汽车机器人焊接工作站仿形工装技术探究

王振涛 何丽华 杨福贺 沈阳来金汽车零部件有限公司

汽车机器人焊接工作站仿形工装技术探究

王振涛 何丽华 杨福贺 沈阳来金汽车零部件有限公司

随着世界制造业的快速发展，焊接技术的应用也越来越广泛，焊接技术水平也越来越智能化。焊接机器人具有改善工人劳动条件、焊接质量稳定、提高生产率等特点，经过多年的发展，焊接机器人已被广泛应用于航天、船舶、汽车、机械加工业、电子电气行业等众多领域中，本文重点就汽车机器人焊接工作站仿形工装技术进行分析和研究。

机器人焊接工作站 自动化焊接 定位系统

中国的机器人焊接技术大部分在在汽车领域，其它领域还是延续着传统的人工焊接，而国内自主研发机器人焊接厂商更少，大部分依赖进口设备。企业在选用焊接机器人时，需根据自身的需求和生产状况，来迅速地定制出自身所需要的焊接机器人工作站。铜板风口行业因特殊焊接工艺及其工装系统的特殊性，使得铜板风口机器人焊接工作站的使用有了更高的要求，掌握主要技术指标更是正确应用的前提，目前尚无铜板风口机器人焊接工作站的应用案例。这里研究的铜板风口机器人焊接工作站技术填补了业内空白，提升本行业智能化制造水平。

一、机器人焊接存在的问题

挑剔的客户因为迎合上一级客户的要求，往往会硬性规定一台工作站的气缸数量等，有时一个很简单的工件往往多出很多不必要的定位压紧点，但毕竟这只是偶然现象，大部分设计细节仍然可以慢慢标准化的。主流就是随着设计数量和经验的不断积累，机器人柔性焊接工装零部件也慢慢的形成了一定的标准，每家相关企业都慢慢建立了自己的设计库，形成自身独到的设计标准，在业内形成一定的影响力，使得焊接工装的设计时间大幅度缩短，市场竞争也变得尤为惨烈。怎样才能更加降低成本，使得设计周期大幅度缩短，适应更快、更精、更适用的生产理念仍然是精明的企业家追逐的方向和梦想。仿形工装技术的理念随着加工制造主机的精度和速度的提高慢慢进入企业家的视线。

二、机器人焊接生产线技术

机器人柔性焊接生产线技术的应用比国外晚大概15年左右，但随着相关设计人员的不断探索并借鉴国内外的先进思路，国内的焊接技术得到了长足的进步和发展。对目前还处在制造大国的中国，偶尔国外的原装图纸也会给国内的业内人士带来思维的另一个契机。但是，由于原材料的不同和理解力的偏颇，偶尔也造成国外设计理念的水土不服：经过国外严苛校核计算的翻转机，在生产车间运转了几天就出现严重的变形。这种事件可被归结为加工制造的材料或者焊接质量的原因，没有完全读懂图纸往往也是其中的一项重要因素。但随着经验的丰富和无数次挫折的积累，国外的设计思路最终仍会变成经验的沉积，成为可以借鉴的设计典范。拿之前设计过的类似工装夹具设计的优点变为新设计方案的核心变得尤为突出，也使得设计周期大大缩短。

（一）工装的仿形技术。首先，工件的空间多维的角度和多角度的定位基准孔使得设计工装时要不断考虑结构，尽量接近工件的空间角度，实现工件的自由度的完全控制并尽量避免过度定位；实现装夹和拆卸方便；为焊接作业让出相应的位置，使得机器人的焊接姿态更加合适，提高机器人工作状态的稳定性和一致性。仿形技术就是在工件三维数模上把需要躲避的焊接空间和定位基准都一次性叠加到工件本身，然后经过设计模具思路的拔模处理，生成相应的“模具”。而后，切除非精度要求区域和不必要的定位空间。形成相应位置的固定支架和安装仿形块体空间曲面。把满足加工切削量要求的块体安装在提前加工好的标准支撑件上，固定到标准的焊接平台或回转机构的主回转梁上。在数控龙门铣平台上定位夹紧，经过粗略加工和半精加工、精加工，一次性完成夹具的本体加工，另配以标准的压紧机构，大大缩短设计和加工周期。本加工流程的关键点在于提前制造一定规格相应高度的定位支撑标准件和标准底梁。使得工装的设计周期和加工速度实现质的飞跃，尽量回避设备夹具本身的调试工作。

（二）高精度快速响应定位技术。焊接机器人实施焊接时，对工装定位精度和夹具夹持要求较高，各工件焊缝处间隙偏差≤0.8mm；而且高炉风口小套具有质量大且为全程高温焊接特点，同时铜板风口法兰轴线与风口I缝的轴线不在同一位置，存在一定的斜度(0～11)o，这对驱动及工装系统提出了更高的要求。高精度、强可靠及快速响应定位系统，如图6所示。该系统在焊接过程中，能对保温炉体辊轴转速和摆角随时进行精确调整。采用PLC控制双电机驱动辊轴(第7轴)实现铜板风口的同步旋转；摆角电机(第8轴)选用交流电机作为驱动元件，在不同焊缝焊接过程中，可精确调整焊缝转轴的角度，同时通过减速机实现自锁，保证炉体在各位置下的稳定。在焊接过程中，操作者在监控室的显示屏观测焊缝熔池的实况，如果发现焊缝过高、过低或偏离中心的现象，可通过操作手柄来调整炉体辊轴的转速，以配合机器人的焊接速度，提高焊缝质量。

（三）耐高温摄像监控技术。焊接机器人如使用离线编程控制轨迹运动或者运用示教系统进行焊接的过程是一个开环系统，铜板风口的加工误差易导致焊缝位置尺寸变化引起焊接误差，降低焊接质量，必须精准定位焊缝罔。焊接工作站配置双摄像头监控系统。一个为强光监控系统，图像采集单元采用先进的强光抑制低照度高动态范围彩色摄像机，能很好的将焊接产生的强光给予过滤，提高图像的清晰度，主要用于焊接实施过程的监控；另一个为普通摄像头，用以监控焊接调整等非强光状态下目标。该系统有效的克服强光、高温、烟雾、粉尘等恶劣工作环境，提高图像清晰度，方便工人对焊缝进行在线实时监控及操作处理；同时通过涡旋管气体冷却方式，进、出气置于摄像机镜头尾部，避免影响保护焊接气体。摄相机安装在机器人终端的夹持装置上随动，用来采集熔池实时图像并传输到监控室的显示屏中，操作者通过它就能实时观察焊接的实况，及时发现焊接缺陷。

三、结语

快捷的设计和加工制造，源于快节奏的思维变通和严苛的设计、加工依据；实践是检验真理的唯一标准，那么把思路带入到实践中去才会不断地丰富和完善理念，经过一些相关的尝试这种思路是可行的，然而是不是最好的还有待于后来人的不断探索和验证。

[1]麻常选.贯流式纯铜风口MIG焊工艺[J].焊接技术，2015.

[2]杨俊.高炉紫铜风口的焊接[J].湖南冶金，2016.