（机械设计及理论专业论文）白车身机器人焊装自动线关键装备技术的研究.pdf

白车身机器人焊装自动线关键装备技术的研究 摘要 焊装是汽车车身制造过程中十分重要的工序之一。白车身焊装技术和焊装 线装备水平均是提高整车产品质量和生产效率的关键因素。 本论文结合乘用车白车身结构与主要焊装工艺，对机器人焊装自动线的组 成及其关键装备进行了分析，并重点对机器人末端执行器和焊装线柔性合装台 夹具进行了研究，通过运用c a t i a 软件对焊装夹具进行虚拟开发设计，建立了 基于c a t i a 的参数化、模块化、标准化设计方法和d m u 模拟仿真流程，并构建 了基于c a t i a 的计算机辅助设计库。 关键词：焊装自动线；机器人末端执行器；合装台夹具；计算机辅助设计 r e s e a r c ho nk e ye q u i p m e n to fb i wr o b o t i cw e l d i n ga s s e m b l y l i n e a b s t r a c t w e l d i n gi sav e r yi m p o r t a n tp r o c e s si nb o d y i n w h i t em a n u f a c t u r e t h el e v e l o fw e l d i n gp r o c e s st e c h n o l o g ya n dw e l d i n ga s s e m b l yl i n ee q u i p m e n tt e c h n o l o g y a r ek e yf a c t o r st oi m p r o v et h eq u a l i t ya n de f f i c i e n c yo fv e h i c l em a n u f a c t u r e i nt h ep a p e r r o b o t i cw e l d i n ga s s e m b l y1 i n ea n dt h ek e ye q u i p m e n tw e r e a n a l y z e d a n db i ws t r u c t u r e s a n dw e l d i n gt e c h n i q u ew e r ed i s c u s s e d r o b o t e n d e f f e c t o r sa n db o d ya s s e m b l yj i ga r eh i g h l i g h t e di n t h er e s e a r c h w i t ha p r a c t i c a lc a s es t u d yo nt h eji gc a d o nc a t i a ，ap a r a m e t e r i z e d ，m o d u l a r i z e d ，a n d ， s t a n d a r d i z e dd e s i g nm e t h o da n dd m us i m u l a t i o np r o c e s s a r ea n a l y z e da n d i m p l e m e n t e do nc a t i a ，a n dac a dc a t a l o gi ss e t u po nc a t i a k e y w o r d s ：a u t o m a t i cw e l d i n ga s s e m b l yl i n e ；r o b o te n d e f f e c t o r ；b o d ya s s e m b l y j i g ；c o m p u t e ra i d e dd e s i g n 插图清单 图2 1 非承载式车身4 图2 2 承载式轿车车身4 图2 3 奥迪a u d i a 8 轿车全铝车身及其激光焊接5 图2 4 机器人对白车身进行点焊5 图2 - - 5 点焊工艺示意图j ：5 图2 6 机器人弧焊工作站6 图2 7 车身板件分解示意图8 图2 8 奇瑞汽车机器人焊装自动线8 图2 9 北京奔驰一戴克公司机器人焊装自动线一8 图2 1 0 焊装线机器人_ 1 0 图2 一l l 六自由度机器人各轴分布1 0 图2 1 2 机器人运动范围l o 图2 一1 3 机器人示教器及其界面1 1 图2 一1 4 机器人末端执行器( 左图为抓具，右图为焊枪) 1 3 图2 1 5 机器人末端执行器的自动更换1 3 图2 1 6 机器人自动工具更换装置a t c 1 3 图2 1 7 机器人工具坐标系1 4 图2 1 8 车身通过滑撬进行输送1 5 图2 1 9 辊床与滑撬1 5 图2 2 0 顶盖自动上料装置1 6 图2 2 1 项盖自动上料过程示意图，1 6 图2 2 2 卧式自动上料机1 7 图2 2 3 回转式自动上料机1 7 图2 2 4 焊装夹具的分类1 8 图2 