（机械工程专业论文）德龙驾驶室地板纵梁机器人焊接工作站应用研究.pdf

中文摘要 论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 德龙驾驶室地板纵梁机器人焊接工作站应用研究 机械工程 陈大艳 董鹏敏 康群( 摘要 德龙驾驶室生产过程中，地板纵梁的焊接质量关系到整个驾驶室的安全性、可靠性， 其焊缝多，且焊缝较短，是驾驶室焊接总成生产中的瓶颈工位。 通过对德龙地板纵梁焊接】j h - v 特点的分析，结合焊接机器人加工特点以及所焊工件 工艺性和生产纲领要求，对德龙地板纵梁机器人焊接工作站进行总体设计，重点就机器 人工作站整体设计，工作站控制系统设计，机器人弧焊方式及焊接工艺参数的选择等关 键技术进行研究。提出用于德龙驾驶室地板纵梁机器人弧焊的解决措施。最后总结了焊 接机器人在焊装车间的应用经验及存在的问题。 该机器人工作站的应用提高了德龙驾驶室地板纵梁的焊接质量和生产效率，降低了 工人劳动强度，适应产品多样化的特点，可为公司创造巨大经济效益。 关键词：地板纵梁焊接机器人工作站控制系统弧焊 论文类型：应用研究 英文摘要 s u b j e c t ：d e l o n gc a bf l o o rs t r i n g e ra p p f i c a f i o nr e s e a r c ho fr o b o t i cw e l d i n gw o r k s t a t i o n s p e c i a l t y ：m e c h a n i c a la n de l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g n a m e ： i n s t r u c t o r ： a b s t r a c t h lt h ed e l o n gc a b p r o d u c t i o np r o c e s s ，t h ef l o o rr a i lw e l d i n gq u a l i t yi sr e l a t e dt ot h ee n t i r e c a bs a f e t ya n dr e l i a b i l i t y , a n dt h en u m e r o u sw e l d i n gl i n e s ，b e c o m et h eb o t t l e n e c kp r o c e s si n t h ep r o d u c t i o no ft h ed e l o n gc a b a s s e m b l y a n a l y z i n gt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ed e l o n gc a bf l o o rs t r i n g e rw e l d i n gp r o c e s s c o m b i n e d 啪t hw e l d i n gr o b o tp r o c e s s i n gc h a r a c t e r i s t i ca n dw e l d i n gp r o c e s sa n dr e q u i r e m e n t so ft h e p r o d u c t i o np r o g r a m ，t h ed e l o n gf l o o rs t r i n g e rw e l d i n gr o b o tw o r k s t a t i o nd e s i g n i n gf o c u so n t h ed e s i g no fw h o l er o b o tw o r k s t a t i o n ，t h ec o n t r o ls y s t e mo f t h ew o r ks t a t i o n ，t l l em e m o do f r o b o ta r cw e l d i n ga n dw e l d i n gp r o c e s sp a r a m e t e rs e l e c t i o nw h i c ha r et h e k e yt e c h n 0 1 0 9 yt o r e s e a r c h ，p r o p o s e dt h es o l u t i o n sf o rt h ea r cw e l d i n gr o b o t si nt h ed e l o n gc a bf l o o rs t r i n g e r f i n a l l ys u m m a r i z e st h ew e l d i n gr o b o ti nw e l d i n gw o r k s h o pa p p l i c a t i o n e x p e r i e n c ea 1 1 d e x i s t i n gp r o b l e m s 1 1 1 ea p p l i c a t i o no ft h i sr o b o tw o r k s t a f i o ni m p r o v e st h ed e l o n gc a bf l o o rr a i l w e l d 吨 q u a l i t ya n dp r o d u c t i v e e f f i c i e n c y ，r e d u c i n gt h e i n t e n s i o no ft h e w o r k i n gl a b o ra i l d c 。