魏志賓 張茂林

摘要：以汽車零部件左、右前輪罩總成及后地板左、右縱梁總成自動(dòng)化焊接生產(chǎn)為例，詳細(xì)介紹點(diǎn)焊機(jī)器人工作站的設(shè)計(jì)思路，包括點(diǎn)焊機(jī)器人工作站的技術(shù)要求、組成與特點(diǎn)以及電氣控制系統(tǒng)等，重點(diǎn)分析點(diǎn)焊機(jī)器人工作站安全系統(tǒng)、焊接夾具系統(tǒng)及水氣系統(tǒng)的工作原理，最后簡(jiǎn)要介紹點(diǎn)焊機(jī)器人工作站使用情況。實(shí)踐證明，所設(shè)計(jì)的4個(gè)點(diǎn)焊機(jī)器人工作站操作方便、焊接質(zhì)量好、生產(chǎn)效率高，完全能夠滿足左、右前輪罩總成及后地板左、右縱梁總成自動(dòng)化焊接要求。該點(diǎn)焊機(jī)器人工作站設(shè)計(jì)理念對(duì)機(jī)器人工作站及自動(dòng)化生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)及應(yīng)用具有一定參考和借鑒作用。

關(guān)鍵詞：點(diǎn)焊機(jī)器人工作站;設(shè)計(jì);自動(dòng)化焊接;汽車零部件

中圖分類號(hào)：TG438.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1項(xiàng)目概述

某企業(yè)是汽車零部件配套生產(chǎn)單位，為提高效率、保證質(zhì)量，需設(shè)計(jì)制造左、右前輪罩總成及后地板左、右縱梁總成4個(gè)點(diǎn)焊機(jī)器人工作站，其生產(chǎn)綱領(lǐng)為月產(chǎn)量6000套/月。左、右前輪罩如圖1所示，總成焊接要求為：左前輪罩焊點(diǎn)65個(gè)、焊接速度3s/點(diǎn)、生產(chǎn)節(jié)拍195s，右前輪罩焊點(diǎn)55個(gè)、焊接速度3s/點(diǎn)、生產(chǎn)節(jié)拍165s;后地板左、右縱梁總成如圖2所示，總成焊接要求為：左縱梁焊點(diǎn)60個(gè)、焊接速度3s/點(diǎn)、生產(chǎn)節(jié)拍190s，右縱梁焊點(diǎn)44個(gè)、焊接速度3s/點(diǎn)、生產(chǎn)節(jié)拍132s。為此，經(jīng)分析與研究成功設(shè)計(jì)了4個(gè)點(diǎn)焊機(jī)器人工作站并投入使用，滿足了左、右前輪罩及后地板左、右縱梁自動(dòng)化焊接要求。

2點(diǎn)焊機(jī)器人工作站設(shè)計(jì)思路

2.1點(diǎn)焊機(jī)器人工作站技術(shù)要求

為滿足左、右前輪罩總成及后地板左、右縱梁總成點(diǎn)焊生產(chǎn)要求，點(diǎn)焊機(jī)器人工作站必須滿足以下技術(shù)要求：（1）單機(jī)雙工位、人工裝夾、輪流焊接，點(diǎn)焊夾具設(shè)有快換通用標(biāo)準(zhǔn)接口，電、氣等接口采用快插式，可方便快速更換夾具。（2）機(jī)器人根據(jù)程序設(shè)定和接收到的裝配信號(hào)，能自動(dòng)切換點(diǎn)焊程序以及點(diǎn)焊參數(shù)。（3）整個(gè)系統(tǒng)單元由機(jī)器人控制系統(tǒng)和PLC統(tǒng)一集中控制，包括機(jī)器人的6軸運(yùn)動(dòng)，焊接電源/參數(shù)、電極修磨器動(dòng)作、安全門(mén)鎖、工件安裝完成信號(hào)、焊接工位切換等邏輯關(guān)系。（4）操作、編程、示教在手持控制器上完成。根據(jù)工效學(xué)設(shè)計(jì)的示教器，使用方便、舒服、快速，能大大提高編程和操作的效率。（5）符合人機(jī)工程的夾具設(shè)計(jì)使操作者操作便捷、省力，減輕操作者勞動(dòng)強(qiáng)度。（6）控制系統(tǒng)靈敏可靠，故障少，操作和維護(hù)方便，事故間隔時(shí)間不低于7.5萬(wàn)h，具有自停電保護(hù)、停電記憶及通知定期檢修和出錯(cuò)履歷記憶功能。（7）460r/min以上的高轉(zhuǎn)速電極自動(dòng)修磨器可調(diào)節(jié)水平和垂直修磨方向，同時(shí)修磨上下電極;修磨刀具為快拆方式安裝，無(wú)需螺絲固定，便于安裝及更換。

