摘要：汽車車身結(jié)構(gòu)的特點決定了車身制造離不開弧焊技術(shù)。傳統(tǒng)手工弧焊焊接時的火花及煙霧對人體造成危害較大，工作環(huán)境惡劣，且對工人技能要求更高，焊縫質(zhì)量一致性差，波動也較大。特別是汽車的重要結(jié)構(gòu)安全件，其焊接質(zhì)量對汽車的安全性起著決定性的作用，因此整車廠有逐步采用自動化弧焊機(jī)器人替代手工方式的趨勢。焊接機(jī)器人系統(tǒng)有如下幾種形式：焊接機(jī)器人工作站、焊接機(jī)器人生產(chǎn)線、焊接專機(jī)。焊接機(jī)器人系統(tǒng)一般適合中、小批量生產(chǎn)，被焊工件的焊縫可以短而多，形狀較復(fù)雜?，F(xiàn)階段由于我國生產(chǎn)能力的提升、勞動力紅利的比較優(yōu)勢逐漸下降，在產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的政策之下，一些企業(yè)紛紛引入機(jī)器人代替原來的人工作業(yè)。所謂"機(jī)器人"多以"機(jī)械手臂居多"，主要是指一種智能化的生產(chǎn)工具。本次研究選擇焊接機(jī)械器作為研究對象，探討其在汽車生產(chǎn)領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：焊接機(jī)器人；汽車；機(jī)械手

前言

隨著汽車制造業(yè)對焊接精度和速度等指標(biāo)提出的要求越來越高，以及用戶個性化需求的日益加強(qiáng)，為了滿足多車型、多批次的市場需求，提高車身車間生產(chǎn)能力的柔性和彈性，工業(yè)機(jī)器人在車身焊接中得到了廣泛應(yīng)用。本文結(jié)合實例介紹了點焊機(jī)器人和弧焊機(jī)器人系統(tǒng)在車身焊接中的應(yīng)用。

焊接技術(shù)作為制造業(yè)的傳統(tǒng)基礎(chǔ)工藝與技術(shù)，在工業(yè)中應(yīng)用的歷史并不長，但它的發(fā)展卻是非常迅速的。焊接機(jī)器人是在工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)上發(fā)展起來的先進(jìn)焊接設(shè)備，是從事焊接（包括切割與噴涂）的工業(yè)機(jī)器人，主要用于工業(yè)自動化領(lǐng)域，其廣泛應(yīng)用于汽車及其零部件制造、摩托車、工程機(jī)械等行業(yè)，在汽車生產(chǎn)的沖壓、焊裝、涂裝、總裝，四大生產(chǎn)工藝過程都有廣泛應(yīng)用，其中應(yīng)用最多的以弧焊、點焊為主。

轎車車身的結(jié)構(gòu)和工藝在很大程度上決定了乘車的安全系數(shù)。車身本體是由十幾個大總成和數(shù)百個薄板沖壓件，經(jīng)點焊、弧焊、激光焊、釬焊、鉚接、機(jī)械連接以及膠接等工藝連接成的復(fù)雜薄板結(jié)構(gòu)件。由于白車身所涉及的零件多、工藝復(fù)雜且設(shè)備類型繁多，因此車身規(guī)劃對焊接工藝、裝焊夾具、質(zhì)量控制以及維護(hù)保養(yǎng)等都有較高的要求。本文結(jié)合實例重點介紹了點焊機(jī)器人系統(tǒng)和弧焊機(jī)器人系統(tǒng)在車身焊接中的應(yīng)用。

典型的焊接機(jī)器人系統(tǒng)有如下幾種形式：焊接機(jī)器人工作站、焊接機(jī)器人生產(chǎn)線、焊接專機(jī)。焊接機(jī)器人系統(tǒng)一般適合中、小批量生產(chǎn)，被焊工件的焊縫可以短而多，形狀較復(fù)雜。柔性焊接線特別適合產(chǎn)品品種多，每批數(shù)量又很少的情況下采用。焊接專機(jī)適合批量大、改型慢的產(chǎn)品，對焊縫數(shù)量較少、較長，形狀規(guī)矩的工件也較為適用，至于選用哪種自動化焊接生產(chǎn)形式，需根據(jù)企業(yè)的實際情況而定。