2 5 一种典型的气动定位夹紧组件1 9 图2 2 6 多工位机器人焊装自动线整线布局2 l 图3 一lx 型机器人焊枪：2 2 图3 2c 型机器人焊枪2 2 图3 - - 3 机器人抓具焊枪2 3 图3 4 机器人g e o 抓具对顶盖进行焊装：2 4 图3 5 机器人g e o 抓具：2 4 图3 6 机器人g e o 抓具的柔性焊装功能2 4 图3 7 顶盖定位与点焊过程2 5 图3 8 销定位的定位误差2 6 图3 9g e o 抓具与辅助夹具的锁止方式及其结构2 7 图3 1 0 吸盘组件2 7 图3 一l l 模块化定位和夹钳组件2 7 图3 一1 2 连杆式压紧机构2 8 图3 一1 3 机器人普通抓具2 8 图3 1 4 机器人抓具对侧围的搬运与安装j ：2 8 图3 1 5 机器人抓具对地板组件的抓取2 9 图4 1 预拼工位与合装工位3 0 图4 2 车身合装夹具的分类一3 1 图4 3 翻转式合装夹具3 1 图4 4 导轨平移式合装夹具一3 1 图4 5 垂直旋转式柔性合装台( 右侧围部分) 3 2 图4 6 多框架导轨式柔性合装台3 3 图4 7 多框架机器人抓取式柔性合装台3 3 图5 1 车身薄型板件焊装夹具布局优化模型示意图3 6 图5 - - 2 关键点分布示意图3 6 图5 - - 3 普通三维工件的定位方案3 7 图5 4 轿车侧围主控点m c p 的分布图4 0 图5 5 车身焊装主控截面m c s ( m a s t e rc o n t r o ls e c t i o n ) 4 0 图5 6 柔性合装工位布局：4 1 图5 7 柔性合装工位设备设置( 左侧局部) 4 l 图5 8 轿车车身空间坐标系4 2 图5 9c a t i a 三维设计目录树j 4 3 图5 1 0 焊接工艺卡4 3 图5 1 1 基于c a t i a 的焊装夹具零件设计，4 4 图5 一1 2 两种类型标准化转接块4 7 图5 1 3 标准化转接块三维数模库4 7 图5 1 4 标准化支撑座三维数模库4 7 图5 1 5 菱形销和圆形销的主要参数4 8 图5 1 6 模块化气动夹紧单元4 9 图5 1 7 模块化气动夹紧组件三维数模库j 4 9 图5 1 8 三维参数化标准件数模库分类4 9 图5 一1 9 标准件库的编辑5 0 表格清单 表2 1 低碳钢焊接参数选择6 表2 2 两种激光器特点的比较7 表2 3 机器人示教编程和离线编程的比较1 2 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下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注和致谢的地方外，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 金8 垦王些太堂 或其 他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一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。 学位论文作者虢多咋签字日期：叫睥汐月吵日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金日巴王些太堂有关保留、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，允许论文被查阅和 借阅。本人授权金匿王些盔堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 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：多难 口聊”争月矽日 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 删鸣 签字日期：州k 年牛月 电话： 邮编： 致谢 在论文完成之际，首先向我的导师王健强教授致以最衷心的感谢。 本文是在导师的悉心指导下完成的，从论文的选题、研究方案的确定 到论文的书写与审阅，始终得到了王老师的关心、指正和鼓舞。他为本文 工作的顺利完成提供了优良的环境和便利的条件。 在我的硕士研究生学习期间，导师渊博的知识、敏锐的洞察力和孜孜 不倦、严谨的治学态度都深深影响了我，使我受益匪浅。同时十分感谢他 在生活中对我的关心和爱护。 感谢家人这么多年来对我物质和精神上的全力支持，无论是在学习上 还是生活上都给予了我很大的帮助。 感谢2 0 0 7 级研究生0 7 班的全体同学、我的兄弟姐妹，感谢你们几年 来对我的一如既往的支持和帮助! 王玮 2 0 1 0 年3 月2 0 日 第一章绪论 1 1 白车身机器人焊装自动线国内外发展状况 汽车车身是一个由薄型钢板冲压件焊接而成的复杂组合体。焊装是汽车车 身制造过程中十分重要的工序之一。在轿车车身生产中，车身的装配质量很大 程度上影响着整车的性能与安全性。