车身焊装生产线机器人布局设计

那葆佳 马超

【摘 要】随着我国汽车工业的飞速发展，机器人由于的动作稳定可靠，重复精度高成为一种先进的自动化设备在汽车白车身生产中得到越来越广泛的应用。对于机器人车身焊装生产线项目的前期工作就需要拟定一个大概的布局。这个布局的好坏直接影响后面工作的工作量和进度

【关键词】车身焊接；机器人布局设计

一、车身机器人焊装线的组成

车身机器人焊装线通常由点焊机器人、弧焊机器人、搬运机器人，以及滑动拼台、转动拼台、操作人员的安全区等组成，它的布局设计相对于其它生产线来说要复杂得多。这个工位存在工人吊装、机器人搬运、点焊机器人定位焊等多工作界面；存在上层搬运机器人，中层车体输送和下层点焊机器人多层结构布局；并且空间上必须预留总成搬运机器人的滑移空间。机器人的布局需要考虑到机器人运动轨迹、人机交互工作界面的安全和周边设备对布局的空间约束。在空间约束上，钢结构的高度决定了搬运机器的安装高度，而搬运机器人的高度决定着滑移拼台的高度，也决定了点焊机器人的运动空间，人机工程的好坏。因此，需要仿真设计出最佳的机器人布局。

二、应用机器人焊接工艺解决问题点及优势

1、提升焊接质量，保证焊接精度

机器人精准的运动轨迹及电极帽与钣件间的良好接触，不会出现人工焊接时出现的半点、马蹄点、焊接分流等焊接缺陷。根据焊接部位的不同、机器人焊接参数选取、电极帽的磨损频率不一，通过PLC程序计算焊点数量，达到设定焊接数量后，PLC反馈给机器人信号，机器人接收信号后自动根据前期设定好的程序路径进行修磨，更好地保证焊接质量。

2、可实现一个总拼工位、多车型共线生产

人工操作焊接工艺，因总拼工位各车型焊接结构不同，对焊接设备及焊接参数要求不同，而同一工位空间有限，与焊接设备的新引入及选型产生矛盾。基于机器人焊接工艺的柔性化，更容易实现一个总拼工位的多车型生产工艺。目前该公司正在开发的GA-cross车型，正是与GA车型共线生产。通过增设四面体工位，采用自行小车拉动四面体上的侧围总成夹具输送到总拼工位，可实现4款不同车型的生产；同时机器人可与多种型号焊钳匹配，解决不同车型因焊接结构和焊接空间狭小、焊钳选取困难问题。

三、车身焊装线机器人布局设计

1、机器人与夹具的距离

工件是装在夹具上面的，故机器人与夹具之间的距离直接关系到机器人与工件之间的距离。通常来说，机器人与夹具的距离是指机器人中心与夹具上某定位销的距离。在仿真布局的过程中，应该合理地安排两者之间的位置。如果该距离太大，焊钳在焊接离机器人较远的焊点时可能会不满足可达性，此时会出现以下两种情况：（1）焊钳根本不能以要求的姿态达到工件上离机器人较远的焊点；（2）机器人可以达到远处的焊点，但是此时机器人的轴接近极限位置。

2、机器人与修模器的距离

焊接中，焊钳的电极帽会不断磨损，当磨损到一定的程度与工件的接触面积增大，导致电压密度过高，焊接时会出现假焊与爆焊等现象。因此，每焊接一定数量的焊点，就需要使用修磨器对焊钳的电极帽进行修磨，以保证接触面的面积。在仿真布局过程中，修磨器的位置布局应该遵守以下几点：首先，机器人必须能够达到修磨器的位置，并且机器人6轴距离限位的余量必须足够大；其次，在机器人工作过程中，必须保证修磨器不会与机器人发生干涉；最后在满足以上条件的前提下，修磨器的位置应尽量靠近机器人的home点位置。该临近home点的位置最好能使机器人很方便的达到，并且机器人的姿态又不需要发生很大的变化。否则，太大、太频繁的姿态变化会在一定程度上会影响机器人的节拍。