1 m o 咖i n gt o t h ec h a m c t e r i s t i co ft h em u l t i f o r mp r o d u c t i 。n s ，m e a n w h i l e b r i n g i n gm e h u g e n e s se c o n o m i c a lb e n e f i tt ot h ec o m p a n y k e yw o r d s ：n o o rs t r i n g e r w e i d i n gr o b 。t w 。r k s t a t i 。n c 。n t r o ls y s t e m a w e l d i n g t y p eo ft h e s i s ：a p p l i e dr e s e a r c h i i i 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 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。随着汽车制造业的发展及对焊接质量、数量等的要求，实现汽车焊接的自动化、 柔性化与智能化已经成为必然趋势，采用机器人焊接已经成为焊接技术自动化的主要标 志。焊接机器人的出现使得小批量产品自动化焊接生产成为可能。据统计，至2 0 0 5 年， 我国工业机器人拥有量达到约7 0 0 0 台。每年新增工业机器人的台数和总量都在快速增 长，截止2 0 0 9 年年末，我国已有工业机器人约3 1 4 0 0 台，而其中焊接机器人占近5 0 。 在汽车行业的机器人应用主要以焊接机器人和喷涂机器人为主，其中，焊接机器人占7 5 以上。在焊接机器人中，弧焊机器人和点焊机器人的应用范围最广、数量最多，这些焊 接机器人的应用在一定程度上缩小了我国与欧美等发达国家在焊接工艺水平上的差异， 提高了汽车白车身的焊接质量。 1 2 焊接机器人技术与发展现状 自1 9 6 2 年推出世界上第一台工业机器人以来，截止2 0 0 5 年底，全世界在运行中的工 业机器人共有9 1 4 0 0 0 台。其中应用最广泛的工业机器人是焊接机器人。所谓焊接机器人 就是代替焊工从事焊接作业的工业机器人，焊接作为“工业裁缝”，是工业生产中非常重 要的加工手段，焊接质量的好坏对产品质量起决定性的影响。以电子技术、信息技术及 计算机技术综合应用为标志的焊接机械化、自动化系统乃至焊接柔性制造系统成为现代 世界范围内的各种焊接技术及焊接系统中的重要特点，使实现焊接产品制造的自动化、 柔性化与智能化己成为必然趋势。机器人焊接与人工焊接相比具有以下优势：提高了焊 接质量及生产效率，降低了工人劳动强度，改善了工人作业条件，可以实现焊接生产线 柔性化等【l 】。 从诞生、发展到现在焊接机器人的发展历程主要分为三代1 2 ： 第一代是指基于示教再现方式的焊接机器人，机器人操作简便，运行过程中还可以 在示教时修正运行过程中的误差，已经大量的应用在焊接生产中【3 】。 第二代是指基于传感器的离线编程机器人，这其中的关键技术就是机器人焊接传感 技术、仿真技术及离线编程技术，目前己经进入实际应用研究阶段，很快就能推广应用 【4 j o 第三代是指智能焊接机器人，主要通过人工智能技术控制方法实现机器人根据现场 环境自行编程，具有高度适应性，目前正处于研究阶段【5 1 。 目前，国内外大量应用的焊接机器人系统主要还是第一代的，既示教再现型机器人。 西安石油大学硕士学位论文 所谓示教再现就是通过机器人示教盒操纵机器人关节轴运动到目标位置，并将各关节轴 的坐标值记录在存储器中，机器人示教点之间的运动路径由机器人控制系统自动生成， 再现时，机器人控制器根据示教时记录的数据从存储器中读出来控制机器人各关节轴的 运动，从而实现与示教时完全一致的运行路径 6 1 。 我国焊接机器人的应用主要集中在汽车、摩托车、工程机械、铁路机车等几个主要 行业。一汽公司是我国最早引进焊接机器人的企业，1 9 8 4 年起先后从k u k a 公司引进 了3 台点焊机器人，用于当时“红旗牌”轿车的车身焊接和“解放牌”车身顶盖的焊接。 1 9 8 6 年成功地将焊接机器人应用于前围总成的焊接，并于1 9 8 8 年开发了机器人车身总 焊线。 2 0 世纪9 0 年代初，上海大众引进的进口设备焊接自动化程度远远高于我国当时的 技术水平。随后二汽在货车及轻型车生产线上也开始采用了机器人焊接技术。可以说2 0 世纪9 0 年代以来的技术及工艺装备的引进使我国的汽车制造水平由原来的作坊式生产 提高到规模化生产，并且大量的引进了焊接机器人。焊接机器人的应用主要分为点焊和 弧焊两种方式，点焊机器人与弧焊机器人在汽车行业上的比例为3 ：2 ，其他行业大都是 以弧焊机器人为主，在总的应用数量上大有超过点焊机器人之势。