数控技术在CO2焊接夹具上的应用

龙勇华

1. 概述

CO2焊接因其具有操作方便、高效、可靠的特点，被广泛应用于汽车车架及承重件焊接夹具中。目前CO2焊接夹具除部分关键件采用机器人焊接外，其余均为手工操作。

CO2焊接是汽车制造中必不可少的工序，它在汽车车架及承重件、管梁类零件中广泛使用。现阶段CO2焊接存在焊缝质量不稳定；焊缝外观不佳；现场环境恶劣，对操作者人身健康伤害较大；对操作工要求具有一定的实践经验。

2. 焊接机器人

针对以上CO2焊接存在的缺点，技术及经济实力雄厚的大型汽车制造厂可采用焊接机器人代人工进行组线生产，但这种焊接机器人具有诸多不足。

（1）采购成本高 一台焊接机器人成本高，且机器人长期应用于CO2焊接所产生焊烟等恶劣环境中，不仅造成机器人的加速折旧，还对机器人的精密性能产生损伤，维护成本高。

（2）使用复杂 机器人的使用必须有专业技术人员在使用前进行PLC编程，企业大多不具备该类专业人员，至使无法自主进行程序的维护及修改。

（3）机器人与夹具分体 我国汽车企业对CO2焊接技术及设备的投入均未给予足够的重视，特别是部分SUV车型车架的总体焊接精度往往存在超差装车的情况，从而影响了车身整装配质量，也直接影响车辆使用寿命及整体性能。我国汽车行业普遍存在利润溥、车型寿命短、整体质量较低的状况，在这种情况下，汽车制造企业不可能在焊接夹具中大量采用焊接机器人这种高成本、高技术含量的设备来代替相对低廉的人工成本。鉴于这种现状，发展一种成本不高，质量稳定、使用方便、数字控制的CO2焊接夹具，已成为市场所需。

3. 数控CO2焊接夹具

数控CO2焊接夹具是将数控设备与定位夹具合二为一的设备，其基本结构分为两部分：主体定位夹具及数控焊接机构。

（1）主体夹具 主体定位夹具设计可遵循常规方式，即采用定位销+定位型面定位方式限制零件的自由度，将零件定位住，数控焊接夹具与常规焊接夹具在设计制造时有如下几点区别。

第一，夹具设计区别，普通CO2焊接夹具只需考虑限制住零件自由度，避让出一定量的焊枪通道即可；而数控CO2焊接夹具设计时不仅要消除各零件的自由度，还需设计出数控焊接机构的通道。

第二，夹具平台上必须设计出数控焊接机构的安装位置及电控盒的安装位置。

气动夹具不仅需设计气路，还需增加电路设计。

第三，应设计保护装置对电控盒及数控焊接机构关键运动部位进行保护。

（2）数控焊接机构 数控焊接机构包括控制部分、运动机构及操作系统这三部分组成。

第一，控制部分。控制部分核心部分是5轴运动控制器，它可以同时控制5个伺服电动机或步进电动机。由于在汽车CO2焊接中，对焊缝的位置精度要求并不需要太高，数控CO2焊接机构不必像数控加工中心那样动辄±0.02mm甚至更高的精度，同时由于5轴控制器的软件自控功能在不考虑运动机构对精度影响的情况下可以做到在1m范围内公差在±0.1mm以内，这样精度完全可适用于汽车产品的焊接。

第二，运动机构。由于本套机构由5轴控制器控制，可支持5个运动副，同时可支持3个电磁继电器的开合动作，焊钳通电动作即可用继电器来控制。

（3）软件系统 本系统软件由以下三部分组成：

第一，数控操作系统。数控操作系统具有两种形式：一是直接使用带数显及处理器的集成控制器，它具有USB外置接口，可直接读取编制完成的数控程序，并通过内置的专用程序运行数控程序，而无需配备单独电脑。二是单独为每台焊接夹具配备一台电脑，进行编程及运行控制。本操作系统界面与普通数控机床的数控操作系统界面相似且部分辅助功能命令具有相通性。

第二，专用编程软件。专用编程软件可采用通用CATIA五轴编程模块进行多轴编程，输出APTSOURCE文件。

第三，后置软件。针对本运动机构，开发了专用数控后置软件，本软件读入APT文件，处理后输出TXT文件。

4. 数控机构及控制系统

采用低成本、易维护的数控机构，它主要由机械结构、运动控制板、步进电动机驱动板、直流电源及操作系统等组成。

随着数字技术的飞速发展，数控技术被广泛应用到各行各业中，X、Y、Z等轴控制板价格已十分低廉，甚至已经到百元以下，如此低廉的数控系统，在不大幅增加夹具开发费用的前提下，使开发复合CO2数控焊接夹具成为可能。

5. 结语

本机构是一种将自动焊接技术与定位焊接夹具集成一体，形成一种智能化CO2焊接夹具。它不仅减少了操作者的劳动强度，而且使操作者从长期处于有害有毒环境中解脱出来，同时也大大提高CO2焊缝质量及生产效率，是一种具有很大实用性的先进生产技术，在汽车焊装生产中具有十分广泛的用途。

[1] 徐世许．机器自动化控制器原理与应用[M]．北京：机械工业出版社，2013．