（机械工程专业论文）重卡驾驶室点焊机器人焊钳应用技术研究.pdf

中文摘要 论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 重卡驾驶室点焊机器人焊钳应用技术研究 机械工程 舒艳梅( 签名) 徐学利( 签名) 董立社( 签名) 垄盔圭 摘要 1 6 4 7 7 8 y 2 2 驾驶室是重型卡车的核心零部件之一，驾驶室的焊接强度、外观质量、生产效率直 接影响到整车的安全性、舒适性和产量。目前公司的驾驶室产品主要包括奥龙和德龙两 大系列。奥龙驾驶室地板总成结构复杂、零件重量大，现行工艺方法为人工点焊，工人 劳动强度很大，无法保证产能提升要求，同时，德龙高顶驾驶室顶盖因高度方向尺寸大， 体积大，而需要采用新的点焊技术机器人单双面点焊技术完成制造。本文重点对两 大总成新建线机器人点焊钳的选型进行了研究和生产应用，同时对相应的配套技术 无痕点焊技术、中频焊接机器人点焊技术等内容进行了适当的研究，以保证所选焊钳能 与点焊机器人、焊接夹具协调工作。通过以上研究，保证了奥龙驾驶室地板总成、德龙 驾驶室高顶顶盖总成的自动化装焊生产的实现。 关键词：点焊机器人焊钳地板高顶顶盖 论文类型：应用研究 s u b j e c t ：t h eh e a v yt r u c k sc a ba p p l i c a t i 。nr e a s e r c h 。f w e l d i n gg u nf o rs p o t - w e l d i g r o b o t s p e c i a l t y ：m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g n a m e ： s h uy a n m e i ( s i g n a t u r e ) 叁! ! 竺竺曼! i n s t r u c t o r ：x ux u e l i d o n gl i s h e a b s t r a c t c a bi so n eo ft h ep r i m a r yc o m p o n e n t so ft h eh e a v y t r u c k s w e l d i n gs t r e n g t h ，a p p e 盯a n c e q u a l i t ya n dp r o d u c t i o no ft h ec a bw i l la f f e c td i r e c t l yw h o l et r u c k ss a f e t y , c o m f o r t a n dy1 e l d i nt h ep r e s e n t ，t 1 1 ep r o d u c t so fo u rc o m p a n yi n c l u dp r i m a r i l ya o l o n ga n dd o l o n g s e n e s t h e s t m c t l eo ft h ef l o o ra s s e m b l yi sc o m p l e x e ra n dw e i g h t e r , t h ec u r r e n tw e l d i n gm e t h o d 1 s 觚i f i c i a lw e l d i n g ，l a b o u ri n t e n s i t yf o rw o r k e r i s g r e a t ，n o t t og u a r a n t e ep r o d u c t i v i t y r e a u i r e m e n t s i nt h es 锄et i m e ，t h es i z ei nh e i g h td i r e c t i o n a n dt h ev o l u m et h eh 1 9 h c o v e ro f d 0 1 0 n gc a bi sv e r yl a r g e ，i tn e e d sa d o p tan e w s p o tw e l d i n gt e c h n o l o g yo fr o b o t , 1 e s l n g l e d o u b l e s i d e dw e l d i n gt e c h n o l o g yt om a n u f a c t u r e t h i sp a p e r s u d i e se m p h a s i so nt h e 。