目前在我国应用的机 器人主要有日系的安川、o t c 、松下、f a n u c 等公司，欧系的德国k u k a ，瑞典a b b ， 和奥地利i g m 公司的产品。国产机器人主要是沈阳新松机器人公司产品。我国虽然已经 具有自主知识产权的焊接机器人系列产品，但却由于没有价格优势、可靠性及控制水平 与国外公司还有一定差距等原因，导致不能批量生产，形成规模盯1 。 近年来，随着国内人力劳动力成本的不断增加，而机器人的价格指数又不断降低的 情况下，当减少员工与增加机器人的设备投资之间达到某一平衡点的时候，采用机器人 比采用人工更有优势，且机器人的应用技术已经很成熟，因此工业机器人在各行各业的 应用已经越来越普遍哺1 。 随着机器人控制技术的进步，定位精度的提高，机器人电弧焊在汽车制造中的应用 越来越普遍，其主要特点是柔性，很适合被焊工件品种变化大、焊缝短而多、形状复杂 的产品。目前焊接机器人的编程方法主要还是采用在线示教方式，其优点是简单方便， 在现场直接操作机器人就可完成，还可修正机器人机械结构带来的误差，缺点是无法在 生产中完成调试。 随着计算机三维图形技术的发展，机器人离线编程技术得到很快的发展。机器人离 线编程及仿真技术是利用计算机三维图形建立机器人及其工作环境的模型，在三维图形 环境下通过“虚拟示教”的方法来获取焊缝轨迹的坐标位置，最后将离线编程所得的程 序转换成机器人能识别的程序，通过通信接口导入到机器人控制器中国1 0 1 。其编程界面 友好、方便，目前，国际市场上已有的机器人离线编程软件有w o r k s p a c e 、r o b c a d 、 r o b o t s t u d i o 等。其中r o b o t s t u d i o 是a b b 机器人公司自己开发的系统，基于w i n d o w s 操作 系统，用户操作方便，但机器人模型仅限所产机器人模型，具有一定的局限性。编程语 2 第一章绪论 言也采用了a b b 机器人的r a p i d 编程语言，可作为机器人操作训练平台及培训使用。系统 图形模型可通过导入c a t i a 文件格式模型来实现1 。通过机器人离线编程及仿真技术可以 对机器人的选型、工艺布局的合理性、生产节拍均衡等关键点进行验证，确保系统的准 确性、合理性u 2 。 随着技术的进步，工业领域对焊缝质量的要求越来越高，机器人焊缝跟踪系统也得 到了很快的发展，所谓机器人焊缝跟踪，就是焊接机器人能够实时的根据焊缝的实际位 置来调整焊枪的运动路径。其主要由三部分组成：传感器、控制系统、执行机构。作为 焊缝位置的检测元件，选用可靠、灵敏的传感器至关重要，目前我国应用比较多的是电 弧式、机械式和光电式，虽然电弧式和机械式传感器结构简单，价格便宜，但存在一定 的使用局限性。未来的发展方向是光电式传感器，其中视觉传感器最引人注目，有着可 靠性高、图像清晰直观等优点。机器人焊缝跟踪系统的应用大大提高了机器人的作业性 能和对环境的适应性n 3 1 4 1 5 1 。 机器人控制系统是机器人的大脑，是决定机器人功能和性能的主要因素。控制系统 向着基于p c 机的开放型控制器方向发展，更加标准化、网络化。随着元器件集成度的提 高，控制柜越来越小，且采用分层和模块化结构设计，以实现系统的开放性。大大提高 了系统的可靠性及可维修性。控制系统的性能进一步提高，人机界面更加友好。机器人 控制器的标准化和网络化，以及基于p c 机网络式控制器己成为研究热点。目前机器人的 应用由单台机器人工作站向机器人生产线发展，机器人控制器的联网技术变得越来越重 要。控制器上具有串口、现场总线及以太网的联网功能。可用于机器人控制器之间和机 器人控制器同上位机的通讯，便于对机器人生产线进行监控、诊断和管理。瑞典a b b 和 德国k u k a 公司的新型机器人控制器可通过c a n b u s 、p r o f i b u s 等总线进行联接，使机器人 向着标准化、网络化方向发展n 6 | 。 焊接机器人分点焊机器人和弧焊机器人两种，可通过单机焊接机器人或多机的焊接 机器人生产线等方式进行应用。点焊机器人主要用于汽车车身的焊接，弧焊机器人的应 用更加广泛，主要用于汽车车身、车桥及减速箱等的焊接。弧焊机器人的应用追求的目 标是“满足工件空间曲线高质量的柔性焊接”，与点焊机器人相比较，对工件的一致性及 装配精度要求高，操作、维修人员技能要高。当前焊接生产自动化的发展方向是以弧焊 机器人为主体，配合多自由度变位机、先进的焊接电源、机器人动态仿真、离线编程技 术和焊缝跟踪系统等先进技术的应用。 随着我国加入w t o ，我国经济的发展和国际正在接轨，国内竞争和国际竞争的界限 将越来越模糊，改造过去的生产方式和管理模式已迫在眉睫。在焊接领域也是如此，采 用自动化焊接提高生产率和产品质量已是大势所趋。 西安石油大学硕士学位论文 1 2 焊接机器人应用系统 焊接机器人应用系统主要包括机器人技术、焊接技术及工艺装备和系统控制技术几 个方面，采用系统集成的方法合理高效的将焊接机器人应用于现代制造业的焊接生产线 上n7 。焊接机器人应用系统主要是结合机器人技术，根据生产要求做好焊接技术和系统 控制技术的工作。