1焊接機(jī)器人概述

從應(yīng)用的角度觀察，焊接機(jī)器人的工作原理相對簡單，主要代替原來的人工勞作，但其特征主要體現(xiàn)在連續(xù)性、系統(tǒng)性、編程控制方面。其原理主要是通過電腦編程，在視頻監(jiān)控或數(shù)據(jù)監(jiān)控狀態(tài)下實現(xiàn)單軸運動、系統(tǒng)協(xié)調(diào)運動，以達(dá)到生產(chǎn)工藝要求；操作過程中需要確定工作位置、操作參數(shù)、工作姿態(tài)的定位，程序命令啟動等。目前的焊接機(jī)器人的工作原理應(yīng)用主要動力來自于電力和壓力，其工作方法以機(jī)械運動為準(zhǔn)。從流程觀察，需要建立操作系統(tǒng)、傳感器控制、生產(chǎn)線狀態(tài)信號連接、異常信號警報。在具體的焊接操作中，根據(jù)編程可以對機(jī)器人實施相應(yīng)的工作狀態(tài)檢測、故障或錯誤自動化控制。概括起來講，焊接機(jī)器人的工作原理及應(yīng)用主要是通過PLC機(jī)器人按照焊接生產(chǎn)工藝完成汽車相關(guān)部件生產(chǎn)的焊接動作，完成焊接任務(wù)。

2點焊機(jī)器人系統(tǒng)在汽車行業(yè)中的應(yīng)用

縱觀整個汽車工業(yè)的焊接現(xiàn)狀，不難分析出汽車工業(yè)的焊接發(fā)展趨勢為：發(fā)展自動化柔性生產(chǎn)系統(tǒng)。而工業(yè)機(jī)器人，因集自動化生產(chǎn)和靈活性生產(chǎn)特點于一身，故轎車生產(chǎn)近年來大規(guī)模、迅速地使用了機(jī)器人。在焊接方面，主要使用的是點焊機(jī)器人和弧焊機(jī)器人。特別是近幾年，國內(nèi)的汽車生產(chǎn)企業(yè)非常重視焊接的自動化。如一汽引進(jìn)的捷達(dá)車身焊裝車間的13條生產(chǎn)線的自動化率達(dá)80%以上，各條線都由計算機(jī)(可編程控制器PLC-3)控制，自動完成工件的傳送和焊接。焊接由R30型極坐標(biāo)式機(jī)器人和G60肘節(jié)式機(jī)器人共61臺進(jìn)行，機(jī)器人驅(qū)動由微機(jī)控制，數(shù)字和文字顯示，磁帶記錄儀輸入和輸出程序。機(jī)器人的動作采用點到點的序步軌跡，具有很高的焊接自動化水平，既改善了工作條件，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)率，又降低材料消耗。

車身點焊的質(zhì)量直接影響著汽車車身強(qiáng)度和使用安全性。點焊設(shè)備因易于機(jī)械化、成本較低廉、技術(shù)成熟且配套設(shè)施完善，在汽車車身的生產(chǎn)中應(yīng)用得最為廣泛。現(xiàn)在，點焊焊接過程完全自動化已成為趨勢，機(jī)器人點焊系統(tǒng)已得到廣泛應(yīng)用，正逐步取代手工點焊。

氣動焊鉗作為點焊機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，目前普遍采用了一體化焊鉗，就是焊接變壓器裝在焊鉗后面，減少了二次電纜的損失，提高焊接質(zhì)量。由于采用一體化焊鉗，變壓器必須盡量小型化，提高機(jī)器人有效負(fù)載。對于容量較大的變壓器，已開始采用中頻逆變技術(shù)：把50Hz工頻交流變?yōu)?00～1000Hz交流再整流，使變壓器體積減少、減輕。

氣動焊鉗電極組件形式上與手工焊接焊鉗基本相似，完成與工件接觸及通電焊接作用，為降低維護(hù)改造成本，焊鉗組件有模塊化的趨勢。點焊機(jī)器人動作穩(wěn)定可靠，重復(fù)精度高，可代替人的繁重體力勞動，并且提高了焊接質(zhì)量，提高了生產(chǎn)線柔性。

伺服點焊機(jī)器人系統(tǒng)包括機(jī)器人本體、機(jī)器人控制器、中頻點焊控制器、自動電極修磨機(jī)和伺服點焊鉗等。伺服焊槍的優(yōu)點是傳統(tǒng)氣動焊機(jī)無法比擬的，其最大的特點是以伺服裝置代替氣動裝置，按照預(yù)先編制的程序，由伺服控制器發(fā)出指令，控制伺服電動機(jī)按照既定速度、位移進(jìn)給，形成對電極位移與速度的精確控制，脈沖數(shù)目與頻率決定電極位移與速度，電動機(jī)轉(zhuǎn)矩決定電極壓力。

