共14 顆金屬卡扣，以及USB 座5 個片筋超聲波焊接，因無相關(guān)自動化專用設(shè)備，完全采用員工手工安裝裝配卡扣和焊接，導(dǎo)致員工工作勞動強度大，效率低，人工投入成本高，員工手持超聲波焊槍焊接，焊接質(zhì)量完全靠員工經(jīng)驗把握，焊接的一致性和穩(wěn)定性很難得到保證。人工安裝及焊接，不良率高，卡扣損壞率5% 左右，漏裝率3% 左右，焊接報廢率25% 左右。為提高產(chǎn)品合格率，減輕員工勞動強度，該生產(chǎn)工序提升改造為機(jī)器人全自動生產(chǎn)線，由全自動化生產(chǎn)線進(jìn)行自動安裝及超聲波焊接，并且增加相應(yīng)的金屬卡扣漏裝識別檢測，漏裝卡扣產(chǎn)品將被自動識別分隔離出來。

3 設(shè)備整體布局

通過震動盤實現(xiàn)兩種類型的金屬卡扣A 和B 自動上料，卡扣裝配機(jī)器人6 軸末端安裝夾具將卡扣抓取并自動裝入塑膠產(chǎn)品相應(yīng)的位置，裝配完成后焊接機(jī)器人抓取產(chǎn)品放入焊接工裝，機(jī)器人精確定位焊接點位并采用超聲波單點逐次完成焊接，整體布局如圖9示。

圖9 設(shè)備改造整體布局示意圖

4 集成設(shè)備系統(tǒng)構(gòu)成

4.1 設(shè)備改造基本參數(shù)

（1）設(shè)備安裝尺寸，如圖10 示。

圖10 設(shè)備改造安裝尺寸示意圖

（2）要求生產(chǎn)節(jié)拍小于60 s。

（3）要求產(chǎn)品合格率99.9%。

（4）工作電壓 AC380 V/AC220 V 50 HZ。

（5）工作氣源壓力0.5～0.7 kgf/cm2。

（6）設(shè)備功率小于5 kw。

4.2 超聲波單元

系統(tǒng)使用一套 30KHz JINCHIC 超聲波設(shè)備，根據(jù) USB 底座片筋形狀特制配套的超聲波焊頭組合。當(dāng)機(jī)器人自動定位于各片筋上方，超聲波發(fā)功，由發(fā)生器產(chǎn)生30 KHz 的高壓、高頻信號，通過換能系統(tǒng)，把信號轉(zhuǎn)換為高頻機(jī)械振動，加于塑膠制品工件上，在工件表面及分子間的磨擦而使傳遞到接口的溫度升高，當(dāng)溫度達(dá)到此工件本身的熔點時，使工件接口迅速熔化，繼而填充于接口間的空隙，塑膠焊接的同時根據(jù)機(jī)器人TCP 坐標(biāo)系繼續(xù)向下緩慢移動，一直移動到設(shè)定的焊接深度，超聲波發(fā)功結(jié)束震動停止，工件在機(jī)器人一定的壓力下同時吹氣冷卻定形，便達(dá)成合格的焊接工藝。

4.3 自動化設(shè)備構(gòu)成

（1）機(jī)器人單元。

由A 和B 兩臺ABB 工業(yè)機(jī)器人（IRC5 Single）組成多機(jī)聯(lián)動，工業(yè)機(jī)器人型號IRB1410、承載能力5 kg、到達(dá)距離1.45 m，A 機(jī)器人完成金屬卡扣的全自動夾取及安裝，B 機(jī)器人完成USB 支架超聲波焊接及取放產(chǎn)品、卡扣漏裝識別。

（2）旋轉(zhuǎn)供料臺一套，待加工塑膠產(chǎn)品放在旋轉(zhuǎn)胎模上，便于機(jī)器人實現(xiàn)連續(xù)不間斷加工。

（3） 控制系統(tǒng)采用西門子SIEMENS 系列SMART S7-200 PLC 及SMART LINE 觸摸屏，并實現(xiàn)與機(jī)器人聯(lián)絡(luò)通訊，實現(xiàn)信號交互。

（4）震動篩選供料盤2 套，待安裝金屬卡扣有序排列至前端，便于機(jī)器人自動夾取卡扣。

（5）輸送線2 條（合格品和不合格品各一條輸送線），B 機(jī)器人焊接完成把加工完成的產(chǎn)品放在輸送帶上，自動運至安全區(qū)。

4.4 設(shè)備各模組展示介紹，如圖11 示。

圖11 設(shè)備改造各模組示意圖

（1）A 模塊，金屬卡扣抓取安裝夾具，實現(xiàn)A、B 兩種金屬卡扣的全自動抓取及安裝。

（2）B 模塊，金屬卡扣上料系統(tǒng)，實現(xiàn)震動篩選全自動不間斷供料。

（3）C 模塊, 卡扣安裝產(chǎn)品固定工裝夾具，安裝于旋轉(zhuǎn)供料臺，實現(xiàn)產(chǎn)品穩(wěn)固定位，便于A 機(jī)器人安裝卡扣。