目前，焊接机器人经过三十几年的发展技术已经很成熟，主要有欧系 的德国的k u k a 公司、瑞典的a b b 公司、奥地利的i g m 公司，日系的o t c 、m o t o m a n 、p a n a s o n i c 、 f a n u c 公司。焊接技术及工艺装备主要有焊接工艺方法、焊接夹具及工艺布局等方面。在 国内，焊接设备供应厂商通过系统集成的方法将机器人技术、焊接技术及系统控制技术 有机的结合在一起。 1 焊接机器人系统的硬件主要包括： ( 1 ) 焊接机器人包括焊接电源系统、焊枪系统以及控制器。根据焊接电源系统主要 可分为弧焊机器人和点焊机器人。 ( 2 ) 焊接工装夹具主要满足工件的定位、夹紧，确保工件准确定位、减小焊接变形。 满足系统柔性化生产要求。 ( 3 ) 夹具平台夹具平台是满足焊接工装夹具的安装和定位，它是根据工件焊接生产 要求和焊接工艺要求的不同，设计的形式也不同。它对焊接机器人的应用效率起到至 关重要的作用。通常都以它的设计形式和布局来决定其工作方式。 ( 4 ) 控制系统主要对焊接机器人系统的硬件的电气系统控制。一般采用p l c 作为主控 单元，配以人机界面触摸屏作为人机交互和监控单元以及现场操作站。 2 焊接机器人系统常用的几种方式u 8 | ： ( 1 ) 单工位焊接机器人工作站。由一台变位机和焊接机器人组成的工作站，焊接夹具 通过变位机进行变位来实现工件各焊缝位置的焊接。在人工装卸工件时机器人处于等待 状态，机器人利用率低，适用于小批量的焊接生产应用。 ( 2 ) 单工位双机器人工作站。由一台单轴或双轴变位机与两台焊接机器人组成的工作 站，要求两台机器人、机器人与外部轴变位机进行相互协调工作。焊接夹具由变位机进 行变位并与两台机器人联动来实现各焊缝位置的焊接。采用两台机器人可提高生产效率、 减小工件的焊接变形，适用于工件焊缝多，冲压件焊接变形大的焊接生产应用。主要用 于汽车车桥、摩托车车架、悬架等生产线中。 ( 3 ) 双工位焊接机器人工作站。由两台单轴变位机、两套夹具与一台或多台机器人组 成的工作站。两件工件在两副焊接夹具上进行交替焊接，当工件在一副焊接夹具上焊接 的同时，在另一副焊接夹具上对工件进行装卸，该方式机器人的利用率达到9 0 以上。 目前，该方式应用比较广泛。 ( 4 ) 四工位焊接机器人工作站。该方式是由四台单轴变位机+ 回转平台与一台或两台 机器人组成的工作站。四台外部轴变位机带四副夹具对称分布安装，通过外部控制实现 4 第一章绪论 对称交替焊接，这种焊接方式可提高机器人的利用率，适合多品种工件的焊接生产应用。 ( 5 ) 定位运动滑台焊接机器人工作站。由外部轴变位机、一轴或两轴运动滑台+ 焊接 机器人组成的工作站。焊接机器人固定安装在一轴或两轴运动滑台，在滑台上进行水平、 上下定位运动，适用于工件尺寸大的焊接应用。目前在工程机械、机车车厢上应用广泛。 ( 6 ) 机器人焊接生产线。该方式是由焊接自动物流线与焊接机器人工作站组成的自动 生产线。工装夹具随物流传输线进行传输，在焊接机器人工位进行定位装夹。通过对工 装夹具的合理设计可实现多品种工件柔性化焊接生产。机器人焊接生产线具有生产效率 高、适合柔性化生产的特点，应用越来越广泛。 3 机器人焊接夹具设计原则 机器人焊接夹具在设计思想方法上有自己的设计原则和规范，与传统手工夹具完全 不同。机器人专用夹具要求精度高，能适应机器人自动焊接的要求。同时还要考虑给机 器人焊枪留有足够的空间，因为机器人焊枪相比手工焊接焊枪要大一些。对于弧焊机器 人焊接工艺的夹具结构，除了要满足传统焊接夹具设计思想，还应该考虑到机器人手臂 轨迹控制的难易程度、轨迹运行的稳定性以及路径规划，还有夹具在工作状态时，其操 作面的位置是否对焊枪运动轨迹控制有所影响。焊接机器人系统的生产节拍相对较短， 夹具出现磨损或变形也必然较快，尤其是夹具承受冲击载荷的部位，对这些部位应设计 成可以调整或更换的结构，保证夹具的定位和夹紧口钔啪1 。 4 焊接机器人系统控制技术 焊接机器人系统控制系统的任务是要实现对焊接工作站上各设备的动作控制，及时 了解整个工作站的工作情况，而且必须能够及时发现生产中出现的故障，立即予以报警， 保证焊接过程安全可靠。 传统的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统，其主要特点是现场层设备与控 制器之间的连接是一对一所谓i o 接线方式，信号传递4 2 0 m a 或2 4 v d c 信号，系统主 要特点缺点是：信息集成能力不强，系统不开放、可集成性差，专业性不强，可靠性不 易保证，可维护性不高。现场总线技术的主要特征是采用数字式通信方式，使用一根电 缆线连接所有现场设备。目前世界上存在着大约四十余种现场总线，其中不到十种的总 线占有8 0 左右的市场，主要有：p r o f i b u s 、d e v i c e n e t 、c a n b u s 、l o n w o r k s 、h a r t 、 i n t e r b u s 。每种总线大都有其应用的领域，其中d e v i c e n e t 、p r o f i b u s d p 适用于加工 制造业，在焊接机器人工作站控制系统中有着广泛的应用乜。 5 焊接机器人系统安全措施 ( 1 ) 给焊接机器人工作站安装防护栏，防止人员随意进入。 ( 2 ) 工作站入口处安装光栅，在自动情况下工作时检测不到光栅信号就停止运动。 ( 3 ) 就近安装急停开关，一旦发生紧急或危险情况，即可按下急停，让机器人停止运 动。 ( 4 ) 在低速状态下由经过专业培训的人员进行示教作业。 西安石油大学硕士学位论文 在机器人焊接应用过程中，必须将机器人和焊机、夹具、变位机等通过控制系统结 合在一起组成工作站，系统集成是制约机器人焊接的主要因素，如何高效的将焊接机器 人、夹具、焊机等设备操作有效的统一、协调工作，对焊接机器人的应用具有重要意义。 1 3 课题的来源及主要研究内容 课题源于陕西重型汽车有限责任公司为提升德龙驾驶室产能和焊接质量，对装焊车 间进行技术改造项目：德龙地板左右纵梁机器人弧焊工作站技改项目。 本文主要研究内容是对德龙地板纵梁机器人焊接工作站进行整体设计，重点就工作 站的控制系统，机器人编程，焊接参数的选择等关键部分进行研究。要求工作站具有结 构紧凑、焊接质量稳定、装配简单快捷、工作安全可靠、性价比高等特点。同时，要系 统单元柔性好，易于调整，可适合多种规格尺寸同类工件的焊接。 6 第二章机器人焊接工作站整体设计 第二章机器人焊接工作站整体设计 2 1 地板纵梁产品特点分析 德龙重卡驾驶室主要由地板总成、前围总成、后围总成、左侧围总成、右侧围总成 和顶盖总成焊接组成，各分总成又划分为若干个部件。地板总成是驾驶室的主要承载部 件，承受着包括驾驶室自身零部件重量及行驶时所受的冲击、扭曲、惯性力等负荷，其 焊接质量直接影响着后续驾驶室焊接总成质量和驾驶室的安全性。而地板纵梁总成是地 板总成的主要承载件，是整车的关键部件之一，因此，地板纵梁总成的焊接质量关系到 整车的安全性、可靠性。 该地板纵梁产品的结构特点：由冲压成形的左右纵梁与多个冲压成形的加强件进行 组焊构成。由于地板纵梁总成件组成多为小零件，焊缝多，且焊缝较短，非常适合采用 焊接机器人来完成，即可以提高生产效率和焊接质量，又能减轻工人的劳动强度。 德龙重卡驾驶室白车身有宽体、双排排半、平顶金属高顶半高顶等多种车型，对 应的地板纵梁总成有标准和加长两款，要求系统预留有短车型的配置。 地板纵梁总成( 如图2 1 ) 分左纵梁总成与右纵梁总成，左纵梁总成由3 个部件焊 接而成，包括左地板支架、左地板加长纵梁和轴套，共有2 2 条直线焊缝和7 条圆弧焊缝。 右纵梁总成由5 个部件焊接而成，包括右地板支架、右地板加长纵梁、右地板纵梁加强 板、气喇叭支架和轴套，共有3 7 条直线焊缝和7 条圆弧焊缝。地板纵梁焊接件均为规则 的直线和圆弧焊缝，因此所有焊缝均是变位夹具转到合适的位置后，机器人焊枪才开始 焊接，无需协调联动。 图2 - 1 地板纵梁总成 图2 2 是弧焊左加强板( 编号2 ) 、右支架( 编号7 ) 与右纵梁合件( 编号4 ) 的焊 7 西安孑i 油大学硕士学位论文 接位置图，其中，左、右加强板与右纵梁合件在上一工位通过点焊已经预装完成，由焊 接机器人完成弧焊补焊的工作。为了保证焊接质量，在变位机水平和正方向4 5 0 角位置 时，机器人进行焊接作业。 图2 - 2 左加强板、右支架与右纵梁合件的焊接位置 图2 3 是弧焊右加强板( 编号3 ) 、右支架、气喇叭支架( 编号8 ) 与右纵梁合件的 焊接位置图，变位机处于水平和反方向4 5 0 角位置时机器人进行焊接作业。由于气喇叭 支架零件小，加工人容易漏装工件，在该零件处加装工件检测开关，可杜绝由于人工失 误造成的漏装件的质量问题。 图2 _ 3 右加强板、右支架、气喇叭支架与右纵粱合件的焊接位置 图2 4 是弧焊右纵梁合件底部焊接位置图，焊缝分布于工件底部位置，变位机处于 1 8 0 0 角位置时机器人进行焊接作业。 图2 5 是弧焊右纵梁合件内部焊接位置图，共有1 4 条直焊缝，变位机处于水平及正 负4 5 0 角位置时机器人进行焊接作业。 图2 6 是弧焊右纵梁合件后部焊接位置图，焊缝成对称分布，4 条圆弧焊缝和2 条 直焊缝，变位机处于正负9 0 0 角位置时机器人进行焊接作业。 以上各图为地板右纵梁总成焊接位置图，左纵梁总成比右纵梁总成少加强板和气喇 叭支架两个零件，其余焊缝与右纵梁总成的焊缝成对称分布，不再逐一列出。 受 第二章机器人焊接工作站整体设计 图2 _ 4 右纵梁合件底部焊接位置 图2 - 5 右纵粱合件内部焊接位置 图2 _ 6 右纵梁合件后部焊接位置 9 西安石油大学硕士学位论文 左纵梁总成弧焊焊缝长1 6 0 0 r a m ；右纵梁总成弧焊焊缝长2 3 6 0 m m ；机器人焊接速 度7 m m s ，焊接时问为( 1 6 0 0 + 2 3 6 0 ) 7 = 5 6 5 秒；机器人从基准点移到焊接位置或从 一条焊缝移到另一条焊缝所需时间2 5 秒，焊接辅助时间为( 4 4 + 2 9 ) 2 5 = 1 8 2 5 ； 机器人焊接完一个工件后清枪时间约为1 0 秒；机器人双工位焊接不用考虑人工装卸 工件的时间，故机器人生产节拍为：5 6 5 + 1 8 2 5 + 1 0 2 = 7 6 7 5 秒( 1 2 8 分件) 。以上 时间未考虑部分焊缝需增加摆弧以及变位机回转等时间。 驾驶室车问实行双班工作制，每周工作5 天，全年工作2 5 1 天，每班工作8 小时， 驾驶室生产线节拍为不大于6 m i n ，年产可达3 万辆以上。