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焊接机器人系统在汽车底盘焊接中的应用
双击自动滚屏 发布者:chinaweld 发布时间:4/11/2006 阅读:22510

 

 

焊接机器人系统在汽车底盘焊接中的应用

 

 

程世玉        孙余强   邬美华

 

(上海汇众汽车制造有限公司   上海   200072

 

 

 

摘要:焊接机器人系统已广泛应用在汽车制造业,首先推广应用的汽车零部件的生产,尤其在汽车底盘焊接生产中。本文以上海汇众汽车制造有限公司及相关合资企业在制造桑塔纳、帕萨特、别克、赛欧等轿车后桥、副车架、摇臂、悬架和减振器等轿车底盘零件以焊接机器人系统(工作站)形式在生产流水线中为一个工位,多台焊接机器人系统(多个工位)组成焊接生产线应用机器人焊接的体会,并开发了相应的柔性焊接机器人系统,适应柔性生产的应变能力。

关键词:焊接  机器人系统  柔性系统技术  新技术

 

Abstract: now the robot welding system was widely used in automotive manufacturing. First of all, it was used and spread by automotive component manufacturing .Especially by the chassis system welding enterprises .In this paper we use Shanghai Huizhong Automotive manufacturing and related joint venture as an example to demonstrate the application pf robot welding system in welding line, such as the rear axle for Santana, Passat and Buick. the subframe and the suspension, shock absorber are all produced by robot welding system. Generally the robot was used as a independent station in welding workshop, we can join several station together to form a robot welding line. Now we have also developed the soft robot welding system to adapt to frequent improvement of production so as to keep up with the automotive market.

Keywords: welding , robotic system, soft system, new technology

 

0            

 

焊接机器人系统已广泛应用在汽车制造业,首先推广应用的汽车零部件的生产。因为汽车零部件较车身小,板材厚一些,易适合于装焊流水线生产方式。而零部件制造精度和焊接质量要求高,同时要满足多品种批量生产。焊接机器人最适合多品种高质量生产方式,如汽车底盘、座椅骨架、导轨、消声器以及液力变矩器等焊接件均使用了机器人焊接。尤其在汽车底盘焊接生产中得到了广泛应用。上海汇众汽车制造有限公司及相关合资企业主要为上海大众、上海通用汽车公司配套制造桑塔纳、帕萨特、别克、赛欧、POLO等后桥、副车架、摇臂、悬架和减振器等轿车底盘零件,这些以MIG焊接工艺为主的受力安全零件,其质量的好坏直接影响到轿车的安全性能。主要构件为采用冲压焊接组成,板厚均为1.54mm,焊接主要以搭接、角接接头形式为主。而且焊接质量要求相当高,机器人MIG焊接工作量占75%以上。公司自1993年至今已使用的焊接机器人共有143台,其中弧焊机器人120余台,以焊接机器人焊接为主的生产线有11条,机器人焊接工作站73个(详见下表)。应用机器人焊接后,大大提高了焊接件的外观和内在质量,并保证了质量的稳定性,降低了劳动强度,改善了劳动环境。

汇众及相关合资企业机器人应用概况表

        用途

                    机器人弧焊        机器人点焊        机器人搬运        机器人等离子弧切割       培训机器人

合计数量/

      143             120                 11                7                     2                    3

主要型号        安川SK6           安川K120         安川K125           ABB2400              安川SK10

                    松下VR008         ABB6400          KUKA125

                    ABB2400                             ABB6400

                    Motoman up6

 

焊接机器人在汇众汽车制造公司的应用方式是以焊接机器人系统(工作站)形式在生产流水线中为一个工位,多台焊接机器人系统(多个工位)组成焊接生产线。焊接机器人系统主要以回转工作台+焊接机器人工作站组成,根据工件大小、生产节拍需要,焊接机器人可以一台或二台同时工作,由于装卸和焊接是同时进行,可提高工作效率,操作者也有充分的时间来装卸和检查焊完的工件。以下为焊接机器人系统在我公司汽车底盘部件焊接中应用的情况介绍。

 

1           机器人焊接系统的常见应用方式及实例

 

按照焊接机器人系统在汽车底盘部件焊接中夹具布局的不同特点,以及外部轴等外围设施的不同配置,我们将其进行简单的分类,并例举一些常见的应用实例。

1.1    滑轨+焊接机器人的工作站(见图1

两套夹具固定在滑动的小车上,由气缸驱动使装有工件的两个夹具轮流进入机器人焊接区焊接,操作人员在另一面上、下料。两个工作站交叉进行,使机器人焊接时间与工件上、下料时间同步,这种方式可以节约变位器旋转时间。双夹具滑轨形式的焊接机器人系统,可利用两副滑轨轮流为焊接机器人送料,该形式可靠性较高,但它对被焊工件的外形尺寸有一定限制,通常焊接工件直径小于0.6mm

