基于RobotStudio的电池托盘焊装产线设计与仿真

周春东，谢 杰，王剑春，张锁龙,彭 勇

(1.常州大学怀德学院 机械与材料工程系，江苏 靖江 214500；2.南京理工大学 受控电弧智能增材技术工信部重点实验室，江苏 南京 210094)

0 引言

采用铝合金电池托盘是实现新能源汽车轻量化进程的重要标志。新能源汽车市场需求持续增加，而传统的一体化铸造工艺或焊接工艺制造电池托盘易出现气孔、裂纹等缺陷，存在工件变形大、气密性差等问题[1]，亟需从工艺和装置两方面提升生产质量和效率。

机器人虚拟仿真技术是验证铝合金电池托盘机器人焊装产线设计合理性的有效手段。陆叶[2]、田国柱等[3]利用RobotStudio进行了多机器人、多制造工艺过程产线设计与仿真，缩短了产线设计、制造及调试周期。本文作者[4]前期针对电池托盘CMT焊接工作站进行了设计与仿真，但缺乏对电池托盘全工艺过程及装置进行深入系统研究。

为此，本文提出采用CMT+FSW组合式焊接工艺，并基于RobotStudio软件将工艺参数、协同信号、路径信息配置写进机器人程序，实现电池托盘全制造流程仿真，以指导电池托盘的现场生产。

1 电池托盘机器人焊接工艺方案

1.1 电池托盘产品分析

目前电池托盘材料以6系铝合金为主，其结构主要包括边框、筋板及底板，要求焊后在长度和宽度方向变形量低于1.5 mm/m，气密性要求在10 kPa气压下，保压5 min，泄漏率低于100 Pa。

采用传统的满焊、全焊透工艺可以提高气密性，但其焊接热输入高会导致焊件变形严重，故提出FSW+CMT组合式新工艺。

1.2 电池托盘机器人焊接工艺设计

根据电池托盘的结构特征将焊接接头划分成6类焊缝：边框与边框内部角焊缝、边框与边框外部角焊缝、边框与筋板内部角焊缝、边框与底板内部角焊缝、筋板与底板内部角焊缝和背部底板与边框焊缝。采用CMT+P焊接工艺焊接边框与边框、筋板内部角焊缝，有利于使角焊缝熔透，提高气密性；采用CMT焊接工艺焊接边框与边框外部角焊缝、边框与底板内部角焊缝、筋板与底板内部角焊缝；将背部底板与边框焊缝设计成对搭接形式，并用FSW焊接工艺进行焊接。

对搭接接头示意图如图1所示，设计参数满足：

δ2+0.1

(1)

d

(2)

δ2

(3)

其中：H为搅拌针长度，mm；D为轴肩直径，mm；d为接头搭接量，mm；δ1为边框板厚，mm；δ2为底板板厚，mm。

利用FSW+CMT组合式焊接工艺完全覆盖对搭接连接面，实现低热输入、低变形下的全焊透，焊缝质量高。

1.3 电池托盘焊接工艺流程规划

首先将电池托盘边框、筋板和底板拼装固定，然后利用TIG工艺点焊，再按照“边框与边框内部角焊缝→边框与筋板内部角焊缝→边框与底板内部角焊缝→筋板与底板内部角焊缝→边框与边框外部角焊缝→背部底板与边框焊缝”的焊接顺序采用对应的焊接工艺进行焊接。

利用CMT+FSW组合工艺，先CMT后FSW，即先熔焊后固相焊，一方面，CMT可以采用热输入较大的工艺保证焊缝熔透，另一方面，利用FSW焊接背部底板与边框时的压力对CMT焊接产生的变形进行矫正。

图1 FSW、CMT对搭接焊接接头示意图

2 电池托盘机器人焊装产线设计与建模

2.1 系统组成、布局及动作流程

电池托盘机器人焊装产线系统主要包括搬运机器人IRB4400、CMT焊接机器人IRB2600、FSW焊接机器人IRB7600、输送链、变位机1(五轴双工位回转变位机IRBP_D300)、变位机2(双工位回转变位机IRBP_C500)及其控制系统等，系统布局如图2所示。其中搬运机器人、CMT焊接机器人、FSW焊接机器人上分别安装有吸盘、CMT焊枪和FSW机头，且搬运机器人负载大于60 kg，FSW机器人负载大于500 kg，变位机2负载大于500 kg。

图2 电池托盘机器人焊装产线整体布局图

产线单个加工周期内的动作流程为：初始化状态下启动产线，待焊电池托盘输送至待搬运区，CMT机器人进行焊接，同步FSW机器人进行焊接，同步搬运机器人卸料，然后搬运电池托盘至变位机1待焊工位，CMT机器人焊接完成后，变位机1翻转已焊工件、切换工位，搬运机器人将电池托盘转运至变位机2待焊工位，待FSW焊接机器人完成焊接，变位机2切换工位。重复该动作流程，进行批量化生产。初始化状态指：信号复位，且变位机1焊接工位有待焊工件，待焊工位无工件；变位机2焊接工位有已完成CMT焊接的工件，待焊工位有已完成焊接的工件。电池托盘机器人焊装产线动作流程如图3所示。

