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機器人車身焊接工藝

作者:小編 時間:2021/11/12 10:22:00

    隨著汽車制造業(yè)對焊接精度和速度等指標提出的要求越來越高,以及用戶個性化需求的日益加強,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器人和弧焊機器人系統(tǒng)在車身焊接中的應(yīng)用。

    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器人系統(tǒng)和弧焊機器人系統(tǒng)在車身焊接中的應(yīng)用。

【點焊機器人系統(tǒng)】

    車身點焊的質(zhì)量直接影響著汽車車身強度和使用安全性。點焊設(shè)備因易于機械化、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)用廣泛。現(xiàn)在,點焊焊接過程完全自動化已成為趨勢,機器人點焊系統(tǒng)已得到廣泛應(yīng)用,正逐步取代手工點焊。

1.氣動點焊機器人系統(tǒng)

    氣動點焊機器人系統(tǒng)包括機器人本體、機器人控制器、點焊控制器、自動電極修磨機、氣動點焊鉗和水氣供應(yīng)的水氣控制單元等,如圖1所示。

 

圖1氣動點焊機器人系統(tǒng)

    氣動焊鉗作為點焊機器人的執(zhí)行機構(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,提高機器人有效負載。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,為降低維護改造成本,焊鉗組件有模塊化的趨勢。點焊機器人動作穩(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。

    2009年,上汽乘用車公司南京基地新建10萬輛榮威350系列轎車AP11焊接生產(chǎn)線。該線從日本FANUC公司引進49臺六軸氣動點焊機器人,應(yīng)用在工藝要求較高的車身下車體總成焊接工位、側(cè)圍總成及車身本體的裝配焊接上。

    在成功新建AP11主線后,上汽乘用車公司南京基地于2011年在AP11基礎(chǔ)上建設(shè)MG5車型生產(chǎn)線時,再次引進引進日本FANUC公司的10臺點焊機器人,用于6萬輛生產(chǎn)能力的AP12主線上,應(yīng)用在工藝質(zhì)量要求較高的車身下車體總成焊接工位、側(cè)圍部件、側(cè)圍總成及車身本體的裝配焊接上。

    與原AP11主線不同的是,建設(shè)投產(chǎn)的AP12主焊線與AP11線實現(xiàn)設(shè)備全部共用,充分滿足了柔性混線生產(chǎn)的需求,實現(xiàn)了短時切換或無需切換的全柔性生產(chǎn)模式。為節(jié)省建設(shè)成本及場地,我們將生產(chǎn)線多數(shù)工位上的一臺機器人改造為可帶兩把以上焊鉗或抓手工具,通過采用自動工具交換裝置可快速進行焊鉗間的切換。

2.伺服點焊機器人系統(tǒng)

    為實現(xiàn)更高的焊接質(zhì)量并滿足性能要求,AP12線還引進采用了新型中頻點焊伺服焊槍控制技術(shù)。此系統(tǒng)可滿足高強/超高強度鋼板和多層板材的焊接,以適應(yīng)汽車輕量化與車身防撞安全不斷提高的要求。

    伺服點焊機器人系統(tǒng)包括機器人本體、機器人控制器、中頻點焊控制器、自動電極修磨機和伺服點焊鉗等。伺服焊槍的優(yōu)點是傳統(tǒng)氣動焊機無法比擬的,其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,控制伺服電動機按照既定速度、位移進給,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,電動機轉(zhuǎn)矩決定電極壓力。

    伺服焊槍具有增強診斷及監(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。

    相對氣動焊槍,伺服焊槍的漸進和預(yù)壓過程是影響焊接效率的兩個關(guān)鍵階段??删幊屉姌O行程和速度可以縮短同一工位上多個焊點的漸進時間,也可以提高焊接生產(chǎn)率。以預(yù)壓為例進行分析,圖2所示為氣動焊槍和伺服焊槍在焊接過程中電極力的變化,假定達到設(shè)定預(yù)壓力,電極力將保持恒定。如表所示,伺服焊槍焊接的一個焊點可節(jié)省0.44s,以一臺轎車約3500~5000個焊點為例,將節(jié)省26~37min的焊接時間,生產(chǎn)率得到極大提高,車身焊裝線的生產(chǎn)能力大大提升。

圖2氣動焊槍和伺服焊槍在焊接過程中電極力的變化

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氣動焊機和伺服焊槍的預(yù)壓時間對比

 

弧焊機器人系統(tǒng)

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    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器人替代手工方式的趨勢。

圖3弧焊機器人系統(tǒng)

對車身弧焊機器人工作站的設(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,以及機器人及焊槍的選型及電控設(shè)計。具體內(nèi)容包括:

    機器人系統(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、機器人操作位置等進行反復(fù)修改,確定方案再進行可行性論證及設(shè)計修正。

    確定機器人的高度及與前后左右距離,確保所有弧焊點機器人焊槍可達。進行優(yōu)化設(shè)計可靠的方法是通過機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到合理。

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

    上汽乘用車公司南京基地榮威350/MG5車型生產(chǎn)線采用了4臺日本FANUC公司的弧焊機器人及奧地利Fronius公司先進的CMT焊機系統(tǒng)(具備“冷”金屬過渡焊接技術(shù))。CMT焊接技術(shù)系統(tǒng)的特點是:作為完全的“冷”技術(shù),近乎無電流狀態(tài)下的熔滴過渡,低熱輸入量;能夠進行薄板/超薄板焊接;確保無飛濺過渡,減少了焊后清理工作;引弧可靠,良好的搭橋能力使得焊接過程操作容易;焊接過程送絲穩(wěn)定,焊接工藝專家數(shù)據(jù)庫化,簡化縮短工藝調(diào)試過程等。


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