在桑塔纳后桥焊接生产线,POLO下摇臂焊接生产线上均有应用实例。

1.2    单(双)夹具固定式+焊接机器人工作站(见图2

该结构形式简单,夹具由变位机进行变位来实现机器人焊枪不同位置的焊接。该系统故障率低,但由于在装卸工件过程中,机器人处于等待状态,故机器人的利用率一般低于80%,所以在新的焊接线上较少利用。

该系统在帕萨特后桥焊接生产线及桑塔纳前悬挂焊接生产线上有成功应用。

1.3    带变位机回转工作台+焊接机器人工作站(见图3

该系统是目前利用最广泛的一种形式,由两副夹具带变位器和一个转台组成。该结构紧凑,两副夹具可以进行不同的焊接程序以实现不同的工艺要求。由于在机器人焊接时,其中一副夹具上工件时,操作工可以进行另一夹具的装卸工作,所以机器人的利用率较高,一般大于90%

该系统在BUIK副车架焊接线、SAIL后桥焊接线、帕萨特副车架焊接线均有广泛应用。

 

1.4    搬运机器人+焊接机器人工作站(见图4

该形式在实际生产中,由于两部机器人之间的配合所体现的主要优点是能适应空间各种不规则焊缝的焊接。但缺点是因两部机器人配合的不协调而导致的故障率较高,所以此种形式需合理安排机器人的运动形式才能最大程度提高生产效率。

1.5    协调运动式外轴+焊接机器人工作站(见图5

该形式运用较广泛,由于在实际焊接中环焊缝是常见的一种,而常见的变位器不能适应360°焊接,在这种情况下,协调式外轴与机器人相配合即可轻松实现360°以上环焊缝的焊接。

该系统在帕萨特后桥稳定杆焊接、POLO后桥总成焊接中均得到应用。

1.6    机器人中置式工作站(见图6

该系统由两转台和4套变位器组成,可以方便地实施两种以上产品的焊接。尤其针对生产任务不均匀的情况,可以合理调配,以提高机器人的利用率。但该系统对空间资源占用大,且电器方面故障率高,所以目前并没有广泛采用,仅在PALIOSIENA后轴焊接项目中试用。

1.7    机器人焊接自动线(见图7

该形式由多台机器人焊接系统和悬挂输送链组成,由多台机器人之间的配合来完成一个产品的焊接加工。由于每道所焊的焊缝数较平均,所以对整个产品的焊接变形影响小。

目前我们在桑塔纳前悬挂焊接生产线、PASSAT后桥焊接生产线均采用此形式,且机器人焊接自动线是今后轿车底盘焊接的主要发展方向。

 

2  焊接机器人柔性系统

 

随着市场竞争加剧,汽车行业中同样面临品种多、批量少的改型性的新车型需求,单靠机器人的柔性特点是不能满足上述要求的。要求焊接机器人系统必须高度柔性化,以适应柔性生产的应变能力,以便能较长时间内适应多变的市场需求。焊接机器人系统的柔性化,即适应于不同零件的焊接夹具能短时间内快速调换气、电信号、配管、配线快速改换,控制程序也必须能预置和快速转换,最大程度地发挥机器人特点以使一套机器人系统能根据需要焊接多种零件和适应产品多样化和改进的要求。现在汇众试制车间可快速调换夹具的24工位焊接机器人系统,体现了系统柔性化。

2.1   二工位点焊机器人系统(见图8

该系统制造初期就强调柔性化,以适应不同产品的焊接。该系统由一台标准的点焊机器人、两个采用机器人外部轴伺服驱动的回转工作平台、电极修磨器和冷却系统等周边装置组成。其柔性主要体现在以下几点:

⑴给标准点焊机器人配备了快速交换连接器    通过快速交换连接器,可实现机器人焊钳的快速自动更换,不但可满足复杂产品各个部位的焊点焊接,而且,在更换产品时,只需要换合适的焊钳就可以了。