（4）D 模塊，旋轉(zhuǎn)供料臺，塑膠產(chǎn)品上料后旋轉(zhuǎn)至工作位，便于機(jī)器人實現(xiàn)不間斷加工。

（5）E 模塊，產(chǎn)品抓取工裝夾具及超聲波焊槍，實現(xiàn)B 機(jī)器人把產(chǎn)品由旋轉(zhuǎn)供料臺抓取至焊接工位，同時集成有超聲波焊槍。

（6）F 模塊，超聲波焊接產(chǎn)品固定工裝夾具，安裝于焊接工位，實現(xiàn)產(chǎn)品穩(wěn)固定位，便于B 機(jī)器人定位焊接。

5 集成設(shè)備工作原理及工藝流程

5.1 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)改造后，塑膠產(chǎn)品實現(xiàn)機(jī)器人全自動超聲波焊接與金屬卡扣裝配，需要安裝14 顆兩種型號金屬卡扣，以及USB 座5 個片筋超聲波焊接，由兩臺ABB工業(yè)機(jī)器人組成多機(jī)聯(lián)動，A 機(jī)器人完成金屬卡扣的夾取及安裝，B 機(jī)器人完成USB 支架超聲波焊接及取放產(chǎn)品、卡扣漏裝識別。兩種類型的金屬卡扣分別放入各自的震動篩選供料盤，篩選并排列好的金屬卡扣通過直線振動軌道把卡扣有序地送至出料口，A 機(jī)器人運行至A 金屬卡扣取料口，由安裝在機(jī)器人6 軸末端的五套微型夾具取走A 型卡扣5 個，然后機(jī)器人運行至B 金屬卡扣取料口，由安裝在機(jī)器人6 軸末端的兩套微型夾具取走B 型卡扣2 個，兩種類型卡扣取料完畢后，A 機(jī)器人接收到塑膠產(chǎn)品旋轉(zhuǎn)供料臺到位信號后，進(jìn)行A 型卡扣1#～5#和B 型卡扣11#～12#的安裝。安裝完成后，A 機(jī)器人返回取料程序，再次夾取A 和B 型卡扣，繼續(xù)進(jìn)行A 型卡扣6#～10#和B 型卡扣13#～14#的安裝。卡扣全部安裝完成后，A 機(jī)器人至安全區(qū)域傳送卡扣安裝完成信號給焊接B 機(jī)器人，B 機(jī)器人收到卡扣裝配完成信號后，運行至卡扣安裝工位，取走塑膠產(chǎn)品，放至焊接工裝，完成USB 支架5 個焊點超聲波焊接，焊接完成后啟動卡扣漏裝識別，判別后，把產(chǎn)品分別放至合格輸送線或者漏裝卡扣輸送線，從而完成一套產(chǎn)品的卡扣安裝及超聲波焊接。

5.2 產(chǎn)品金屬卡扣裝配及焊接工藝機(jī)器人動作流程

A、B 兩臺機(jī)器人實現(xiàn)相互通訊以及與西門子SMART S7-200 PLC 通訊信號連接，根據(jù)信號各自運行預(yù)先編制好的程序完成相應(yīng)的金屬卡扣全自動安裝以及USB 座片筋點位的焊接工作，工作流程示意圖，如圖12 所示。

圖12 產(chǎn)品卡扣裝配及焊接流程示意圖

6 系統(tǒng)集成運用

6.1 工裝夾爪器具部分

工裝夾爪器具，根據(jù)產(chǎn)品生產(chǎn)工藝加工流程，為待加工產(chǎn)品生產(chǎn)工藝和流程能正確執(zhí)行而所需的裝置，幫助塑膠工件產(chǎn)品夾持、準(zhǔn)確定位、牢固支持，保證加工精度。

（1）塑膠產(chǎn)品裝配工裝設(shè)計

卡扣裝配，產(chǎn)品固定工裝夾具，確保金屬卡扣安裝工藝準(zhǔn)確無誤，保證加工精度，如圖13 所示。

圖13 卡扣裝配，產(chǎn)品固定工裝夾具示意圖

（2）塑膠產(chǎn)品焊接工裝設(shè)計

超聲波焊接，產(chǎn)品固定工裝夾具，確保塑膠產(chǎn)品放至焊接工裝后，機(jī)器人持超聲波焊槍焊接工藝，保證加工精度，如圖14 所示。

圖14 超聲波焊接，產(chǎn)品固定工裝夾具示意圖

（3）A 機(jī)器人卡扣取料工裝設(shè)計

A 機(jī)器人需對兩種不同類型的金屬卡扣夾取，卡扣取料工裝設(shè)計為兩種，A 型金屬卡扣設(shè)計為5 個獨立的氣缸夾取，機(jī)構(gòu)圖中灰色部分，B 型金屬卡扣設(shè)計為2 個獨立的氣缸夾取，機(jī)構(gòu)圖中淺藍(lán)色部分，安裝于B 機(jī)器人6 軸末端，如圖15 所示。