2.2點(diǎn)焊機(jī)器人工作站組成與特點(diǎn)

左、右前輪罩總成及后地板左、右縱梁總成4個(gè)點(diǎn)焊機(jī)器人工作站均設(shè)計(jì)為單機(jī)雙工位，其工作原理、設(shè)備配置相同，僅因部件不同使夾具結(jié)構(gòu)有所差異。每個(gè)點(diǎn)焊機(jī)器人工作站包括：1臺(tái)點(diǎn)焊機(jī)器人，1套伺服點(diǎn)焊系統(tǒng)鉗，1套電極修磨器，1套PLC電氣控制系統(tǒng)，2套氣動(dòng)工裝夾具，1套安全防護(hù)系統(tǒng)等，整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

（1）點(diǎn)焊機(jī)器人。選用KUKA工業(yè)機(jī)器人KR210。該機(jī)器人為6軸機(jī)器人，最大負(fù)載210kg，工作半徑2700mm，重復(fù)精度±0.05mm。它采用的新型交流伺服電機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、高輸出、響應(yīng)快、高可靠性等特點(diǎn)，從而使機(jī)器人本體緊湊靈活，具有較大的運(yùn)動(dòng)空間、更好的穩(wěn)定性和較高的重復(fù)定位精度，可升級(jí)性良好。機(jī)器人編程示教器具有在線修改焊接參數(shù)和故障自診斷顯示功能;可轉(zhuǎn)換中/英文兩種顯示方式，安裝的dead-man開(kāi)關(guān)保證了使用安全。（2）機(jī)器人伺服焊鉗及水氣單元。選用電溶機(jī)電（昆山）的DTMC系列機(jī)器人焊鉗，其額定容量55kVA，上電極提升行程120mm，電極壓力3900N，二次側(cè)最大短路電流14000A，完全能滿足生產(chǎn)要求。水氣單元如圖4所示。它包括氣動(dòng)三聯(lián)件、開(kāi)關(guān)式電氣比例閥、LED顯示水流量開(kāi)關(guān)、手動(dòng)式強(qiáng)制排水閥、單項(xiàng)閥、水流指示表以及進(jìn)水切斷電磁閥等。水氣點(diǎn)焊標(biāo)準(zhǔn)單元具有以下功能：通過(guò)電氣比例閥可隨時(shí)調(diào)整焊鉗壓力（可設(shè)定3種調(diào)節(jié)參數(shù)）;通過(guò)水流量開(kāi)關(guān)和氣壓開(kāi)關(guān)檢測(cè)水和氣的供給情況，當(dāng)水氣供給不足時(shí)，給系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)，系統(tǒng)停止運(yùn)行，保證系統(tǒng)安全;水流指示表能直觀顯示水的流動(dòng)情況;水流量開(kāi)關(guān)選用SMC的LED顯示高靈敏流量開(kāi)關(guān)，可以顯示現(xiàn)時(shí)或累計(jì)流量，具有兩個(gè)輸出，可獨(dú)立設(shè)定不同的流量。當(dāng)電極脫落或其他故障引起末端水流量減少時(shí)，系統(tǒng)會(huì)通過(guò)進(jìn)水切斷電磁閥強(qiáng)制切斷進(jìn)水，防止發(fā)生跑水現(xiàn)象。通過(guò)手動(dòng)強(qiáng)制排水閥可以強(qiáng)制排放焊鉗管路中的水，使高壓氣體進(jìn)入水路中，將水路中的堵塞雜質(zhì)吹至回水主管路中，保持水路暢通，很大程度上減少了冷卻水堵塞故障的處理時(shí)間，有利于系統(tǒng)的維護(hù)和保養(yǎng)。

