神龙汽车有限公司 湖北省武汉市 430056
摘要：工业机器人应用领域越来越广泛，在汽车行业内，焊装领域是工业机器人的应用大户，对焊装机器人的集成技术研究具有很大的现实意义。焊装领域的机器人集成技术在基于现代的PLC技术、计算机技术、现场总线技术、传感技术的条件下发展迅速，国内已产生多家集成技术应用公司。机器人在焊装领域的发展实则为标准设备融入非标设备的过程。鉴于此，本文主要分析焊装生产线机器人布局。
关键词：焊装生产线；机器人；布局
1、机器人焊装线应用研究现状
从上世纪60年代以来，工业机器人技术在西方发达国家的众多领域中得到越来越广泛的应用，尤其在自动化焊接领域得到了广泛的应用，此外，制造业的工业机器人，如生产羊毛零件（冲压，压铸，锻造等），自动加工领域，金属热处理环节，表面喷涂，抛光，自动化，下料，自动组装 生产线，自动检测和仓库堆垛等操作。工业机器人技术的广泛应用不仅提高了自动化生产水平，而且提高了加工效率和产品的一致性。作为现代先进制造业典型的机电一体化数字设备，工业机器人已成为衡量一个国家制造水平和技术水平的重要标志。
21 世纪以来先进工业技术的发展速度不断加快，人们对焊接技术要求也不断提高，主要体现在智能焊接方面，智能机器人焊接不仅可以大大提高生产效率，而且对复杂环境下的焊接适应性比人工焊接优越，并且对焊接质量也有大幅度的提升。例如在石油、压力容器和船舶等装备制造业中，会遇到很多的罐体以及管道的焊接工作，但其所需应用的焊接技术方法与传统的焊接技术方法存在巨大的差别。在以往的焊接作业中，焊接机器人面临的大多是平面内的直线型焊接作业，对于像正交管马鞍形焊缝的这种复杂的空间曲线焊缝的高质量焊接比较困难。因此当遇到此类焊接工作时大多采用手工焊接的方式。但手工焊的缺点是生产的效率低，劳动成本大，工作时间长，经常造成焊后质量参差不齐；并且对于厚壁容器，焊前需要对工件进行预热，其中个别预热温度很高，导致焊工的工作环境极其恶劣。虽然极少数企业也已经尝试采用机器人焊接的方式，但普遍是由机器人独立完成焊接，其缺点在于机器人对工件的适应性很差，对不同的工件焊接时都要重新示教，而当焊接正交管焊缝时无法一次性完成焊接。中国在发展工业机器人这种高能新型产业的道路上已经开始加大注重以下几点：一、工业机器人技术是国家未来工业发展的趋势，国家加大了投资力度，注重人才的引进；二、在国家科学技术发展规划中，加大了对人工智能机器人大力开发与应用，准备形成产品和自动化制造装备同步发展的新面貌； 三、给予了国产机器人更多的机会，为国产化机器人完成超越创造条件。
2、机器人焊装线的组成
由机器人自动焊接线，焊接设备（电阻焊，弧焊，激光焊），涂装设备，管道设备，夹具，输送设备，APC设站等部件，操作人员一般负责上下部分，质量检验等。其布局设计比其他生产线复杂得多。一个规划柔性线路下身体布局的位置，工作人员举起上下部分，机器人搬运，点焊机器人焊接等工作界面；有上层搬运机器人，中层机体搬运和下层点焊机器人的多层结构布局，并且必须留有空间装配。
汽车焊接生产线是指白车身焊接。白车身焊接主要指车体骨架结构的焊接，包括地板焊接总成、左右前纵梁及轮罩焊接总成、左右侧围焊接总成、前围焊接总成、顶盖及前后横梁、后挡板、左右后纵梁及后轮罩焊接总成和后围焊接总成等。因点焊机器人在现代化车身焊接生产线上可以提高焊接生产的自动化程度及生产效率，保证焊接质量，故被广泛采用。
当今汽车制造业，汽车产品更新换代周期逐步缩短，小批量、多品种的生产模式正成为许多汽车生产企业的设计目标。为适应这种汽车生产工艺的要求，工业机器人被大量投入到生产线中，多台机器人被安排在同一个工位区域对板件或车身进行搬运、传递和焊接，同一工位的机器人需要相互配合工作，即多机器人协同工作，而准时、同步和协调是多机器人协同工作的基本要求。多机器人协同系统的发展历经了单机工作方式、I/O 信号通信的机器人组工作方式等。随着以太网技术的快速发展，一种基于以太网的多机器人协同系统应运而生。该系统是在传统单机工作方式的基础上，通过加装通信板卡，采用 PLC 作为系统主站，实现多台机器人的管理与控制。系统结构简单，经济实用，可操作性强，是汽车焊接生产线中典型的机器人应用系统。
3、机器人的选型要素分析
3.1、机器人选型硬件配置参数要求
（1）工作范围