因此，车身的总体制造水平体现了汽车的 生产技术水平，车身焊装工艺和焊装线装备水平便成为提高整车产品质量和 生产效率的关键因素。 1 1 1 国外发展状况 汽车车身焊装线经历了四个阶段：6 0 年代以前的运用大量悬挂式点焊机进 行人工作业阶段：6 0 8 0 年代初期的采用多点自动焊接技术和人工简单操作机 械手进行焊装作业的阶段；8 0 年代中期至9 0 年代末的车身焊装线柔性化方向 发展以及以工业机器人取代人工作业的自动化焊装阶段：进入二十世纪以来的 高度自动化、柔性化多工位混流机器人焊装自动线阶段。 美国、德国、日本等汽车工业发达国家，经历了二三十年的发展，工业机 器人在汽车焊装线中的应用已经相对成熟。据统计，发达国家汽车行业机器人 应用数量占总保有量的2 3 4 一5 3 ，目前年产每万辆汽车所拥有机器人台数 为( 包括整车和零部件) ：日本8 8 o 台，德国6 4 o 台，法国3 2 2 台，英国2 6 9 台，美国3 3 8 台，意大利4 8 0 台。美、欧、日各发达国家( 地区) 汽车工业 中焊接机器人的数量以每年8 一l o 的速度增长。仅2 0 0 3 年汽车制造业中每l 万名产业工人拥有的工业机器人数量，法国达到了g l o 台，德国1 0 0 0 台，日本 1 4 0 0 台。工业机器人的大量使用使焊装自动线实现了多工位、柔性化、混流化。 例如，德国大众( v o l k s w a g e n ) 汽车公司位于沃尔夫斯堡( w o l f s b u r g ) 的“高 尔夫”、“宝来 焊装厂所设置的3 条平行布置的混流柔性焊装线，采取多工位 和多机器人进行点焊以及激光焊接作业使其日产量达到2 4 0 0 辆；日本丰田的雷 克萨斯( l e x u s ) 位于t a h a r a 的制造厂使用了近6 0 0 台工业机器人用于车身焊 接、物料搬运和上下件等作业从而实现了车间的无人化焊装生产；此外，美国 通用汽车( g m c ) 的机器人焊装自动线，其车身焊装夹具广泛采用了“模块化 和“柔性化设计，使其组装灵活、适用于多种车型的焊装作业。 从几十年来的发展历程可以看出汽车车身焊装线的发展趋势，即：由普通 的单一车型向着多车型柔性化焊装的方向发展；焊装线由人工、机械半自动化 作业向着多机器人作业的全自动方向发展；焊装线装备由结构和控制方法简单 和功能单一向着结构复杂、与工业机器人系统集成控制的方向发展。 1 1 2 国内发展状况 我国于2 0 世纪9 0 年代开始引进国外机器人焊装线技术，近二十年来，机 器人焊装自动线极大地提高了我国汽车产量和生产效率，目前我国年产量十万 台以上的汽车厂均采用机器人进行车身焊装作业。进入二十一世纪以来，我国 汽车企业的焊装线已经接近世界先进水平，机器人焊装线在主流汽车生产企业 已经被广泛采用。据统计，“十一五”期间汽车制造业的机器人需求市场容量将 达到8 0 0 多亿人民币，2 0 1 0 年机器人拥有量将达到1 7 3 0 0 台，预计到2 0 1 5 年 市场容量约为十几万台套陋3 。我国通过引进技术与技术合作，也建成投产了一 批自动化程度较高的汽车车身机器人焊装线。例如，我国上海大众汽车的轿车 三厂采用了全新工艺设计的车身焊装线，设置了6 1 台工业机器人，并对车顶以 及后盖采用世界先进的激光钎焊技术从而确保车身的尺寸稳定，保证了所生产 p a s s a t 车型的焊装质量；位于长春的一汽轿车车身厂焊装车间共设置1 0 5 台机 器人，其中的奥迪a u d ia 6 和宝来两种车型的焊装线均采用k u k a 机器人实现点 焊、激光焊、弧焊、工件搬运等多种操作。 1 2 本课题研究的意义、内容和目标 1 2 1 研究意义 随着机器人焊装自动线的广泛应用及其关键装备技术的不断发展，一些发 达国家，如德国、美国等已经建立了一整套较为完善的焊装自动线机械装备设 计、模拟仿真的理论和方法。机器人本体、一体化焊枪等作为通用产品被广泛 应用，与之相匹配的柔性合装台焊装夹具、机器人柔性末端执行器、物料自动 输送机构等非标准化装备同样在设计理论、方法和流程等方面达到了很高的水 平；因而设计效率得到了提高，设计费用却大大降低阳叫，。经过多年努力，我国 在工业机器人以及汽车焊装线技术方面取得了较大进步和发展，设计研发并相 继投产了一批与机器人工位相配套的具有自主知识产权的专用机械装备，但是 我国在此领域内的研究还相对薄弱，和发达国家之间仍然存在着一定的差距。 主要体现在：没有完全掌握机器人焊装线关键技术，没有建立一套较为完整的 规划和设计方法，没有形成一套完整的优化及评价理论，高水平的大型焊装自 动线关键技术及其装备的自主研发能力仍然需要进一步提升。 因此，本课题紧密结合生产设计实例，具有很强的理论和现实意义： ( 1 ) 在保证白车身焊装精度的前提下，提高焊装自动线的柔性程度，达到 “一线多车 ，缩短了汽车更新换代的准备周期，极大降低了投资成本。 ( 2 ) 以适应机器人焊装自动线的多种柔性末端执行器、柔性合装台焊装夹 具、自动上料机构取代传统焊装线设备，极大地提高工作效率、减少人工作业。 ( 3 ) 建立基于c a t i a 软件的三维设计和模拟仿真的方法与流程。 ( 4 ) 基于c a t i a 软件构建的三维零件库和标准化、模块化、参数化设计方 2 法。 ( 5 ) 提高我国汽车及其装备制造业的自主创新能力、加快实现车身焊装生 产的全自动化、提高装备自主研发水平。 1 2 2 主要内容和目标 本文以一条a 级轿车车身的多工位机器人焊装自动线项目为依托，通过参 与其中部分装备的设计、研究，制定出主要内容和目标： ( 1 ) 根据焊装线整体规划、工序要求和机器人型号，对机器人末端执行器、 车身柔性合装台夹具和自动上料机构进行选型、设计，使之符合总体规划要求 和机器人工位作业特点。 ( 2 ) c a t i a 环境下的三维设计。通过在c a t i a 环境下研究复杂汽车覆盖件 的建模技术，解决在c a t i a 车身数模基础上进行车身柔性合装台夹具的三维设 计开发的方法和流程。 ( 3 ) 通过研究，提出柔性合装台夹具、机器人末端执行器等关键装备的计 算机辅助设计工程库体系结构，包括：参数化标准件知识库的构建，以及集中 研究知识表达、知识获取以及知识库的管理。 ( 4 ) 以实际装备为例，进行c a t i a 环境下的参数化、模块化、标准化设计 的方法研究及其d m u 技术的实例化分析。 第二章车身焊装工艺与自动线装备 2 1 自车身及其主要焊装工艺 21l 自车身概述 白车身( b o d yi nw h i l e ) 1 5 - 6 一般指车身生产流程中完成车身焊装但未进 行涂装工艺的、形状复杂的白皮车身，其结构为空间薄型壳体。此外，白车身 还包括车身制件、车门等，但不包括车身附属设备和装饰件。 白车身具有以下特点： ( 1 ) 形状复杂。自车身由形状不同的薄型冲压板件组成，其造型均为复杂 曲面。 ( 2 ) 薄壁结构。组成白车身的冲压件多为厚度在08 12 m m 的薄型钢板。 ( 3 ) 良好的表面质量。自车身直接体现了整车的外观，包括顶盖、车门外 板等在内的很多板件均为外部覆盖件，不仅对尺寸、形状要求很高，而且要求 表面无损伤。 汽车车身分为：非承载式车身、承载式车身和半承载式车身。如图2 1 所示为非承载式车身。其特点是具有独立的剐性车架，车身通过缓冲元件等安 装在车架上，因此车身本体承载能力相对较弱，其负载主要由车架承担。一般 大、中型货运汽车由于其载重量较大而采用非承载式车身，此外也有部分客车 或乘用车采用非承载式车身设计。 图2 一l 非承载式车身图2 2 承载式轿车车身 承载式车身不具有剐性车架而依靠车身本体空间结构直接承载车身固有载 荷以及行驶过程中的运动载荷；为了提高车身刚性和承载能力，在发动机舱、 前围、倒围、地板总成等关键部位进行了结构加强处理。目前大多数轿车均采 用承载式车身设计。 半承载式车身利用螺栓联接、铆接或焊接等联接方式将车身与车架作刚性 联接，车架仍然是承受各种载荷的基础，车身一方面用于加固车架另一方面也 分担部分载荷，其承载方式可视为上述两种的鲒合。 一个典型的承载式轿车白车身如离2 2 所示。采用承载式的轿车车身具有 质量轻、质心低、高速行驶稳定性好等方面的优点。承载式轿车车身板件包括 以下几种类型： ( 1 ) 车身覆盖件( c o v e rp a n e l ) ：用于包覆车身骨架的表面板件，具有较 大面积或区面形状，其主要功用为封闭车身、体现车身外观造型及增大结构强 度和刚度薜，因此对于表面质量要求较高。例如；项盖外板、车门辨板等。 ( 2 ) 车身结构件( s t r u c t u r a im e m b e r b o d ys t r u c t u r e ) ：一般指梁、支柱 等，是支撑覆盖件的车身结构零件。它是车身承载能力的基础，对保证车身要 求的结构强度和刚度非常重要。 ( 3 ) 结构加强件：主要用于加强板件的刚度阻及提高各构件的联接强度。 212 白车身主要焊装工艺 自车身是一个复杂结构件，车身钢板经过冲压后形成不同的车身板件，其 材料大都是具有良好焊接性能的低碳钢，目前部分高档轿车也采用强度高、重 量轻的铝合金车身( 如图2 3 所示) 。各种冲压板件均需要通过焊接以形成具有 一定刚度、强度和电好外形的白车身，因此焊接成为了现代车身制造中应用最 为广泛的联结方式，包括电阻焊、电弧焊、气焊、钎焊和特种焊等”，在白车 身焊装线上晟为常见的是电阻焊，包括点焊( 又分为单点焊和多点焊) 、缝焊和 凸焊。随着激光技术的不断发展，如德国奔驰( b e n z ) 、奥迪( a u d i ) 、大众( v w ) 等轿车车身部分采用了激光焊接工艺。 图2 3 奥迪a u d i 8 轿车全铝车身及其激光捍接 圈母i 点焊时产生的热量w 为： w 2 q ) r o ) 4 ( 2 一1 ) 式中：w 一焊接时产生的热量( j ) t 广一焊接电流通过时间( s ) i ( t ) 一一通过扳件的焊接电流( a ) r ( t ) 一一两电极闻电阻( n ) 由公式2 1 ，影响焊接热量的因素包括：焊接时通过电流i ( t ) 、车身板件 电阻r ( t ) 、电流通过时间t 。