汽车零部件点焊机器人工作站设计与应用

魏志宾 张茂林

摘要：以汽车零部件左、右前轮罩总成及后地板左、右纵梁总成自动化焊接生产为例，详细介绍点焊机器人工作站的设计思路，包括点焊机器人工作站的技术要求、组成与特点以及电气控制系统等，重点分析点焊机器人工作站安全系统、焊接夹具系统及水气系统的工作原理，最后简要介绍点焊机器人工作站使用情况。实践证明，所设计的4个点焊机器人工作站操作方便、焊接质量好、生产效率高，完全能够满足左、右前轮罩总成及后地板左、右纵梁总成自动化焊接要求。该点焊机器人工作站设计理念对机器人工作站及自动化生产线的设计及应用具有一定参考和借鉴作用。

关键词：点焊机器人工作站;设计;自动化焊接;汽车零部件

中图分类号：TG438.2文献标识码：A

1项目概述

某企业是汽车零部件配套生产单位，为提高效率、保证质量，需设计制造左、右前轮罩总成及后地板左、右纵梁总成4个点焊机器人工作站，其生产纲领为月产量6000套/月。左、右前轮罩如图1所示，总成焊接要求为：左前轮罩焊点65个、焊接速度3s/点、生产节拍195s，右前轮罩焊点55个、焊接速度3s/点、生产节拍165s;后地板左、右纵梁总成如图2所示，总成焊接要求为：左纵梁焊点60个、焊接速度3s/点、生产节拍190s，右纵梁焊点44个、焊接速度3s/点、生产节拍132s。为此，经分析与研究成功设计了4个点焊机器人工作站并投入使用，满足了左、右前轮罩及后地板左、右纵梁自动化焊接要求。

2点焊机器人工作站设计思路

2.1点焊机器人工作站技术要求

为满足左、右前轮罩总成及后地板左、右纵梁总成点焊生产要求，点焊机器人工作站必须满足以下技术要求：（1）单机双工位、人工装夹、轮流焊接，点焊夹具设有快换通用标准接口，电、气等接口采用快插式，可方便快速更换夹具。（2）机器人根据程序设定和接收到的装配信号，能自动切换点焊程序以及点焊参数。（3）整个系统单元由机器人控制系统和PLC统一集中控制，包括机器人的6轴运动，焊接电源/参数、电极修磨器动作、安全门锁、工件安装完成信号、焊接工位切换等逻辑关系。（4）操作、编程、示教在手持控制器上完成。根据工效学设计的示教器，使用方便、舒服、快速，能大大提高编程和操作的效率。（5）符合人机工程的夹具设计使操作者操作便捷、省力，减轻操作者劳动强度。（6）控制系统灵敏可靠，故障少，操作和维护方便，事故间隔时间不低于7.5万h，具有自停电保护、停电记忆及通知定期检修和出错履历记忆功能。（7）460r/min以上的高转速电极自动修磨器可调节水平和垂直修磨方向，同时修磨上下电极;修磨刀具为快拆方式安装，无需螺丝固定，便于安装及更换。

2.2点焊机器人工作站组成与特点

左、右前轮罩总成及后地板左、右纵梁总成4个点焊机器人工作站均设计为单机双工位，其工作原理、设备配置相同，仅因部件不同使夹具结构有所差异。每个点焊机器人工作站包括：1台点焊机器人，1套伺服点焊系统钳，1套电极修磨器，1套PLC电气控制系统，2套气动工装夹具，1套安全防护系统等，整体结构如图3所示。