在180度范围内的主要作用范围的汽车焊接生产线中，目前几乎所有的机器人都可以达到300多个自由度。因此，焊接车间焊接机器人的动作范围并不是主要考虑因素。机器人机体可以分为六个自由度，六个空间六杆开式链条机构的旋转轴，理论上可以达到运动范围内的任意点。关节本身满足以下条件。每个轴1个齿轮箱，机械手定位精度（合成）在±0.05mm〜±0.2mm之间。2六个旋转轴由380VAC伺服电机驱动，每个电机都有编码器和制动器。3.机械手配有手动松闸按钮，使用维护，非正常使用会造成设备或人员的损坏。4操纵器用平衡缸或弹簧，以平衡力的中心位置偏差。
（2）定位精度
焊接白车的精度非常高，通常在2mm以内，机器人重复定位的准确度远高于白车身。对于焊接机器人来说，定位精度一般在正负0.1mm范围内，绑定机器人和检测机器人的定位精度一般在0.07mm以内。
（3）6轴中心点负载（手腕负载）
目前，白车身结构越来越复杂，需要满足电极座的长度和曲率，由于焊枪的材料要求，车辆的柔性制造增加了电极座设计的难度。因此，国内目前的电极夹持器设计中也出现了大的电极夹持器，重量超过150kg甚至170kg，这就要求焊接机器人的负载较高，而且臂的长度也很长，最大的臂展长度 可达3.2米，同时也要求能够部分点发挥，以方便特种车辆的生产要求。在车辆设计开始时，电极支架模拟的最大电极支架重量为160kg。
（4）使用场合
主要看使用环境和使用方法，不同使用环境对机器人的要求，如普通点焊机器人使用环境要求比较低。但是，由于机器人的管道和检测需要相对狭窄的空间来防止杂质进入。
（5）外轴配置
根据工作站的需要可能会存在不同的外部轴配置，比如现在很多汽车工厂都使用过伺服焊枪，还有一个使用第七轴走行轴的本地工作站。外部接口要求外轴配置，接口配置不能定制接口，否则后期维护和使用困难。
3.2、机器人选型软件配置参数要求
做好汽车焊装车间生产线测控自动化控制系统的建设除了做好汽车焊装车间各测控自动化控制设备的硬件组网外，还需要积极做好汽车焊装车间生产线测控自动化控制系统软件部分的编制。汽车焊装车间测控自动化系统中的上位机控制层管理系统与分布式控制层各控制设备的 HMI 程序的编制，各汽车生产厂家结合企业自身在汽车焊接工艺和生产设计方面的不同会对汽车焊装车间测控自动化控制程序有着不同的需求。对于汽车焊装车间生产线测控自动化控制系统中所使用的大中型的 PLC 程序的编制，出于加强对于大中型 PLC 程序可靠性和可移植性等方面的考虑，在大中型 PLC的程序编制时都要求相关程序具有结构化、模块化编程等的特点。在大中型 PLC 的程序编制中采用结构化编程方式是出于汽车焊装车间各焊装线所具有的同一功能结构单元方面所考虑的，在汽车焊装车间生产线测控自动化控制系统中的大中型 PLC 的程序的编制时要求 PLC 程序都具有相同的树状结构，从而使得 PLC 程序具有良好的可读性和程序结构的一致性。由于各汽车生产厂家汽车焊装生产线的不同其对于汽车焊装车间生产线测控自动化控制系统中的 PLC 程序的树状结构要求也不完全一致，在汽车焊装车间生产线测控自动化控制系统中所使用的 PLC 程序的编制时需要结合各汽车生产厂家焊装生产线的实际特点进行 PLC 程序的编制，用以确保 PLC 程序具有良好的可读性和一致性。
4、焊装生产线机器人布局设计
4.1、机器人与夹具的距离
工件是装在夹具上面的，故机器人与夹具之间的距离直接关系到机器人与工件之间的距离。通常来说，机器人与夹具的距离是指机器人中心与夹具上某定位销的距离。在仿真布局的过程中，应该合理地安排两者之间的位置。如果该距离太大，焊钳在焊接离机器人较远的焊点时可能会不满足可达性，此时会出现以下两种情况：（1）焊钳根本不能以要求的姿态达到工件上离机器人较远的焊点；（2）机器人可以达到远处的焊点，但是此时机器人的轴接近极限位置，如下图1所示。
图1机器人与夹具距离太近示意
焊装柔性生产线上需要设计专用夹具，辅助定位车身零件完成相关焊接工序内容，针对“侧围总成”的特点，在 MDT（Auto Desk 三维设计工具）环境下，利用单件定位信息来设计板件定位夹具，完成由多个板件焊接而成的总成焊接。夹具综合分析评价的指标，装夹可靠性的评价依据：零件能否被准确定位，且可靠的夹紧，在焊接时夹具夹紧操作是否造成零件变形超标；夹具结构的开敞性、焊钳的可达性、夹具上各种器件的干涉性，工件装上、卸下的方便性等。在确定了夹具分析评价指标后，便可以根据这些依据来设计夹具了。