e a s e r c n o fw e l d i n gg u i ls e l e c t i o na n dp r o d u c t i o na p p l i c a t i o n f o rt w of l e wa s s e m b l ys p o t - 眦l d i n g r o b o t a l s os u d i e sn om a r ks p o t - w e l d i n gt e c h n o l o g y ，i n t e r m e d i a t ef r e q u e n c ys p o t - w e l d i n g t e c h n o l o g ya n ds t u d yw e l d i n gg u n ，s p o t w e l d i n gr o b o t ，w e l d i n g f i x t u r et ot h ec o o r d l n a t l o n w o r k b va b o v er e s e a r c h ，e n s u r e sa o l o n ga n dd o l o n g a u t o m a t i o np r o d u c t i o nr e a l l z a t i o n k e yw o r d s ：s p o t - w e l d i n g r o b o tw e l d i n gg u n f l o o rh i g h c o v e r t y p eo ft h e s i s ：a p p l i e dr e s e a r c h 第一章绪论 第一章绪论 1 1 项目研究的必要性 近年来，随着我国物流运输业的同益发达，工程建设项目的增多，市场对重型卡车 的需求量不断扩大，而且舒适性、安全性、经济性良好的重型卡车更是越来越受到用户 的欢迎。为了满足市场的需求，提高竞争力，陕西重型汽车有限公司( 以下简称“陕汽” 在不断提升现有产品的产能的同时陆续推出了一系列重卡新品。 驾驶室是汽车的核心零部件之一，它由前围总成、车门总成、侧围总成、后围总成、 地板总成、顶盖总成六大部分构成。点焊是重型卡车驾驶室焊装技术中应用最多、最有 效的一种焊接方法。点焊的焊接强度、外观质量、生产效率直接影响到驾驶室和整车的 安全性、舒适性、经济性和产量。目前陕汽的驾驶室产品主要包括德龙和奥龙两大系列。 地板是驾驶室的主要承载部件，其焊接质量直接影响到驾驶室的安全性。奥龙驾驶 室地板组件数量多，结构复杂，装配精度要求高，目前的装焊线为于工点焊，工位问工 件的传输靠人工搬运，焊接难度和工作量大，工人的劳动强度也很大，该线已成为奥龙 系列驾驶室产能提升的瓶颈，急需进行工艺技术升级改造。 新开发的德龙驾驶室高项顶盖总成具有组件外形尺寸大、多为曲面形状、重量大， 顶盖高度尺寸大，焊点多的结构特点和焊接难点，而现有的顶盖装焊线“柔性”较差， 只能加工平顶、半高项驾驶室顶盖总成，无法适应新开发的高顶顶盖的生产要求。为了 配合公司的发展战略，需要新建一条自动化程度高、产品适应能力强的“柔性”装焊线 以满足目前对高顶项盖的装配要求以及市场对德龙高顶驾驶室日益提高的需求。 点焊机器人具有自动化程度高、焊接质量稳定、焊接效率高、加工柔性好的优点， 因此应用技术先进的点焊机器人焊接是适应驾驶室新产品制造、保证焊接质量和实现产 能提升的有效途径。焊钳是点焊机器人焊接的执行机构，由于点焊机器人的轨迹是预先 编制好的，而且目前的机器人大多数不带视觉系统，因而机器人与人工焊接在焊钳的结 构设计、控制方面存在较大的差异。 为了实现奥龙驾驶室地板总成以及德龙高顶顶盖总成的机器人点焊自动化生产，需 要对奥龙驾驶室地板总成、德龙驾驶室高项顶盖总成工艺性进行详细分析，研究并提出 这两条装焊线点焊机器人焊钳配备方案，同时对相应的配套技术无痕点焊技术、中 频焊接机器人点焊技术、气动夹具进行适当的研究，以保证焊钳能与点焊机器人、焊接 夹具协调工作。同时通过本研究工作，也能为以后驾驶室其它零部件点焊机器人焊钳研 究与应用提供借鉴和积累丰富的经验。 1 2 点焊机器人系统及应用简介 点焊机器人目6 仃有多种类型( 直角坐标型、极坐标型、圆柱坐标型、多关节型等) ， 两安石油人学硕十学位论文 每种类型基本上都是由机器人本体、计算机控制系统、焊接系统等几部分组成( 见图1 - 1 ) 1 1 。为了适应灵活动作的工作要求，通常点焊机器人选用关节式工业机器人的基本设计， 一般具有六个自由度：腰转、大臂转、小臂转、腕转、腕摆及腕捻。点焊机器人的驱动 方式有液压驱动和电气驱动两种。液压点焊机器人各关节的运动是靠液压油缸驱动的， 电动点焊机器人是用直流伺服电机驱动或交流伺服电机驱动的，可以实现各关节快速而 频繁起停，精确地到位和运动。后者具有保养维修简便，能耗低，速度高，精度高，安 全性好等优点。实用的点焊机器人一般属于示教再现机器人。操作者根据不同被焊件的 需要，可以示教不同的程序。因此点焊机器人对于不同生产要求及产品的改型换代具有 很大的柔性和适应性。 图1 1 点焊机器人系统简图 点焊焊接系统包括点焊焊钳和点焊焊机两部分。焊钳有很多种形式，如c 型焊钳， x 型焊钳等，所用焊钳的种类是由用户选择的。机器人本体和点焊焊接系统在计算机的 控制下构成点焊机器人系统。操作者可以通过示教盒和计算机面板按键进行点焊机器人 运动位置和动作程序的示教，设定运动速度，焊接参数等。点焊机器人具有报警系统， 如果在示教过程中操作者有错误操作或在点焊机器人再现作业过程中出现某种故障，点 焊机器人的计算机系统便发出警报，自动停机，并显示错误或故障的种类。焊接控制系 统主要是根据机器人本体的要求，控制焊接大小行程的切换，按给定值实现焊接过程控 制( 加压，通电焊接，维持) 并输出所需的电流值【2 j 。