圖15 卡扣取料工裝設(shè)計示意圖

（4）B 機(jī)器人產(chǎn)品取料及焊槍工裝設(shè)計

當(dāng)塑膠產(chǎn)品14 顆卡扣安裝完畢，B 機(jī)器人需要在裝配工裝上取走產(chǎn)品，放至焊接工裝定位，進(jìn)行超聲波焊接，如圖16 所示。

圖16 產(chǎn)品取料及焊槍工裝示意圖

6.2 震動篩選盤供料系統(tǒng)設(shè)計部分

金屬卡扣自動上料系統(tǒng)，通過震動篩選盤加直線送料，分別把A 型和B 型金屬卡扣自動排列至供料末端，以備機(jī)器人夾取，取走一個后并實現(xiàn)迅速不間斷補料，如圖17 所示。

圖17 震動篩選盤供料系統(tǒng)示意圖

6.3 電氣控制部分

控制系統(tǒng)采用西門子s7-200 SMART PLC 及觸摸屏（HMI），s7-200 SMART 是西門子公司推出的高性價比小型PLC，配帶一個以太網(wǎng)接口，用以太網(wǎng)和交換機(jī)實現(xiàn)上位機(jī)、PLC、HMI 以及機(jī)器人之間的通訊，網(wǎng)絡(luò)通訊拓?fù)?，如圖18 所示。

圖18 系統(tǒng)改造網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫疽鈭D

根據(jù)系統(tǒng)集成要求，為滿足生產(chǎn)工藝，在進(jìn)行應(yīng)用程序設(shè)計時，確定好系統(tǒng)的構(gòu)成形式，選擇輸入設(shè)備( 按鈕、操作開關(guān)、限位開關(guān)、傳感器等)、輸出設(shè)備( 繼電器、接觸器、信號燈等執(zhí)行元件) 以及由輸出設(shè)備驅(qū)動的控制對象( 電動機(jī)、電磁閥等)，設(shè)計控制程序，配置好Plc、上位機(jī)、觸摸屏、機(jī)器人相互之間的通訊聯(lián)絡(luò)。根據(jù)工藝流程要求，編制調(diào)試好控制程序及網(wǎng)絡(luò)通訊，是保證系統(tǒng)正常、安全、可靠的關(guān)鍵。

6.4 機(jī)器人程序部分

工業(yè)機(jī)器人編程是使用機(jī)器人特定語言來描述機(jī)器人動作軌跡，根據(jù)工藝控制流程配合PLC 相互通訊，配置好和Plc 之間的信號關(guān)聯(lián)，編制機(jī)器人控制程序。它通過對機(jī)器人的示教，使機(jī)器人按照既定運動和作業(yè)指令完成編程和想要的各種操作。在編制機(jī)器人程序前定義好工件坐標(biāo)系，它是用來定義工件相對于大地坐標(biāo)系或者其它坐標(biāo)系的位置，方便用戶以工件平面方向為參考手動操作調(diào)試。接著創(chuàng)建焊槍的工具坐標(biāo)系（TCP），TCP（Tool Center Point）工具座標(biāo)系是機(jī)器人運動的基準(zhǔn)，是由工具中心點TCP 與坐標(biāo)方位組成，機(jī)器人連動時，TCP 是必需的，能方便控制機(jī)器人的姿態(tài)。在超聲波焊接作業(yè)時，將焊槍工具的TCP 定義在焊槍末端，方便地調(diào)整焊接姿態(tài)。

7 集成運用改造取得效果

NCS NF 前端支架共需要安裝14 個金屬輔件及焊接5 個點位的USB 支架，未整改前此條生產(chǎn)線需要3名員工完成金屬輔件作業(yè)和USB 支架的超聲波焊接，勞動強度大，生產(chǎn)效率不高，焊接質(zhì)量不穩(wěn)定，合格率低。改造后，塑膠產(chǎn)品“NCS NF（PA）前端支架”安裝輔件卡扣、USB 支架焊接生產(chǎn)線，通過利用機(jī)器人自動化安裝及焊接，實現(xiàn)了減少2 名人工，大幅提升生產(chǎn)效率、節(jié)約人工成本、提高產(chǎn)品合格率、焊接質(zhì)量穩(wěn)定可靠等目的，還極大降低了員工的勞動強度，詳見以下圖表說明，如圖19 所示。

圖19 改造取得的效果對比示意圖

8 結(jié)束語

在目前制造業(yè)招工難，人工成本高的今天，逐步使用工業(yè)機(jī)器人替代人工，提升生產(chǎn)線的自動化和智能化水平，是企業(yè)最有效的解決方式之一。根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求開發(fā)相關(guān)的專用高效設(shè)備，改造全自動化生產(chǎn)線，通過使用工業(yè)機(jī)器人很好的取代人工裝配輔件及超聲波塑膠焊接作業(yè)，塑膠產(chǎn)品實現(xiàn)自動化輔件安裝、超聲波焊接、防漏裝檢測等多工序的全程自動化生產(chǎn)，全自動化生產(chǎn)線的工藝非常穩(wěn)定可靠，不僅降低了生產(chǎn)及人工成本，而且還大幅提升提高勞動生產(chǎn)率，使產(chǎn)品的質(zhì)量得到可靠保證的目的。