副車架總成機器人焊接工作站的設計及應用

藍偉銘+李楊

摘 要：基于副車架ABB工業機器人弧焊工作站的設計，采用單臺ABB IRB1410工業機器人為核心來構建包含焊接設備、清槍剪絲器在內的一套單機器人雙工位的經濟實用系統。工作站采用ABB標準I/O接口板作為機器人控制柜IRC5與電焊機等外設的接口器件，并進行相應的硬件線路設計及設置，利用程序編程實現機器人自動弧焊功能。

關鍵詞：汽車副車架；弧焊；縱梁；PLC；ABB

中圖分類號：TP242 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）01-0108-04

Abstract： Design of arc welding workstation for industrial robot based on subframe ABB. The single ABB IRB1410 industrial robot is used as the core to construct a set of economic and practical system which includes welding equipment， gun cleaning and shearing device. The workstation adopts the ABB standard I/O interface board as the interface device of the robot control cabinet IRC5 and welding machine， and carries on the corresponding hardware circuit design and the setup. The automatic arc welding function of robot is realized by programming.

Keywords： car subframe； arc welding； longitudinal beam； PLC； ABB

引言

近些年來，隨著我國汽車產業的高速發展，汽車年產量也再創新高，柳州是廣西的工業重鎮，近年的微型車產量也再創新高，某款車型已經居于世界前幾名，隨著技術投入及創新技術的逐漸完善，對于汽車質量的監控也非常的重視，質量就是企業的生命線。很多汽車零部件配套企業也開始跟上主機廠的步伐，開始利用新的自動化設備代替人力完成很多零部件的生產。汽車副車架是某款乘用車型的關鍵零部件，長期受到焊縫質量問題的困擾，主要是人工焊接所造成的焊縫質量不穩定，合格率底下的主要原因。針對該車型對副車架焊縫的問題，采用PLC結合工業機器人焊接技術，采用機器換人的方式，研發一套適用于副車架的自動點焊機器人系統來代替人工焊接，實現焊接過程質量穩定可控。

乘用車的副車架是汽車底盤的重要零部件，副車架的作用還可以減少車輛的噪聲與振動，同時還可以提高懸掛系統的剛度，對于舒適性起到很重要的作用，所以其質量對于汽車而言是非常重要的。副車架分為前橋和后橋兩大部分組成，一套副車架有幾塊縱梁焊接裝配組成，利用多套焊接工藝序完成組裝，因此對于副車架的焊接質量是非常高的。

1 傳統手工焊接對質量的影響

傳統的手工焊接會因為不同的環境影響及焊接工自身的情緒影響，都會造成焊接質量的不確定性，從而導致每個零件及每一批次的零件都會存在質量的差異。可以從幾個方面進行分析：一是企業焊接工本身的素質，本身的焊接水平直接反映出焊接質量是否合格；二是焊接工容易受到自身和外來的影響，比如說在焊接過程中容易受到家庭社會等方方面面的影響，導致容易產生情緒波動，導致焊接質量不穩定；三是在副車架板件焊接過程中，焊接件行程不長，一般在800-1000mm范圍內，手工弧焊工作消耗體力大，由于年齡的差異，不能保證質量不被高強度的體力消耗對產品的影響。不能保證每個生產節拍都能一致，企業監控相對較難控制產量。四是焊接過程中會有一定的危險性和焊接時會產生有毒的氣體，也會影響其作業的環境及影響焊接時的合格率，這方面也極易導致人員的流失，如今焊接工較少人愿意從事這份工作。隨之而來導致企業招工難，經常會出現焊接工緊缺的情況。

所以，企業為了滿足日益發展的迫切需求，急需采用自動化方式完成焊接自動化，除了焊接過程由工業機器人來完成，包括工裝夾具也按照自動化的方式進行設計，實現全套自動化的過程，柔性可以充分的體現出來，這樣才能保證質量的同時又可以保證效率，符合企業的需求。

2 項目介紹

前副車架是車輛的重要底盤部件。主要由前橫梁、后橫梁、左縱梁、右縱梁組成。見圖1所示。本機器人焊接工作站，主要為某汽車有限公司專門定制，零部件為F600（DM5L）款車型的汽車副車架左右縱梁總成，采用工業機器人自動焊接生產。左右縱梁零件如圖2、圖3所示。