由于机器人点焊时操作者远离工 作区，焊接控制系统还必须按照手控示教盒的要求对焊接电流及焊接时间进行远距离调 整，此外，还必须具有焊接系统故障自诊断及保护等功能。 点焊机器人系统最早于1 9 6 5 年开始使用，是美国u n i m a t i o n 公司开发的u n i m a t e 机器 人，中国于1 9 8 7 年白行研制成功了首台机器人华宇i 型点焊机器人。随着市场个性 化的需求越来越强烈，迫使汽车企业的产品频繁更新换代，因产品的差异汽车企业如果 为新产品重建新的焊接生产线，需要投入大量的资金，也使原有的焊接生产线闲置或报 废，这就大大的增加了企业的成本。机器人自动化焊接生产线是由焊接设备、焊接工装 夹具及自动控制和机械化运输系统等组成，这些组成中焊接设备的柔性决定了焊接生产 线的柔性，生产线上的焊接机器人是相对独立、动作自由度多、程序变更灵活、自动化 程度高、柔性程度好，具有多用途功能，同时机器人重复定位精度和焊接质量高，运动 第一章绪论 速度快且动作稳定可靠，是实现焊接设备柔性化的最佳设备选择。目前国际上的大型汽 车企业都采用了机器人进行汽车的焊接生产，提高了汽车产品的质量和生产效率，为企 业取得了良好的经济效益，同时也推动了机器人焊接技术的进步和发展【3 1 【4 】。在我国， 为了提升竞争力和保障生产效率、产品质量，目前一汽、吉利、陕汽、奇瑞、江淮汽车、 神龙等汽车制造企业也纷纷在汽车装焊生产中应用了点焊机器人。 1 3 点焊机器人焊钳应用现状及发展趋势 1 3 1 点焊机器人焊钳的分类、优缺点及应用现状 点焊机器人技术的发展，也带动了与其配套的焊钳技术的持续发展和创新应用。焊 钳是点焊机器人焊接的执行机构，它起着传导焊接电流和提供焊接压力的作用【5 l 。点焊 机器人焊钳主要由焊臂、变压器、气缸或伺服电机、机架、汇流排、浮动机构等部分组 成。机器人点焊钳按按结构形式可分为x 型和c 型2 种形式【5 】，焊钳与阻焊变压器的 结构关系可分为分离式、内藏式和一体式三种形式【i 】，按变压器的形式，可分为中频焊 钳和工频焊钳，按焊钳加压驱动方式分为气动驱动和伺服驱动焊钳。 机器人x 型和c 型焊钳如图1 2 、图1 3 所示1 5 j 【6 j 。实际生产中具体采用c 型还是 x 型焊钳要综合考虑工件的焊点分布、点焊的节拍、点焊工艺性等多方面因素。 图1 - 2x 型机器人焊钳 图1 - 3c 型机器人焊钳 西安石油人学硕十学位论文 分离式焊钳的阻焊变压器和钳体是分开的，阻焊变压器悬挂在机器人的上方，钳体 装配在机器人的手臂上，二者之问采用粗大的二次线缆相连，阻焊变压器可随着机器人 手腕的移动在轨道上移动。该焊钳的最大优点是机器人只承受焊钳和二次电缆的重量， 不承受焊接变压器的重量，这样也就降低了对机器人本体的承载能力要求，其次是运动 速度高，价格便宜。该焊钳的缺点是粗大的二次电缆在焊钳上引起得拉伸力和扭转力， 会传递到机器人的手臂上，并且，二次电缆及电缆悬挂架的存在使得点焊机器人的工作 空间及焊接位置受限；二次电缆通过1 0 k a 以上的电流时因容易过热而需要使用特制的 电缆；此外，该焊钳还具有导线损耗较大，能源利用率低的缺点。 内藏变压器式焊钳是将焊接变压器组装在机器人本体上，以便使其尽可能地靠近焊 钳，通常是组装在机臂内部或机器人的机座内，变压器的二次电缆可以在里面移动。另 外，极坐标或球面坐标点焊机器人也可以采用此种焊钳形式。内藏变压器式焊钳的二次 电缆较短，电力损失较小，变压器的容量需求减小，但在机器人本体设计时，需要考虑 变压器的安装，所以机器人本体的设计要复杂一些。 一体式焊钳是将阻焊变压器和焊钳安装在一起_ 7 | ，然后共同固定在机器人手臂末端 的法兰盘上。一体式焊钳的优点是省掉了粗大的二次电缆及悬挂变压器的工作架，直接 将阻焊变压器的输出端连到焊钳的上、下机臂上，以及节省电能。例如，输出电流 1 2 0 0 0 a ，分离式焊钳需7 5 k v a 的变压器，而一体式焊钳只需2 5 k v a 。一体式焊钳的 缺点是焊钳重量显著增大，体积也增大，要求机器人本体的承载能力大于6 0 k g 。此外， 焊钳重量在机器人活动手腕上产牛惯性力，易于引起过载【8 j 。近几年来，国内外点焊机 器人生产厂家，相继将一体式点焊钳广泛应用到了生产中，如西德的库卡( k u k a ) 点焊 机器人，日本的法那克点焊机器人，我国的华宇型点焊机器人等。 中频焊钳与工频焊钳的机械结构原理完全相同，主要不同点是变压器。中频逆变直 流焊机是将工频( 5ohz ) 交流变换为中频( 1 0 0 0 h z ) ，经焊接变压器降压，次级整流后， 最终转变成直流电供给焊钳焊接工件。与传统交流焊机相比，中频焊机时间分辨率比工 频高，控制精度高，并且焊接电流不过零点，输出电流不受次级输出回路变化影响，热 效率较高、输出功率也很大、焊接质量更好、焊接电流范围大、三相平衡负载、功率因 数高、节能效果好、电极使用寿命长等优点。由于焊接变压器的铁芯截面积与输入交流 频率成反比，故中频输入变压器铁芯截面积减小，变压器的体积和质量也减小。中频整 流焊接变压器的质量约为单相交流式的1 3 1 5 ，而焊钳质量约减小1 2 1 3 【引。变压 器的体积和质量的减小，可使机器人本体的负载能力减小，这样可以节约投资成本的同 时还可以获得更高的运动速度。