數(shù)控技術(shù)在CO2焊接夾具上的應(yīng)用

龍勇華

1. 概述

CO2焊接因其具有操作方便、高效、可靠的特點，被廣泛應(yīng)用于汽車車架及承重件焊接夾具中。目前CO2焊接夾具除部分關(guān)鍵件采用機(jī)器人焊接外，其余均為手工操作。

CO2焊接是汽車制造中必不可少的工序，它在汽車車架及承重件、管梁類零件中廣泛使用。現(xiàn)階段CO2焊接存在焊縫質(zhì)量不穩(wěn)定；焊縫外觀不佳；現(xiàn)場環(huán)境惡劣，對操作者人身健康傷害較大；對操作工要求具有一定的實踐經(jīng)驗。

2. 焊接機(jī)器人

針對以上CO2焊接存在的缺點，技術(shù)及經(jīng)濟(jì)實力雄厚的大型汽車制造廠可采用焊接機(jī)器人代人工進(jìn)行組線生產(chǎn)，但這種焊接機(jī)器人具有諸多不足。

（1）采購成本高 一臺焊接機(jī)器人成本高，且機(jī)器人長期應(yīng)用于CO2焊接所產(chǎn)生焊煙等惡劣環(huán)境中，不僅造成機(jī)器人的加速折舊，還對機(jī)器人的精密性能產(chǎn)生損傷，維護(hù)成本高。

（2）使用復(fù)雜 機(jī)器人的使用必須有專業(yè)技術(shù)人員在使用前進(jìn)行PLC編程，企業(yè)大多不具備該類專業(yè)人員，至使無法自主進(jìn)行程序的維護(hù)及修改。

（3）機(jī)器人與夾具分體 我國汽車企業(yè)對CO2焊接技術(shù)及設(shè)備的投入均未給予足夠的重視，特別是部分SUV車型車架的總體焊接精度往往存在超差裝車的情況，從而影響了車身整裝配質(zhì)量，也直接影響車輛使用壽命及整體性能。我國汽車行業(yè)普遍存在利潤溥、車型壽命短、整體質(zhì)量較低的狀況，在這種情況下，汽車制造企業(yè)不可能在焊接夾具中大量采用焊接機(jī)器人這種高成本、高技術(shù)含量的設(shè)備來代替相對低廉的人工成本。鑒于這種現(xiàn)狀，發(fā)展一種成本不高，質(zhì)量穩(wěn)定、使用方便、數(shù)字控制的CO2焊接夾具，已成為市場所需。

3. 數(shù)控CO2焊接夾具

數(shù)控CO2焊接夾具是將數(shù)控設(shè)備與定位夾具合二為一的設(shè)備，其基本結(jié)構(gòu)分為兩部分：主體定位夾具及數(shù)控焊接機(jī)構(gòu)。

（1）主體夾具 主體定位夾具設(shè)計可遵循常規(guī)方式，即采用定位銷+定位型面定位方式限制零件的自由度，將零件定位住，數(shù)控焊接夾具與常規(guī)焊接夾具在設(shè)計制造時有如下幾點區(qū)別。

第一，夾具設(shè)計區(qū)別，普通CO2焊接夾具只需考慮限制住零件自由度，避讓出一定量的焊槍通道即可；而數(shù)控CO2焊接夾具設(shè)計時不僅要消除各零件的自由度，還需設(shè)計出數(shù)控焊接機(jī)構(gòu)的通道。

第二，夾具平臺上必須設(shè)計出數(shù)控焊接機(jī)構(gòu)的安裝位置及電控盒的安裝位置。

氣動夾具不僅需設(shè)計氣路，還需增加電路設(shè)計。

第三，應(yīng)設(shè)計保護(hù)裝置對電控盒及數(shù)控焊接機(jī)構(gòu)關(guān)鍵運動部位進(jìn)行保護(hù)。

（2）數(shù)控焊接機(jī)構(gòu) 數(shù)控焊接機(jī)構(gòu)包括控制部分、運動機(jī)構(gòu)及操作系統(tǒng)這三部分組成。

第一，控制部分。控制部分核心部分是5軸運動控制器，它可以同時控制5個伺服電動機(jī)或步進(jìn)電動機(jī)。由于在汽車CO2焊接中，對焊縫的位置精度要求并不需要太高，數(shù)控CO2焊接機(jī)構(gòu)不必像數(shù)控加工中心那樣動輒±0.02mm甚至更高的精度，同時由于5軸控制器的軟件自控功能在不考慮運動機(jī)構(gòu)對精度影響的情況下可以做到在1m范圍內(nèi)公差在±0.1mm以內(nèi)，這樣精度完全可適用于汽車產(chǎn)品的焊接。

第二，運動機(jī)構(gòu)。由于本套機(jī)構(gòu)由5軸控制器控制，可支持5個運動副，同時可支持3個電磁繼電器的開合動作，焊鉗通電動作即可用繼電器來控制。

（3）軟件系統(tǒng) 本系統(tǒng)軟件由以下三部分組成：

第一，數(shù)控操作系統(tǒng)。數(shù)控操作系統(tǒng)具有兩種形式：一是直接使用帶數(shù)顯及處理器的集成控制器，它具有USB外置接口，可直接讀取編制完成的數(shù)控程序，并通過內(nèi)置的專用程序運行數(shù)控程序，而無需配備單獨電腦。二是單獨為每臺焊接夾具配備一臺電腦，進(jìn)行編程及運行控制。本操作系統(tǒng)界面與普通數(shù)控機(jī)床的數(shù)控操作系統(tǒng)界面相似且部分輔助功能命令具有相通性。

第二，專用編程軟件。專用編程軟件可采用通用CATIA五軸編程模塊進(jìn)行多軸編程，輸出APTSOURCE文件。

第三，后置軟件。針對本運動機(jī)構(gòu)，開發(fā)了專用數(shù)控后置軟件，本軟件讀入APT文件，處理后輸出TXT文件。

4. 數(shù)控機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)

采用低成本、易維護(hù)的數(shù)控機(jī)構(gòu)，它主要由機(jī)械結(jié)構(gòu)、運動控制板、步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動板、直流電源及操作系統(tǒng)等組成。

隨著數(shù)字技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)控技術(shù)被廣泛應(yīng)用到各行各業(yè)中，X、Y、Z等軸控制板價格已十分低廉，甚至已經(jīng)到百元以下，如此低廉的數(shù)控系統(tǒng)，在不大幅增加夾具開發(fā)費用的前提下，使開發(fā)復(fù)合CO2數(shù)控焊接夾具成為可能。

5. 結(jié)語

本機(jī)構(gòu)是一種將自動焊接技術(shù)與定位焊接夾具集成一體，形成一種智能化CO2焊接夾具。它不僅減少了操作者的勞動強(qiáng)度，而且使操作者從長期處于有害有毒環(huán)境中解脫出來，同時也大大提高CO2焊縫質(zhì)量及生產(chǎn)效率，是一種具有很大實用性的先進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)，在汽車焊裝生產(chǎn)中具有十分廣泛的用途。

[1] 徐世許．機(jī)器自動化控制器原理與應(yīng)用[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013．