伺服焊槍具有增強(qiáng)診斷及監(jiān)控、簡化焊鉗設(shè)計、提高柔性、降低維修率、提高運行時間及減少生產(chǎn)成本（耗氣/備件/省電）等特點，將是未來汽車裝配生產(chǎn)線上應(yīng)用的主要設(shè)備。其中頻點焊的質(zhì)量和效率均遠(yuǎn)高于工頻焊接，主要表現(xiàn)在以下幾方面：

（1）減少生產(chǎn)節(jié)拍機(jī)器人與焊鉗同步協(xié)調(diào)運動，大大提高了生產(chǎn)節(jié)拍，使焊點間及障礙物的跳轉(zhuǎn)路徑最小化；可隨意縮短電極開口減小關(guān)閉焊鉗時間；焊接開始信號發(fā)出后可更快、更好地控制加壓；更快地更改焊接壓力，其壓力調(diào)節(jié)速度可達(dá)200kgf/cycle（98N/ms）；能夠很好地避免和抑制飛濺，有效保證和提高焊接質(zhì)量；焊接完成信號發(fā)出后可更快打開焊鉗；減少電極更換及修磨時間；換槍、電極修磨及更換后快速標(biāo)定。

（2）提高焊接質(zhì)量軟接觸可實現(xiàn)極少的產(chǎn)品沖擊，還可以減小噪聲；高精確度的可重復(fù)性加壓；焊接中精確恒壓控制；焊接過程中壓力可實現(xiàn)調(diào)整；更穩(wěn)定的電極管理及控制等。

3弧焊機(jī)器人系統(tǒng)簡介

汽車車身結(jié)構(gòu)的特點決定了車身制造離不開弧焊技術(shù)。傳統(tǒng)手工弧焊焊接時的火花及煙霧對人體造成危害較大，工作環(huán)境惡劣，且對工人技能要求更高，焊縫質(zhì)量一致性差，波動也較大。特別是汽車的重要結(jié)構(gòu)安全件，其焊接質(zhì)量對汽車的安全性起著決定性的作用，因此整車廠有逐步采用自動化弧焊機(jī)器人替代手工方式的趨勢。

對車身弧焊機(jī)器人工作站的設(shè)計規(guī)劃應(yīng)首先考慮是否滿足生產(chǎn)綱領(lǐng)、工作站的柔性和焊接質(zhì)量，以及機(jī)器人及焊槍的選型及電控設(shè)計。具體內(nèi)容包括：

機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)包括有效載荷、軸數(shù)、各軸的自由度范圍及控制系統(tǒng)等。

機(jī)器人工作范圍及姿態(tài)，充分考慮車身形式和弧焊點位置、夾具形式。通過3D設(shè)計模型仿真模擬干涉危險點的焊接，對焊槍及夾具的形狀、機(jī)器人操作位置等進(jìn)行反復(fù)修改，確定方案再進(jìn)行可行性論證及設(shè)計修正。

確定機(jī)器人的高度及與前后左右距離，確保所有弧焊點機(jī)器人焊槍可達(dá)。進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計最可靠的方法是通過機(jī)器人仿真軟件模擬實際的焊接工作，具體方法是加入工位夾具、工件及焊槍的3D模型，在虛擬環(huán)境進(jìn)行工作站的裝配和調(diào)試，路徑模擬，發(fā)現(xiàn)是否干涉，以此調(diào)整各部分的相對尺寸達(dá)到最佳。

工藝時序設(shè)計，控制流程圖設(shè)計?；『笝C(jī)器人工作站的設(shè)備構(gòu)成包括弧焊機(jī)器人、機(jī)器人控制器、焊機(jī)、清槍系統(tǒng)、輸送系統(tǒng)、焊接夾具、排煙除塵設(shè)備、安全防護(hù)網(wǎng)、弧光遮擋簾和水電氣單元等。

4焊接機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀

隨著我國汽車工業(yè)的發(fā)展和對自動化水平要求的不斷提高，將為焊接機(jī)器人市場的快速增長提供了一個良好的機(jī)會。預(yù)計國內(nèi)企業(yè)對焊接機(jī)器人的需求量將以30%以上的速度增長。從機(jī)器人技術(shù)發(fā)展趨勢看，焊接機(jī)器人不斷向智能化方向發(fā)展，完全實現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)中機(jī)器人的群體協(xié)調(diào)和集成控制，從而達(dá)到更高的可靠性和安全性。而采用焊接機(jī)器人的汽車生產(chǎn)企業(yè)在高技術(shù)、高質(zhì)量、低成本條件下必將獲得高速發(fā)展，也必將為汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來新的生機(jī)。相信，在不久的將來，通過我們的共同努力，國內(nèi)汽車行業(yè)的焊接技術(shù)會逐步縮短與國外先進(jìn)焊裝技術(shù)水平的差距，迎接WTO帶給汽車工業(yè)的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

