机器人焊接工作站在汽车行业中的应用

樊志家　王贺

摘 要：在“中国制造2025”的时代背景下，中国制造向自动化、智能化的方向迈进，机器人焊接装备作为自动化生产的主力军，随着中国汽车工业的快速发展，机器人焊接工作站的需求大幅度增长，提高汽车的产量是汽车生产企业的首要任务，国产机器人焊接工作站在汽车焊装市场中的占有率比较低，影响了我国汽车制造业水平及机器人焊接工作站的设计水平的提升。

关键词：机器人焊接;焊接工作站;夹具

中图分类号：TP242      文献标志码：A

0 引言

以往汽车行业的焊接件主要依靠手工夹具、手工焊接来完成，焊接人工成本高，工作效率低，产品稳定性差，不能满足市场对于汽车产量的需求，为了提高产品质量及降低生产成本，机器人工作站在国内主要用于焊接汽车零部件，该文针对机器人焊接工作站的主要组成及焊装夹具设计流程进行阐述。

1 机器人焊接工作站的组成

机器人焊接工作站是汽车生产线上的重要生产设备，焊接工作站既能完成本工序的零件焊接与装配等工作，同时还能够检验和校正上一道工序的零件的产品质量，实现机械化及自动化汽车生产过程。常见焊接工作站一般由机器人系统、焊接系统、工装夹具、控制系统、安全防护系统及其他辅助设备系统组成。

1.1 机器人系统

工作站需要具有联网、监控、质量控制等功能，焊接生产线大多数采用KUKA、FANUC等品牌的机器人，也有一些工作站采用SIASUN品牌的机器人;机器人是典型的机电一体化产品，传感器提供机器人本体及周边环境信息，控制系统根据控制程序产生指令信号，通过控制各关节运动坐标的驱动器，使各臂杆端点按照要求的轨迹、速度和加速度，以一定的姿态达到空间指定的位置，驱动器将控制系统输出的信号变换成大功率的信号以驱动执行器工作，实现对机械本体进行精确控制。

1.2 焊接系统

焊接工作站主要就是为了完成零部件的焊接工作，由于焊接方式的不同，主要分为点焊工作站与弧焊工作站，2种工作站的差别主要集中在焊枪样式及工装夹具上，常用的焊接系统品牌有福尼斯、小原等，焊接系统一般配有专用的焊接控制器及编程器。

1.3 工装夹具

工装夹具主要是为了能够将工件固定在合格的尺寸位置上，在焊接过程中保证工件的变形量在可控范围内，得到合格产品;工装夹具主要由夹具底板、定位机构、支撑机构及压紧机构组成，按照“六点定位原则”对零件进行定位或过定位。

1.4 控制系统

工作站控制系统主要包括PLC控制系统及焊接控制系统，其中焊接控制系统一般由焊机厂家配套提供，焊接控制器需要通过协议与工作站PLC通信，实现信号交互及动作联动的功能;控制系统基于各类电气元件与设备，通过电气程序控制机器人及焊接设备满足焊接功能要求。

2 焊装夹具设计流程

2.1 焊装夹具设计依据

设计依据是按照客户提供的产品三维模型、产品图纸、产品技术要求输入信息，并结合企业自身的加工水平进行设计。分析用户提供的产品图纸，对各零部件的基准定位信息进行记录并标记。

2.2 设计前准备工作

在开始焊装夹具之前，应根据分析图纸所得到的信息，在产品三维模型上对产品的焊接位置进行标记，以免在设计过程中丢漏焊缝;确定产品在夹具底板上的摆放位置，在满足支撑定位的前提下，尽量使产品离夹具底板近一些，便于对机器人背面进行焊接;同时确定焊枪型号，并提供焊枪的完整数模，将焊枪以合理的角度摆放在焊缝上，直观地反应焊接过程，焊枪布置应与产品对接面有45°夹角，与焊缝走向有75°夹角。