生产实践中i ( t ) 和t 确定，而r ( t ) 受车身板件 表面粗糙度、不同板件之间间隙、焊枪两电极问压力大小等因素影响。 通常焊接热量在一个区域内变化，生产实践中根据表2 一i 所示经验数据进 行选择“1 。 表2 1 低碳钢焊接参数选择 焊接件厚度m z焊接电流“通电时间s电极压力n 3 5 0 0 5 0 0 000 8 03 0l 一03 3i2 0 0 0 一1 6 0 0 0 ( 2 ) 弧焊工艺 弧焊是利用电弧放电所产生的热量将焊条( 焊丝) 与工件焊接处的材料互 相熔化井在冷凝后形成焊缝，从而获得牢固接头的焊接过程。由于电弧焊过程 中的高温在空气中会使金属氧化而影响焊接质量，故弧焊通常采取气体保护。 根据保护气体的种类，弧焊分为：熔化极惰性气体保护焊( m e g ) 、熔化极混合 气体保护焊( m a g ) 、钨极氩弧焊( t i g ) 、c o ：保护焊等：根据电极类型可以分为 熔化极气体保护捍和非熔化极气体保护焊。如图2 6 所示为一个机器人弧焊工 作站，主要包括：工业机器人、弧焊设各、清枪剪丝装置、变位机及其焊装夹 具、控制系统和安全系统等。 嚣 舞 越 豳2 6 机器 9 n 佯上作站 ( 3 ) 激光焊接工艺 激光焊接工艺即采用激光作为焊接热源，利用其极高的加热能力，将大量 能量集中在很小的焊接点上，实现了薄板的快速联接。机器人通过激光焊接器 将激光束打在金属板件的焊接部分边缘，输入的能量将金属加热并熔化。激光 束作用后熔化的材料迅速冷却，在此过程中部分热量进入被焊接板件中。在焊 接减少热变形的同时，也减少了输入的热能量，从而减少因热量影响产生的变 形，保证了焊接精度，极大提高了车身焊接质量和效率。 激光焊接设备主要由激光器、导光系统、焊接机和控制系统等组成。目前 用于激光焊接的激光器主要有两种：c 0 。气体激光器和y a g 固体激光器。两者特 点比较如表2 2 所示。 表2 2 两种激光器特点的比较 波长 输出功率 光纤传输光学部件运行消耗与维护 pm c 0 2 采用特殊材料光学部件消耗气体，清理电 1 0 6 大不可 激光器 ( z n s n ，g a a s 等)极麻烦 y a g 必要时更换泵浦 1 0 6小可 采用普通光学部件 激光器 灯，维护简单 激光焊接具有如下特点。引： 降低焊缝体积，实现了将焊缝宽度控制在o 5 l m m ； 激光束控制较为灵活，能够对其它焊接方法难以达到的位置进行焊接； 对冲压成形性能影响较小； 在焊缝上附加镀锌后，可保持其阴极保护功能； 热量输入小，深宽比大，因此热影响区小，工件收缩变形小。 2 1 3 白车身焊装工艺流程 承载式轿车车身的组成板件具有数量多、种类多、造型复杂等特点，因此 其焊装流程复杂、工序较多。目前国际上广泛采用了“分级焊装的流程模 式，即：若干零件冲压板件焊装成组件，若干组件焊装成总成，各总成焊装成 白车身。如图2 7 所示，本文项目中的某型轿车车身“分级焊装”模式包括了： 地板总成( u n d e r b o d ya s s e m b l y ) 、发动机舱总成( e n g i n er o o ma s s e m b l y ) 、左 侧围总成( s i d eb o d ya s s e m b l yl h ) 、右侧围总成( s i d eb o d ya s s e m b l yr h ) 、 顶盖总成( r o o fa s s e m b l y ) 等几大总成以及各车门总成( d o o ra s s e m b l y ) 、行李 箱与箱盖( l u g g a g ec o m p a r t m e n tw i t hd e c k l i d ) 、翼子板等( f e n d e r ) 。 7 图2 7 车身扳件分解示意图 2 2 机器人焊装自动线的组成及特点 机器人焊装自动线是以工位( s t a r i o n ) 为基本单位，咀工业机器人取代人 工作业，通过对机器人和其它所有相关设备集成控制，按照预先制定的工艺流 程完成白车身焊接拼装的高度自动化流水线，一般由机器人系统( 包含工业机 器人本体、机器人末端执行器、机器人控制器、示教器等) 、线体设备( 包含车 身输送设备、焊装夹具、工件上料装置等) 、焊接设各( 包括焊枪、焊机、焊接 控制器等) 、安全防护、检测以及工厂物流等子系统组成。机器人与各设备和子 系统间墟过总线连接而形成一个大型综合自动化系统如图2 - 8 和图2 - g 所示。 大型机器人焊装自动线不仅焊接作业全部由工业机器人来完成，而且大部 分的物料搬运，特别是车身侧围、顶盖等焊接总成件均由工业机器人来完成， 从而实现了车身焊装的全线“自动化”、“柔性化”。 机器人焊装自动线及其关键装备具有以下特点q2 1 ： ( 1 ) 大量采用机器人焊接、取送和搬运车身工件，极大提高了生产效率、 实现生产节拍的精确控制、获得稳定的焊接质量。 ( 2 ) 充分利用工业机器人多自由度的特点，通过相应柔性焊装设备实现多 种车型共线焊装，极大提高了焊装线柔性程度。 ( 3 ) 。关键装备均具有适应机器人作业特点，其方案需要参照机器人运动特 点进行设计和计算机模拟仿真，通过对机器人的运动路径进行规划和优化，避 免了机器人与自车身和其他设备之间出现干涉。 ( 4 ) 通过机器人作业程序的优化和多机协作控制技术，实现在一个工位上 完成更多工件的焊装，降低生产节拍、减少工位设置，使得主线占地面积减少。 ( 5 ) 控制系统较为复杂，涉及机械、电气、气动、p l c 、机器人示教及离线 编程等技术。 ( 6 ) 安全级别较高，生产区域封闭，避免了人工操作可能产生的劳动伤害。 2 3 焊装机器人系统 焊装机器人系统包括了工业机器人本体、机器人末端执行器、机器人控制 器、示教器等。 2 3 1 六自由度工业机器人 工业机器人是高科技机电一体化产品，其技术是集机械工程、电气工程、 计算机科学、控制工程、电子技术、传感器技术、人工智能以及仿生学等学科 为一体的综合性技术n 引。随着科技的不断进步，工业机器人在各领域内均得到 了十分广泛的运用。 六自由度工业机器人由开式运动链机构所组成，其与传统的闭式运动链机 构所组成的机械化和自动化系统装备存在着本质性区别。六自由度工业机器人 可以在其作业空间内的任意位置、任意方向独立或协同地进行作业，并且受工 作环境影响小。此外，通过机器人内部控制系统可以实现按其控制程序迅速调 整机器人动作程序，使一台机器人可以完成多种类型作业，使其环境适应性大 大提高。因此，通过多台六自由度工业机器人及其它多种工装设备进行集成控 制，可以构成一种更加灵活、更加柔性、具有多用途的自动化生产系统。 白车身焊装自动线是六自由度工业机器人应用的一个典型领域n 卜1 钊，每个乘 用车白车身6 0 以上的焊点是由六自由度工业机器人来完成的。六自由度工业 机器人本体如图2 1 0 所示。 9 。i 蕊 黪 图2 一1 2 机器人运动范围 六自由度工业机器人及其构成的焊装系统具有如下特点： ( 1 ) 机器人本体有6 个自由度，通过安装于伺服滑台( 外部轴) 可以获得 7 个自由度，因此安装面积小，工作范围大，保证了焊点的可达性： ( 2 ) 快速完成小节距的多点定位( 例如每03 04 s 移动3 0 5 0 m m 的节 距后定位) 并且获得较高的定位精度( o 2 5 衄) 以确保作业质量： ( 3 ) 负载范围大( 5 0 3 6 0 k g ) 以便携带不同质量的末端执行器； ( 4 ) 通过集成控制，实现了机器人的焊接速度、搬运速度与线体各相关设 备的速度相匹配，使生产节拍能够得到精确控制： ( 5 ) 棚器人既可以按照预先离线编程又可以根据现场示教生成的固定程序 进行作业通过更改程序完成不同作业，内存容量大、示教方便； ( 6 ) 机器人系统对于焊装现场环境变化的反应可以通过外部传感器的触发 得以实现： ( 7 ) 机器人作业区域外侧安装围栏和安全光幕避免人员和其他物体侵入阻 保证生产区域内的绝对安全。 2 3 2 机器人的运动控制 运动控制是机器人控制系统的主要任务。机器人运动控制有点位控制和连 续轨迹控制两种基本方式： ( 1 ) 点位控制( p t p p o i n tt op o in tc o n t r 0 1 ) 点位控制方式仅对于机器人在目标点的位姿进行控制，而不控制起始点与 目标点之间的运动轨迹。其特点是：控制过程简单、运动速度较快一般用于 点焊、工件或物料的抓取和搬运等作业。 ( 2 ) 连续轨迹控制( c p c e n t ir i u o l lsp a t hc e n t r 0 1 ) 连续轨迹控制方式根据机器人连续运动所经过的运动轨迹进行控制。其特 点是：机器人运动平稳、确保预先规划路径上各点的位姿精度：控制过程较点 位控制方式复杂，需要通过各种插补运算、进行多轴脉冲的同时分配和协调控 制，一般多用于弧焊、涂装毗及切割等作业， 目前，大部分机器人均采用p t p + c p 的综台运动控制方式，并通过相应的机 器人语言对动作进行描述和控制。 机器人的运动控制可以通过示教和离线编程“7 。”两种基本方法实现： ( i ) 机器人示教 机器人示教再现( t p - - t e a c h l n g p l a y b a c k ) 是一种常见的基本控制方式。 其控制系统核一e l , 是“示教编程”和“自动翻译”两个过程。“示教编程”指：示 教人员在现场通过示教器( 如图2 1 3 所示) 操纵机器人，使其末端运动至所需轨 迹点并记录在该点时各关节伺服电机编码器信息，通过命令形式确定运动至该 点的速度、精度咀及插补方式等，再由机器人控制器按照这些命令查找相应的 功能代码并存放于某个指定示教数据区内。“自动翻译”指：在上述示敦编程的 再现过程中，机器人控制器自动逐条读取示教命令等数据，通过解读、计算作 出判断后将相应的控制信号和数据送至机器人各关节伺服系统，通过伺服电机 驱动机器人精确地再现示教编程的动作。 