2.2 系统关键Smart组件创建与信号配置

为仿真模拟电池托盘机器人焊装产线工件输送、搬运及焊接全过程，创建Smart_输送链、Smart_吸盘、Smart_变位机1、Smart_变位机2四个Smart组件，将Smart组件的I/O信号与机器人的I/O信号关联，实现输送链输送电池托盘、机器人拾取并搬运电池托盘以及变位机工位调整等动态效果。表1为电池托盘机器人焊装产线部分I/O信号表。

图3 电池托盘机器人焊装产线动作流程

表1 电池托盘机器人焊装产线部分I/O信号

2.3 机器人产线系统工作站逻辑

电池托盘机器人焊装产线工作站逻辑如图4所示。初始化状态下启动产线，搬运机器人进行卸料，CMT机器人和FSW机器人进行焊接，当搬运机器人同时接收到电池托盘到位信号Do-SSL和卸料完成信号Do-BY3后执行上料，当变位机1同时接收到上料完成信号Do-BY1和CMT焊接完成信号Do-CMT后变位，到位后输出信号Do-BWJ1-1给搬运机器人，将电池托盘转运至变位机2，当变位机2同时接收到转运完成信号Do-BY2和FSW焊接完成信号Do-FSW后变位，到位后输出信号Do-BWJ2-1给CMT机器人、FSW机器人和搬运机器人，CMT机器人和FSW机器人执行焊接，搬运机器人执行卸料。重复上述流程进行批量生产。

图4 电池托盘机器人焊装产线工作站逻辑

3 电池托盘机器人离线编程与仿真分析

3.1 焊装产线机器人离线编程

根据电池托盘机器人焊接工艺设计，电池托盘包括6类焊缝接头形式，前5种利用CMT焊接机器人焊接，背部底板与边框焊缝采用FSW工艺焊接。在CMT焊机上创建JOB1～JOB5，分别对应设置5类CMT焊缝的工艺参数。CMT焊接机器人离线编程时，创建weld1～weld5五个工艺号，分别调用JOB1～JOB5。焊接机器人系统部分程序如下：

(1) CMT焊接机器人离线编程程序

PROC main()

WaitDI Di-CMT,1; !等待变位完成

Path_10; !焊接边框与边框、筋板和底板的角焊缝

Path_20; !焊接筋板与底板的角焊缝

Path_30; !焊接边框与边框外部角焊缝

SetDO Do-CMT,1; !焊接完成输出信号

ENDPROC

(2) FSW焊接机器人离线编程程序

PROC main()

WaitDI Di-FSW,1; !等待变位完成

MoveL P1,v1000,z0,tool0WObj:=wobj0; !P1为安全点

SetDO Do-FSW-1,1; !开始FSW焊接

Path_10; !焊接路径例行程序

MoveL P2,v1000,z0,tool0WObj:=wobj0; !P2为安全点

SetDO Do-FSW-1,0; !关闭FSW主轴电机

SetDO Do-FSW,1; !焊接完成输出信号

ENDPROC

3.2 仿真结果及分析

经过数次调试，在保证各工序稳定进行的条件下，调整机器人位置和运行速度至最优，以最大程度地减少机器人等待时间，仿真效果如表2所示。传统生产单个电池托盘总时间为T1，且满足：

T1=L1v1+t1+2t2+L2v2+L3v3+2t3.

(4)

其中：L1为输送链长度，L1=4 800 mm；v1为输送链输送速度,v1=100 mm/s；t1为搬运机器人上料、转运和卸料总时长，t1=300 s；t2为单个变位机工位切换总用时，t2=10 s；L2为电池托盘上CMT焊缝总长，L2=6 040 mm;L3为FSW焊缝总长，L3=4 020 mm；v2为CMT焊接速度，v2=10 mm/s;v3为FSW焊接速度，v3=6 mm/s;t3为单个机器人过渡点运动总用时，t3=30 s。按传统单工艺路线流程执行，生产一个电池托盘时长T1=1 702 s。

而从本文的模拟结果来看，将工件输送、搬运及焊接协同进行，同步进行CMT和FSW焊接，生产单个电池托盘总时间T2满足以下公式：

T2=t2+L3v3+t3.

(5)

生产一个电池托盘时长T2=710 s。假设一天工作8 h，按传统单工艺机器人工作站制造流程，每天可生产约17个电池托盘；而用本文设计的产线每天可生产约40个，效率可提高约2.3倍。

表2 电池托盘机器人焊装产线仿真图示

4 结论

根据电池托盘的材料、结构及工艺特点和要求，设计了CMT+FSW组合式焊接工艺及制造流程，并利用RobotStudio平台对电池托盘输送、焊接、搬运等全制造流程进行仿真研究，创建输送链、吸盘和变位机等Smart组件，建立焊接、搬运机器人与Smart组件间I/O连接，实现了电池托盘机器人焊装产线的仿真。本文研究为电池托盘自动化焊接工艺和装备设计提供了理论依据，有利于提高电池托盘的生产质量和效率，有助于推动新能源汽车的发展。