2.3 产品的定位系统

产品的定位分为定位销定位和定位面定位，其中，定位销分为圆形定位销和菱形定位销，圆形定位销作为主要定位基准，菱形定位销为防转定位销;定位面一般为支撑面，应有对应的压紧机构，使产品在焊装作业时保持在固定的位置上。在产品定位过程中，应注意5个常见问题：

（1）当零件与焊接总成基准不一致时，通常按焊接总成基准定位。

（2）在零件基准无法使用时，可以选择总成中功能性位置作为定位基准。

（3）支撑面一般选择在零件的基准面上，以保证不同批次产品的定位基准相同。

（4）压紧位置应选择在距离焊缝近且底部有支撑的位置，原则上无支撑不压紧，在底部无支撑的情况下仍需要通过压紧来固定零件，因此可以采用弹簧压头或增加压紧限位挡块的方式，以免导致零件变形。

（5）压紧机构一般采用压臂缸进行压紧，压臂的打开角度是由装件时夹具平台的角度决定的，如夹具平台人工装件的角度为15°，则远离人侧的压臂缸打开角度需大于105°，以免压臂在装件过程中落下，影响装件效率。

2.4 典型的定位机构

在焊装夹具的设计过程中，应尽量选择通用的夹紧机构以及标准的零部件，提高夹具的通用程度，便于进行夹具维护。下面介绍4种常用的机构。

2.4.1 抽销机构

当产品孔的轴线方向与取件方向（一般为竖直方向）的夹角大于5°时，定位销应设计成活动销，在装件之前定位销伸出，装件后完成焊接，在取件前定位销缩回。可以根据销孔的形式，对机构进行修改，用于不同夹具的定位。

2.4.2 浮动压紧机构

多点同时压紧或曲面压紧时，为了让所有压点都能有效压紧，可选择浮动压紧机构，可以根据实际情况改变摆臂的形状，通常摆臂回转处间隙不能超过0.5 mm，以保证良好的浮动压紧效果。

2.4.3 圆管支撑压紧机构

此机构是底部“V”形块+可调节支撑销来进行支撑的，可调节性良好，提高圆柱类零件的定位准确性。

2.4.4 “U”形支撑+弹簧压紧机构

常用于方管的定位支撑，“U”形块单侧与方管一面接触，方管另一面依靠弹簧压紧机构来定位，“U”形块的另一侧起初导向作用，产品取出时需克服与弹簧压紧机构和方管之间的摩擦力。采用通用化、标准化机构能大大地提高设计人员的设计效率，节省设计时间。

2.5 夹具框架及气路布置等相关附件

（1）夹具框架的强度及稳定性对整个夹具的准确性和焊接质量有很大的影响，夹具框架一般由矩形管焊接而成，所有的组立都连接在其上，夹具底板在滿足强度要求的前提下，应尽量增大开口率，以减轻重量，使夹具在回转过程中的惯性矩变小，延长变位机等回转元件的寿命。夹具底板通常由4钉2销定位固定，4钉四角分布，2销对角线布置。

（2）气路管道根据气动元件的工作位置及顺序进行分组，并分配相应的电磁阀进行控制，通常一个电磁阀最多同时控制4个气缸（40缸径，行程小于50 mm），这样可以使气缸的动作稳定并快速响应。

（3）为了满足焊装夹具的安装调试等要求，夹具底板上需增加用于夹具吊装的吊装孔，吊装时夹具整体趋于水平状态;用于夹具定位调整的坐标检测孔一般采用3个基准坐标孔，为了操作方便，有时也布置4个基准坐标孔;布置端子箱及气管走向，应尽量避开焊缝区域，无法避开焊缝的管线应做防烫、防飞溅处理，以免损坏管线。

2.6 其他设计收尾工作

完成工程图纸、机电交流文件、气路原理图等相关文件的编写和绘制，完成设计工作。

3 结语

该文按照常规的设计工作流程，进行焊装夹具设计;通用化、标准化的焊装夹具设计流程，能快速、高效、高质量地完成夹具设计任务，减少不必要的时间，对之后的焊装夹具设计工作有借鉴和指导意义。

参考文献

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