屠纂 图2 1 3 机器人示教嚣盈萁界面 ( 2 ) 离线编程( o l p 一一o f f l i n ep r o g r a m m i n g ) 离线编程是机器人编程语言的拓展。以计算机图形学理论为基础，建立起 机器人及其工作环境的模型，再利用规划算法，通过对三维数模的控制和操作， 在不使用实际机器人情况下进行轨迹规划等编程，进而产生机器人程序。与传 统的示教编程相比，离线编程具有如下优点： 无需现场真实设备环境，减少机器人现场调试的时间； 可以结合各种人工智能等技术提高编程效率并且程序易于修改； 便于同c a d c a m 系统相结合，实现c a d c a m r o b o t i c s 一体化； 大大减轻编程人员现场作业量并提供了安全的计算机编程环境。 常用的机器人离线编程软件主要有r o b c a d ，w o r k s p a c e ，i g r i p 等。 运用r o b c a d 软件进行机器人离线编程，各种型号的工业机器人和末端执行 器三维数模均存入数模库；建立工作单元，设置所有工位设备和机器人模型后 进行离线编程。 机器人离线编程主要实现以下功能： 对焊点进行仿真，确定焊点可达、无干涉； 根据仿真结果修正规划的位置和姿态，包括：焊点信息的设置、焊枪 运动轨迹的优化、焊枪姿态等； 对机器人坐标、车身坐标、焊枪t c p 等进行标定，使其与离线编程系 统中的坐标一致； 将离线编程得到的程序导入机器人控制器后，机器人利用此程序完成 作业。 离线编程需要针对机器人设置准确的位置和工具信息，这些信息数据将写 入程序中，包括：机器人b a s e 坐标系、工具t c p 坐标和负载等信息。o l p 程序 的调试可以通过r o b c a d 的自动校准功能配合对机器人位置的三坐标测量方法 进行校准以保证虚拟与现实的一致性。 示教编程和离线编程的比较n 们如表2 3 所示 示教编程 离线编程 依赖机器人设各及真实现场环境 依靠计盟加数件平台、所有设各= 绋数樟 操作机器人设备进行编程利用仿真试验程序进行 对示教人员的经验要求高借助c a d 方法进行最佳轨迹的规划 对复杂的运动轨迹编程困难可实现复杂运动轨迹的编程 2 3 3 机器人末端执行器 机器人末端执行器是机器人用来执行各种具体作业所用工具( t 0 0 1 ) 的总称 ( 如图2 二1 4 所示) 。它与机器人第六轴末端法兰盘相联接。焊装线机器人系统 1 2 棉鬻、 厣惫。 氩碱 謦隔 中心为原点建立一个直角坐标系，亦称为“法兰盘坐标系”，将t c p 定义在此坐 标系中并以数据的形式汜录在工具文件里。此外，可以利用多个文件对应记录 多个t c p 数据。机器人尚未安装调试前，其工具立件中的数据均为霉因此， 末端执行器( 工具) 安装完毕后必须进行t c p 的设定。由于在生产实践中为了 提高效率和柔性，同一台机器人通过a t e 选择并联接多个工具，因此当各工具 作业点不同时需要对每个工具分别进行设定。 坐标系的选择：当点焊机器人按照p t p 或c p 的控制方式进行运动时，其过 程是在以机器人原点为基准的关节坐标或b a s e 直角坐标中进 亍控制点移动的。 除此之外，常用的还有工具坐标系和用户坐标系等。 ( 1 ) 工具坐标系 当工具文件中的控制点位置数据和工具位姿数据等设定完毕之后，以控制 点为原点，以工具在作业时的有效方向为2 铀的直角坐标系称为“工具坐标系” ( 如图2 - l7 所示) 。基于此坐标系的示教过程中以工具的三维方向进行移动， 因此适合于工具仅沿工件作平行移动而保持姿势不变的情况。 圉2 1 7 机器 工具坐标系 ( 2 ) 用户坐标系 以工件或者焊装夹具为基准而设定原点和三维方向的直角坐标系称为“用 户坐标系”。在某些工位，需要由一台机器人对应多台焊装夹具或其它设备，此 时需要分别设定用户坐标系并在示教时使控制点在相应用户坐标系中进行运 动。以机器人抓取工件为例，可以将用户坐标系设置于抓具上以简化示数过程。 此外，当机器人本体在壁挂或倒悬等非标准状态下安装时，用户坐标系符合示 教的方向习惯。 通过机器人系统内部的信息处理软件可以实现各坐标系之间的自动转换， 即可以将控制点的同一位置点精确地自动换算到机器人关节坐标系中从而避免 了在实际示教过程中进行坐标系之间的人工挟算。 24 车身输送系统 汽车车身在焊装线各工位之旬的移动通过一套输送系统来完成。常见的焊 装线车身输送方式有：台车式、交差臂步进式和辊床滑撬式等”。 ( 1 ) 台车式输送系统。车身依靠台车在吾工位间进行自动化输送。使用台 雠i蠢 ， 车输送时，由于车身的基准统一因此定位精度高：由于不同车身可以使用不同 台车输送，而且新增产品时只需增加相应台车，使得车身输送的柔性程度太大 提高。但是台车的存贮系统较为复杂，且占地面积大。 ( 2 ) 交差臂步进式输送系统。利用电机、气动或液压等方式驱动齿轮齿条 带动变差臂机构完成动作循环来输送车身工件，分为同步式和非同步式两种， 其中同步式应用较为广泛。