夹具设计流程：开始设计时，首先要读取工件的三维数据结构，在此基础上对该工件进行分析，主要包括表面形状，定位基准的选择，以及该工件在整个生产中所处的工序。在了解设计对象后，开始对工件的定位夹持位置进行分析，首先确定夹具的工件组成，一般情况下采用一面两孔的定位方式，通常夹具中的圆形定位销作为夹具的定位基准，优先选择平面作为主要定位基准面。基准设置后，确定定位方案和夹紧方案、设计夹具体和其他零部件。将这些定位信息录入三维数据后可以对其进行焊钳的初步选型。完成夹具初步设计后，利用商用设计软件平台，进行夹具几何仿真和操作干涉检验，据此修改夹具设计方案，直到满足使用要求为止。
4.2、机器人与修模器的距离
焊接时，电极座会磨损电极，当磨损到一定程度时与工件电极帽接触面积增大，导致电压密度降低，焊接时会出现虚焊和炸枪现象。因此，每焊接一定数量的焊点，就必须使用修磨机对电极座电极帽进行修复，以确保焊炬电机帽端部的直径和平直度。
机器人电极支架常用的固定磨床，电极支架需要修理，机器人将电极支架移至修磨位置，将焊炬电极帽送至修复磨孔，开始磨削程序以自动修复磨机。在仿真布局过程中，研磨机的位置应符合以下要点：首先，机器人必须能够到达研磨机的位置，并且机器人极限位置的6轴距离必须大足够；最后，在满足上述条件的前提下，研磨机的位置应尽可能靠近机器人的起始点。归位点附近的位置最好能使机器人容易到达，并且机器人的姿势不需要改变太多。否则，姿态变化过大和过于频繁会在一定程度上影响机器人的拍子。
4.3、机器人与换枪架的距离
电阻点焊汽车车身装焊包括车架、地板、侧围、车门及车身总成合焊等的装配焊接，在装焊生产过程中大量采用了电阻点焊工艺。在轿车车身制造过程中，焊接接头质量的好坏，不仅直接决定了车身焊接装配过程的制造偏差，同时也决定了轿车使用的可靠性和安全性。为了适应现代汽车产品多样化生产的需要，提高车身焊装生产线的自动化程度，减轻操作者的劳动强度，提高工作效率，保证焊接质量，在现代化的车身焊接生产线上，采用点焊机器人代替笨重的悬挂式点焊机。点焊机器人主要用于车身焊装的补焊工位、车身总成焊接工位。而且由于点焊机器人的采用，实现了车身装焊的柔性化生产方式，多品种、少批量混线生产。开关框架和机器人之间的距离应在适当的范围内。一方面为了确保机器人能够顺利到达更换框架的位置，在满足机器人可达性的前提下，可以快速换枪，机器人的姿态不能变化太大。另一方面，更换框架的位置不会影响正常的点焊工作，即在点焊过程中不会干涉机器人。
4.4、机器人底座的高度
有时候，简单地改变机器人和夹具之间的距离不能满足可达性的要求。这时可以考虑通过增加机器人底座的高度来实现。机器人底座的高度应该合适。基座太低，机器人在焊接距离高于焊接点时，机器人很容易干扰其他设备，有时可达到机器人的极限位置；当车辆焊接时，底座高度过低，机器人不能进枪，底座高度过高，机器人进入枪体，上维修平台干扰。
4.5、机器人与围栏距离
为了安全需要，机器人生产线四周一般需要建立围栏，以独立岛作为生产单元，所有进出机器人岛只能通过安全门，在预留上下件口区域，会增加一些安全光栅或雷达来保护人员安全。所以，对于生产线机器人布局，也需要考虑围栏安装高度和位置，保证机器人在工作过程中不与围栏发生碰撞。另外，机器人的控制柜与围栏之间也需要保持一定距离，至少为300mm，为维修预留空间。所以在前期生产线机器人动态模拟过程中，防护围栏也需要提前设计出来，导入模拟软件中进行模拟核实。
总之，在焊装车身线生产线规划过程中，根据车型规划产能和节拍，以及功能和负载要求，选定了机器人数量和型号，剩下来的工作就是机器人布局规划。在生产线机器人布局规划工作中，需要遵循以下原则：第一，既要保证机器人顺利达到工作设备，又要保证机器人工作过程中不与周围设备干涉，所以机器人与周围设备设备在轨迹模拟时，要预留至少25mm安全空间。第二，机器人本体6轴运动轨迹不能到极限置位，至少预留10%以下的余量。第三，在满足机器人正常工作条件下，所有设备都尽量布局集中一些，可以减少机器人运动时间，提高设备节拍，也可以提高焊装车间面积利用率。
参考文献：
[1]付涛.轿车白车身焊装生产线的工艺规划与布局设计[D].东南大学，2017.
[2]胡国雨，段国强.关于焊装生产线机器人布局的研究[J].福建质量管理，2016（02）：157.
[3]郑宏良，覃鑫.车身焊装生产线机器人布局设计[J].科技创新导报，2014，11（31）：8-9.
论文作者:陈立峰,杨晖,王航,胡有建,宋扬
论文发表刊物:《基层建设》2018年第15期
论文发表时间:2018/7/26
标签：机器人论文; 夹具论文; 生产线论文; 电极论文; 车身论文; 工件论文; 点焊论文; 《基层建设》2018年第15期论文;