汽车焊装中工业机器人的应用

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摘要：基于我国工业机器人技术的不断发展，工业机器人在汽车焊装领域的应用越来越普及。通过运用工业机器人不仅有效提高了汽车焊装工艺效率，而且还提高了焊装生产质量，降低了故障率。工业机器人对汽车焊装的自动化控制主要是通过PLC实现，因此本文以工业机器人在企业焊装领域中应用的优势作为切入点，设计汽车焊装工业机器人，分析工业机器人在汽车焊装领域的具体应用。

关键词：工业机器人；汽车焊装；PLC；应用

引言

汽车焊装是汽车制造的关键环节，做好焊装工艺质量控制对汽车的整车质量起着决定性作用。随着智能制造技术的不断发展，工业机器人在现代制造行业中的应用越来越广泛。传统的人工焊装的操作模式不仅存在故障率高、工作效率低下的问题，而且还制约我国汽车制造整体发展质量。基于工业机器人技术的汽车焊装工艺成为现代汽车制造的重要组成部分，所以加强工业机器人在汽车焊接领域中的应用研究具有重要的现实意义。

1工业机器人在汽车焊装领域应用的优势

工业机器人主要是用于制造生产的机器人系统，其主要包括机械部分、传感部分以及控制部分。汽车焊装是汽车制造的关键工艺，实践证明加强焊装工艺质量对提高整车质量至关重要。因此基于工业机器人技术的发展，工业机器人在汽车焊装领域具有巨大的应用优势：首先工业机器人的应用有助于降低工作强度，降低焊装故障率。传统的焊装工艺采取的是人工操作模式，需要工作人员按照汽车结构进行装配与焊接。根据统计依赖于人工焊装的模式，会增加汽车生产的周期。例如在汽车搭接前后底板的焊装操作中，采取人工焊接的方式，需要消耗两个工人资源，而且在有限的空间内容易限制焊接工的操作，影响焊接质量，容易造成虚焊、漏焊等故障。而工业机器人的应用则可以有效解决上述问题，通过利用工业机器人则可以准确的对焊接点进行定位，精准的对拼接位置进行焊接，规避了因空间狭小而造成的焊接质量不合格的问题；其次工业机器人的应用有助于提高焊接水平。工业机器人在汽车焊装应用最大的亮点就是提高了汽车焊装的水平，优化了汽车焊装工艺。例如传统的人工焊装模式，由于在焊装中受空间、专业技术等因素的限制，导致其焊接精准度无法精准控制，结果因焊点焊接顺序不同造成汽车的偏差大小不同。而工业机器人的应用则可以对焊接点进行合理分配，按照工件焊接稳定为先，兼顾工位位置和生产节拍的原则，有效的保证了点位工位焊接工件的精度和刚度；最次工业机器人的应用实现了汽车焊装的自动化，实现了对焊装的全程可视化操作。利用工业机器人技术能够对焊装工艺进行自动化控制，通过机器人可视化系统实现对汽车整个生产流程的监控，这样可以及时分析焊装缺陷等，并且第一时间采取相应的解决措施。

2焊装工业机器人的设计

工业机器人是实现汽车焊装自动化生产的关键技术，焊接生产线主要包括在工位、右工位、执行机构以及焊接机器人控制系统等。其具体设计方案如下：

2.1工业机器人整体需求

在汽车焊接制造中需要两台工业机器人之间相互配合，这样可以在有效的空间内完成对汽车车身的自动焊接工作。以某汽车制造企业为例，该企业车身焊装工艺采取两台工业机器人、四个焊接工作台：第一个焊接台是完成防撞杆的焊装工艺、第二个焊接台是对车身加强版的焊接工作、第三个则是对防撞杆和焊接铰链部位进行加强版焊接、第四个平台的主要作用就是对窗框进行焊接。基于车身焊装整体设计的要求，工业机器人控制系统需要具有以下功能：一是安全性。工业机器人在车身焊装工艺中必须要具有足够的安全性，保障各项操作系统在可控的前提下进行操作；二是稳定性。工业机器人在焊装操作中必须要保证各项控制系统的稳定性，做好各个环节的衔接工作，防止因系统不稳定而造成工业机器人出现轨迹偏离而造成虚焊或者漏焊等问题；三是灵活性。由于本次设置两台工业机器人同步操作，因此需要设置灵活的操作系统，保证工业机器人相互配合。

2.2焊接工业机器人硬件设计

焊接工业机器人在工作中必须要借助夹具等工具进行操作：

2.2.1焊装工装夹具设计基于汽车焊装工艺的规范化、自动化以及集成化要求，焊装夹具必须要满足以下功能：一是夹具要能更准确定位装配和具有一定的夹紧力。这样可以在焊机作业中能保证车身在点焊移动时保持精准的定位，防止出现移位。二是要充分考虑工装零件的时间和成本。三是结构简单，满足一定的时间寿命。在具体的设计上：①工装夹具材料的选择。按照相关行业标准，焊装夹具要根据不同的功能选择相应的材料，例如定位块，由于其需要对车身进行定位，因此需要选择高强度的材料，一般为42CrMo，因此此种材料具有韧性好、强度高以及无明显回火脆性的特点，尤其是经过调质处理后其具有较高的疲劳极限。在调整垫片上选择SPCC材料，在限位挡板上则要采取15rMn材料。②零件选型。驱动气缸是工装夹具的重要零部件，在整个工业机器人设计中发挥巨大作用，因此在具体的零部件选择上需要本着经济、质量等原则，充分考虑其工作状态性能后选择德国TUENKERS驱动气缸。