（1）点焊机器人。选用KUKA工业机器人KR210。该机器人为6轴机器人，最大负载210kg，工作半径2700mm，重复精度±0.05mm。它采用的新型交流伺服电机具有结构紧凑、高输出、响应快、高可靠性等特点，从而使机器人本体紧凑灵活，具有较大的运动空间、更好的稳定性和较高的重复定位精度，可升级性良好。机器人编程示教器具有在线修改焊接参数和故障自诊断显示功能;可转换中/英文两种显示方式，安装的dead-man开关保证了使用安全。（2）机器人伺服焊钳及水气单元。选用电溶机电（昆山）的DTMC系列机器人焊钳，其额定容量55kVA，上电极提升行程120mm，电极压力3900N，二次侧最大短路电流14000A，完全能满足生产要求。水气单元如图4所示。它包括气动三联件、开关式电气比例阀、LED显示水流量开关、手动式强制排水阀、单项阀、水流指示表以及进水切断电磁阀等。水气点焊标准单元具有以下功能：通过电气比例阀可随时调整焊钳压力（可设定3种调节参数）;通过水流量开关和气压开关检测水和气的供给情况，当水气供给不足时，给系统发出信号，系统停止运行，保证系统安全;水流指示表能直观显示水的流动情况;水流量开关选用SMC的LED显示高灵敏流量开关，可以显示现时或累计流量，具有两个输出，可独立设定不同的流量。当电极脱落或其他故障引起末端水流量减少时，系统会通过进水切断电磁阀强制切断进水，防止发生跑水现象。通过手动强制排水阀可以强制排放焊钳管路中的水，使高压气体进入水路中，将水路中的堵塞杂质吹至回水主管路中，保持水路畅通，很大程度上减少了冷却水堵塞故障的处理时间，有利于系统的维护和保养。

（2）点焊机器人安全系统。安全性是机器人工作站的一项重要指标，具体安全防护措施如下：a.设置机器人本身的运动区域。尽管机器人的可达区域很大，但是可根据机器人工作情况人为地设定机器人运动区域，以防止机器人发生意外时损坏机器人或其他周边设备。b.安全防护网设有工件上下料通道门、安全门（检修门）、工作区报警灯。工作区工件上下料通道门两侧设有对射光栅，即机器人焊接时通道与工作区是互锁控制;安全门一般情况是关闭的，装有安全觸点开关，即机器人焊接时门与工作区是互锁控制。c.机器人增设软限位。系统所有设备均通过编程形成可靠的互锁的逻辑关系。（4）机器人点焊夹具。根据生产要求，机器人点焊工作站均设计为双工位夹具，夹具布置在左右两工位，每套夹具能同时满足两个零部件生产。焊接夹具采用气动夹紧、手阀控制方式，并采用国际上常用的装配式结构。夹具的气动原理和控制应充分考虑必要的连锁关系与逻辑先后顺序控制，以免误动作而发生夹具和工件损坏。夹具零件采用数控机床加工，夹具的定位精度检验采用固定式三坐标或移动式三坐标检测。夹具应保证可靠的定位，防止变形，确保装焊质量和精度达到产品装焊质量要求以及满足生产纲领要求。夹具的工艺性能应优良，部件装配要容易，人工装件要易于操作，总成取出要方便省力。动作按钮及动作阀用中文标示，设有安全防护装置，以免工人误动作。

2.3点焊机器人工作站电气控制系统

整套系统由机器人控制柜和PLC柜来进行控制和管理。控制系统具有自动控制、检测、保护、报警等功能。当工件规格或生产纲领改变时，可通过示教盒重新示教机器人焊接轨迹或重新编制控制程序来适应新的生产需要。系统的启动、停止以及暂停、急停等运转方式均通过操作盘进行。系统运行状态及系统报警可在操作盘上显示，同时由系统运转状态高置显示灯显示。此外，机器人控制柜、示教盒、操作盘上设有急停按钮，发生紧急情况时实现系统急停并同时发出报警信号。

可编程控制器可以在手动和自动两种方式下监视、控制所有工作站内的检测器件和执行机构。可编程控制器系统预留10%的扩展余量，包括输入、输出点以及扩展的内存空间。同时控制柜也预留相应的扩展空间监控程序，对机器人的执行周期没有任何影响。自动方式下的系统启动：操作人员安装工件后→按下夹具气缸按钮→气缸压紧工件→退出安全栏外，启动系统焊接。

3点焊机器人工作站使用效果

采用本点焊机器人工作站进行左右前轮罩自动化焊接总成及后地板左右纵梁的自动化焊接总成，所焊焊点质量合格率达99.8%以上，完全满足汽车零部件焊接生产要求，为企业创造了良好的经济效益和社会效益。

参考文献：

[1]邱玮杰，孙爱军.汽车零部件点焊机器人工作站设计与应用[J].电焊机，2019，49（03）：42-45.

[2]李丽芹.汽车行业焊接技术现状及需求（上）[J].金属加工（热加工），2012（02）：24-25.