基于RobotStudio的電池托盤焊裝產線設計與仿真

周春東，謝 杰，王劍春，張鎖龍,彭 勇

(1.常州大學懷德學院 機械與材料工程系，江蘇 靖江 214500；2.南京理工大學 受控電弧智能增材技術工信部重點實驗室，江蘇 南京 210094)

0 引言

采用鋁合金電池托盤是實現新能源汽車輕量化進程的重要標志。新能源汽車市場需求持續增加，而傳統的一體化鑄造工藝或焊接工藝制造電池托盤易出現氣孔、裂紋等缺陷，存在工件變形大、氣密性差等問題[1]，亟需從工藝和裝置兩方面提升生產質量和效率。

機器人虛擬仿真技術是驗證鋁合金電池托盤機器人焊裝產線設計合理性的有效手段。陸葉[2]、田國柱等[3]利用RobotStudio進行了多機器人、多制造工藝過程產線設計與仿真，縮短了產線設計、制造及調試周期。本文作者[4]前期針對電池托盤CMT焊接工作站進行了設計與仿真，但缺乏對電池托盤全工藝過程及裝置進行深入系統研究。

為此，本文提出采用CMT+FSW組合式焊接工藝，并基于RobotStudio軟件將工藝參數、協同信號、路徑信息配置寫進機器人程序，實現電池托盤全制造流程仿真，以指導電池托盤的現場生產。

1 電池托盤機器人焊接工藝方案

1.1 電池托盤產品分析

目前電池托盤材料以6系鋁合金為主，其結構主要包括邊框、筋板及底板，要求焊后在長度和寬度方向變形量低于1.5 mm/m，氣密性要求在10 kPa氣壓下，保壓5 min，泄漏率低于100 Pa。

采用傳統的滿焊、全焊透工藝可以提高氣密性，但其焊接熱輸入高會導致焊件變形嚴重，故提出FSW+CMT組合式新工藝。

1.2 電池托盤機器人焊接工藝設計

根據電池托盤的結構特征將焊接接頭劃分成6類焊縫：邊框與邊框內部角焊縫、邊框與邊框外部角焊縫、邊框與筋板內部角焊縫、邊框與底板內部角焊縫、筋板與底板內部角焊縫和背部底板與邊框焊縫。采用CMT+P焊接工藝焊接邊框與邊框、筋板內部角焊縫，有利于使角焊縫熔透，提高氣密性；采用CMT焊接工藝焊接邊框與邊框外部角焊縫、邊框與底板內部角焊縫、筋板與底板內部角焊縫；將背部底板與邊框焊縫設計成對搭接形式，并用FSW焊接工藝進行焊接。

對搭接接頭示意圖如圖1所示，設計參數滿足：

δ2+0.1

(1)

d

(2)

δ2

(3)

其中：H為攪拌針長度，mm；D為軸肩直徑，mm；d為接頭搭接量，mm；δ1為邊框板厚，mm；δ2為底板板厚，mm。

利用FSW+CMT組合式焊接工藝完全覆蓋對搭接連接面，實現低熱輸入、低變形下的全焊透，焊縫質量高。

1.3 電池托盤焊接工藝流程規劃

首先將電池托盤邊框、筋板和底板拼裝固定，然后利用TIG工藝點焊，再按照“邊框與邊框內部角焊縫→邊框與筋板內部角焊縫→邊框與底板內部角焊縫→筋板與底板內部角焊縫→邊框與邊框外部角焊縫→背部底板與邊框焊縫”的焊接順序采用對應的焊接工藝進行焊接。

利用CMT+FSW組合工藝，先CMT后FSW，即先熔焊后固相焊，一方面，CMT可以采用熱輸入較大的工藝保證焊縫熔透，另一方面，利用FSW焊接背部底板與邊框時的壓力對CMT焊接產生的變形進行矯正。

圖1 FSW、CMT對搭接焊接接頭示意圖

2 電池托盤機器人焊裝產線設計與建模

2.1 系統組成、布局及動作流程

電池托盤機器人焊裝產線系統主要包括搬運機器人IRB4400、CMT焊接機器人IRB2600、FSW焊接機器人IRB7600、輸送鏈、變位機1(五軸雙工位回轉變位機IRBP_D300)、變位機2(雙工位回轉變位機IRBP_C500)及其控制系統等，系統布局如圖2所示。其中搬運機器人、CMT焊接機器人、FSW焊接機器人上分別安裝有吸盤、CMT焊槍和FSW機頭，且搬運機器人負載大于60 kg，FSW機器人負載大于500 kg，變位機2負載大于500 kg。

圖2 電池托盤機器人焊裝產線整體布局圖

產線單個加工周期內的動作流程為：初始化狀態下啟動產線，待焊電池托盤輸送至待搬運區，CMT機器人進行焊接，同步FSW機器人進行焊接，同步搬運機器人卸料，然后搬運電池托盤至變位機1待焊工位，CMT機器人焊接完成后，變位機1翻轉已焊工件、切換工位，搬運機器人將電池托盤轉運至變位機2待焊工位，待FSW焊接機器人完成焊接，變位機2切換工位。重復該動作流程，進行批量化生產。初始化狀態指：信號復位，且變位機1焊接工位有待焊工件，待焊工位無工件；變位機2焊接工位有已完成CMT焊接的工件，待焊工位有已完成焊接的工件。電池托盤機器人焊裝產線動作流程如圖3所示。

