鴻栢科技談機器人焊接技術在汽車行業的應用

隨著汽車制造業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，提高車身車間生產能力的柔性和彈性，工業機器人在車身焊接中得到了廣泛應用。本文結合實例介紹了點焊機器人和弧焊機器人系統在車身焊接中的應用。

轎車車身的結構和工藝在很大程度上決定了乘車的安全系數。車身本體是由十幾個大總成和數百個薄板沖壓件，經點焊、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雜薄板結構件。由于白車身所涉及的零件多、工藝復雜且設備類型繁多，因此車身規劃對焊接工藝、裝焊夾具、質量控制以及維護保養等都有較高的要求。本文結合實例重點介紹了點焊機器人系統和弧焊機器人系統在車身焊接中的應用。

 【點焊機器人系統】

車身點焊的質量直接影響著汽車車身強度和使用安全性。點焊設備因易于機械化、成本較低廉、技術成熟且配套設施完善，在汽車車身的生產中應用得最為廣泛。現在，點焊焊接過程完全自動化已成為趨勢，機器人點焊系統已得到廣泛應用，正逐步取代手工點焊。

1．氣動點焊機器人系統

氣動點焊機器人系統包括機器人本體、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的水氣控制單元等，如圖1所示。

圖1氣動點焊機器人系統

氣動焊鉗作為點焊機器人的執行機構，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：把50Hz工頻交流變為600～1000Hz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。點焊機器人動作穩定可靠，重復精度高，可代替人的繁重體力勞動，并且提高了焊接質量，提高了生產線柔性。

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焊接生產線。該線從日本FANUC公司引進49臺六軸氣動點焊機器人，應用在工藝要求較高的車身下車體總成焊接工位、側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基礎上建設MG5車型生產線時，再次引進引進日本FANUC公司的10臺點焊機器人，用于6萬輛生產能力的AP12主線上，應用在工藝質量要求較高的車身下車體總成焊接工位、側圍部件、側圍總成及車身本體的裝配焊接上。

與原AP11主線不同的是，建設投產的AP12主焊線與AP11線實現設備全部共用，充分滿足了柔性混線生產的需求，實現了短時切換或無需切換的全柔性生產模式。為節省建設成本及場地，我們將生產線多數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

為實現更高的焊接質量并滿足性能要求，AP12線還引進采用了新型中頻點焊伺服焊槍控制技術。此系統可滿足高強/超高強度鋼板和多層板材的焊接，以適應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。伺服焊槍的優點是傳統氣動焊機無法比擬的，其最大的特點是以伺服裝置代替氣動裝置，按照預先編制的程序，由伺服控制器發出指令，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，脈沖數目與頻率決定電極位移與速度，電動機轉矩決定電極壓力。

伺服焊槍具有增強診斷及監控、簡化焊鉗設計、提高柔性、降低維修率、提高運行時間及減少生產成本（耗氣/備件/省電）等特點，將是未來汽車裝配生產線上應用的主要設備。其中頻點焊的質量和效率均遠高于工頻焊接，主要表現在以下幾方面：

（1）減少生產節拍機器人與焊鉗同步協調運動，大大提高了生產節拍，使焊點間及障礙物的跳轉路徑最小化；可隨意縮短電極開口減小關閉焊鉗時間；焊接開始信號發出后可更快、更好地控制加壓；更快地更改焊接壓力，其壓力調節速度可達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量；焊接完成信號發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）提高焊接質量軟接觸可實現極少的產品沖擊，還可以減小噪聲；高精確度的可重復性加壓；焊接中精確恒壓控制；焊接過程中壓力可實現調整；更穩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壓過程是影響焊接效率的兩個關鍵階段。可編程電極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率。以預壓為例進行分析，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，假定達到設定預壓力，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省0.44s，以一臺轎車約3500～5000個焊點為例，將節省26～37min的焊接時間，生產率得到極大提高，車身焊裝線的生產能力大大提升。

圖2氣動焊槍和伺服焊槍在焊接過程中電極力的變化

氣動焊機和伺服焊槍的預壓時間對比

 弧焊機器人系統

汽車車身結構的特點決定了車身制造離不開弧焊技術。傳統手工弧焊焊接時的火花及煙霧對人體造成危害較大，工作環境惡劣，且對工人技能要求更高，焊縫質量一致性差，波動也較大。特別是汽車的重要結構安全件，其焊接質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

對車身弧焊機器人工作站的設計規劃應首先考慮是否滿足生產綱領、工作站的柔性和焊接質量，以及機器人及焊槍的選型及電控設計。具體內容包括：

機器人系統設計參數包括有效載荷、軸數、各軸的自由度范圍及控制系統等。

機器人工作范圍及姿態，充分考慮車身形式和弧焊點位置、夾具形式。通過3D設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修改，確定方案再進行可行性論證及設計修正。

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。進行優化設計最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，在虛擬環境進行工作站的裝配和調試，路徑模擬，發現是否干涉，以此調整各部分的相對尺寸達到最佳。

工藝時序設計，控制流程圖設計。弧焊機器人工作站的設備構成包括弧焊機器人、機器人控制器、焊機、清槍系統、輸送系統、焊接夾具、排煙除塵設備、安全防護網、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（具備“冷”金屬過渡焊接技術）。CMT焊接技術系統的特點是：作為完全的“冷”技術，近乎無電流狀態下的熔滴過渡，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；焊接過程送絲穩定，焊接工藝專家數據庫化，簡化縮短工藝調試過程等。

 結語

作為一種大眾商品，人們對轎車的要求不僅是美觀舒適，而且還要結實耐用。這就要求白車身既要有足夠的焊接強度，又要有合格的外觀質量。點焊機器人和弧焊機器人系統作為一個靈活、獨立的焊接加工單元給大批量、高效率和高質量進行流水線的汽車制造提供了有利保障，讓高柔性化的短時彈性生產也成為可能。