近年来，随着科学技术日新月异的发展，国外部分汽车 大企业已经将中频点焊机器人应用于轿车白车身的焊装线。在欧洲，中频点焊机器人使 用量已占4 0 一j 。此外，国外点焊机器人与整流焊接变压器一体化的x c 型焊钳在设 计方面有了很大改进，采用高强度铝板组装成板式钳体结构来代替铸铜整体结构，进一 步减轻了焊钳质量。同时，铝板式钳体结构在c n c 机床加工中心制造提高了制造精度。 第一章绪论 由于焊钳质量减轻，使点焊机器人驱动电动机功率下降。目前，我国的几个主要轿车生 产企业都已将点焊机器人用于装焊生产线。广州本田、北京现代等企业随着产量的增长 和新产品的开发正在进行中频点焊机器人焊装线的建设，一汽大众已经将中频手工点焊 钳和中频机器人点焊钳用于c 6 轿车焊装线组成焊装线【9 l 。 气动焊钳是点焊机器人应用时通常采用的一种焊钳形式。2 0 0 2 年，一汽轿车股份 公司在新建的5 万辆马自达6 系列轿车m 2 主焊生产线，首次引进日本n a c h i 公司的2 2 台a w 系列6 轴气动点焊机器人，机器人多数都带两把以上气动点焊钳，并采用自动工 具交换装置( a t c ) 快速进行焊钳的切换。机器人气动焊钳采用气缸驱动。焊钳行程的 改变以及夹紧等动作由机器人发出信号控制【l0 1 。气动焊钳具有容易控制，结构相对简单、 维护保养工作量小的优点。由于气缸进气源的压力是一定的，而且受本身结构特点的限 制，气动焊钳存在焊接时所有焊点只能采用一种焊接压力，机器人不能对电极移动过程 的速度、位置等参数进行控制以及无法准确控制焊接压力，焊钳对工件冲击较大，易使 工件变形，焊接时噪音较大等缺点。 因为点焊机器人的轨迹是预先编制好的，在电极出现磨损、工件与样件有差异、冲 压件出现加工误差、工件装配不到位等情况下就可能造成在电极与工件之间出现问隙， 如不进行补偿，焊钳夹紧时就会造成工件的变形，所以点焊机器人焊钳对电极磨损的补 偿是十分必要的，现在所用的气动焊钳补偿浮动机构一般都采用气缸浮动机构，通过气 缸的作用使焊钳的移动侧电极具有上下浮动功能，以保证电极与工件间的相对位置，减 少对工件的冲击。气动焊钳的浮动功能可通过齿轮齿条浮动机构、气缸浮动机构、x 型 焊钳的浮动机构、弹簧浮动机构实现 1 l l 。采用齿轮齿条传动，传动效率高，传动稳定， 使用寿命高，齿轮齿条适用于近距离传动，焊钳结构紧奏，并防止电极偏转。采用气缸 浮动是靠两个气缸间气路的特殊连接来实现的，焊接过程平稳、焊接位置准确，结构简 单。采用弹簧压缩浮动，焊钳结构简单、维修成本低、但使用寿命短，易出现故障。 为了克服上述气动焊钳存在的问题，近年来，在汽车车身点焊生产中，越来越广泛 地应用了伺服焊钳。伺服焊钳包括气伺服焊钳和电伺服焊钳，目前应用较多的是电伺服 焊钳。新型伺服焊钳具有气、电两利，动力来源，是电阻焊领域的最新应用技术，此种焊 钳既可以采用传统的气( 液压) 缸也可以采用交直流伺服电机驱动。配置诺冠气伺服系 统的n i m a k 焊钳、a r o 焊钳已开始在德国大众生产线上大规模应用。一汽轿车股份 公司在新建的8 万辆产能的m 1 主焊线的大多数机器人上采用了新型伺服点焊钳，在 m 2 主焊线新增加的安川点焊机器人上，也大量应用了伺服焊钳。 电伺服焊钳电极的上下运行主要应用伺服电机的滚珠丝杠副实现。滚珠丝杠副具有 驱动力矩小、精度高、可实现微进给及离速进给、刚性高、可逆性强等优点。伺服焊钳 功能的实现滚珠丝杠副的运行精度及力矩是关键。电伺服焊钳的伺服电机直接由机器人 的伺服控制器进行闭环控制，通过伺服电机编码器的反馈数据准确控制电极的移动量和 电极的行程，因此伺服焊钳不需要浮动机构，避免了气动焊钳电极移动过程中位置、速 西安石油火学硕士学位论文 度不受控的缺点。伺服焊钳的优点是：可以根据不同板厚及焊点位置随意设定每一焊点 焊接时的电极压力；焊接压力大小可以调节并且可实现与工件的软接触；电极运行长度 可以补偿；电极更换频次减少等。目前，因购买伺服焊钳设备的一次投入较高，伺服焊 钳还未被广泛采用。但是，考虑到伺服焊钳的整体技术优势，未来伺服焊钳会越来越多 地用于焊装生产线上。 国内的汽车制造企业，通过焊钳自主设计、改进，也产生了很大的经济效益【l2 。2 1 j 。 例如： 第一汽车集团公司参考引进的德国a u d i 轿车生产线先进技术、日本提供的资料和 照片、结合多年设计焊钳的实际经验开发研制成“新结构新材质的气动焊钳”。该类 型焊钳按照“标准化”、“系列化”、“通用化”的原则设计。钳体采用铸造铝青铜材 料，电极材料为铬铜合金，焊钳压力传递采用气压传动方式等，增加了焊钳品种，满足 了车型生产需要。1 9 9 5 年，该公司研究设计了几十种不同类型的点焊机器人焊钳，设 计的齿轮齿条浮动机构、弹簧浮动机构、气缸浮动机构达到了电极磨损、工件变形等造 成的焊钳电极与工件问的问隙的自动补功能。 一汽大众汽车有限公司，对车身焊装使用的国产焊钳通过极臂采用铬锆铜( c u c r z r l 替代黄铜h 6 2 材料，将焊装线压缩空气的网络压力由0 6m p a 提高到1 2m p a ，采用双 行程气缸，采用比例阀等措施，满足了奥迪a 6 轿车镀锌钢板材料强规范焊接要求，节 约了投资。 我国的点焊焊钳技术仍处于追赶和高速发展的阶段【2 2 1 。