3 系統組成

系統主要由機器人本體、機器人控制柜、電焊機、副車架工件工裝、自動控制系統，光、磁、壓力檢測機構、氣動驅動機構、抽排煙集成罩、聲光報警三色燈等部件組成。ABB IRB1410型6軸工業機器人，理論上可到達它工作半徑的任何位置，定位精度可以達到0.02ram；弧焊機為松下全新數字化逆變焊接，節能、功率因數高、飛濺少、焊接質量可靠，可儲存128套焊接規范，滿足各種不同板材焊接，使焊接更加細化。副車架系統兩套夾具采用獨立式上下件，大大提高生產效率[1]。

3.1 系統硬件配置

此系統采用封閉式工作站，由5部分組成：機器人本體、IRC5機器人控制器、IGBT焊接控制器、兩套氣動式焊接夾具[2]：

（1）焊接系統采用標準的Panasonic YD-350/500GR數字IGBT控制MIG/MAG弧焊電源焊機。

（2）送絲裝置采用Panasonic YW-35DG送絲機。endprint

（3）BRG2000自動清槍器。

（4）工業機器人本體選用ABB 1410型。

（5）機器人控制柜包含PLC控制系統，采用三菱FX2N-32MR-001型號的PLC。

（6）氣動驅動機構均采用亞德客品牌氣動元器件。

（7）副車架工件工裝總成由機械夾具與氣缸組成，如圖4所示。

3.2 焊接工作站系統

（1）副車架總成焊接工作站系統如圖5所示。

（2）機器人與焊機控制器部分通過硬件I/O連接方式實現控制信號的交互，機器人與焊機部分接線圖如圖6所示。

4 焊接機器人的示教編程

本焊接機器人現場采用示教器進行現場編程示教焊接軌跡，包含了運動軌跡及作業條件兩方面的示教工作。為了完成整個副車架縱梁的焊縫焊接工藝，在對機器人進行示教的部分為焊絲端部運動的軌跡，包括路徑及焊接速度等；焊機參數及機器人參數設置主要是對機器人進行焊接質量的示教，包含了被焊件的型材、板材厚度、對應不同角度及焊縫形狀的焊槍姿勢、焊接參數、焊接電源的控制方法等。

副車架兩套氣動式焊接夾具：左右兩邊各一套，采用支持DeviceNet現場總線的輸入輸出板（DSQ651）對氣動電磁閥進行控制。工業現場總線現在使用的比較廣泛的是DeviceNet，它作為ABB工業機器人的標配通訊協議，可靠性好、抗干擾能力強、穩定性高、極大減少現場布線等優點，廣泛應用于工業通信中。在設置機器人與板子通信時，首先要設置DSQ651（8DI/8DO）板子的地址，地址采用8421編碼，根據實際地址配置651板基本參數，定義選擇IO板的型號，根據本項目選擇IO板通訊的總線形式為Devicenet，以及修改該板的名字等等設置[3]。機器人通信板的定義設置如圖7所示。

ABB IO板的模擬量輸出信號的范圍是：0～10V，本系統采用的為日本松下的機器人配套焊機，焊機中的撥碼開關用于電壓的選擇：0～10V或0～15V，本項目將7號撥動開關撥到ON位置，選擇了電壓范圍為0～10V。

YD-350/500GR弧焊焊機其主要的控制信號5個輸出信號：焊機開關信號（Do Weld），送氣信號（Do_Gas），手動送絲信號（Do_ Feed），焊接電流控制信號（Ao_Current）和焊接電壓控制信號（Ao_ Voltage）；1個輸入信號：電弧建立信號（Di_ArcE）。在自動焊接系統中，只需要在機器人的PROC中配置個5各焊接參數：Do_Weld、Do_Gas、Ao_Current、Ao_Voltage、Di_ArcE；機器人根據設置的不同焊接參數對Ao_Current和Ao_Vo1tage兩個模擬信號的控制，來達到對焊接電流和電壓的控制[3]。機器人通信板模擬量信號的定義設置如圖8所示。

定義好了TCP（工具坐標系）后，按照工藝的順序進行焊縫軌跡的示教，焊接示教的角度很重要，在焊接過程中可以調整到焊接更理想的質量效果。機器人標準焊接姿勢如圖9所示。

