摘要：为了实现汽车白车身生产的自动化、智能化，实现白车身的自动焊接极为关键。基于此，本文结合焊点的实际分布特征以及焊接工艺要求，并依照模块化设计的思想，设计了一种汽车白车身自动焊接机构，实现竖直平面的曲线焊点焊接。通过仿真分析，证实了该机构的科学性与可靠性。
关键词：汽车；自动焊接机构；模块化设计
引言
在汽车白车身的焊接过程中，最为常用的一种方式就是点焊。通常情况下，汽车车身焊点数量为四千到五千个。若是使用人工焊接的方式完成汽车车身焊点的焊接，则明显增加了相关人员的工作量，降低了焊接与汽车制造的效率。因此，设计一种汽车白车身自动焊接机构极为重要，也有着较高的现实价值。
一、汽车白车身自动焊接机构的总体设计分析
（一）机构的设计思想
在进行汽车白车身自动焊接机构的设计中，要确定焊点的实际分布特征以及焊接工艺要求，以此为基础完成设计[1]。在本次设计中，选定汽车白车身的焊接点分布特征如下：前门包含22个焊点、中门包含19个焊点，各个焊点并不完全位于同一平面中。总体上来说，汽车白车身的焊点分布较为规律，且具有密集性。各个焊点之间的间距也较为均匀，在实际的焊接工作中，不需要展开波动过大的位姿调整，运动具有一定的平稳性。
在本次设计中，拟定自动焊接机构需满足如下要求：焊点质量符合要求标准，且满足生产节奏；焊接中避免与工装夹具、工件等形成影响，需要与工件在Y方向上保持特定的距离。
针对上述要求，在本次设计中，笔者使用了三个运动自由度组成自动焊接机构，在汽车白车的前门与中门处各配置一台自动焊接机构。要在Y方向上为机构设置一个平动自由度，防止在工件运输阶段与焊接机构产生影响，并能够使焊钳运动到Y方向的预定焊点位置。由于前门与中门处均具有弧线焊点轨迹，因此需在竖直面上设置一个转动自由度，实现自动焊接机构运行轨迹的优化。同时，由于在Z方向上，前门处具有一条相对较长的焊点曲线，所以需要设置一个Z像的平动自由度，结合竖直面的转动完成竖直平面内曲线的自动焊接。
（二）机构的设计流程
在进行汽车白车身自动焊接机构的设计中，主要流程如下：技术要求研究-自动焊接机构自由度的确定-自动焊接机构的机械结构设计-控制系统设计-焊接机构的仿真分析。其中，在自动焊接机构的机械结构设计中，需要完成直线运动模块的设计、旋转运动模块的设计以及其他模块的设计。
二、汽车白车身自动焊接机构的具体设计分析
（一）直线运动模块设计
对于自动焊接机构的直线运动模块来说，其驱动主要由伺服电机提供，传动件为齿轮齿条，同时，导向件为直线导轨（图1）。在实际的自动焊接过程中，伺服电机在减速机的支持下实现减速增矩，并为连接的齿轮提供驱动力，使其发生转动；对于齿轮来说，其与导轨一同固定于Y工作台上，且固定伺服电机与减速机的Y板在两侧各连连接一个滑动模块；在齿轮齿条转动的支持下，推动旋转运动向直线运动发生转变，并由直线导轨提供导向，最终完成了Y板在Y方向上做直线运动。
图1 Y轴直线运动模块结构图
通过这样的设计方式，提升了直线运动模块的定位精度以及相应速度，同时也保证了运行的平稳程度。为了更好的避免由于操作不当而导致的安全问题，笔者加设了一组机械限位开关，并在自动焊接机构的周围安装了风琴式防护罩与防护板。另外，在本次设计中，因为使用了模块化的设计方式，因此模块运动中尺寸参数的调整可以结合实际形成需求完成，促使了设计周期的降低。
（二）旋转运动模块及其他模块设计
对于自动焊接机构中的旋转运动模块来说，其功能的实现主要由回转支承完成。在回转支承中，包含着能够相对转动的内圈与外圈，其中，外圈包含安装孔与齿形。在设计中，固定回转支承的内圈，并在其中设置（固定）伺服电机与减速机，使得回转支承外圈与电机驱动齿轮向啮合，确保外圈能够实现旋转运动。
在筋板、绝缘板的支持下，焊钳能够与回转支承外圈相连接。在本次设计中，笔者主要使用了X型焊钳作为本机构的工作焊钳。在X型焊钳中，包含着两个动电极，在移动的过程中呈现出张开的状态，避免工件发生划痕。对于基座来说，其主要由多根本标准方形钢焊接而成，因此总重量低、强度更高。为了能够保证自动焊接机构在调试的过程中可以自由调整高度，笔者在基座底部设置了四组调整螺母。
（三）控制系统设计
自动焊接机构的控制系统必须要实现以下功能：第一，控制自动焊接装置实现精确定位；第二，为相关工作人员提供良好的人机界面；第三，当发生意外断电、故障等突发事件时，能够实现断点恢复[2]。在本次设计中，主要使用了伺服驱动器、CNC控制器、伺服电机等构成控制系统，系统整体方案如下图。为了提升控制系统的精度、保证响应性能实现，笔者主要使用了交流伺服驱动机。由于在CNC控制器中，设置了PLC结构，因此可以与多种类型的伺服驱动单元配套使用。
图2 控制系统整体方案
在本控制系统中，编程操作主要使用了G代码，结合插补算法，能够使得自动焊接机构完成轨迹插补，更便捷、迅速、准确的实现轨迹控制与点位控制。在操作界面中，主要使用了国际通用的形式，方便相关人员查看。同时，笔者利用编程在本机构中加入了加工过程图形动态跟踪、三维仿真校验等功能，提升了操作的简单性以及图像显示的直观性。
另外，在该控制系统中，包含着断点保护与恢复功能，在发生突发事件而造成工作停止随后恢复正常时，能够使得自动焊接装置继续从断点位置展开运行。
三、汽车白车身自动焊接机构的仿真分析
为了保证本次机构设计的科学性，笔者进行了运动学仿真分析以及机构关键部位的受力分析。其中，在运动学仿真分析中，主要使用了UG/Motion Stimulation完成，并设定每次焊接时间为1秒、焊钳在焊点之间的运动时间为1秒。分析得出，该自动焊接机构完成全部焊点焊接的时间为45秒，在各个方向上的位移线路均有所优化。在关键部位的受力分析中，由于自动焊接机构中的焊钳连接筋板、Y筋板以及电机连接板的受力较大，所以笔者对其展开了重点分析，主要使用了ANSYS Workbench完成。结果显示，这些位置的设计均符合实际的安全要求。
总结
综上所述，设计一种汽车白车身自动焊接机构极为重要，且有着较高的现实价值。结合汽车白车身焊点的实际分布特征以及焊接工艺要求，能够完成自动焊接机构的模块化设计，并在其控制系统中添加断点保护与恢复功能，实现机构功能性的提升。仿真分析结果显示，该汽车白车身自动焊接机构实现了自动焊接路径的优化，且关键部位的结构可靠性较高。
参考文献
[1]胡远忠,刘勇.汽车白车身自动焊接机构设计研究[J].机械制造,2014, 52(05):84-86.
[2]张峰.自动焊接系统在汽车车身焊接生产中的应用[J].科技创新导报,2013(06):94-96.
论文作者:严剑
论文发表刊物:《基层建设》2019年第17期
论文发表时间:2019/9/16
标签：机构论文; 车身论文; 汽车论文; 焊点论文; 焊钳论文; 模块论文; 控制系统论文; 《基层建设》2019年第17期论文;