自主品牌的焊钳开发、制造 起步于2 0 世纪8 0 年代末，9 0 年代初。目前国内的焊钳制造企业主要有天津7 0 7 所、 南京永生、浙南、成焊等。由于受变压器设计和制造工艺水平的限制，以及经验积累的 不足，目前自主品牌的一体式焊钳在焊钳结构、操作性和人机工程、可靠性、模块化与 维修便利性等方面和变压器的负载持续性能方面与欧洲的企业相比还存在较为明显的 差距。目前虽然昂融焊接技术( 武汉) 有限公司，尼玛克焊接技术( 北京) 有限公司，小 原( 南京上海) 机电有限公司等国外品牌焊钳企业已经在国内建立了独资或合资公司，但 这些公司在我国制造的都是比较低端的手工一体化焊钳，气动机器人焊钳，电气伺服 焊钳等比较高端的产品我国仍然全部依赖于进口。 由于各汽车生产厂的产品结构、产品技术以及生产需求的不同，因此焊钳一般都为 非标装备，需要专门的设计、模拟、验证，并制造，这样焊钳的类型和零部件种类就比 较繁多，同时，由于焊钳的结构比较复杂，需要非常专业的维修工程师维修，而且在线 维修时间也较长，为了保证生产节拍，需要提前做好相应易损部件的储备。由于这两方 面的原因，使得驾驶室的生产制造成本提高，生产节拍受到制约。要解决焊钳实际应用 中存在的这些问题，需要实现焊钳的模块化、标准化设计和制造，以减少焊钳品种和组 成零部件，和缩短维修时间。 综上所述，工频气动式、工频伺服式、中频气动式、中频伺服式这4 种形式的焊钳 第一章绪论 各有特点，每种都有特定的、适用的用户【5 】。其中工频气动机器人焊钳由于成本低、技 术相对比较成熟等优势应用得最多。中频气动机器人焊钳应用的也比较广泛，尤其是焊 钳结构较大或超大时，基本采用此种形式。 1 3 2 点焊机器人焊钳的发展趋势 随着电伺服焊钳技术的不断发展和应用，气动控制以及气动焊钳的专业厂家也在不 断地进行技术的探索和创新，目前与电伺服焊钳性能相同的气伺服焊钳已经问世【2 2 1 。例 如：诺冠公司开发的气动伺服系统通过位置传感器的信号和流量控制阀的动作，实现了 对气缸的位置、速度以及系统的平衡进行伺服控制的功能；同时压力控制器会处理压力 丌关收集的信息并与主控制系统进行信息交换，实现了对焊接压力变化的实时监测与控 制。 与电伺服焊钳相比，气伺服焊钳的主要优势在于可以通过对现有气动焊钳进行升级 改造( 即将气动控制系统更换为气伺服控制系统) ，也可以实现电伺服控制的优越性能， 因而可以以非常低的成本降低生产线节拍和提升产品质量。此外，相对于电伺服驱动， 气伺服驱动还具有技术简化、维护方便、重量轻、不需要占用空间安放电控柜、费用降 低等优点。然而，电伺服驱动仍然在不断的发展和进步，因此，从长远来看，电伺服驱 动比气伺服驱动具有更大的技术潜力。同时结合逆变点焊电源技术的优势和发展趋势来 看口3 | ，中频伺服机器人焊钳应是未来发展和应用的主流。 1 4 本文研究的主要内容 本项目将在对奥龙驾驶室地板总成、德龙驾驶室高顶顶盖总成产品工艺性分析的基 础上，围绕德龙驾驶室高顶顶盖总成装焊线和奥龙驾驶室地板改造线建设项目进行两条 装焊线点焊焊钳配备数量和焊钳选型工作研究和生产应用、同时对相应的配套技术 无痕点焊技术、中频焊接机器人点焊技术、气动央具进行适当的研究，以保证能及时提 出点焊焊钳对点焊机器人、焊接夹具的设计需求或解决点焊机器人、焊接央具设计时反 馈的焊钳问题，保证所选焊钳投入生产后能与点焊机器人、焊接夹具协调工作，实现奥 龙驾驶室地板总成和德龙高顶顶盖总成的机器人点焊自动化生产。 1 5 本章小结 本章主要论述了应用先进的点焊机器人焊接技术是适应公司驾驶室新产品制造、保 证奥龙地板总成和德龙高顶顶盖总成焊接质量和实现产能提升的有效途径。同时详细的 阐述了机器人x 型和c 型点焊钳，分离式、内藏式和一体式点焊钳，中频焊钳和工频焊钳， 气动焊钳和伺服焊钳的优缺点和应用现状，以及机器人点焊钳的发展趋势，为后续研究 工作的开展奠定了良好的基础。 西安石油_ 火学硕士学位论文 2 1 点焊原理 第二章点焊工艺分析 2 1 1点焊热源 点焊是将焊接件放置于点焊钳的两个电极之间，经过压紧、通电、张开过程，利用 瞬间通过电极和工件的电阻热能熔化该部位板材，形成焊核的焊接工艺方法，点焊焊接 示意图如图2 1 所示。点焊时，焊接电流通过两电极问的焊接区时，焊接区的电阻会析热， 在工件内部形成热源【2 4 1 。焊接区的电阻如图2 2 所示。焊接热源总析热量计算公式见式 2 1 。 图2 1 点焊焊接示意图 r 焊接区总电阻r e w 一电极。焊4 1 二之i n 的接触电阻r w 一焊件内部电阻 图2 2 点焊焊接区电阻 q = f i 2 r d t r e 焊什问的接触电阻 ( 式2 1 ) 式2 1 中，i 焊接电流的瞬时值，是时间的函数 r 焊接区的总电阻的动态电阻值，是时间的函数 第二章点焊：r 艺分析 t 通过焊接电流的时间 点焊加热过程与焊件材料的电导率、热导率等性能指标有重要关系，一般导电性、 导热性好的材料，因为析热少而散热快，不易点焊；而导电性、导热性较差的低碳钢等 金属材料，因为析热多而散热慢而容易点焊。 2 1 2 点焊加热的特点 焊接区的电阻是产生内部热源的基础 2 4 1 。