5 項目實施情況

本項目從設計、生產制造、安裝、機電集成、控制系統編程調試、機器人焊接編程調試、焊接參數優化、工件破壞性試驗等全部由系部專業教師帶領學生共同完成，目前焊接樣件已經通過廠方驗收。圖10、圖11為副車架左、右縱梁總成焊接現場圖。

5.1 焊接工作站性能特點

焊接工作站只需人工上料，按下啟動鍵后，由控制系統控制氣動夾具自動夾緊工件，傳感器檢測工件夾緊到位后，控制系統向機器人發出控制信號，機器人、智能電焊機自動完成工件焊接，焊接完畢后夾緊機構打開，夾具上的氣動機構頂出工件，由人工下料。

5.2 焊接產量

焊接一件工件包括上下料需4分鐘，每小時15件。按每天三班次、每班六小時，生產效率按80%計算，每天產量為216件，可滿足108臺汽車的生產配套。

5.3 焊接工作站后續開發計劃

現由教師帶領學生組成的開發團隊，已經在進行焊接工作站自動上下料系統的開發工作。該系統配合焊接工作站，在工件料箱自動抓取工件，放置到焊接工裝上，焊接工作站焊接完畢后，上下料系統自動抓取工件送回料箱。自動上下料系統配合焊接工作站，可實現工件的自動焊接、自動上下料、自動倉儲等功能、可大大減輕工人的勞動強度、提高生產效率。

6 結束語

本文介紹的副車架自動焊接工作站，由于采用了工業機器人進行自動焊接，具有性價比高、可靠性好、作業效率高的特點，帶來的生產質量可控，生產節拍達到企業要求，無人為因素干擾，將人力從繁重的體力勞動以及惡劣的粉塵環境中解放出來，具有很高的現實意義，解決了企業的實際需求。通過投入現場實際成產，本焊接工作站具備以下優點：

（1）從產品質量方面來說，由于是采用PLC為主要控制單元，對于工裝夾具的動作，以及對工業機器人的控制，包括工業機器人本身的控制動作，在硬件機械部分能夠得到很好維護的情況下，程序本身非常可靠不會發生人為問題，所以很大程度上保證了每次動作的精準，從而保證了每一件工件都能按照同樣的節拍完成焊接，也就保證了每一件產品都能夠做到幾乎一致，提高了質量。

（2）從勞動生產的角度來看，改善了工人的勞動強度，使得工人不再進行繁重的體力焊接工作，還要冒著粉塵及焊接過程中的弧光、飛濺及煙霧等都會對人身造成的傷害。工業機器人可以按照既定的節拍實現生產，在特殊時候還可以調節生產節拍，不會出現以往人工焊接的疲勞現象，可以實現全天24小時的焊接工作，隨著技術的提升，焊接效率還會有大的提升。

（3）從企業管理的角度來說，都希望生產質量和節拍可以監控，本系統由于采用機器人焊接，實現了產品工藝可控，排產方便，柔性很大，通過修改程序即可滿足不同工藝卡對焊接的要求，大大提高了效率，企業可以根據不同的訂單需求進行排產，有計劃的進行產量控制。

（4）從工藝研發的角度來看，本焊接系統可以通過對工裝夾具的定位銷的控制，即可對同一系列兩款車型進行選擇加工，減少了投入，大大提高了設備的利用率。

（5）從價格的角度來看，本自動焊接工作站價格就不高，而隨著工業機器人技術應用的普及，很多品牌的機器人價格也在逐年下降，為更多企業改造現有設備提供了很大空間[4]。

參考文獻：

[1]舒章鈞.ABB機器人在縱梁自動焊接中的應用[A].2015年第五屆全國地方機械工程學會學術年會暨中國制造2025發展論壇論文集[C].2015：5-6.

[2]韋宏明.基于DeviceNet的ABB工業機器人弧焊工作站的設計[J].機械，2013，03：23-27.

[3]周方偉.ABB機器人弧焊系統的研究與分析[J].汽車實用技術，2010（05）：56-58.

[4]趙國，蔣召杰，韋柳毅.淺談機器人焊接在汽車發動機后懸置橫梁上的應用[J].裝備制造技術，2014，05：238-240.

[5]陳凱豐.試論焊接機器人在汽車焊裝領域中的應用[J].科技創新與應用，2015（34）：54.endprint