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重卡驾驶室焊接机器人工作站设计 摘要 本文结合合肥工业大学机械与汽车工程学院承担的江淮汽车集团公司“江淮 重卡驾驶室机器人焊装线项目”撰写。该项目的主要任务是根据江淮格尔发重卡 驾驶室焊装生产线的工艺流程，完成总拼生产线上的焊接机器人工作站的设计任 务，包括焊接机器人工作站的结构设计和工作站控制系统设计，实现对重卡驾驶 室的自动焊接，以提高总拼生产线的工作效率，提高产品质量，降低生产成本， 增加产品的市场竞争力。 本文根据江淮格尔发重卡驾驶室焊装生产线的结构布局，确定了重卡驾驶室 焊接机器人工作站的设计方案，对项目中所采用的h x l 6 5 工业机器人建立了运动 学模型，进行了运动学分析，列出了相应的变换矩阵，推导出了h x l 6 5 工业机器 人正向运动学的解和逆向运动学的解，为实现对机器人的有效控制提供了理论基 础。在基于现场总线技术的工作站控制系统中，通过对主要焊接参数的研究，掌 握了它们的性能特点及其在焊接过程中对焊接质量的影响，结合现场调试过程中 的实验结果，合理地设置了符合质量要求的焊接工艺规范参数。同时。对实现多 机嚣人协同作业的工作站控制系统的设计方案及一些关键问题的处理方法作了 详细的说明，为国内类似焊接工作站的开发设计、制造提供参考和借鉴。 关键词：汽车驾驶室焊接机器人工作站设计 d e s i g no fw e l d i n gr o b o t w o r k s t a t i o no f h e a v yt r u c kc a b a b s t r a c t t h i sp a p e rb a s e do nt h ep r o j e c t j i a n gh u a ih e a v yt r a c kc a br o b o tw e l d i n g l i n e ”w h i c hd e s i g nb ys c h o o lo fm e c h a n i c a la n da u t o m o b i l ee n g i n e e r i n g ，h e f e i u n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y t h ep r o j c o tw o u l dd e v e l o par o b o tw e l d i n gw o r k s t a t i o n b a s e do nt h et e c h n o l o g i c a lp r o c e s so fh e a v yt r u c kc a bw e l d i n gl i n e ，i n c l u d e dt h e s t r u c t u r ed e s i g na n dc o n t r o ls y s t e md e s i g nt or e a l i z et h ea u t o w e l d i n go fh e a v yt r u c k c a b ，i m p r o v et h ew o r ke f f i c i e n c yo fh e a v yt r u e kc a bw e l d i n g l i n ea n dp r o d u c t q u a l i t y ，r e d u c em a n u f a c t u r ec o s t , i n c r e a s es a l e sv o l u m ni nt h em a r k e tc o m p e t i t i o n t h i sp a p e rp m s e n t e dt h ed e s i g nm e t h o do ft h er o b o tw e l d i n gw o r ks t a t i o n a c c o r d i n gt ot h eo v e r a l la r r a n g e m e n to fj i a n g - l u a ig a l l o pt r u c kc a bw e l d i n gl i n e ， e s t a b l i s h e dt h ek i n e m a t i c sm o d e lo fh x l 6 5i n d l l s t r yr o b o tw h i c ha p p l i e di nt h e p r o j e c t , a n a l y s e dt h ek i n e m a t i c se q u a t i o n o fh x l 6 5i n d u s t r yr o b o t , l i s t e de a c h t r a n s f o r m a t i o nm a 廿i x sb e t w e