采用交差臂步进式输送系统的焊装线设各结构较为 复杂、投资较大；但占地面积小，车身运行平稳，重复定位精度能够达到03 m r n - 满足机器人点焊或者弧焊的基本应用条件。同步式交叉臂输送系统运动方式为： 一台由变频器控制的电机驱动齿轮齿条机构作往复运动实现水平输送；一套由 双向气缸推动斜楔机构的平移来驱动交叉臂实现升、降运动。 ( 3 ) 辊床滑撬式输送系统。滑撬在多台辊床上连续运动来实现车身水平输 送( 如图2 1 8 和图2 一1 9 所示) 。其特点是整条焊装线的输送系统由多台相同辊 床组成，辊床上带有自动升降机构，实现车身在不同工位之间的输送。 辊床设置两台电机，其中一台通过同步带驱动滚轮转动。滑壤依靠自身重 力( 满载时外加白车身重力) 通过滑轨与滚轮间的摩擦力沿线体方向水平运动 输送车身；另一台电机通过同步带驱动两组凸轮作旋转运动从而实现顶升功能。 其工作过程为：滑撬与车身输送到某一工位后停止，电机正转，凸轮将滑撬和 车身降下并在主线定位机构上进行定位；作业完毕后电机反转，凸轮将滑撬和 车身顶起，再通过滚轮将其输送到下一工值。 鼍露、 ，一一 t 5 一一 孽隳辣2 。一瓿 黪叠 图2 一1 8 车身通过滑撬进行输送 图2 1 9 辊床与滑撬 25 自动上料系统 机器人焊装自动线的上料系统由多种类型的自动上料机组成，其目的是为 所需工位自动提供车身板件，具有临时储料、自动送抖、工件有无检测等功能。 通过与工业机器人实现集成控制，自动上料机的功能、设计与动作循环均与该 工位机器人相匹配。大型机器人焊装自动线安全级别非常高，生产过程中焊装 区域内绝对禁止人员出入，因此自动上料系统成为完全替代人工上料的一种安 全有效的方式。 25 l 顶盖自动上料机 项盖焊装工位的自动上料采用一种立体式自动上料机( 如图2 2 0 所示) 。立 体式自动上料机整体为四根方形钢管立柱焊接而成的框架结构，分为上下两层， 立柱底部有调整螺母，调整并确定上料机水平位置后与基板( b a s e ) 焊牢。基 板通过高效能化学螺栓与地基紧固。 圈2 2 0 顶盖自动上料装置 上料机工作过程如图2 2 l 所示：叉车先将装满顶盖的料架置于a 位，满料 架从 位水平移动至b 位供机器人抓取顶盖，当顶盖用完后空料架垂直下降到 c 位再水平移动到d 位供叉车取走。各料架在 。b ，c ，d 四个位置间的运动通过 电机以链传动的方式实现，实现了叉车取、送料架和机器人抓取顶盖的同时进 行、互不干扰。 图2 2 l 顶盖自动上料过程示意图 上料机每个料架存储1 0 张顶盖，根据要求由叉车将不同顶盖料架放置于料 架a 位即可。上料机具有料架自动识别功能，通过与车型识别系统信号对接， 对叉车送来的顶盏类型进行判断，如与车型不符则以声光报警形式输出。 自动上料机的内端( 机器人作业端) 和外端( 叉车作业端) 分别在焊装线 工作区域安全护栏的内部和外部，为了保证自动线的安全性，护栏开口部分通 过安全光幕确保人员不会在作业时进入。 鸯 2 j2 其他自动上料机 ( 1 ) 卧式自动上料机 卧式自动上料机通过电机驱动和链传动实现步进式上料功能，如图2 2 2 所示。主要用于外形尺寸较小工件的上料。托架通过定位销对工件定位以保证 精确输送到机器人抓取位簧，通过工件传感器发出的信号控制电机的启动和停 止。其特点是：机器a 在端取料的同时另一端进行补料，提高了自动上料效 率，但卧式自动上料机长度大般用于补料处距离机器人较远的工位。 幽2 - 2 2 卧式自动上料机 蝌2 2 3 回转式自动上 4 机 2 ) 回转式自动上料机 回转式自动上料机( 如图2 2 3 所示) 通过一台伺服电机带动一组内齿轮 传动的方式驱动个框架式回转台。回转台上安装了长方体框架，其中的两个 作业面设置了定位料架，通过定位销对工件进行定位，每料架均可以定位放霄 1 0 个工件。工作时通过回转台的转动使得其中一面料架为机器人供料时，另一 面料架进行补料。其特点是：体积小、结构紧凄、机器人取料和补料作业可咀 同时进行，提高了自动供料效率。 2 6 焊装夹具 乘用车自车身绝大多数由薄形冲压板件焊接而成。因此在焊接装配过程中， 需要一种对车身各组成件进行定位并夹紧，从而使焊接过程符合工艺要求并保 证车身焊装精度的工装设备，这种工装设备统称为焊装夹具。 焊装夹具有多种类型心2 3 ( 如图2 2 4 所示) ，一般由b a s e 、定位组件、夹 紧组件以及辅助系统组成。 图2 - - 2 4 焊装夹具的分类 ( 1 ) b a s e 是焊装夹具的安装、测量基础，所有定位组件、夹紧组件和其 它部件均安装在b a s e 上。因此b a s e 平面的表面粗糙度和各组件安装孔的位置 和尺寸精度要求较高。 ( 2 ) 焊装夹具的定位组件通常利用销、定位块等将车身工件进行精确定位。 当工件尺寸较大时( 例如侧围总成) ，夹具需要借助粗导向装置进行辅助定位。 ( 3 ) 焊装夹具的夹紧组件通过夹钳机构的闭合实现对工件的夹紧。为了保 证焊接过程中安全可靠，夹钳均具有自锁性。 ( 4 ) 辅助系统根据焊装夹具类型的不同而