一条装焊线配有3 套地板纵梁 机器人焊接工作站，因此，只要工作站节拍在3 6 = 1 8 m i n 以内就可以与生产线节拍保 持同步。 2 2 焊接方法的选择 焊接方法根据在焊接过程中母材是否熔化、加热方式、热源特点、焊接工艺特点等 分为不同的种类。电弧焊是以电弧作为焊接热源，母材被连接局部位置熔化成液体然后 再冷却结晶成一体。电弧焊是目前应用最广的焊接方法【3 3 】，它包括有焊条电弧焊、埋弧 焊、钨极气体保护焊、等离子弧焊、熔化极气体保护焊等。其中二氧化碳气体保护电弧 焊是利用c 0 2 作为保护气体的熔化极电弧焊方法，简称为c 0 2 气体保护焊或c 0 2 焊。 它是利用c 0 2 气体保护电弧，使电弧及熔池与周围空气隔离，电弧在焊丝和工件之间燃 烧，焊丝自动送进，熔化了的焊丝和母材形成焊缝。 气体保护焊与普通的手工电弧焊、埋弧焊等焊接方法相比，在工艺适应性、焊接质 量、焊接过程自动化控制、生产效率与经济效益等方面有许多优点：气保焊采用明弧焊 接，便于控制焊接过程及焊缝质量；气保焊不需要焊剂或焊条，省去了焊后对焊缝表面 的清渣等工作；气保焊可通过改变电极材料和焊丝直径、保护气体成分和焊接工艺参数 来焊接不同壁厚的结构件，适应性强；气保焊节省焊接材料，且能源消耗小；气保焊通 过焊丝连续送进，焊接过程连续，易于实现全自动焊接。气保焊特别适合焊接薄板，各 种不同的保护气体适用于焊接不同的金属结构，例如c 0 2 气体保护焊适用于焊接碳钢、 低合金钢，惰性气体保护焊常用于焊接有色金属及其合金瞰】。 c 0 2 气体保护焊与其它保护气体电弧焊相比，有焊接生产率高、焊接成本低、焊后 变形小、能耗低、焊接品质较好、适用范围广、便于实现自动化等优点，因此，在汽车 制造的弧焊加工自动化中广泛采用。地板纵梁总成的焊接料厚为2 o m m 一6 o m m ，焊接 材质为低碳钢，采用人工上下工件工作方式，选用c 0 2 气体保护焊的全自动焊接方法较 为适宜。 l o 第二章机器人焊接工作站整体设计 2 3 焊接机器人工作站的构成及选型 为适应德龙驾驶室地板纵梁产品大批量生产弧焊焊接自动化，对焊接机器人系统提 出了较高的要求。根据左、右地板纵梁总成产品特点以及将来同类产品生产的柔性化考 虑，本套系统采用双工位单机器人的工作方式，左、右纵梁总成分别在机器人两侧不同 的焊接夹具上通过机器人转位实现交替焊接，当一侧机器人焊接时，另一侧由人工进行 装卸工件，大大的提高了机器人的利用率。 该机器人焊接工作站系统包括机器人本体、机器人控制器、焊接夹具、变位机、焊 接电源、送丝机构、焊枪及焊枪把持器( 带防撞传感器) 、工作站电气控制系统、h m i 操作站、安全防护装置、焊接辅助装置( 排烟除尘装置、清枪剪丝喷硅油装置、t c p 校 准装置、原位检测装置、c 0 2 保护气体供气系统等) 。 2 3 1 焊接机器人的结构及性能特点 在机器人焊接工作站中，机器人的主要作用是操作焊枪进行焊接作业。同时，机器 人与系统控制器进行通信，实现对机器人的作业控制。为了正确的选择和使用焊接机器 人，需重点考虑以下几个技术指标：自由度，额度负载，工作范围，最高速度及重复定 位精度等。该系统的机器人选用德国k u k a 公司k r 6r r c 机器人，机器人的硬件结构( 如 图2 7 ) 由机器人本体、k r c 2 控制柜、示教器k c p 三部分组成。采用典型的六关节控 制机器人，各关节均能任意旋转，动作平滑，本体占用空间小，作业范围大，可靠性高， 平均故障间隔时间7 万小时，重复定位精度0 1 m m ，可以满足地板纵梁产品对工业机 器人的要求，k r 6a r c 机器人工作范围和性能参数如图2 - 8 和表2 1 。 一罗” 4 图2 7 机器人的硬件结构 l l 西安石油大学硕士学位论文 k r6a r c 1 1 5 1 2 0 ， 、 7 、 、 义镧l 妒& j 、 i o 鲫| (疋墓谗。二一 f 主 8 n 一j 鸸哆猡一 - n 。、 呻 、d 工_ 邈 1 0 臣7 5 3 01 0 8 1 1 6 1 1 k r6a r c 机器人性能参数： 图2 - 8k r 6a r e 机器人工作范围 表2 - 1 珏6a r e 机器人性能参数 k r 6 a r c 性能参数 负载( 指第6 轴最前端p 点负载)6 公斤 手臂第1 轴转盘负载1 0 2 0 公斤 总负载3 6 公斤 运动轴数 6 法兰盘( 第6 轴上) d i ni s o9 4 0 9 1 一a 4 0 安装位置地面墙壁天花板 重复精度七| 0 1 m r n 控制器 k r c 2 自重2 3 5 公斤 作业空间范围9 3 立方米 每个轴的运动参数运动范围运动速度 轴1 + - 1 1 4 01 5 6 0 s 轴2 + 3 5 0 1 5 5 01 5 6 0 s 轴3 + 1 5 4 。1 3 0 01 5 6 0 s 轴4七| 3 5 0 03 4 3 。s 轴5“1 3 0 03 6 2 0 s 轴6 七1 3 5 0 06 5 9 0 s 控制柜k r c 2 采用标准的工业控制计算机p e n t i u mi i 处理器，基于w i n d o w s 平台的操 1 2 第二章机器人焊接工作站整体设计 作系统，可在线选择多种语言( 包括中文) ，支持：i n t e r b u s 、p r o f i b u s 、d e v i c e n e t 、 c a n b u s 、c o n t r o l n e t 、e t h e r n e t 、r e m o t ei o 等多种标准工业控制总线。