e nc o n n e c t i n gr o d s ，s o n e dt h ef o r w a r dk i n e m a t i c sa n d t h ei n v e r s ek i n e m a t i c so fh x l6 5i n d u s l r yr o b o t p r o v i d e db a s i so fe f f e c t i v ec o n t r o lt o w e l d i n gr o b o t i nt h ew o r k s t a t i o nc o n t r o ls y s t e mb a s e do ns i t ec o n c e n t r a t i o nl i n e t e c h n i q u e ，s t u d i e d a n dp o s s e s s e dt h ei n f l u e n c eo fm a i nw e l d i n g t e c h n o l o g i c a l p a r a m e t e r st ow e l d i n gq u a l i t y ，s e tt h e mi nl o g i c a lv a l u ec o n s i d e r e dw i t ht h er e s u l to f s i t ee x p e r i m e n t i ta l s od e t a i l e de x p l a i n e dt h ew o r k s t a t i o nc o n t r o lm e t h o da n ds o m e k e yq u e s t i o n i tc a l lb er e f e r e n c e db yo t h e r sw h e nt h e yd e s i g nt h es i m i l a rw e l d i n g w o r k s t a t i o n k e yw o r d s ：c a r ，c a b ，w e l d i n gr o b o t ，w o r k s t a t i o n ，d e s i g n 插图清单 图2 1格尔发重卡驾驶室焊装生产线布局示意图。8 图2 2搬运机构示意图1 0 图3 14 群机器人焊接工作站布局示意图1 5 图3 2h x l 6 5 工业机器人操作机结构图( 含焊枪) 1 6 图3 3h x l 6 5 工业机器入焊枪结构图，1 9 图3 4龙门架装配示意图2 1 图3 5h 3 0 0 1 5 0 6 5 x 9 型钢截面示意图2 1 图3 6边梁受力状况示意图2 2 图3 7龙门架底部与地基连接示意图2 2 图3 8控制柜密封结构示意图2 3 图4 1转动关节连杆四参数示意图2 6 图4 2h x l 6 5 工业机器人结构简图2 7 图4 _ 3机器人工作站控制系统方案示意图3 7 图4 4控制系统主从站结构连线图3 8 图4 5主站控制器面板布置图4 1 图4 6s t 2 1 系列焊接控制器结构方框图5 5 图4 7s t 2 1 系列焊接控制器接线端子板布置图5 5 表格清单 表3 1h x l 6 5 工业机器人本体技术参数 表3 ，2h x l 6 5 s 工业机器人本体技术参数 表3 3h i 4 - - 0 0 0 0 型机器人控制柜的组成及功能 表4 1h x l 6 5 机器人各关节的结构参数 表4 2焊接参数设置一览表 表4 3焊接规范设置一览表。 1 6 1 7 1 8 2 7 6 0 6 3 符号清单 i s o 国际标准化组织 r i a 美国机器入协会 f 电极压力 r a d 。弧度( 角度单位) r a d s ，弧度秒( 速度单位) n m 牛顿米( 功单位) 摄氏度( 温度单位) k 开式度( 温度单位) r h 相对湿度 n 牛顿 k g 。千克( 重量单位) m 米( 长度单位) i 。梁的截面的惯性矩 w 。梁的截面抗弯模数 f m 。+ 。，挠度 m 。弯矩 盯应力 m p a ? 兆帕 c p u ( c e n t r a l p r o c e s s u n i t ) 中央处理器 i o 输入，输出 a c 一交流电 d c 直流电 x y i z ，坐标轴 a i 连杆长度 o i 连杆扭角 d i 连杆间距 0 i 关节转角 p l c 可编程控制器 s t l 语句表 l a d 梯形图 c s f 控制系统流程图 1 w 焊接电流 “焊接时间 m a 毫安( 电流单位) v 伏特( 电压单位) q - 欧姆( 电阻单位) h z 赫兹( 频率单位) 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导f 进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得盒目b 