2.2 系統關鍵Smart組件創建與信號配置

為仿真模擬電池托盤機器人焊裝產線工件輸送、搬運及焊接全過程，創建Smart_輸送鏈、Smart_吸盤、Smart_變位機1、Smart_變位機2四個Smart組件，將Smart組件的I/O信號與機器人的I/O信號關聯，實現輸送鏈輸送電池托盤、機器人拾取并搬運電池托盤以及變位機工位調整等動態效果。表1為電池托盤機器人焊裝產線部分I/O信號表。

圖3 電池托盤機器人焊裝產線動作流程

表1 電池托盤機器人焊裝產線部分I/O信號

2.3 機器人產線系統工作站邏輯

電池托盤機器人焊裝產線工作站邏輯如圖4所示。初始化狀態下啟動產線，搬運機器人進行卸料，CMT機器人和FSW機器人進行焊接，當搬運機器人同時接收到電池托盤到位信號Do-SSL和卸料完成信號Do-BY3后執行上料，當變位機1同時接收到上料完成信號Do-BY1和CMT焊接完成信號Do-CMT后變位，到位后輸出信號Do-BWJ1-1給搬運機器人，將電池托盤轉運至變位機2，當變位機2同時接收到轉運完成信號Do-BY2和FSW焊接完成信號Do-FSW后變位，到位后輸出信號Do-BWJ2-1給CMT機器人、FSW機器人和搬運機器人，CMT機器人和FSW機器人執行焊接，搬運機器人執行卸料。重復上述流程進行批量生產。

圖4 電池托盤機器人焊裝產線工作站邏輯

3 電池托盤機器人離線編程與仿真分析

3.1 焊裝產線機器人離線編程

根據電池托盤機器人焊接工藝設計，電池托盤包括6類焊縫接頭形式，前5種利用CMT焊接機器人焊接，背部底板與邊框焊縫采用FSW工藝焊接。在CMT焊機上創建JOB1～JOB5，分別對應設置5類CMT焊縫的工藝參數。CMT焊接機器人離線編程時，創建weld1～weld5五個工藝號，分別調用JOB1～JOB5。焊接機器人系統部分程序如下：

(1) CMT焊接機器人離線編程程序

PROC main()

WaitDI Di-CMT,1; !等待變位完成

Path_10; !焊接邊框與邊框、筋板和底板的角焊縫

Path_20; !焊接筋板與底板的角焊縫

Path_30; !焊接邊框與邊框外部角焊縫

SetDO Do-CMT,1; !焊接完成輸出信號

ENDPROC

(2) FSW焊接機器人離線編程程序

PROC main()

WaitDI Di-FSW,1; !等待變位完成

MoveL P1,v1000,z0,tool0WObj:=wobj0; !P1為安全點

SetDO Do-FSW-1,1; !開始FSW焊接

Path_10; !焊接路徑例行程序

MoveL P2,v1000,z0,tool0WObj:=wobj0; !P2為安全點

SetDO Do-FSW-1,0; !關閉FSW主軸電機

SetDO Do-FSW,1; !焊接完成輸出信號

ENDPROC

3.2 仿真結果及分析

經過數次調試，在保證各工序穩定進行的條件下，調整機器人位置和運行速度至最優，以最大程度地減少機器人等待時間，仿真效果如表2所示。傳統生產單個電池托盤總時間為T1，且滿足：

T1=L1v1+t1+2t2+L2v2+L3v3+2t3.

(4)

其中：L1為輸送鏈長度，L1=4 800 mm；v1為輸送鏈輸送速度,v1=100 mm/s；t1為搬運機器人上料、轉運和卸料總時長，t1=300 s；t2為單個變位機工位切換總用時，t2=10 s；L2為電池托盤上CMT焊縫總長，L2=6 040 mm;L3為FSW焊縫總長，L3=4 020 mm；v2為CMT焊接速度，v2=10 mm/s;v3為FSW焊接速度，v3=6 mm/s;t3為單個機器人過渡點運動總用時，t3=30 s。按傳統單工藝路線流程執行，生產一個電池托盤時長T1=1 702 s。

而從本文的模擬結果來看，將工件輸送、搬運及焊接協同進行，同步進行CMT和FSW焊接，生產單個電池托盤總時間T2滿足以下公式：

T2=t2+L3v3+t3.

(5)

生產一個電池托盤時長T2=710 s。假設一天工作8 h，按傳統單工藝機器人工作站制造流程，每天可生產約17個電池托盤；而用本文設計的產線每天可生產約40個，效率可提高約2.3倍。

表2 電池托盤機器人焊裝產線仿真圖示

4 結論

根據電池托盤的材料、結構及工藝特點和要求，設計了CMT+FSW組合式焊接工藝及制造流程，并利用RobotStudio平臺對電池托盤輸送、焊接、搬運等全制造流程進行仿真研究，創建輸送鏈、吸盤和變位機等Smart組件，建立焊接、搬運機器人與Smart組件間I/O連接，實現了電池托盤機器人焊裝產線的仿真。本文研究為電池托盤自動化焊接工藝和裝備設計提供了理論依據，有利于提高電池托盤的生產質量和效率，有助于推動新能源汽車的發展。