在焊接機(jī)器人的應(yīng)用過程中，焊縫跟蹤技術(shù)的應(yīng)用相普通，焊接機(jī)器人在進(jìn)行焊接作業(yè)操作過程匯總，由于焊縫的過程可能會受到強(qiáng)弧光輻射、煙塵、飛濺、加工誤差、夾具精度、工件熱變形等因素的影響，必須特別注意這些因素的控制，避免出現(xiàn)焊炬偏離焊縫，導(dǎo)致焊接質(zhì)量出現(xiàn)問題，焊縫跟蹤技術(shù)的存在，在一定程度上可以結(jié)合焊接條件的變化，實時監(jiān)測出焊縫的偏差，并及時調(diào)整焊接路徑和焊接參數(shù)，有效的避免焊接過程中出現(xiàn)的質(zhì)量問題。

不斷的實踐工作經(jīng)驗表明，在焊接機(jī)器人系統(tǒng)中，電氣性能良好的專用弧焊電源，是確保焊接機(jī)器人使用性能的正常發(fā)揮的關(guān)鍵之一。焊接機(jī)器人所用的專用弧焊逆變電源大多都是單片微機(jī)控制的晶體管式弧焊逆變器，在精細(xì)的波形控制方法的焊接電源，可以在一定程度上確保焊縫烙寬以及烙深的一致性，促使焊接表面更加的美觀。因此在焊接機(jī)器人的應(yīng)用過程中，針對專用弧焊電源進(jìn)行深入的研究非常重要。

在焊接作業(yè)的操作過程中，離線編程與路徑規(guī)劃技術(shù)主要是指機(jī)器人編程語言的進(jìn)一步擴(kuò)展，其主要利用計算機(jī)圖形學(xué)的研究成果建立的機(jī)器人已經(jīng)工作環(huán)境的模型，并通過專業(yè)的算法，對焊接器件的圖形進(jìn)行一定的控制和操作，是促使焊接機(jī)器人可以在設(shè)定好的軌跡規(guī)劃基礎(chǔ)上進(jìn)行焊接作業(yè)，離線編程的另一現(xiàn)實基礎(chǔ)，是自動編程技術(shù)的應(yīng)用。通過應(yīng)用自動編程技術(shù)，為焊接機(jī)器人實現(xiàn)焊接任務(wù)、焊接參數(shù)、焊接路徑以及焊接軌跡的同時，輔助編程人員進(jìn)行編程任務(wù)的一種技術(shù)。

在實際工作過程中，多機(jī)器人協(xié)調(diào)控制技術(shù)主要是指為了完成某一項工作任務(wù)選行組織數(shù)量若干的機(jī)器人通過合作與協(xié)調(diào)組合成的一體系統(tǒng)，多機(jī)器人協(xié)調(diào)控制技術(shù)在應(yīng)用的過程中，主要是多焊接機(jī)器人系統(tǒng)安排某項任務(wù)之前，需要考慮如何根據(jù)實際的操作任務(wù)組織焊接機(jī)器人進(jìn)行有效的工作。當(dāng)確定工作機(jī)制以后，就需要結(jié)合實際工作，考慮如何保持焊接機(jī)器人運動協(xié)調(diào)的一致性問題了。

5結(jié)論

根據(jù)現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的趨勢機(jī)器人生產(chǎn)必然會越來越多的得到廣泛應(yīng)用，尤其是在對人體危害較大、安全性較低、生產(chǎn)質(zhì)量要求較高的崗位或生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，使用機(jī)械人具有一定的技術(shù)支持與可操作性。因此，在當(dāng)前的汽車生產(chǎn)中可以嘗試引入焊接機(jī)器人，并在這種崗位化、部分化的生產(chǎn)實踐中逐漸摸索、認(rèn)識機(jī)器人應(yīng)用的優(yōu)勢與不足，從而在未來的汽車行業(yè)的轉(zhuǎn)型發(fā)展為其大范圍的應(yīng)用積累一些經(jīng)驗，提高應(yīng)用水平與控制能力。

作為一種大眾商品，人們對轎車的要求不僅是美觀舒適，而且還要結(jié)實耐用。這就要求白車身既要有足夠的焊接強(qiáng)度，又要有合格的外觀質(zhì)量。點焊機(jī)器人和弧焊機(jī)器人系統(tǒng)作為一個靈活、獨立的焊接加工單元給大批量、高效率和高質(zhì)量進(jìn)行流水線的汽車制造提供了有利保障，讓高柔性化的短時彈性生產(chǎn)也成為可能。