王些太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签字：佯霉豸签字日期：函年中月力日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金王些盔堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金 月b 王些塞堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名 障幸笫 导师签名 签字日期：加年年月力日 签字日期卅 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 电话 邮编 致谢 本人在硕士研究生课程学习和撰写学位论文的过程中，得到了导师刘光复教 授及刘志峰教授的悉心指导，无论从课程学习、论文选题、课题研制，还是到资 料收集、论文成稿，都倾注了他们的心血，由衷感谢他们在学业指导及各方面所 给予我的关怀以及从言传身教中学到的为人品质和道德情操。他们广博的学识、 严谨的治学作风、诲人不倦的教育情怀和对事业的忠诚，将是我终身学习的榜样。 同时，真诚感谢机械与汽车工程学院的王健强、丁苏赤、卫道柱等老师们在 学习和研究中给予的帮助，感谢周后贵、张天华同学在课题上的合作和探讨及在 生活上给予的帮助。 感谢在我求学期间一直在生活上、学习上默默支持我的父母和妻子。 感谢所有曾经帮助过我的老师、同学和朋友们。 作者：陈章勇 2 0 0 6 年3 月 1 1 引言 第一章绪论 机器人的诞生，是二十世纪人类科学技术发展的一项重大成就。2 0 世纪 6 0 年代初期，世界上第一台机器人诞生于美国，经过数十年的发展。机器人在 社会生活的各个领域为人类服务，作出了巨大的贡献，并愈来愈显示出其强大 的生命力，它广泛应用于机械制造业、航空航天工业、原子能工业、海洋开发 和医疗保健等行业中。在机器人大力发展及应用日益广泛的今天，机器人已被 人们看作是一种生产工具，在制造、装配及服务行业，机器人的应用取得了明 显的进步。 1 2 机器人技术的发展口】【3 】【7 】【8 】 机器人是机构学、控制论、电子技术及计算机等现代科学综合应用的产物， 世界上各主要工业强国对机器人都有自己的定义，国际标准化组织( i s o ) 定义 机器人“是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能操作机，这种 操作机具有多个轴，能够借助可编程操作来处理各种材料、零部件、工具和专 用装置，以执行各种任务”。美国机器人协会( r i a ) 定义机器人是“一种用于移 动各种材料、零部件、工具或专用装置的，通过程序化的动作来执行各种任务， 并具有编程能力的多功能操作机”。日本工业机器人协会定义“工业机器人 是在三维空间具有类似人体上肢动作机能及结构，并能完成复杂空间动作的、 多自由度的自动机械”。中国机械工业部定义“工业机器人是一种能自动定 位、可重复编程的多功能、多自由度的操作机。它能搬运材料、零件或夹持工 具，用以完成各种作业”。 工业机器人是机器人的一个主要分支，主要用于模仿人的上肢运动，代替 人进行某些工业劳动。工业机器人在现代工业上起着极其重要的作用，在汽车 制造行业的自动化中，工业机器人是一个主要的发展方向。工业机器人是机电 一体化的工业生产用自动化装置，它是为工业大生产而设计的，为了适应各种 不同的生产应用，其形状多种多样。作为一种现代化的生产工具，它能持久地 从事单调重复的劳动，动作准确性高，提高劳动生产率和产品质量、大幅度降 低产品成本并且能够代替人在危险或有害健康的恶劣环境下工作。 工业机器人主要有操作机和控制系统两部分组成，操作机具有和人手臂相 似的动作功能，可在空间抓放物体或进行其它操作的机械装置，由机械结构和 驱动传动装置组成：工业机器人的控制系统是工业机器人的动作指挥系统，它 支配工业机器人按规定的规律运动，具有指挥机器人动作、记忆运行信息和与 外部作业联系的控制功能。 工业机器人的发展大致经历了以下几个阶段：2 0 世纪6 0 年代，工业机器 人开始向实用化发展，并被用于焊接和喷涂作业中；2 0 世纪7 0 年代，机器人进 入实用化时代，日本处于领先地位：2 0 世纪8 0 年代，工业机器人开始普及， 汽车、电子等行业大量使用工业机器人，推动了机器人产业的发展；2 0 世纪9 0 年代初。工业机器人的生产与需求进入高潮期，还出现了具有感知、决策、动 作能力的智能机器人。随着信息技术的发展，工业机器入的应用领域也在不断 扩大。 1 3 焊接机器人技术的研究进展 焊接机器人是应用最广泛的工业机器人，汽车制造业是焊接机器人最主要 的应用领域之一。随着现代高技术产品的发展和对焊接产品质量、数量的需求 不断提高，以焊接机器人为核心的焊接自动化技术已有了长足的发展。焊接机 器人是焊接自动化的革命性进步，它为生产过程提供了柔性，使多品种、小批 量产品自动化焊接生产成为可能。