某款MPV車型柔性焊接工裝設計

李俊鋒

摘 要：近年來，隨著汽車款式的增多，汽車車身的焊裝工裝類別越來越多樣化。焊接工裝類別的增加，勢必造成生產車間場地浪費，生產成本增加和生產效益的下降。所以完善汽車車身的焊裝工藝水平，使汽車車身焊接工裝柔性化設計成為一種汽車行業的發展趨勢。本文以汽車制造業中工業機器人焊接生產線為對象，研究工業機器人焊接生產線柔性工裝特點。

關鍵詞：車身焊接 編程 控制系統

1 引言

在汽車制造業中，焊接工裝的力度和裝配精度直接影響汽車的生產效率和產品質量。隨著汽車工業的不斷發展和經濟水平的提高，人們對汽車的要求越來越高，這對汽車車身的焊接尺寸、精度和質量提出了更高的要求，這使得焊接工裝的精度等級至關重要，為優化汽車車身焊接工裝的結構，提高焊接效率，設計更適合新車型的焊接工裝勢在必行[1]。

閆淑亮[2]主要分析了汽車車身的焊裝工藝設計，深入探討當下汽車車身的焊裝工裝設計，以保證汽車生產的質量。李新社等[3]闡述了乘用車工廠柔性焊裝線的開發設計、焊接工藝性分析、柔性焊裝線的模式選擇等內容。

2 車身焊接柔性工作站

隨著工業自動化的普及和發展，焊接機器人的應用逐漸普及，主要應用于汽車、電子、機械等眾多領域。車身柔性焊接工作站一般由焊接機器人和柔性焊接平臺組成。自動化焊接線的形成，不僅可以節約能源提高生產效率，還能避免人為的焊接失誤。如圖1所示，工業常用的車身自動化柔性焊接。

3 工件定位工裝設計

對工作站機器人焊接區域，人工上件存在安全風險，機器人配合抓手上件、焊接是較為高效的方法。為便于機器人攜帶抓手進行零件的快速移動上下件，機器人抓手需要輕量化處理。輕量化抓手主要采用模塊化的鋁制八角管進行設計，如圖2為某公司抓手結構產品圖。

抓手設計的定位點需要與拼臺定位選取的點區分開，因考慮到抓取放置位置精度要求，零件需要有2個銷孔進行定位，銷孔選取時，主要考慮孔的穩定性，其次是要靠近抓手夾緊點（抓取點）。抓手夾緊點選取要考慮零件的強度，選取零件外邊緣強度剛度大的部位進行夾持。如零件小于500*500尺寸的零件，一般選取4個夾緊點，大尺寸的零件則需要增加夾緊點，以保證抓取過程零件不變形。如果零件的形狀不規則，需要對質心進行驗證，保證夾具抓持零件不變形同時不能造成抓手負載的嚴重偏心。如圖3所示，為車身合拼工位的四個抓手。

前車體本身為非常穩固的零件，其抓手兩個小四個夾緊點選擇為左右縱大梁，強度、位置度都能很好的保證。前地板為薄片零件，質量輕，容易變形。因此夾持點在零件外側，中間增加磁鐵磁盤，定位銷均布在零件中間，保證零件的平穩。后部下車體的零件剛度強，質量大，四個夾緊點在后大梁的前后端，定位銷45度布置在后地板面上，可以保證零件的穩定。

4 車身焊接切換機構設計

在車型相似只需要做局部差異化時，其存在平面與立面兩方向差異時，采用翻轉切換，在車型差異化僅體現在平面或立面一個方向上時，采用滑移切換。

（1）翻轉切換。位翻轉切換機構的兩種車型時的不同狀態。該切換機構主要用于設計所切換車型的定位銷、定位塊不能共用情況。顯然，翻轉切換機構是兩種結構的組合，其使用要求定位處有足夠的空間，滿足兩套或多套夾具布置和翻轉的需求。其優點是設計時無需多車型進行顧慮，適合差異較大的車型共線的情況。同時，這樣的切換非常有限，不同車型即要一套定位夾具，成本也非常高，主要用在批量大，車型類型少的生產線。（2）滑移切換。滑移切換又可以分為橫向滑移切換、縱向滑移切換，橫向滑移機構與縱向滑移機構的原理一致，都是利用氣缸實現位置平移，達到切換的目的。當不同平臺車型導入，以至于抓手和夾具均無法滿足新車型要求是，該支撐立起來，兼做抓手的支撐，將夾具連同抓手一并切換如圖4。這樣既減少了抓手放置架，同時精度高，切換快速。

