FANUC机器人螺母凸焊自动化工作站概述

钱雪峰，彭小勇

（杭州宝伟汽车零部件有限公司，浙江 杭州 311228）

前言

汽车制造业的蓬勃发展，对其配套零部件的生产效率及质量的要求在不断提高。传统人工搬运零件进行立点焊的工作模式已经逐渐被机器人自动化作业所取代，立点焊自动化不仅相对人工节约了人力物力，而且也提高了零部件的焊接质量和生产产能。

1 行业背景

汽车为实现装配过程中的功能性需求，在车身上需要有大量的凸焊螺母、螺栓的存在。传统的汽车配件供应商在生产零部件过程中，使用人工进行焊接凸焊紧固件，在一些质量较重、紧固件种类较多且需求量较大的部件上，人工作业容易出现产能较低、安全风险较大且质量波动较为频繁的情况。

在此种背景下，汽车配件生产商开始尝试使用机器人搬运配合凸焊机进行自动化集成生产。从实际效果来看，机器人自动化凸焊工作站的在一些零部件的应用中，减少了作业人员，改善了人员作业环境，并且生产效率和质量的稳定性也得到了较大的提高。

2 机器人自动化凸焊系统

凸焊自动化工作系统主要包括：自动化搬运机器人及零件夹持系统、螺母输送及焊接系统，机器人作业程序。

2.1 搬运机器人及零件夹持系统

2.1.1 搬运机器人

随着工业自动化的长足发展，自动化工业机器人在各行业的应用越来越广泛。机器人在持续作业过程中相比人工更加精确，在重量较大的零件生产过程中可有效的减少人员的劳动强度，改善操作人员的作业环境。FANUC机器人在一般工业精度应用上，由其优良的性价比得到广泛的应用。

车用螺母紧固件在生产过程中需要使用配套电极进行凸焊，通常定位销子与钣金的凸焊预留孔的直径差为0.2mm，为保证钣金片件的预留凸焊孔与配套电极的定位销准确对接，搬运机器人的最大重复精度应小于0.1mm。

在生产作业过程中，凸焊电极一般在数百次焊接后会在接触表面出现氧化物堆积及脏污，为保证焊接质量需要对电极接触表面进行研磨，直至铜电极的金属光泽露出且上下表面平整。在多次研磨之后，原钣金片件与下方凸焊电极的密切接触面出现了较大的间隙量。在点焊自动化工作站的作业过程中，点焊电极研磨后出现的距离差异由控制器进行分析后进行距离补偿，保证每次焊接时焊钳电极位置都会接触片件。因为凸焊机电极的固定特性无法使用相同方式进行补偿，此时需要搬运机器人使用软浮动(SOFIFLOFT)程序进行配合焊接轨迹及信号时序进行补偿焊接。在软浮动(SOFIFLOFT)程序执行时，抓取待焊接片件的机器人及装夹具能够随着上电极的压力顺延下移到下电极表面处，保证焊接作业的正常进行，避免了过多间隙下焊接质量的波动、机器人和搬运装夹具的损毁。

2.1.2 零件搬运夹持系统

凸焊自动化工作站的搬运主体是机器人，待焊接片件的定位搬运需要借助夹持系统的辅助。夹持系统主要分为固定骨架及夹持压块和气缸。其工作原理是依靠夹持臂接触压紧工件接触面，使未焊接的片件相对机器人6轴端面固定，在作业过程中根据实际调整焊接轨迹，满足焊接精度要求。

2.2 螺母紧固件输送、位置检测及焊接系统

在凸焊自动化运行中，凸焊紧固件（螺母）需要自动输送来保证整个工作站的正常运行。一般生产过程为机器人搬运片件到预定位置后发出信号，收到运行信号的螺母输送机输送螺母至定位销，输送完成后发出完成信号至凸焊机，凸焊机上电极开始下压，压实后等待位置检测仪确认合格后给凸焊机发出焊接指令完成焊接过程。