由于机器人具有示教再现功能，完成项焊 接任务只需要人给它做一次示教，随后机器人即可精确地再现示教的每一步操 作。如果机器人去做另一项工作，无须改变任何硬件，只要对它再做一次示教 即可。因此，在一条焊接机器人生产线上可同时自动生产若干种焊件。目前国 内许多大型汽车制造企业已经在使用焊接机器人工作站，实现了车体的自动化 焊接。 与手工焊接相比，焊接机器人具有许多优点：稳定和提高焊接质量，提高 劳动生产率，可在有害环境下工作，实现小批量产品的焊接自动化及完成人工 难以进行的焊接作业等。 从诞生、发展到现在，焊接机器人的发展历程大致可分为三代： 第一代焊接机器人是示教再现型机器人，它主要有末端执行器、手臂和控 制器组成。控制方式比较简单，应用在线编程，由预先编制好的程序控制运行， 缺少感知自身和环境状态的能力，所以只能运行于固定环境中，缺乏对环境的 适应性。 第二代焊接机器人是带有许多不同功能传感器的离线编程焊接机器人，机 器人能通过传感器对外部环境进行实际探测，从而由这些反馈信息在事先编好 的算法和程序指导下对操作过程进行调整，其控制方式较第一代机器人要复杂 的多。与第一代机器人相比，第二代机器人更加具有柔性和安全性。 第三代焊接机器人，即智能焊接机器人。由于第二代焊接机器入的自身状 态和环境状态信息是非数值化的，人们希望机器人在工作中能够象人类样自 主接受和解释这些非数值信息，根据现场环境自行编程，具有高度适应性。由 此开始了第三代机器人的研究工作。【l 】【7 】 由于技术成熟，具有较高的精度，易于控制，第一代焊接机器人，即示教 再现型机器人在工业生产实际中被广泛的使用。所谓示教再现包括两部分：示 教部分，用户通过示教盒的按键控制各关节动作，引导机器人运动，使机器人 到达一些所要求的目标点，并将对应这些点的关节坐标值记录于存储器中，示 教点之间机器人的实际轨迹由控制系统采用样条函数进行插补自动生成。再现 部分，机器人控制器把示教而得的每一位姿从存储器中读出，利用示教获得的 路径参数控制机器人各关节的运动，实现与示教完全相同的作业任务。 目前，发达工业国家在焊接机器人研究领域处于领先地位，在操作机结构 上，以关节型为主流：在控制技术上，大多采用3 2 位c p u ，控制系统逐渐向基 于计算机的开放型控制器方向发展。a c 伺服成为主流驱动技术，新一代的智 能伺服驱动技术也已开始应用。1 2 8 焊接机器人研究正以前所未有的速度向高速 度、高精度、高可靠性、多功能化方向发展，离线编程机器人己成为主流机型， 而智能机器人的应用比重也在不断上升。焊接机器人的应用从单机向系统发 展，数十台机器人子微机及周边智能设备形成的多智能体在大型生产线上得到 了越来越多的应用。 在国外焊接机器人研究与应用大力发展的同时，我国也开始了焊接机器人 的研究应用。在引进国外技术的基础上，我国在“七五”期间对工业机器人进 行了攻关，经过二十多年的发展，在机器人操作机的设计制造技术、软件设计 技术、关键元器件、运动学和轨迹规划技术、机器人系统集成技术等方面取得 了长足的进展，并自行研制了一些焊接机器人。1 9 8 5 年，哈尔滨工业大学研制 成功我国第一台焊接机器人。随屠，北京机械工业研究所研制出喷漆机器人， 上海交通大学研制出具有弧焊和点焊功能的“上海一号”示教型机器人等。但 是，由于起步较晚，和国外相比，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平 与发达国家相比还有较大的差距，可靠性低于国外产品；生产线系统技术与国 外比相对落后：机器人应用规模小，没有形成机器人产业，等等。 随着焊接自动化技术的发展，焊接机器人工作站的应用越来越广泛，焊接 机器人工作站是以一台或几台焊接机器人为中心，配合夹具及相关的焊接控制 器件，实现对复杂工件的自动焊接的柔性加工单元。1 9 9 9 年，北京机械工业自 动化研究所机器人中心研制的a w 6 0 0 型弧焊机器人工作站，采用p c - f 控机控 制，于1 9 9 9 年4 月通过了国家机械工业局的鉴定。这种工作站不仅可以提高生 产系统的自动化水平，而且加工灵活性大。 1 4 焊接机器人技术的发展趋势和方向 对于第代焊接机器人系统，由于焊接路径和焊接参数是根据实际作业条 件预先设置的，在焊接时缺少外部信息传感和实时调整控制的功能，这类焊接 机器人对作业条件的稳定性要求严格，不能对焊接动态过程实时检测控制，无 法满足对复杂焊件的高质量和高精度焊接要求。为了克服机器入焊接过程中各 种不确定性因素对焊接质量的影响，提高机器入作业的智能化水平和工作的可 靠性，要求焊接机器人系统不仅能实现空间焊缝的自动实时跟踪，而且还能实 现焊接参数的在线调整和焊缝质量的实时控制。为了达到上述目标，国内外科 研人员围绕机器人焊接智能化展开了广泛的研究工作，具体可归纳如下：【l j 机器人焊接任务智能化规划软件系统设计：基本任务是在一定的焊接工作 区自动生成从初始状态到目标状态的机器人动作序列、可达的焊枪运动轨迹和 最佳的焊枪姿态，以及与之相匹配的焊接参数的控制程序，并能实现对焊接规 划过程的自动仿真与优化。 