一種重載汽車輪轂總成自動點焊機器人的研制*

2018-12-21 07:20:18唐大勇

現代礦業 2018年11期

唐大勇

(1.重慶文理學院機電工程學院，2.重慶文理學院智能裝備制造及信息化技術研究所)

隨著人們生活水平的不斷提高，汽車已成為人們生活中重要的交通和運輸工具。據統計，全世界重載汽車產量突破9 000萬輛[1-2]，輪轂總成作為重載汽車行走、制動的重要部件，是每臺汽車的必備部件。輪轂總成傳統的裝配方式是將輪轂盤與內齒圈壓裝好后采用人工塞焊方式將內齒圈與輪轂盤固定，但人工塞焊存在焊接變形大、焊點一致性差、焊接效率低下、成本高等缺點，且工人勞動強度大，焊接弧光、煙霧等對操作者身心健康造成嚴重傷害[3]。為此，設計了一種重載汽車輪轂總成自動點焊機器人，以提高生產效率和產品質量，降低生產成本及焊接弧光、煙霧等對操作者身體的傷害。

1 自動點焊機器人的本體設計

1.1 機器人的主要技術參數

由重型汽車輪轂總成的平面結構圖可知(見圖1)，塞焊點均勻分布在內齒圈分度圓直徑上，塞焊孔尺寸為6 mm×6 mm×3 mm，機器人采用四自由度直角坐標型結構，即X、Y、Z3個線性軸和焊接臂回轉軸(R軸)。其主要技術參數見表1。

1.2 機器人本體的結構設計

機器人采用龍門式直角坐標型結構[4]，本體采用高強度鋁型材通過加強筋連接而成，X軸、Y軸、Z軸分別通過伺服電機與滾珠絲杠驅動各軸作線性運動，但由于X軸支承著Y軸和Z軸，承載較大，故需在X軸上增加一減速器；Z軸上安裝有焊接臂等裝置，為保證Z軸啟動與制動性能，在Z軸上需增加一剎車裝置，以提高焊接臂的啟動與制動性能?？紤]到焊點分布圓直徑較大，為減小機器人總體尺寸，減輕產品重量，在焊接臂上增加可360°旋轉的旋轉軸(R軸實際旋轉角度為210°)，以提高焊接機器人的靈活性和適用性；根據重載汽車輪轂總成結構特點與焊接要求，以其內孔為定位中心，同時增加周向定位氣缸和軸向壓緊旋轉氣缸，機器人本體結構見圖2。

圖1 重載汽車輪轂總成平面圖

2 機器人的控制系統

2.1 控制系統框圖與控制柜

為實現機器人各軸快速有效地完成汽車輪轂總成的點焊工作，需要按以下程序框圖進行控制系統的設計(見圖3)，電氣控制系統原理見圖4。機器人的電氣控制柜放置在機身后側下方，柜中按上、中、下3層分別由四軸伺服驅動器、繼電器、電源及機器人控制器等幾部分組成(見圖5)。

表1 自動點焊機器人主要技術參數

圖2 輪轂總成自動點焊機器人結構

控制器選用安吉金科公司生產的四軸高速焊接控制器，主要由主機單元、速度伺服驅動板、輸入/輸出板(I/O)及示教編程器等幾部分組成。伺服驅動系統采用松下伺服電機及其配套驅動器，通過I/O信號線與控制器連接，可實現對機器人各軸啟動、減速、停止、暫停、急停等進行控制。各焊點均采用點位控制模式(PTP)，需用示教器根據各塞焊點的坐標位置進行示教編程、控制、單步運行、調試運行等方式進行操作。

圖3 控制系統框圖

圖4 電氣控制原理圖

圖5 控制柜實物照片

2.2 傳感系統應用

在軟件應用與傳感系統選用方面，與六自由度機器人相比，直角坐標型自動點焊機器人的操作軟件和弧焊控制模塊主要包括以下方面：①示教編程功能；②數據存儲、數據處理與調用功能；③漏焊補焊功能；④自診斷功能；⑤傳感與跟蹤功能。該系統通過示教編程完成各焊點的坐標設置，為保證輪轂總成焊接變形較小，焊接臂采用見圖6所示的焊接順序與行走方式進行焊接。而傳感系統主要包括X軸、Y軸、Z軸3軸的行程開關，以控制焊槍在3軸的工作空間，R軸上安裝有角度編碼器，以控制R軸的旋轉角度。在系統運行過程中，傳感系統與跟蹤功能通過對電壓、電流變化情況進行自動檢測，以修正焊槍的移動速度和位置，同時控制焊機的起弧、熄弧及焊接時間。如果由于焊機故障出現漏焊情況，只需將單點焊接程序調用運行即可完成焊點補焊。

圖6 焊槍行走軌跡與焊接順序

3 機器人的現場試驗

重載汽車輪轂總成自動點焊機器人樣機試制完成后，首先進行了實驗室試驗，先后完成了20件樣品的試焊，焊接過程中，有5件產品出現漏焊，且個別焊點存在氣孔情況。針對以上兩種情況，對電流、電壓及收弧電流和電壓等參數進行反復試驗，發現漏焊是送絲機的送絲速度與焊機的焊接參數(電壓、電流)未完全匹配造成的；氣孔則是由于保護氣體氣壓與流量過小造成的。經過多次調整焊接參數與送絲速度，確定了自動焊接機器人焊接參數，其焊接電流由原來的32 A調至49 A，電壓由19 V調至23.9 V，CO2氣體壓力由5 MPa調至8 MPa，根據調整好的參數再次焊接了20件，未出現漏焊、氣孔等情況。最后，將自動點焊機器人送往重慶綦同汽車配件有限公司進行現場工業性試驗，共試驗了50 d，焊接輪轂總成10 234件，未出現漏焊、氣孔、虛焊等現象，焊接速度是原人工焊接速度的4～6倍?，F場試驗及工件見圖7。