⑵柔性的系统控制    该系统的主控系统采用PLC为主控单元,配以远程I/O模块,通过机器人的远程I/O模块,实现对机器人、夹具、夹具工作平台及周边装置的控制。PIC程序采用结构化方式编制,各个子程序分别对应于一个功能,对于不同工作,只需调用或修正不同子程序,不需重新编程。不同产品的焊接内容及夹具气缸的动作关系的设计和操作完成后,可以长时间储存,更换产品时可直接调用。操作控制采用触摸屏,不但减少大量复杂的连线,同时可以为不同工件专门设计不同的操作及状态显示界面。

⑶采用机器人外部轴伺服红色驱动的回转工作平台    该平台除可以承爱较大的径向和轴向力外,同时采用机器人外部轴伺服驱动和控制转台,从而使转台有极好的启停特性,并与机器人实现协调运动,可实现多工位焊接。在回转平台上装有远程模块,转台中心留有气路和电路出口专用快速接头和多芯插口,以便使夹具快速装拆。

目前为止,我们已在这套系统上成功地生产了金怀副车架、后桥及派力奥横梁以及摆臂等多种产品,且产品更换方便快捷。

2.2   四工位的弧焊机器人系统

该系统由两KR15弧焊机器人、一个四工位旋转式转台、夹具回转变位装置、清枪器和焊机等周边装置组成。其柔性主要体现在机器人工作范围较大,功能较全。夹具回转变位装置安装法兰上装有远程模块,远程模块预留多芯航空插头,在更换夹具时,可方便地与夹具上的相应接口连接。夹具回转变位装置端部有压缩空气快速接头,可方便快速地与夹具的气路连接,在23min内便可以实现新夹具与变位器的机械连接。

 

3 机器人焊接新技术、新方法的应用

 

3.1  TCP:自动校零技术

TCPtool center point工具中心点,对于焊接机器人,它的工具中心点就是焊枪的中心点,TCP的零位精度直接影响焊接质量的稳定性,而且在实际生产中不可避免会发生焊枪与夹具之间的碰撞等不可预见性因素导致TCP位置偏离。通常的做法是利用手动进行机器人TCP校零。这样固然可以解决问题,但一般全过程需要30min才能完成,对生产效率产生影响。TCP自动校零是用在机器人焊接中的一项新技术,当TCP发生偏离时,机器人会自动运行校零程序,并在最少的校正次数和时间内恢复TCP零位。它的硬件设施由一梯形固定支座和一组激光传感器组成。当焊枪以不同姿态经过TCP支座时,激光传感器将记录下的数据传递到CPU与最初设定值进行比较与计算(见图9),当发生偏移时,则自动对每根轴的角度进行调整。

 

目前,在POLO后桥及PASSAT副车架机器人焊接生产线上均采用了该技术,大大方便了设备调整,节约了调整时间,提高了产品的质量。

3.1   双丝高速焊接技术

随着对机器人焊接高效率的追求,双丝高速焊技术也逐步在轿车底盘焊接中得到应用。双丝高速焊不仅焊接效率比传统焊接方式高,而且热影响区小,产品的疲劳强度有所提高。

目前双丝焊主要有两种方式:一种是Twin arc法;另一种为Tandem法,其工作原理如图10所示。

 

该两种方式焊接设备的基本组成类似,都是由两个焊接电源、两个送丝机和一个共用的送双丝的电缆。为了防止同相位的两个电弧的相互干扰,常采用脉冲MIG/脉冲MAG焊法,并保持两个电弧轮流交替燃烧。这样一来,就要求一个协同控制器保证两个电源的输出电流波形相位相差180°(见图11),且当焊接参数设置到最佳时,脉冲电弧能得到无短路、几乎无飞溅的过渡过程,真正做到“一个脉冲过渡一个熔滴”,每个熔滴的大小几乎完全相同,其大小是由电弧功率来决定的。

 

我们目前在POLO下摇臂焊接中采用了Tandem方式,主枪与次枪均采用脉冲式,其焊接速度可达30mm/s,不但提高了焊接效率,而且产品疲劳强度远远高于类似的单丝焊,其应用实例见图12

 

3.2   机器人等离子弧切割技术

为了提高机器人的焊接质量,势必对冲制件的匹配性提出了更高要求。尤其是针对管状件的相贯线形焊缝,对冲制件的匹配轮廓度要求小于0.5mm,传统的冲压工艺很难直接保证达到此要求。正是在这样的前提下,机器人等离子弧切割走进了底盘焊接生产线。机器人等离子弧切割是由普通的抓举机器人持等离子弧割炬按机器人编程轨迹进行匀速切割,氧气作为切割气体,氮气起保护作用,所切割工作边缘平滑(见图13),轮廓度小于0.3mm,保证了焊接的质量稳定。当产品尺寸需要改进时,我们无需对冲压模具进行改进,只需对机器人切割轨迹进行简单的调整即可满足生产,可节约大量生产成本。