机器人焊接传感与动态过程智能控制技术：要求机器人能利用计算机视觉 技术实现被焊工件整体或局部环境的建模，为焊接任务及路径规划提供依据。 采用激光等技术途径识瓢焊缝准确位鼍及走向，正确引导机器入焊枪终端治实 际焊缝完成期望的轨迹运动。在焊接过程中能克服各种外界因素的干扰，对各 种参数实现在线检测与动态过程智能控制。 焊接机器人系统用电源配套设备技术：要求配置的电源系统应具有输出量 连续调节范围、优良的动态响应指标及较高的负载持续力。既能保证电弧过程 的持续稳定，又要便于机器人实时改变焊接规范以控制焊接质量。焊接电源与 中央控制器能够实现双向通讯，并与传感系统接口、实时控制接口及其它外围 设备有良好的电磁兼容特性。 焊接机器人运动轨迹控制技术：要求焊接机器人系统能根据对焊件感知、 焊接任务规划及焊缝传感的信息，实现对各种复杂空间曲线焊缝的实时跟踪控 制。 机器人焊接智能化复杂系统的控制与优化管理技术：机器人焊接智能化复 杂系统中对各种信息流的管理与控制，系统结构设计及整个系统管理技术的优 化。 机器人遥控焊接技术：实现极限环境中的焊接信息传感、机器人焊接的遥 控操作及焊枪精确运动的延时控制、极限环境下的焊接工艺研究等。 1 5 焊接机器人工作站研究的目的和意义 1 5 1 课题的来源 本课题来源于机械与汽车工程学院汽车装备工程技术研究所承担的江淮 重卡驾驶室机器人焊装线项目。课题的主要内容是根据重卡生产工艺的要求， 设计、制造一个位于重卡总拼生产线上的多焊接机器人工作站，包括焊接机器 人工作站的结构设计和工作站控制系统，实现多机器人协同作业，完成重卡驾 驶室补焊的自动循环工作。研制出的工作站要求具有结构紧凑、模块化功能强、 操作简便实用、工作安全可靠、性价比高等特点。 焊接机器人工作站工作效率高，生产成本低，焊接质量高，与人工作业相 比存在着较大的优势。但是，目前国内焊接机器人工作站的研制工作尚处于起 步阶段。且大多是单机器人工作站，对于重卡驾驶室总拼这样复杂的焊接任务， 必须采用多机器人协同工作。为完成这样复杂的工作站设计与制造，必须合理 的进行机械结构设计，为机器人在焊接工作过程中能持续稳定地高精度运行提 供基础保障。为了完成在复杂工作条件下对机器人的有效控制，需要对机器人 进行运动学分析，掌握机器人运行过程中每一个杆件相对于机器人基座的位置 和姿态的变化关系为确定轨迹规划的精度和机器人手臂的运动速度提供依 据。通过对机器人使用电阻焊枪工作过程中焊接参数对焊点质量的影响进行研 究，设置合适的焊接工艺参数，保证每一个焊点的焊接质量，从而保证整个驾 驶室的制造质量。本文将对这些问题进行研究与讨论。 1 5 2 研究的目的和意义 采用焊接机器人已经成为国内汽车生产企业提高产品质量和企业竞争力 的重要手段，江淮汽车在瑞风商务车生产线中大量应用了焊接机器人，其机器 人工作站全部为韩国现代汽车集团公司设计。重型卡车是江淮汽车集团的重要 产品，其驾驶室总拼焊接工作十分复杂，原来一直以悬挂式点焊机进行驾驶室 焊装，工人劳动强度大，质量难以控制，生产效率低下，难以适应市场需求， 采用点焊机器人进行焊接对提高车身焊装技术水平起着决定性作用，是提高车 辆品牌质量的重要措旌。 目前国内汽车生产线上的机器人焊接工作站大多是依靠进口，不仅价格昂 贵，而且维护不便；国内企业及科研院所在单台机器人焊接工作站上也做过不 少工作，主要是应用于封闭的单个机器人工作区域，但对汽车生产线上多机器 人焊接工作站的应用却介入不多。和国外相比，由于我国对工业机器人的研制 和应用起步较晚，虽然有些技术已比较成熟，但研究水平比起发达国家来还有 较大的差距，多机器人焊接工作站国产化的重要性迫在属睫。江淮重卡驾驶室 机器人焊接工作站具有结构紧凑、模块化功能强、操作简便实用、工作安全可 靠、性价比高等特点，通过系统集成技术成功解决了焊接机器人、总拼生产线 和焊接辅助设备之间的协调工作，系统具有较好的适应性和柔性。它的成功研 制，对于尽快改变我国车身焊接制造技术水平落后于发达国家的现状，缩短与 国外的差距，有着重要的意义。同时也可以为相关领域工程技术人员提供参考 和借鉴。 第二章重卡驾驶室焊装线技术 2 0 0 4 年，国内重卡市场一片繁荣景象，共销售重卡达3 7 万辆之多，增长 率达4 5 ，是汽车行业平均增长率的2 5 倍，成为汽车行业中当之无愧的重中 之重。预计未来几年重卡市场仍将保持1 5 以上的增长率。重卡市场诱人的前 景不仅使得现有的制造商纷纷扩充产能提高竞争力，还吸引了众多新的国内外 加入者。“格尔发”牌重卡是江淮汽车集团重点推出的一个新的品牌，项目投 资近3 亿元，年产能预计达到一万辆。“格尔发”牌重卡针对中国市场需求而 量身设计，充分运用了欧洲戴姆勒一克莱斯勒公司和韩国现代汽车合作技术， 改变了国内中端重卡主流产品完全基于“斯太尔”平台的局面。格尔发的上市， 完成了江淮汽车公司从底盘、轻卡、商务车、客车到重卡系列产品的布局，是 江淮汽车填补商务车空隙、丰富产品链、拓展市场空间的关键一环，标志着 江淮汽车完全拥有自主产权的国际化生产线搭建成功，将推动中国重卡市场格 局的进一步重新划分。 