3、机器人滚边压合系统

机器人滚边压合是通过装在机器人上的滚轮，在固定胎模夹具上，根据事先校对好的程序与轨迹，沿着被翻边的工件轮廓进行运动，机器人工具上滚轮所施加的力将工件在冲压过程中所预留的翻边向内侧翻折，从而将外板预留边缘压紧在内板上。机器人滚边压合系统包括三大部分：滚轮系统、滚边夹具系统、机器人及其控制系统滚边夹具系统将待压合的内外板固定在滚边压合胎模上，滚轮系统通过滚轮将外板边缘沿着里面内板进行弯曲。机器人及其控制系统主要用于控制压合滚轮的行进轨迹，以及机器人与相关系统之间的通信，运动轨迹可根据车身外形变化和工艺参数变更设定，满足不同零件形状和不同零件材质的滚边压合需求。

（1）滚轮系统

滚轮系统是完成零件压合成形的关键机械部件，该系统的优劣将会影响到滚边压合的质量和生产节拍。滚轮系统由连接组件和滚轮组件两部分构成，不同的压合形式可使用不同的滚轮。前盖由于形状较为简单且曲率较小，采用锥轮和大圆柱轮即可。后盖由于在后尾灯处有较大曲率和尖锐拐角，增加了小圆柱轮和压角（锥形头）进行包边。车门由于在门板与窗框结合处有密封条安装棱线定型，采用扁平的圆柱轮进行滚边。这样设计既可以保证滚边工具不与板件干涉，又可以保证滚边质量，同时也提高了调试轨迹的速度。

（2）滚边胎模夹具系统

滚边胎模夹具系统为机器人滚边技术的核心区域，也是实现柔性化生产的重点区域，产品更新换代时，只需更换胎模夹具，便可实现产品的柔性自动化生产。滚边胎模夹具主要有滚边胎模和定位夹紧两部分组成，用于维持和定位板件的形状、位置，并消除滚边过程中板件的形面误差。滚边胎模的作用是给工件提供轮廓精度保障。。胎模采用整体铸造形式，上表面与板件直接接触，并在胎模空腔设计有支撑块，对板件进行支撑。外板定位采用外形定位，内板定位采用基准孔定位，即依靠胎模气缸滚边将外板夹紧和内板基准孔定位，并使用摆臂式夹具夹紧结构。为防止夹紧过程中冲压件的受力弯曲变形，夹紧点应选择靠近滚边轨迹且不干涉位置，并在尖角处布置夹紧点，保证内外板件在滚边过程中与胎模完好贴合。滚边夹具结构在机器人滚边压合过程中应该既不妨碍机器人滚边压合，又能保证工件在整个工作过程中不会发生窜动。

4、机器人及控制系统

机器人滚边工艺由机器人抓持滚轮工具按预定的程序和轨迹控制滚边工具运动，将工件按相应程序进行翻边处理，依次完成整个板件滚边。针对不同的零件，机器人可以调用不同程序，因此适用于不同的产品，这也是机器人柔性化的一个重要方面。机器人控制系统不但用于控制机器人，还可以控制滚边夹具的动作、机器人与滚边夹具、安全光栅等之间的通信，控制协调整个滚边工作站系统中所有工作单元间的动作及顺序，并对整个系统进行故障检测及报警监视。焊装车间各车型整套滚边压合系统采用可编程序控制器（PLC）来完成整个工位的自动控制。在PLC中，按照整个生产工艺的流程，编写好控制程序，采用标准现场总线把所有部件如机器人、滚边夹具、传感器等连接到一起，实现整个工作过程的自动化。

5、机器人底座的高度

有时候，单纯地改变机器人与夹具的距离是不能满足可达性要求。此时可以考虑通过增大机器人的底座高度来实现。机器人底座的高度应该适宜。底座太低，机器人在焊接远处较高的焊点时，机器人容易与其它设备干涉，有时可能出现限位；底座太高，在焊接近处较低的焊点时，机器人容易出现姿态别扭的情况。

结束语

汽车产业是我国国民经济发展的支柱性产业，随着生产力迅猛发展，柔性自动化的生产方式是现代企业所追求的目标。机器人布局设计需满足机器人运动学的要求和周边设备与生产环境对机器人间的约束，是汽车行业降低生产成本，提升生产线柔性化，提高企业竞争力的有效途径。

参考文献：

[1]宋慧欣.焊动未来尽在库卡[J].自动化博览，2012（7）：21-22.

[2]潘涛.机器人在车身焊装线上的应用[J].現代零部件，2012（5）：21-23.