5 控制系統設計

焊接機器人控制系統包括人機界面、伺服閉環驅動、PLC定位模塊等自動化控制元件，精度得到了保證，操作更便利，維護更簡單。工作站控制系統需要按照規范，統一布置、標記，使現場設備整齊，操作簡便快捷，維修一目了然。如圖5為現場合拼工位的MCP柜、PDP柜的布局。控制系統網絡的總體控制框架。

MCP：主控柜，設置PLC機架和本地IO、以太網交換機，通過網絡總線（Ethernet IP 和 Safety DeviceNet）與其他設備通訊并總控其運行狀態;

PDP：380V動力配電柜;

VFD：變頻器控制柜;

RBT：機器人;

WTC：wtc焊接控制;

TD：機器人焊槍電極自動修磨器;

BS及HMI：操作站，配置相應操作按鈕及指示燈，用于操作設備及顯示監控設備的運行狀態;

OP：每個人工操作區域按鈕操作臺;

GB：安全門控制箱;

JB：安全信號設備接線箱;

IO：現場普通IO箱，用于采集傳感器信號或控制閥體;

BK：IP67IO用于采集傳感器信號或控制閥體;

E-Stop（E-ST）：現場急停盒，帶觸點反饋和狀態指示燈;

MWS：現場維修工作站，通過以太網訪問PLC。

6 變位機

對于本機器人工作站來說，車架底盤總長3000mm，在一定焊接區域范圍內，機器人無法覆蓋到所有焊縫位置，從而造成在焊接過程中無法使焊槍達到適合所有焊縫位置焊槍姿態的難題。因此，引入變位機配合焊接機器人完成工件焊接是解決這一難題的突破口。目前，焊接機器人和變位機之間的相對運動關系可分為兩種：一是非同步工作方式，這種協作方式是機器人和變位機兩者不同時運動。當變位機運動到一定角度滿足焊槍施焊姿態后，機器人再進行運動完成對工件的焊接;二是同步工作方式，該種協作方式要求兩者進行同步運動，如在焊接結束后機器人需要回到初始位置，變位機需要回到原點[4]。針對論文研究的機器人工作站，需要同時采取這兩種運動方式。如表1所示為變位機的主要參數設置。

7 結語

機器人柔性焊接工作站的方案規劃內容包括焊裝夾具，輸送裝置（抓手），焊接設備（伺服焊鉗），修模裝置，控制設備，機器人，切換裝置，水電氣供給系統，物流料箱、料架等。

本文通過工件定位工裝的設計，控制系統設計過程中揉合了人機界面、伺服閉環驅動、PLC等主流自動化控制元件;并通過PLC與焊接機器人通訊，使得焊接變位機與焊接機器人無縫聯接。變位機的引入，解決了焊縫位置焊槍無法到達的難題。使機器人無法覆蓋到的焊縫區域，都能得到焊接。機器人柔性焊接工作站的設計及投入使用，極大的提高生產效率，與人工焊接比較，效率大幅提高，并且大大降低了工人的勞動強度。

參考文獻

[1]陳衛國.汽車車身焊裝夾具設計的關鍵技術研究[D].華中科技大學，2007.

[2]閆淑亮.當前汽車車身焊裝的工藝設計及工裝設計探析[J].中國設備工程，2019（01）：152-153.

[3]李新社，莫江妍.車身年產20萬臺柔性焊裝線的工藝及工裝設備開發[J].科技創新與應用，2017（06）：116-118.