紧固件（螺母）输送机在整个生产过程中是实现自动化运行的前提条件，螺母的自动输送和送达的稳定性、准确率都直接影响工作站的作业效率。文中所述工作站使用的是OBARA振动式螺母输送机，组配OBARA座式点焊机（即凸焊机）及SIV31-6C控制器进行作业，螺母输送准确性检查设备为欧尼克的位置检测仪。

螺母输送机的输送部分在实际生产中会随着自身输送及凸焊机的抖动而发生微小位移，所以需要选择刚性较好的输送机固定结构，并且长时间作业期间定期确认输送位置是否准确。凸焊机的整体刚度及电极臂选择应满足所焊接零件及螺母的焊接性能要求，也要考虑到机器人及搬运夹持系统是否可以顺利通过，保证作业轨迹的通顺性为焊接效率提升提供前提条件。焊接控制器应能够和机器人控制器完成信号对接，保证焊接过程的自动化控制，如本文所述工作站所使用的SIV31-6C控制器。螺母检测仪的工作原理是将定位销与位移传感器连接，利用螺母在被正确和错误输送后、焊接前的定位销被压下的距离作参考来确认螺母是否在正确的待焊接位置。

2.3 机器人作业程序

FANUC机器人在作业过程中是依据示教器编制的轨迹程序进行工作，程序的主要作用是给出机器人每一步的运作指令，具体动作的完成类型以及发出关键节点的数据信息来完成整个作业过程。机器人配带伺服焊钳进行点焊作业在汽车行业内已经应用了很长时间，相对来说不存在很大的技术难题，但凸焊自动化工作站中机器人和现通用的点焊机器人有着截然不同的作业方式。

FANUC机器人的动作指令中包含了动作类型、位置数据格式、移动速度及定位类型四个基本要素，需要注意的是动作类型和定位类型。关节运动类型下的机械手臂终端不是直线运行,CNT圆滑过渡和FINE的减速停止点定位类型。在编写凸焊自动化工作站机器人程序时，机器人抓手上的片件待焊接孔在通过待焊接位置及前一个位置点的过程中不能触碰到定位销，触碰后定位销位置精度的改变直接影响螺母输送机的输送稳定性。在实际应用过程中，通常在定位销进入和离开定位孔前的数个点使用低速FINE或者使用CNT较低数值的定位类型来保证正常运行。

3 凸焊自动化工作站的特点和优化方向

自动化凸焊相对人工拥有更高的生产效率，在重量较大、紧固件种类及数量较多的情况下尤为明显。人工对重量较大的工件进行焊接作业时，体力会随着作业时间的延长明显下降，而机器人可以按照预定好的轨迹全年重复运行。使用紧固件种类较多的零件，在人工焊接时需要多工序生产，多个工序之间需要存在一定量的缓冲库存，无形之中增加了生产线的物流成本和质量安全风险，自动化工作站能够在“一进一出”的过程中完成所有工序的作业要求无需中间物流的存在，同时能够一个人完成人工模式下多人多工序的工作。

凸焊自动化工作站在实际应用上有着明显的优点，但初期投入比较大，后期重新规划集成的成本也比较高，所以在自动化工作站设计方案的前期，应考虑在满足客户产能的前提下尽可能提高设备的有效使用率。对于汽车车身结构件来说，除了螺母类的紧固件也可以对螺柱焊植钉进行自动化改造。

4 总结

自动化工作站在传统手工操作占比很高的凸焊紧固件领域的应用是行业自动化浪潮的显现，也是企业创新求存的必然结果。从大的方向上看，机械化、智能化生产代替传统劳动密集型作业是时代的进步，也是我国实现科技兴邦的目标；从小的方向上看，自动化作业相比传统人工作业模式在作业效率和产品质量的稳定性上都有大幅度提升，减少了企业生产过程中在不良品上的隐形支出，给企业创造了更多的利润空间。

相信随着车辆制造行业自动化生产要求的不断提高，自动化设备的不断更新完善，凸焊自动化工作站这种“小众”的自动化模式会越来越普遍。