2 1 卡车驾驶室焊装生产线设计流程 驾驶室是卡车的主要组成部分，由数百片形状各异、厚度不等的冲压件通 过电阻焊牢固地连接在一起，从而形成驾驶室。卡车驾驶室焊装生产线是把这 些冲压件利用焊接夹具和焊接设备装配组焊成驾驶室总成的自动化设备，它通 常包括前围、左右侧围、后围、地板和项盖等焊接分总成拼焊单元及最后的总 拼生产线。 卡车驾驶室焊装线的设计制造水平对驾驶室的性能和外观质量等都有着 极其重要的影响。驾驶室焊装线的设计过程一般包括三个阶段： 一方案设计阶段 针对用户提出的要求，掌握产品生产纲领、产品性质、车间面积等基础数 据，进行焊装线的总体方案设计，并从可行性、经济性、先进性等各方面进行 综合评价，最终得到可满足用户需求的设计方案。 二初步设计阶段 确定焊装线的总体结构，包括结构布局、零件的主要形状和装配关系。这 一阶段决定了焊装线的零件数量、结构形状、材料以及精度要求，对产品的可 制造性、可装配性至关重要。在这一设计阶段，必须对结构方案所确定的零件 数量、种类、标准化程度等可装配性指标以及制造时间、成本和材料的加工性 能等可制造性指标进行分析、估算，如果时间和成本符合用户要求，可进- - f f 进行详细设计。 三详细设计阶段 6 对确定了的原理方案进行详细的装配图和零件图设计。应用三维软件设计 全部焊装输送线和焊接夹具，进行焊钳选型和三维模拟，编制全套产品的焊接 工艺卡。 在完成设计阶段之后，就可以进行制造、安装、调试并最终交付用户。整 个焊装生产线的设计流程可概括如下：下达设计任务书一总体设计方案一方案 评审一修改方案一客户方案会签一修改方案并定稿一完成总装配图或三维结 构设计一完成电气、液压、气动控制系统设计一完成产品二维工程图设计一审 核二维工程图一投产。 总拼生产线是卡车驾驶室焊装线中的核心部分，由于结构复杂，线上零部 件众多，需要考虑的因素较多，设计难度较大。因此，设计一条结构合理、技 术先进的总拼生产线需要有较高的专业技术知识及丰富的工程设计经验。 随着汽车制造技术的飞速发展，先进的汽车焊装生产线正向柔性化方向发 展，在一条生产线上生产两种或两种以上车型。由于不同车型的外形尺寸的差 距，将对焊接设备、夹具设备和运输设备等提出非常高的要求。实现柔性生产 可以节省场地、设备及人员等的多次投入，可阻根据汽车市场的波动调节各种 车型的产量。但是要实现汽车生产的柔性化，需要很高的技术作保证。 2 2 江淮重卡骂驶室焊装生产线概况 为了便于焊装，重卡驾驶室被划分为地板总成、侧围内板总成、侧围外板 总成、前围总成、顶盖总成及后围等几个分总成，各分总成又划分为若干个部 件，各部件又由若干个零件组成，因此，重卡驾驶室的焊装顺序是：零件一部 件一分总成一驾驶室总成。 江淮格尔发重卡驾驶室焊装生产线是各种焊接设备、夹具、输送设备的有 机组合，其作用是将冲压成型的各个零件经过组合、拼焊最终形成卡车驾驶室。 焊装生产线包括总拼生产线、地板总成拼焊区域、侧围内板总成拼焊区域、侧 围外板总成拼焊区域、前围总成拼焊区域和顶盖总成拼焊区域几部分。 各分总成的制造分成不同的区域，根据工艺流程的需要，以及最大限度地 减少输送线的输送距离，将地板总成拼焊区域设置在总拼生产线前方，侧围内 板总成、侧围外板总成、前围总成、顶盖总成等分总成拼焊区域在总拼生产线 两侧，拼焊完成后的分总成再搬运到总拼线进行总拼，总拼完成后的驾驶室由 专用吊具送至其它地方上车门，最后送至涂装车间喷漆。格尔发重卡驾驶室焊 装生产线的布局如图2 。l 所示， 地板总成和前围总成采用多工位人工拼焊，拼焊完成后用专用吊具直接搬 运到总拼生产线进行总拼及补焊；侧围内板总成、侧围外板总成经人工拼焊后 分别由人工搬运到3 # 和5 # 工作站上的侧围夹具活动走台上，定位夹紧后与车体 拼焊； 顶盖总成经人工拼焊后先搬运至顶盖机器人焊接工作站进行补焊，补焊完 成后自动搬运至总拼生产线与车身进行驾驶室的拼焊。 由于生产线上的控制信号繁多，要与各工位及设备连锁控制。数据交换量 大，根据车间的实际情况，采用了受可编程控制器( 简称p l c ) 控制的多种输送 方式：驾驶室在总拼生产线上的运输采用齿轮齿条啮合方式，前围总成及顶盖 总成采用伸缩杆吊具进行升降操作，行走电机带动吊具沿钢轨将工件输送至目 标工位，驾驶室总成拼焊完成后由吊具抓起通过连续式悬挂链送至下一道生产 工序。 123 4 1 一顶盖总成吊具1 2 一机器人3 一顶盖总成机器人补焊工作台 4 一顶盖总成吊具2 5 一地板总成吊具6 铡围夹具活动走台1 7 一前围夹具活动走台8 一龙门架 9 侧围夹具活动走台2 1 0 顶盖夹具活动走台 1 l 一前围总成吊具 图2 1 格尔发重卡驾驶室焊装生产线布局示意图 2 3 总拼生产线的组成 总拼生产线是将各分总成拼焊最终形成驾驶室的作业单元，采用多工位流 水式装焊，总拼线上有多个工作站，车身焊装的主要工作量分配在各工作站上 进行，通过合理的安排使每个工作站的工作时间大致相同，以提高生产效率。 