机器人在汽车净化器壳体柔性化焊接中的应用

文章对焊接机器人的特点和功能进行了阐述，以汽车净化器壳体焊接为实例，介绍了控制系统的构成及其运行情况。

由于自身所具备的众多优点，焊接机器人正在众多领域得到日益广泛的应用。以一种主流焊接机器人为例，介绍其特点和主要功能，然后详细介绍了其在汽车净化器焊接中的应用，包括焊接机器人系统的组成及动作设计等。生产实践表明：该焊接机器人能够满足柔性自动化焊接的要求，可使产品质量和生产率快速提高，增强产品的市场竞争力。

机器人 汽车 柔性化 焊接

1 焊接机器人的特点和功能

现在广泛应用的焊接机器人都属于第一代工业机器人，它的基本原理是示都再现〔3、4〕。由于机器人的示都再现功能表现为焊接机器人完成一项焊接任务，只需一次示教，即可精确地再现示教的动作，如要机器人去做另一项工作，无需改变任何硬件，只需再做一次示教即可，因此，在一条焊接机器人生产线上，可自动生产若干种焊件，焊接机器人对生产条件的适应性很强。焊接机器人是一种可编程的柔性自动化设备，灵活性很强，尤为显著的是能在狭窄的空间作业的具有6个自由度的机器人，在汽车制造行业倍受瞩目。图1所示为某主流品牌焊接机器人，其主要特点如下：

（1）动作高速、平滑 与其他同类型机器人相比，最高速度高，加速度大，因此缩短了空走时间和循环时间，提高了生产率。

（2）动作范围广 由于采用了独立关节构造，动作范围大，最大伸展距离为1360mm，水平行程范围为1017mm，同时由于彩了偏置手腕构造，更容易接近焊接工件，焊枪的旋转角度增大，因此扩大了焊接工件时的动作范围。

（3）体积小、节省空间 在设计上采用了不需选择设置场所的紧凑化设计，在旋转轴上采用中空减速机，减小了设置空间。

（4）控制性能优异、操作性强 控制器主CPU与演算CPU的独立化，保证了更平滑的高速运动，确保了轨迹的高精度；而且内存使用FLASH在存储器，大大提高了存储容量。

2 汽车净化器壳体焊接实例

目前该型机器人在工业焊接，尤其是在汽车制造业中得到了越来越广泛的应用。汽车净化器外壳采用Q235低碳钢板，经剪切、成型夹紧、定位、焊接、热浸渗镀铝等工艺制成。低碳钢板渗铝工艺可取代不锈钢，并可长期在900℃高温以下使用而不损坏，原材料成本低。净化器壳体由冲压件经点焊和弧焊完成，其上、下壳体接口由直线焊缝及两端法兰环焊缝组成。本工作站采用了2个焊接工位的机器人焊接系统，首先将净化器摆放在工装上，通过工作台的浮动支撑、辅助支撑及夹具进行定位及夹紧，由焊接机器人、定位器以及与之匹配的周边设施相互准确地配合完成整个净化器工序所含各焊接部位的焊接。生产中也可根据设备利用率采用人工点焊后再由机器人自动完成缝焊的焊接工艺。

2.1 焊接机器人工作站的组成及动作设计

该焊接机器人系统主要由机架（底座、支撑座）、工作台浮动支撑、辅助支撑及夹具（2台变位器、2个工位）、机器人及其控制系统、气动系统、防护栏、遮光板、光幕、焊接电源、焊枪、电气系统及其它辅助装置组成。

2.1.1 机器人的控制系统

由于可编程控制器（PLC）是专为工厂环境下应用而设计的一种工业控制计算机，具有抗干扰能力强、可靠性极高、体积小、是实现机电一体化的理想控制装置等优点，所以本工作站采用其作为主控制装置，负责整个系统的集中调度，通过总线和 I/O接口获取各个执行元件的状态信息，将焊接任务划分为各个子任务，分发并协调各个工位的工作。

该控制系统主要由主控制箱、主操作盘、副操作盘等部分组成，其核心是日本三菱可编程控制器〔3〕。主控制箱是控制的中心，主要完成对机器人、操作盘的协调控制；副操作盘装有触摸屏，能完成所有操作及提供各种指示，有电源“入、切”、“手动、自动”转换开关、“运转准备”、“异常解除”、“警报停止”、“非常停止”等按钮，以及各种报警指示灯；主操作盘完成工作的启动、停止控制。

2.1.2 底座

用于安装焊接机器人、翻转变位器、辅助支撑、工作台等部件。其中水平翻转变位器拖动2套夹具配合焊接机器人使工件焊缝处于最佳的焊接位置。

2.1.3 气动系统

气动系统由各气动阀、汽缸等组成，实现工件的托起、定位加紧等动作。

2.2 焊接系统的运行控制

系统初始化，并检测各个执行元件的状态，由于焊接工件种类不同，需要设置不同的焊接工艺参数。控制焊枪动作的焊接控制器中可存储多种焊接工艺参数，每组焊接参数对应1组焊接工艺。机器人向PLC发出焊接预约信号，PLC通过焊接控制器向焊枪输出需要的焊接工艺参数。

该系统技术是，工作安全可靠，2个焊接工位独立存在、交互运转。当工位1完成Ⅰ型净化器焊接后，焊接机器人按程序预约自动转到左面工位2进行Ⅱ型净化器的焊接，同时操作人员可在工位1进行工件的装卸，缩短了焊接生产的辅助时间，提高了生产率。工件在夹具中定位准确可靠，重复定位精度高，焊接质量好。每一工位的焊接夹具均采用变位器拖动，使其在焊接过程中可以改变工件的焊接姿态，配合机器人的动作，保质保量地完成净化器的焊接。该系统的动作过程如下：

启动→点焊→纵焊缝施焊（同时工位2夹工件，启动）→上面焊接结束，变位器翻转变位→下面纵焊缝施焊→下面焊接结束；进行环焊缝焊接→焊接结束，装卸工件，同时预约转入工位2的焊接（焊接顺序与工位1相同），点焊和环焊这2个动作均是在工位1上完成的。

按工位1启动开关→机器人开始运行工位1→按工位2开关，工位1动作结束后，工位2程序自动运行→取下工件1，放上新工件→按工位2开关→工位2程序结束后，工位1程序自动运行，图2充分说明了两工位之间的动作关系。

根据动作顺序进行空载运转，在各个动作准确无误后装夹工件示教，通过机器人的示教器确定各工位的焊接工艺参数，最后进行试焊接。

3 结论

目前，汽车制造业中的焊接方法以点焊、弧焊为主。在恶劣的焊接条件下，作为集机械、电子、计算机、控制、传感器等多门学科理论与技术于一体的焊接机器人，其工作状态稳定，能确保焊接质量。本文所介绍的工作站在汽车配件生产厂家的成功运用充分证明了该工作站的通用性和灵活性。只要稍加调整工装和控制程序就能适应不同工件焊接的需要，而且机器人自动焊接净化器尺寸的一致性，夹具定位的准确性，密封性起着至关重要的作用。