接触电阻2r e w + r e 的析热约为内部热源q 的5 1 0 ，它有利于建立焊接初期的温度场、增大接触面积，促进电流场均匀化分布， 但接触电阻过大时，有可能导致通电不正常或使接触面上部分区域因强烈析热而产生喷 溅、电极或焊件粘损等缺陷。内部电阻2r w 是形成熔核的热量基础，它析出的热量大约 为内部热源q 的9 0 - 、- 9 5 ，它是影响点焊加热特点以及焊接温度场形态和变化的主要因 素之一。 焊接电流是产生内部热源的外部条件，调节焊接电流的大小会改变内部热源析热量， 而且内部电阻上形成的双鼓形电流场分布特征，会使焊接区各处加热强度不均匀。点焊 时，电流场的分布示意图如图2 3 所示。点焊电流场的特征分析，有助于较准确的控制熔 核的形状和位置，改善熔核周围的加热状态，提高点焊接头质量。 f = 常倭一l h l 。0 i 购心 列潲姜 “十o 圳 _ 一 照斑苑 9 雯 慨 l 甜， 一l 孕：搿值n t 鼽 | i i 图2 - 3电流场的分布不惹图 焊接温度场是某时刻工件上各点温度的总称，它对熔核的形状、尺寸和位置起最终 决定作用。材料的热导率、焊件厚度、焊接规范，会影响到焊接温度场的分布形态。导 热性越好的材料或焊接规范越软时，温度分布平缓，熔核纵截面的形状呈现椭圆形。导 热性差的材料或焊接规范较硬时，工件卜加热比较集中，往电极与母材上散热作用减小， 熔核纵截面近似呈六角形形状。 焊接区析出的热，大部分由于辐射、传导等因素不能用于熔化母材( 如图2 4 所示) 而损失掉。点焊热平衡方程式如式2 2 所示。根据点焊热平衡方程式和焦耳定律就可以近 似得出点焊时焊接电流的有效值。该值的计算，可为点焊设备、焊接变压器设计提供重 要输入数据。 西安了i 油大学硕士学位论文 图2 4 点焊热平衡组成示意图 q 2q l + q 2 + q 3 + q 4( 式2 2 ) 式2 2 中，q l 熔化母材金属形成熔核的热量 q 2 电极上损失的热量 q 3 焊件热传导损失的热量 q 4 对流、辐射损失到空气中的热量 2 2 点焊过程 点焊焊接过程示意图如图2 5 所示。 f - 一电根压力工- 焊接电流t1 - 预压时间 t 2 j j 揍时间t3 维持时问t 扣体止时间 图2 5 点焊过程不意图 点焊过程一般分为以下四个阶段【2 5 】： 1 ) 预压阶段：电极开始下降到电流开始接通阶段，确保电极压紧工件，使工件间有 适当的压力； 2 ) 通电加热阶段：在压力的作用下通电加热，金属熔化并形成熔核； 3 ) 维持阶段：在切断电流之后，电极继续对焊点保持压力，以防止缩孔和裂纹的产 生，改善焊点的金属组织性能； 4 ) 休止阶段：一个焊接循环结束，另外一个焊接循环开始。 为了改善焊接接头的性能，有时需要将下列各项中的一个或多个加于基本过程： 1 ) 预压力使电极和工件紧密、贴合。 2 ) 预热来降低工件上丌始焊接时的温度梯度。 3 ) 顶锻力压实熔核，防止产生裂纹和缩孔。 厂一 第二：章点焊t ：艺分析 4 ) 回火、退火时间对硬化合金钢以达到所需求的强度。 5 ) 后热以细化晶粒。 6 1 电流衰减以延迟a l 的冷却。 2 3 点焊的分类 点焊通常分为双面点焊和单面点焊两大类【2 6 | 。 双面点焊时，电极由工件的两侧向焊接处馈电。典型的双面点焊方式如图2 6 所示。 图2 6 a ) 是最常用的双面点焊方式，工件的两侧均有电极压痕。图2 6 b ) 为同时焊接两 个或多个焊点的双面点焊。该焊接方法使用一个变压器而将各电极并联，所有电流通路 的阻抗基本相等，而且每一焊接部位的表面状态、材料厚度、电极压力也必须相同，才 能保证通过各个焊点的电流基本一致。图2 6 c ) 表示用大接触面积的导电板做下电极， 这样可以消除或减轻下面工件的压痕，适用于外观要求高的点焊工件或焊接接近性差的 点焊工件。图2 6 d ) 为采用多个变压器的双面多点点焊，这样可以避免图2 6 b ) 的不足。 采用图2 6 b ) 、图2 6 d ) 所示点焊形式，生产效率较高。 单面点焊时，电极由工件的i j 一侧向焊接处馈电。典型的单面点焊方式如图2 7 所示。 图2 7 a ) 为单面单点点焊，不形成焊点的电极采用大直径和大接触面以使流经的电流密 度降低到不足以形成熔核。图2 7 b ) 为无分流的单面双点点焊，此时焊接电流全部流经 焊接区。图2 7 c ) 为附加导电板的单面双点点焊，当二焊件厚度比比较小时，可在厚板 下附加铜合金挚板，不仅减小分流使焊接过程稳定，同时也提高了电极使用寿命。图2 7 d ) 为当两焊点的问距很大，例如在进行骨架构件和复板的焊接时，为了避免加热不当引起 复板翘曲和减小两电极问电阻，采用了特殊的铜桥与电极同时压紧在工件上。 图2 _ 6 不同形式的双面点焊图2 - 7 不同形式的单面点焊 2 4 点焊工艺参数对焊接质量的影响 工艺参数是焊接过程中金属加热和塑性变形的参数，丰要有焊接电流i 、焊接时f , l t 、 电极压力f 、电极工作端面尺寸等，工艺参数直接影响焊接接头的质量。 西安石油大学硕士学位论文 从式2 1 中可以看出，焊接过程产生热量与电流的平方成正比，焊接电流是对焊点性 能影响最大的因素，在其它参数不变时，当焊接电流小于某值时不能形成焊核，超过此 值后，焊核随电流增加快速增大、焊接强度增强，当散热量的增大到一定值时焊核直径 和焊点强度增长减缓，再提高电流则导致产生焊穿，反而使焊接强度下降。 