总拼生产线主要包括搬运机构、焊接夹具和焊接设备几个组成部分。 2 3 1 搬运机构 搬运机构主要完成驾驶室在总拼生产线上的移动，将已经在各个工作站上 拼焊完毕的车身搬运到下一个工作站，进行下一道工序。 车身在总拼生产线上的运输具有输送距离短，位置要求比较准确，循环工 作的特点。根据这种特点，采用往复式输送线，往复式输送线是汽车生产线上 比较流行的一种输送形式。这种往复式机构分两大部分：升降部分和行走部分。 升降部分把输送线及车身提起和放下，采用液压油缸作为执行元件，承载能力 大，定位准确。在每个工作站下有一个垂直升降的液压油缸，垂直升程6 0 0 m m ， 另外在输送线下方设有几个斜置的辅助油缸，连接着一个支架，支架顶端安装 有滑轮，当输送线下降时，油缸杆缩回，支架的上侧面里水平状，与输送线框 架贴合，可以承担部分框架和车身的重量，支架的下侧面支撑在另一个短支架 上：当车身被抬起时，油缸杆伸出，支架在斜置的平衡油缸作用下绕回转中心 转动，端部抬升，顶部的滑轮与输送线托轨贴合，在输送线移动时起辅助支撑 作用。 行走部分由电机、齿轮、齿条机构组成，行走时电机带动齿轮转动，与固 定在输送线上的齿条啮合传动完成输送任务。为了防止电机启动电流过大，预 防由于高速行走的巨大惯性而导致对输送线两头挡板的碰撞，前后传送采用变 频电机，当电机启动和停止时采用低速运转，中途采用快速进给。输送线水平 行程4 4 0 0 r f i n ，行程开关加上各工作站上的地板定位孑l 销，可以保证水平行走机 构定位准确。 在输送线上设置有多个夹具，其作用是在输送线搬运时取代工作站上的固 定夹具，对驾驶室进行定位。 输送线运送车身向前行走时，为了不让车身在移动过程中与各工作站上的 固定夹具相碰，主线托轨必须处于上升位。返回时，为了让输送线上的夹具不 与车身相碰，托轨必须位于下降位。 搬运时，先启动气缸，安装在输送线上的夹具在气缸作用下由水平状态变 为垂直状态，夹具端部的销轴与驾驶室本体下部的定位孔对准，然后启动垂直 液压油缸及斜置的辅助油缸，输送线缓慢上升，各工作站上的驾驶室本体离开 工作站上的夹具，被输送线上的夹具固定。当输送线抬升到上升位时，电机转 动，输送线向前移动，将车身送至下一个工位，然后缓慢下降到下降位，将车 身放下到工作站定位夹具上，同时输送线上的定位夹具与车身分离，在气缸作 用下由垂直状态变为水平状态，待车身停稳后，电机反转，输送线后退个工 位，为下一次运输作好准备。搬运机构的示意图如图2 。2 所示。 2 3 2 焊接夹具 夹具是汽车焊接的必要装备，也是确保驾驶室装配质量的关键环节。为了 保证车身焊接质量及操作便利，夹具设计应选择最合理的定位夹紧方式，最大 限度地减少焊接变形，以满足装配精度。同时，焊接夹具对焊接柔性影响非常 大，夹具是否便于更换直接影响系统的柔性和生产效率。因此，为了真正实现 高效率的多品种生产，焊接夹具设计应充分考虑焊装工件在生产中的结构特性 及要求，不仅要保证工件定位准确，夹紧可靠，而且必须便于更换。 重卡驾驶室焊装生产线上分布着各种夹具，有气动控制的、液压控制的、 9 123456 78 a ) 停止状态 hi目- 1 l 早惩。j惩。i【 i l i lj b ) 搬运状态 1 一垂直油缸2 一齿轮齿条 3 一电机 4 异形支架 5 输送线 6 一斜置油缸7 辅助支架8 输送线上夹具 图2 2 搬运机构示意图 手动机械的，每个工作站上均有位于输送线两侧的固定式驾驶室本体夹具，选 择驾驶室底部钢板较厚，变形较小的地方，通过圆柱销实现对驾驶室车身的支 撑、定位，在输送线上相应的地方也有另一组夹具，在输送线进行搬运工作时， 驾驶室在被抬升后将脱离固定式夹具的限制，而输送线上的夹具此时将发挥作 用，继续对驾驶室进行定位夹紧。 在有添加工件的工作站，拼焊夹具以气动夹具为主，气动系统结构简单， 使用维护方便，成本低廉，气动执行元件的输出速度高，工作介质粘度小，对 环境无污染，容易获得，流动时压力损失小，圆而在汽车生产线上应用非常普 遍。在夹具的调整上预留充分的余地，在夹具设计上采用位置可调的定位块， 通过添加不同厚度的调整垫板，使夹具能与驾驶室车身实现紧密贴合。气动夹 具的所有动作都是由p l c 输出控制电磁阀，再由电磁阀控制气缸完成的。一般 将拼焊夹具设置在活动走台上，走台上有拼焊夹具支撑框架，所有拼焊夹具均 安装在支撑框架上，在输送线停止运动，允许焊接时，活动走台处于打开状态， 操作人员人工在待拼工件夹具上安装、夹紧待拼工件后，按下控制按钮，气缸 带动活动走台向车身靠拢，到位后可使待拼工件与车身的相关部位贴合在一 起，然后进行焊接。当需要更换产品类型时，只需对拼焊夹具本体进行改换， 活动走台及支撑框架本身不用更换。在需要添加工件的地方，如添加前围分总 成处，由于前围与输送线成垂直状态，无法设置较复杂的气动夹具，故采用一 些手工夹具进行定位、夹紧，在手工夹具上采用了连杆机构，当夹具处于夹紧 1 0 状态时，连杆机构处于死锁状态，不会因工作中产生冲击力而自动打开。 