d e v i c e n e t 是 控制柜自带的总线接口，只需一根总线即可实现机器人i o 与外围p l c 的通讯，i o 点数可 达1 0 2 4 入1 0 2 4 出，i o 信号可按客户要求任意分配，调试和维护方更可靠，与一般的采 用单点i o 的形式相比，可避免单点i o 接入时线的数量及接线复杂而带来的调试和维护 不方便，以及可能由于接头焊接的问题而带的调试困难；控制柜还在底部留了标准行插 接口，方便与外围设备的信号沟通。标准的i s a 、p c i 插槽，方便扩展。可直接插入各种 标准m o d e m 接入高速i n t r n e t ，实现远程监控和诊断。控制柜采用高强铝材料作为结构框 架，内部器件布置简洁明了，全部采用总线形式，维护方便、可靠；控制柜内的冷却， 按欧洲标准设计制造，元器件与冷却回路隔开，冷却可靠，外部灰层不会进入控制柜内 部，保护等级i p 5 4 。采用高级语言编程，标准的控制软件功能包，可适应于各种应用， 断电自动重启，不需重新进入程序，系统设示波器功能，可方便进行错误诊断和系统优 化，软件可自动更新和升级。 控制柜主要由控制单元、驱动电源单元、e s c 安全回路及附属装置等组成，其主要 组成部分及功能如表2 2 所示陵： 表2 - 2k r c 2 机器人控镧柜的组成及功能 序号分类功能 通讯中转信号，x p + d x w o r k s 两个系统的连接桥 m f c 3 多功能卡梁；中断处理，优先保证d x w o r k s 资源：监控 p c 风扇、内部风扇： 1 控制单元d s e 数据处理卡电流、转矩信号控制电机速度和位置； k v g a 显卡6 0 0x4 8 0 分辨率，支持外接显示器： 记录机器人当前信息：每个轴编码器位置，每 r d c 全轴信息传递 个轴的绝对位置，机器人运行时间等； k p $ 6 0 0 提供6 0 0 v d c 电源；电机监控；刹车控制等： 驱动电源单 2k p s 2 7 提供2 7 ) c 电源： 元 k s d 伺服电机驱动； e s c 安全回通过安全回路卡c 1 3 将k p s 6 0 0 、k c p 、m f c 3 等 3 e s c ( 双通道控制方式) 路所有安全信号串联起来； 4 附属装置风扇控制柜内空气流动；冷却驱动单元； 示教器k c p 是专用的编程设备，用于机器人的手动控制的编程示教设备，也可直接 连接鼠标、键盘进行操作，并带有启动、暂停和急停等功能按钮，操作简单。l c d 彩显， v g a 模式，6 4 0 x 4 8 0 ，2 5 6 色，有数字及字母键盘，方便工作程序的命名，6 d 空间鼠标， 外加键盘运动控制。示教过程简单、方便、快速，犹如游戏操作，三位使能开关，易于 西安石油大学硕士学位论文 安全操作，四种工作模式，通过c a n b u s 与p c 通讯，实时性更强。 2 3 2 焊接设备 该弧焊机器人工作站的焊接设备包括焊接电源、送丝机构、焊枪、把持器及防撞传 感器等。其作用及选型如下： 1 焊接电源焊接电源的功率需满足机器人自动化所要求的高输出、高稳定性，焊接 电源的负载持续率是衡量其功率输出的重要参数。通常以1 0 分钟作为测定周期，对连续 工作时间进行标定。因为机器人焊接的燃弧率比手工焊高得多，即使采用与手工焊相同 的焊接规范，机器人用的焊接电源也应选用较大容量的。该系统采用福尼斯( f r o n i u s ) 的t s 4 0 0 0 电源( 如图2 - 9 ) 。 t s 4 0 0 0 电源是由i g b t 逆变控制的具有一元化调节功能的高性能焊接电源。它可用 于c 0 ：和m a g 焊等多种焊接方法。t s 4 0 0 0 为数字化焊机，配合k u k a 机器人控制系统的先 进数字化技术，使得焊机与机器人之间的若干个通讯信号，可以转变为两组进、出数字 串信号，数字化信号代替了模拟信号，减少了通讯线数量，编程操作更简化。同时焊机 还具有如下功能： 输出过载、温升异常指示，自动保护停机； 熄弧前脉冲电流吹球功能，焊丝端头无结球，便于下次引弧； 无飞溅引弧功能，自动回抽引弧，无飞溅； 气体检测，点动检测按钮，自动送气3 0 秒，以排清气路中的空气，防止焊接缺陷； 点动送丝，快速送丝，方便更换焊丝( 该速度可单独设定) ； 电弧间断时间自动检测，如果焊接过程中，电弧间断时间超过设定时间，自动停机， 防止焊接缺陷； 数字显示焊接电流、焊接电压、弧长、送丝速度等参数； 一羝尹 。，厂 二一： 图2 - 9t s 4 0 0 0 焊接电源图2 1 0 送丝机构图2 1 1t b i 空冷焊枪 2 送丝机构采用与焊机配套的四轮驱动送丝机，如图2 1 0 所示，型号v r l 5 0 0 ， 第二章机器人焊接工作站整体设计 送丝更平稳。 3 焊枪采用t b ir m 7 0 g 空冷焊枪( 如图2 1 1 所示) ，机器人焊枪与手工半自动用 鹅颈式焊枪基本相同，鹅颈的弯度一般都小于4 5 0 ，根据工件特点选择不同角度的鹅颈。 