 

3.3   模块式夹紧机构的应用

在机器人焊接系统中,影响机器人焊接操作的一个重要因素是焊接夹具部分,一方面,夹具部分的可靠性直接影响着工作的定位和焊缝的理论位置;另一方面,夹具的自身体积和位置也直接对机器人焊枪的焊接自由度产生影响。在传统的底盘焊接机器人系统中夹具通常采用四连杆机构(见图14),该机构有夹紧和自锁的功能,但结构体积较大,影响了机器人的焊接空间位置。目前一种全新的模块化夹紧机构(见图14)已应用到了机器人焊接系统中,首先是通用性强,各夹紧机构可方便互换,只要有几套标准的备件即可保证正常生产。其次采用的是全封闭结构,对气缸起到了很好的保护和润滑作用,有效地避免了焊接飞溅对气缸活塞和连杆机构的破坏。另外,这种机构可以方便地对夹紧行程和自锁角度进行调节,在今后的机器人焊接系统的夹具部分将会更多地采用该结构方式(其具体工作原理在此不作详细介绍)。

 

4 体会和发展

 

1)     机器人焊接在汽车工业上的大量应用,主要能保证产品质量的稳定和可靠。由于机器人的一切作业是严格由程序控制,能连续重复工作,从根本上杜绝了人工操作的随意性,并使生产率及产品质量得到明显提高。

2)     机器人焊接能减轻工人的劳动强度,加快生产节拍。

3)     焊接机器人的应用促进了冲压模具的改进,尤其弧焊机器人焊接对冲压件的精度和同一性要求很高,要获得满意的焊接质量,冲压件质量必须严格控制。

4)     随着市场竞争加剧,汽车行业中同样面临品种多、批量少的改型性的新车型需求,单靠机器人的柔性特点是远不能满足要求的,因此焊接机器人系统工程(工作站)必须高度柔性化。即适合不同零件的焊接夹具能短时间内快速调换气、电信号,以及配管、配线的快速改换。控制程序也必须能预置和快速转换,以使一大套机器人系统能焊接多种零件和满足产品多样化和改进的要求。

5)     操作维修人员的水平和责任心会影响机器人的正常工作,通常机器人故障很大原因是编程及操作或维护保养不当引起的。使用好机器人必须要有严格的规章制度,定期维护保养。操作维修人员必须上岗培训、定期考核,以提高业务素质。

6)     因此,由于在批量流水线均衡生产中,如其中一个工位出现故障,会影响整条线生产,必须要有充足的备品备件以及一定数量的机器人作为备件。

7)     为适合机器人焊接生产线生产节拍和调试需求,机器人离线编程及远程诊断技术应用日趋重要,离线编程软件可直接进行模拟运行,当将离线程序输入机器人后,只需对其中的焊接空间点的位置进行修改即可满足实际生产。另外使机器人具有远程诊断能力,实现远离工厂现场了解机器人系统的实际运行状况,在机器人系统尤其是机器人控制器出现故障时对其进行及时有效的诊断与维护,从而,大大缩短故障处理时间,节约维护成本。

8)     焊缝自动跟踪技术的应用。焊接机器人缺少对工作的自适应能力,效果比较好的是用激光视觉传感器系统,它能够自动识别焊缝位置,在空间中寻找和跟踪焊缝,寻找焊缝起、终点,实现焊枪跟随焊缝位置自适应控制。但这种方法不太适合轿车底盘零件的焊接,因轿车底盘零件机器人系统的夹具允许机器人工作空间范围很小,根本不允许焊枪头上再有附带激光跟踪头焊接。为此仅可使用的焊缝自动跟踪技术为电弧电压跟踪传感,该系统可寻找焊缝起始点、终点以及弧长参考点,焊接过程中根据弧长的变化,用电弧传感器控制电压自适应控制。这种方法也只能应用于角接接头形式,对于轿车底盘零件大量的薄板搭接焊缝,因无法寻找弧长参考点而无法应用。

我们使用机器人焊接系统,与国外相比时间不长,应用面较小,还有待于在实践中积累更多经验。机器人焊接在汽车工业中的应用代表了焊接工艺一个新的发展方向,我们要不断总结,不断提高,使其成为汽车工业先进的加工手段。

 

 

        

1  林尚杨,陈善本.焊接机器人及其应用.机械工业出版社,20007

2  邬美华.柔性机器人焊接机器人及其应用.上海焊接,19996

 
 
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