通电时问直接影响输入热量的大小，机器人系统的焊钳通电时间是周波的整倍数， 在其它参数不变的情况下，只有通电时间超过某最小值时才开始出现焊核，焊核随通电 时问的增长先快速增大，再增加通电时问焊核增长变慢，加热时间过长时，工件的金属 组织变差，焊接强度下降。 电极压力的大小既影响电阻的数值又影响电极的散热，过小的电极压力导致工件电 阻增大且散热较差，易引起飞溅；过大的电极压力导致电阻减小、散热良好、焊核尺寸 缩小，尤其是焊透率显著下降【2 。7 1 。 焊钳电极主要有锥台形和球面形两种，锥台形电极的端面直径或球面形电极的端部 圆弧半径的尺寸，决定了电极与焊件接触面积，电流相同时，电极的端面尺寸决定了电 流密度和电极压强分布范围，焊钳的电极选用比设计焊核直径大2 0 左右的端面直径。 电极采用内循环水冷却，电极上散失的热量往往达到输入总热量的5 0 以上，电极端部 尺寸的变化或循环水出口端到电极表面的距离均影响电极的散热量，最终影响电极端面 的氧化和焊接磨损，电极端面直径增大5 左右时必须对电极进行修复，当时循环水出口 端至电极表面距离耗损至仅存3 4 m m 时更换新电极。 焊接过程中，电极在焊件表面上留下的痕迹叫焊痕。电极压力越大、电极直径越小、 焊接时间越长、焊接电流越大，则焊痕越深。焊痕过深，不仅影响焊件表面的美观及光 滑度，减小该处断面尺寸，还造成过大的应力集中，致使焊点强度下降。焊接接头质量 的好坏最终反映在接头强度上，而接头强度主要取决于焊点的尺寸与内部质量。表面质 量是指焊件表面电极焊痕深度，有无表面飞溅、烧伤、裂纹、粘连电极、翘曲变形及表 面抗腐蚀性能的变化等。内部质量则指熔核的几何尺寸、形状有无超过标准的裂纹、缩 孔等内部缺陷及热影响区金属的组织与力学性能有无发生明显的变化等。一个好的焊点 从外观上，要求表面平滑呈均匀过渡，无明显凸肩或局部挤压的表面鼓起，外表没有环 状或径向裂纹，表面不得有熔化或粘附的铜合金。从内部看，焊点形状应规则、均匀， 焊点尺寸应满足结构和强度的要求；核心内部无贯穿性或超越规定值的裂纹，结合线伸入 及缩孔皆在规定范围之内：焊点核心周围无严重过热组织及不允许的缺陷。 2 5 本章小结 本章主要介绍和分析了点焊的原理、点焊的特点，以及焊接电流、焊接时间、电极 压力、电极工作端面尺寸等工艺参数对点焊焊接质量的影响，为后续研究工作的顺利展 开提供必要的理论基础。 第二章地板装焊线点焊机器人焊钳应用研究 第三章地板装焊线点焊机器人焊钳应用研究 3 1 地板焊接工艺分析 奥龙驾驶室地板总成主要由纵梁总成、轮罩总成、地板、门槛挡板、支撑板等分总 成和冲压件装焊而成。它承受着驾驶室组件的重量及行驶时所受的冲击、扭曲等负荷， 其焊接质量直接影响着后续驾驶室焊接总成的质量和驾驶室的安全性。 图3 1 是纵梁总成和前内横梁、踏板支架总成的焊接位置图，可以看出其焊接位置在 不同的平面，纵梁总成和前内横梁的焊接位置在垂直方向，而纵梁总成和踏板支架总成 的焊接位置在水平方向，两处焊接位置距离较大。焊接时，机器人必须移动较大的距离， 同时焊钳还要变化位置，因两处的焊接料厚不同焊接时的焊接参数也随着变化。 图3 1 纵梁总成和前内横梁、踏板支架总成焊接位置 图3 2 是纵梁总成和轮罩、地板点焊位置图。从图3 2 可以看出，纵梁总成和轮罩、 纵梁总成和地板的点焊位置分布在不同的平面，而且三件配合后所留的焊接空问已经非 常有限，如按图示位置焊接，存在机器人焊钳无法进入焊接位置的问题。为了解决机器 人焊接时焊钳的接近性问题需要调整纵梁总成和轮罩、地板装配后形成的组件的焊接位 置，使工件适应焊接机器人。变位机是改变焊接位置的理想选择，变位机可以正反两个 方向旋转18 0 度，工件安装在变位机上的夹具中，随着变位机旋转，可使焊缝始终处于机 器人最佳焊接位置。 西安石油大学硕士学位论文 轮罩 j 2 ， jd 地板 图3 2 纵粱总成和轮罩、地板焊接位置 图3 3 是门槛下档板和支撑板、前内横梁的焊接位置，这些焊缝在地板总成的侧面， 门槛下挡板安装位置如图所示，此时地板的工件都已安装完毕，焊钳在进入焊接位置时 易和工件干涉，机器人带着焊钳不能从下部到达焊接位置，此处焊接也需要工件变换位 置来适应机器人，这种结构的工件在焊接时最复杂，主要因为它需要不停的变换工件位 置，对重复定位精度要求较高，同时焊接空间较小，不利于自动化焊接。 板 图3 3 门槛下档板和支撑板、前内横粱焊接位置 图3 4 是轮罩与支撑板的补焊，该处在地板总成的最后部，地板总成长度约2 4 0 0 m m ， 焊接时机器人的工作范围太大，此处的焊接位置不能直接焊接，也需调整焊接位置，使 地板总成翻转18 0 度才能焊接。 第三章地板装焊线点焊机器人焊钳应用研究 图3 4 轮罩和支撑板焊接位置图 为了有效的提升地板总成的生产效率和焊接质量，制定有效的焊钳应用方案，需对 地板总成生产的实际情况作出全面细致的分析。 地板总成制造过程中，地板总成生产节拍为各工位完成焊接作业内容所需时间中的 最长时间。其计算公式为：t = d * m n ，其中d 为每天工作时间8 小时，m 为每小时6 0 分钟， n 为每天生产的数量。