顶盖的吊具采用真空吸盘夹紧方式，当项盖在机器人补焊工作结束后，气 缸将补焊工作台及顶盖推至顶盖总拼吊具下方，提升电机驱动伸缩杆吊具下 降，当真空吸盘与顶盖贴合后，真空发生器开始工作，将项盖吸紧，同时四个 防掉落保护爪闭合，防止顶盖意外脱落。然后提升电机反转，将顶盖提升至高 处，然后行走电机转动，将顶盖搬运至6 # 工作站上方。保护爪打开，提升电机 驱动伸缩杆吊具下降至车身顶部，真空发生器停止工作，拼装夹具将顶盖与车 身夹紧等待焊接。 2 3 3 焊接设备 由于电阻焊焊接质量稳定，生产效率高，易于实现机械化、自动化，是焊 接薄钢板的主要工艺手段，因此，它被普遍应用于汽车制造工业中，尤其是电 阻点焊，如卡车驾驶室的拼焊过程，除了各种连接用的螺母与驾驶室部件的焊 接采用凸焊工艺外，数百片不同规格的薄板冲压件都是通过电阻点焊连接在一 起的，通常一辆卡车驾驶室有几千个焊点，若不采用高生产率的电阻点焊，则 无法实现年产几万辆卡车的生产目标。 重卡驾驶室总拼生产线上的焊接设备主要有两类： 1 悬挂式点焊机 悬挂式点焊机是目前汽车焊装生产线上的主要设备，一个重卡驾驶室焊装 车线一般有2 0 0 至3 0 0 台悬挂式点焊机，用于驾驶室的各个部件的装配点焊。 在驾驶室总拼生产线两侧及各分总成生产工位都安装有悬挂式点焊机，这 种点焊机适用于焊件比较重或比较大，而且焊件移动困难的场所。它由焊钳、 变压器、控制器等组成，分散安装，其中控制器与焊接变压器安装在一起，悬 挂在距离地面一定高度的地方，变压器与焊钳之间通过电缆和软管组件连接， 包括电线、压缩空气管、冷却水管以及连接启动开关的导线。 由于悬挂式点焊机具有一定的可移动功能，其使用范围大，因此焊接工作 非常灵活，如果焊钳与变压器之间的连接管束足够长，焊钳可以深入车身内部 进行焊接。悬挂式点焊机在重卡驾驶室焊装生产线上主要用于零部件的拼焊及 一些机器入焊枪无法到达区域的补焊，根据焊接部位的不同，可以选择c 型、 x 型或其它型式的焊钳，在各个分总成焊接区，均使用悬挂式点焊机进行拼焊 工作。每个悬挂式点焊机的焊钳都配备平衡器，可以减轻操作人员的操作负荷， 其缺点是焊接周期较长，效率较低，焊点质量与操作人员的水平有关，劳动强 度较大。对于一些距离较远的焊点，需要多人配合才能完成焊接。 2 点焊机器人 为了提高汽车焊装线的自动化程度，减轻操作者的劳动强度，提高工作效 率，保证焊接质量，在许多现代化的汽车焊接生产线上，采用点焊机器人来代 替笨重的悬挂式点焊机，同时还可以适应产品的多样化生产。点焊机器人在一 个生产线上所占的比例，可以反映出该生产线的自动化程度。 点焊机器人通常包括机器人本体、控制拒、示教器等几部分，并根据工作 的需要选择相应型式的一体式气动焊枪，焊枪通过法兰盘与点焊机器人的末端 相连接。一体式焊枪是将变压器和焊钳制成体，使点焊机器人所需要的驱动 功率和最大负重大大的减小，并能改善焊机的电气性能，提高电源的热效率， 具有节能、焊接工艺性能好等优点，并能提高控制精度和响应速度。一体式焊 枪的结构型式一般有c 型和x 型两种，根据工件的结构形式、材料、焊接规范 以及焊点在工件上的位置分布来选用焊钳的形式、电极直径、电机闯的压紧力、 两电极的大、小开口状态下的开度尺寸和焊钳的最大喉深、最大喉宽等参数。 焊枪电极的张开和闭合是由压缩空气通过气缸驱动的，这会带来两个局限，一 是两电极的张开度一般只有两级，根据工件情况在编程时选择大或小的张开 度：二是电极力是通过调节气源的输入压力来达到的，一体式焊枪大多选用恒 压力传动机构，在焊接前电极力通过调节气缸的入口压力来调定，电极力一旦 调定，在焊接中不能变动。机器人焊枪配合点焊机器人进行工作时焊接效率高， 质量可靠；缺点是机器人价格昂贵，难以大面积使用。 2 4 总拼生产线上的焊接工作站 工作站是总拼生产线上的作业工位，所有焊接工作均在工作站上完成。总 拼生产线采用手工作业工作站和焊接机器人工作站相结合的半自动化生产方 式，适度实施自动化。在有添加工件组装拼焊的工作站，一般采用手工作业方 式，采用人工上下工件，手工拼焊的方式，除了配备悬挂式点焊机、驾驶室定 位夹具、以及向总拼线控制器发送工作站工作状况的操作控制台以外，并配备 有安装添加工件的专业夹具和固定专用夹具的活动走台。在不需要添加工件进 行拼焊，只是对拼焊后的驾驶室进行於焊的工作站，由于补焊工作量大，采用 焊接机器入进行作业，可以充分发挥焊接机器人工作效率高，焊接质量稳定的 特点，使整个总拼线的生产节拍得以加快。 根据生产任务的实际状况，总拼生产线上共有8 个工作站，各工作站任务 分配如下：l # 站放置由人工控制的吊具搬运来的地板总成，等待搬运：2 # 工作 站进行后围的手工拼焊；3 # 1 1 作站进行侧围内板与前围的手工拼焊；4 # 工作站 进行机器人补焊，5 # 工作站进行侧围外板拼焊，6 # 工作站进行顶盖手工拼焊， 7 # 工作站进行机器人补焊，8 # 工作站等待由吊具抓起通过连续式悬挂链送至检 测线。 第三章重卡驾驶室焊接机器