但如果弯度太大，送丝阻力大，容易导致送丝不稳；角度太小，导电嘴稍有磨损，容易 出现导电不良现象。t b i 空冷焊枪具有如下特点： 枪体外套管是由一整块不锈钢加工而成，非常强壮，同时和内层枪管之间留有足够 的空间，即使发生撞枪也不用重新调整t c p ，因此不需要任何校枪装置。 一键式定位装置，即使更换枪颈，t c p 仍保持一致，无需重新调教机器人，可以节 约大量的工作时间。 通常焊枪的保护气只有一路，在保护气由喷嘴喷出时不能确保其层流状态，而t b i 焊枪采用两路保护气送出，外层通道的保护气形成轴向的保护气流，而内层通道的 保护气形成径向的保护气流。从而使得保护气的用量降低，导电嘴的寿命延长。 4 防碰撞传感器对于弧焊机器人来说，必须在焊枪把持器上配备防碰撞传感器，其 作用是当机器人运动时，万一焊枪碰到障碍物，能使机器人立即停止运动，相当于急停 开关，避免损坏焊枪或机器人。选用t b i 配套的机器人防碰撞传感器。其功能是焊枪依 靠预载弹簧实现准确定位，在碰撞发生时，弹簧弯曲后启动开关，机器人立即停止运行。 由于碰撞脱离机构的屈从设计，碰撞发生后不需要对焊枪重新校验。 焊接设备与焊接机器人的基本构成图如图2 1 2 所示。 构成图说明：( 1 ) 机器人本体( 2 ) 防碰撞传感器( 3 ) 焊枪把持器( 4 ) 焊枪( 5 ) 焊枪电缆 ( 6 ) 送丝机 构( 7 ) 送丝管( 8 ) 焊接电源( 9 ) 功率电缆( + ) ( 1 0 ) 送丝机构控制电缆( 1 1 ) 保护器软管( 1 2 ) 保护气流 量调节器( 1 3 ) 送丝盘架( 1 4 ) 保护气瓶( 1 9 ) 碰撞传感器电缆( 2 0 ) 功率电缆( 一) ( 2 1 ) 焊接供电一次电缆 ( 2 2 ) 机器人控制柜( 2 3 ) 机器人示教器( 2 4 ) 焊接指令电缆( 2 5 ) 机器人供电电缱( 2 6 ) 机器人控制电缆( 2 7 ) 夹具 图2 _ 1 2 焊接设备与焊接机器人的基本构成图 西安石油大学硕士学位论文 2 3 3 焊接夹具 焊接夹具是机器人焊接工作站的必要装备，是确保地板纵梁总成焊接质量的关键环 节。焊接夹具是用来对待焊的工件进行准确定位和可靠夹紧，然后进行施焊工作。焊接 夹具的设计要求有以下几点n 们啪1 ： ( 1 ) 应有足够的强度和刚度，防止变形，结构尽量简单轻巧； ( 2 ) 必须保证产品的形状和尺寸精度符合技术要求，必须使被装配的零件或部件获得 正确的位置和可靠的夹紧，并在焊接时能防止焊件产生变形或考虑焊接变形对零部件的 影响，预留调整空间； ( 3 ) 工艺性能优良，结构合理，工件焊接位置高度距离地面为7 5 0 8 0 0 m m ，符合人机 工程要求，工件装配要容易，操作方便、安全，便于安装、拆卸、维修； ( 4 ) 相互关联的部件、组件及焊接总成夹具定位基准应具有统一性和继承性，以减少 误差： ( 5 ) 产品的定位一般以孔定位为主，型面定位为辅的原则；如在同一个件上有两个或 两个以上的定位销时，主定位采用圆销，其余辅定位采用菱形销，菱形销须有防转面。 ( 6 ) 对于左右对称件以及正反面相似的零件，装件时要有防错措施，防止装错或装反： ( 7 ) 采用气缸夹紧时，气缸在压紧点处须留有5 - - 8 m m 运动行程余量( 长行程的气缸需 留l o m m 以上的行程) ，防止气缸运动到端点夹紧力不够的状况发生；夹紧力应适中，不能 有被压的痕迹或变形；夹紧应一次到位，不能碰伤及损坏零部件； ( 8 ) 采用手动与气动混合夹紧及纯气动夹紧的夹具，夹头打开有先后顺序要求时，动 作应能互锁，防止误操作：夹具动作时不能对操作人员造成伤害，为保证使用安全，夹 具处于夹紧时，应能自锁；夹头打开应限位，打开角度一般小于1 3 5 度； 对于机器人焊接夹具来说，除了以上要求外，还要考虑留有足够的空间和路径便于 机器人作业，只有保证焊接机器人良好的焊接姿态，才能保证产品的焊接质量。 图2 1 3 地板纵梁总成焊接夹具都采用气动夹紧电气控制，夹紧和拆卸快捷方便。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，在汽车生产 线上应用非常普遍。夹具的动作是由p l c 的输出控制电磁阀，再由电磁阀控制气缸完成 的。夹紧时操作工按顺序先手动将工件定位，按下铵钮用气缸将工件依次压紧或用手动 压紧方式压紧工件。拆卸工件时，变位机翻转到位后，所有气缸同时打开，使拆卸工件 时间缩短。夹具设计能实现系列车型柔性化生产，并且能快速切换。直线导轨采用台湾 h i w l n 产品。气动元件采用德国德珂斯和f e s t o 产品。 1 6 第二章机器人焊接：1 ：作站整体设计 图2 1 3 地板纵梁总成焊接夹具示意图 对于工件在焊接过程中出现变形的情况，主要考虑在两方面加以克服：一是在夹具 上加大央紧力，并使夹紧点尽量靠近焊缝，通过央具克服焊接变形；二是在焊接过程中， 通过调整焊接工艺，改变各焊缝的焊接次序，以减小工件的焊接变形。 2 3 4 焊接变位机 焊接变位机的作用主要是完成焊接夹具的变位动作，从而保证夹具上的待焊工件处 在正确的焊接位置。为了焊接过程中使整条焊缝的各个点熔池始终处于水平或稍微下坡 状态，使焊缝外观尽可能平滑、美观，这就需要变位机与机器人焊枪协调动作，并且保 证焊接速度和焊