每班扣除工作前准备时间和工作结束后的清理保养设备时间，工作 时间d = 7 小时，每班生产6 0 辆，由公式计算可得奥龙驾驶室地板总成的生产制造节拍为 t = 7 * 6 0 6 0 = 7 m i n 辆。驾驶室车间实行双班工作制，每周工作5 天，全年工作2 5 1 天，每班 工作8 小时，年产可达到3 万辆以上。 3 2 地板总成焊接方法 焊接机器人分为两种：点焊机器人和弧焊机器人，工作时可以是单机的机器人焊接， 也可以用多台机器人组成多机的机器人焊接生产线，点焊机器人主要完成车身的搭接部 位焊接，如驾驶室、顶架、车门、后围、侧围、地板总成等，地板总成采用点焊机器人 焊接【2 8 】。 地板线主要采用电阻点焊工艺加工，这种工艺方法用于搭接接头和接头不要求气密 的薄板件焊接，是汽车制造中典型的廉价工艺，由于点焊后工件有一定的痕迹不能用于 高档车的外表面焊接，用在汽车的内部件焊接和经济型轿车、货车的外观件焊接时完全 满足要求，地板总成有3 0 0 至4 0 0 个焊点，每个地板总成的消耗的电极与设备维修等全部 费用加起来约1 0 0 元左右，十分经济。 地板总成采用了冲压成形与传统的点焊相结合的生产方法，地板总成的各部分都是 整体成形的冲压件，这些部件保证车身具有较高的强度和制造精度，一些较小的零件焊 接由冲压成型的多块较小的板料点焊而成【2 9 1 。这样能减轻车身的质量，增加材料利用率， 为企业降低生产成本。地板带骨架总成主要由纵梁总成、轮罩总成、地板、门槛挡板、 支撑板等分总成和冲压件焊接组成，这些部件都是料厚在0 9 m m 至t j 2 m m 之间的低碳钢， 采用电阻点焊较为适宜。 西安孑i 油人学硕士学位论文 3 3 夹具变位机 在机器人自动焊接生产过程中，央具的决定性的作用尤为明显，完善的夹具系统是 实现机器人自动化焊接的关键因素，夹具的准确定位、可靠加紧及其与机器人点焊控制 系统的有效集成直接影响着机器人自动焊接系统的运行效果和产品的质量、效率。焊接 夹具已经由传统的手动夹具过渡到了气动夹具、电动夹具，以至机器人专用焊接夹具， 夹具设计的理念也由原来的形面和孔位定位，向高精确度、模拟智能化发展。 焊接机器人本身没有判断能力，只执行预先设定的程序，或者执行示教过的轨迹和 动作，这些特点决定了机器人焊接央具对精度的要求非常高。高精度的夹具既能保证工 件本身的焊接要求，也能降低因工件误差对机器人自动焊接产生的影响，保证了机器人 正常完成焊接作业。点焊机器人的夹具结构既要满足传统焊接夹具设计理念，还不能影 响机器人手臂轨迹的控制、运行轨迹的稳定性以及路径规划，并且在焊接机器人在工作 时，夹具的位置不会影响到对焊钳运动轨迹的控制。点焊机器人机器人系统的生产节拍 较快，夹具承受冲击载荷的部位磨损或变形频率较大，应将这些部件设计成可以调整或 更换的结构，在保证夹具的定位和夹紧的同时维修方便。 在机器人自动焊接过程中，由于地板总成的结构和工艺性特点会有一些难以焊接或 焊钳不能到达的位置，需通过变换夹具的位置才能实现焊接。由于机器人前端的焊钳比 手工焊接焊钳要大一些，地板总成焊接夹具设计时，应考虑为焊接过程中机器人焊钳移 动留有足够的空间，保证机器人焊接时不会发生焊钳与夹具干涉【2 8 】。 地板总成夹具采用双座式变位机，变位机由高精度的伺服电机驱动，具有较高的稳 定性和较大的承载能力，焊接变位机作为机器人的外部轴联动。变位机中的焊接夹具通 过两端各一个支座支撑在变位机上，焊接过程中夹具绕水平轴旋转变位，变位机的转速、 方向和位置受系统控制，变位机的转位传动部分采用交流伺服电机和具有低侧隙的行星 齿轮减速器传动。在焊接过程中焊钳与变位机机器人系统要有良好的抗干扰性、耐冲击 性、适应性强的控制系统。机器人可直接实现对变位机的控制，即将变位机作为机器人 的延伸臂控制【3 。 变位机选用k u i l a 公司的单轴翻转变位机，可士1 8 0 度翻转，用来翻转夹具及其工件， 达到与机器人协调焊接工件，使工件上的焊缝出处于最佳焊接位置。变位机的翻转轴由 机器人控制柜( k r c 2 ) 作为机器人外部轴来控制。 夹具采用气动控制，气缸上装有感应器，夹具上工件安装或央紧部位也装有感应器， 当气缸没有运行- n a h 应位置、工件没有安装或夹紧时，感应器不能接收到信号。这些感 应器和机器人系统的控制系统连为一体，当信号没有反馈给控制系统时，机器人不工作， 只有所有信号都传到机器人点焊的控制系统时，机器人才开始工作1 7 2 5 1 。变位机连接着夹 具，变位机的信号和央具的信号相似，都连接到点焊机器人的控制系统，变位机在不同 的角度对应机器人不同的姿态，机器人系统按预先设定的程序使变位机和机器人联动， 1 6 第三章地板装焊线点焊机器人焊钳应刚研究 实现所有焊接点的焊接。 3 4 地板点焊机器人及焊钳选用 3 4 1 地板点焊机器人及焊接任务划分 地板总成的工件都是人工装配，自动转运，在装配时机器人就会出现等待，效率较 低，如果使用机器人双工位工作可有效避免此问题，提高利用率。机器人双工位工作就 是一台机器人分别对左右地板总成焊接，当左地板总成在装工件时，机器人开始焊接右 地板总成，当右地板总成在装工件时，机器人开始焊接左地板总成。机器人分布在左右 地板总成的中间，完工后复位，保证地板转运时不干涉，机器人安装在专用底座上，高 度避开夹具并和