（2）點(diǎn)焊機(jī)器人安全系統(tǒng)。安全性是機(jī)器人工作站的一項(xiàng)重要指標(biāo)，具體安全防護(hù)措施如下：a.設(shè)置機(jī)器人本身的運(yùn)動(dòng)區(qū)域。盡管機(jī)器人的可達(dá)區(qū)域很大，但是可根據(jù)機(jī)器人工作情況人為地設(shè)定機(jī)器人運(yùn)動(dòng)區(qū)域，以防止機(jī)器人發(fā)生意外時(shí)損壞機(jī)器人或其他周邊設(shè)備。b.安全防護(hù)網(wǎng)設(shè)有工件上下料通道門(mén)、安全門(mén)（檢修門(mén)）、工作區(qū)報(bào)警燈。工作區(qū)工件上下料通道門(mén)兩側(cè)設(shè)有對(duì)射光柵，即機(jī)器人焊接時(shí)通道與工作區(qū)是互鎖控制;安全門(mén)一般情況是關(guān)閉的，裝有安全觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)，即機(jī)器人焊接時(shí)門(mén)與工作區(qū)是互鎖控制。c.機(jī)器人增設(shè)軟限位。系統(tǒng)所有設(shè)備均通過(guò)編程形成可靠的互鎖的邏輯關(guān)系。（4）機(jī)器人點(diǎn)焊夾具。根據(jù)生產(chǎn)要求，機(jī)器人點(diǎn)焊工作站均設(shè)計(jì)為雙工位夾具，夾具布置在左右兩工位，每套夾具能同時(shí)滿足兩個(gè)零部件生產(chǎn)。焊接夾具采用氣動(dòng)夾緊、手閥控制方式，并采用國(guó)際上常用的裝配式結(jié)構(gòu)。夾具的氣動(dòng)原理和控制應(yīng)充分考慮必要的連鎖關(guān)系與邏輯先后順序控制，以免誤動(dòng)作而發(fā)生夾具和工件損壞。夾具零件采用數(shù)控機(jī)床加工，夾具的定位精度檢驗(yàn)采用固定式三坐標(biāo)或移動(dòng)式三坐標(biāo)檢測(cè)。夾具應(yīng)保證可靠的定位，防止變形，確保裝焊質(zhì)量和精度達(dá)到產(chǎn)品裝焊質(zhì)量要求以及滿足生產(chǎn)綱領(lǐng)要求。夾具的工藝性能應(yīng)優(yōu)良，部件裝配要容易，人工裝件要易于操作，總成取出要方便省力。動(dòng)作按鈕及動(dòng)作閥用中文標(biāo)示，設(shè)有安全防護(hù)裝置，以免工人誤動(dòng)作。

2.3點(diǎn)焊機(jī)器人工作站電氣控制系統(tǒng)

整套系統(tǒng)由機(jī)器人控制柜和PLC柜來(lái)進(jìn)行控制和管理。控制系統(tǒng)具有自動(dòng)控制、檢測(cè)、保護(hù)、報(bào)警等功能。當(dāng)工件規(guī)格或生產(chǎn)綱領(lǐng)改變時(shí)，可通過(guò)示教盒重新示教機(jī)器人焊接軌跡或重新編制控制程序來(lái)適應(yīng)新的生產(chǎn)需要。系統(tǒng)的啟動(dòng)、停止以及暫停、急停等運(yùn)轉(zhuǎn)方式均通過(guò)操作盤(pán)進(jìn)行。系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)及系統(tǒng)報(bào)警可在操作盤(pán)上顯示，同時(shí)由系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)高置顯示燈顯示。此外，機(jī)器人控制柜、示教盒、操作盤(pán)上設(shè)有急停按鈕，發(fā)生緊急情況時(shí)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)急停并同時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

可編程控制器可以在手動(dòng)和自動(dòng)兩種方式下監(jiān)視、控制所有工作站內(nèi)的檢測(cè)器件和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。可編程控制器系統(tǒng)預(yù)留10%的擴(kuò)展余量，包括輸入、輸出點(diǎn)以及擴(kuò)展的內(nèi)存空間。同時(shí)控制柜也預(yù)留相應(yīng)的擴(kuò)展空間監(jiān)控程序，對(duì)機(jī)器人的執(zhí)行周期沒(méi)有任何影響。自動(dòng)方式下的系統(tǒng)啟動(dòng)：操作人員安裝工件后→按下夾具氣缸按鈕→氣缸壓緊工件→退出安全欄外，啟動(dòng)系統(tǒng)焊接。

3點(diǎn)焊機(jī)器人工作站使用效果

采用本點(diǎn)焊機(jī)器人工作站進(jìn)行左右前輪罩自動(dòng)化焊接總成及后地板左右縱梁的自動(dòng)化焊接總成，所焊焊點(diǎn)質(zhì)量合格率達(dá)99.8%以上，完全滿足汽車零部件焊接生產(chǎn)要求，為企業(yè)創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

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