2.2.2传感器设计在汽车焊装工艺中，工业机器人夹具动作的完成需要通过气压回路的气缸实现。一般工业机器人的每个气缸中都会装有电磁阀，这可以实现对气缸的自动化控制。本文设计的焊装工业机器人采取三位五通的电磁阀型号。为了便于对工业机器人控制，在焊接平台中安装相对应的气缸，每个气缸中安装传感器。由于本文选择的是S7-200型号的PLC，因此在通讯系统设计上，夹具体识别信号和机器人的通讯接I/O输出输入点控制在200以内并且设置两个型号为EM223和EM221的I/O扩张模块。

2.2.3伺服驱动系统伺服驱动系统是工业机器人的核心，其主要完成对工业机器人的控制。本文设计的工业机器人伺服驱动系统主要采取的电动驱动系统，此种驱动系统不需要能量转化，操作灵活，在工业机器人中的应用较为广泛。伺服驱动系统采取闭环控制系统（见图1）所示，采用位置环、速度环、电流环控制，这样能够有效提升PLC的控制精度，尤其是设计模糊PID控制，可以对电机的速度进行有效控制，达到控制工业机器人关节的目的，保证工业机器人在关节运动的时候可以更加精准的操作。2.3软件设计

2.3.1系统软件的模块化设计其主要包括程序：①指令模块。机器人应用程序由机器人为进行作业而由用户记述的指令以及其它附带信息构成。②程序解释模块。程序是控制机器人运动的核心，工业机器人设计需要设置解释模块。③状态监控模块。状态监控将机器人控制装置的输入/输出信号、报警、暂存器等的值作为条件，由控制装置本身来对这些条件进行监视，在条件成立时，执行所指定的程序。具体见图2所示。

2.3.2离线编程系统离线编程系统是控制工业机器人的重要系统，其可以实现对工业机器人的远程控制。利用编程离线控制系统可以通过控制器完成对工业机器人运动轨迹的控制，并且及时根据工业机器人运动状态发出停止或者开始指令。离线编程系统主要从仿真、轨迹规划、自动编程模块以及状态检测等方面入手。

3工业机器人在汽车焊装领域的具体应用

工业机器人在汽车焊装领域具有重要的应用价值。焊接变形是影响汽车焊接质量的重要因素，工业机器人技术则可以实现对焊接点位的精准控制。结合调查工业机器人在汽车焊装领域中的应用比较广泛。因此本文主要是从车身主拼工位点焊工艺进行分析。

3.1电阻焊原理

汽车车身常用的焊接方法主要包括：点焊、电弧焊、MIG焊等。由于现代汽车的车身使用大量的高强度薄体镀锌、合金等钢板，因此在焊接工艺上需要选择双面点焊的工艺方式。电阻焊的原理就是利用在通电过程中电阻产生的热量融化金属母材，以此达到焊接的工艺过程。由于焊点质量受诸多因素的影响，例如焊接电流、焊接压力、焊接时间等等都会影响到点焊质量。因此需要合理确定点焊工艺的参数。

3.2工业机器人焊装的操作流程

工业机器人在焊接中的操作主要是采取气动自动焊枪，根据汽车结构特点，自动焊枪的外形是以X型为主，在处理特殊位置的焊接时采取异形焊枪。焊枪电流采取无极均匀调节，这样可以满足在任何条件下可靠焊接并且达到火花飞溅最小的目的。为了降低焊接变形程度，在焊接时需要采取大电流和短时间焊接的方案。例如在使用C型焊枪时，工业机器人首先按照预定的程度进入焊接工位（焊装工业机器人上下电极帽距离工位的位置要大于3mm），这样可以为车身焊接中出现的变形等预留空间。当自动输出装置将车身传出到焊装预定平台后，焊装工业机器人启动焊接伺服系统，并且通过机械装置将驱动工业机器人动臂使电极挤压工件至焊接电流通过，同时机器人补偿静臂运动距离使静电极帽挤压工件，焊接回路接通。在车身钢板受力发生变形后，工业机器人焊接电流就会瞬间增加将板材发热熔化。当然在焊接的过程中PLC通过焊接压力以及焊接脉冲时间的控制达到焊点大小控制的效果。根据调查工业机器人焊接时间要持续在0.35-0.8s之间，这样可以有效防止焊接中出现飞溅现象。工业机器人完成上述操作后，控制器就会迅速降低焊接电流，将焊接压力维持在固定的点位，直到焊核冷却发生固结。在车身焊接完成后，工业机器人动臂和静臂同步复位，电极杆释放工件，工业机器人复位进入下一个焊接点位。通过试验检验，基于焊装的工业机器人不仅能够快速的完成焊装工作，而且其在整个焊接作业中没有与设备、夹具等发生碰撞，高效率的完成了汽车焊接作业。

参考文献：

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作者：南博 单位：三门峡职业技术学院