焊接机器人在汽车行业中的应用与发展

摘要：汽车车身结构的特点决定了车身制造离不开弧焊技术。传统手工弧焊焊接时的火花及烟雾对人体造成危害较大，工作环境恶劣，且对工人技能要求更高，焊缝质量一致性差，波动也较大。特别是汽车的重要结构安全件，其焊接质量对汽车的安全性起着决定性的作用，因此整车厂有逐步采用自动化弧焊机器人替代手工方式的趋势。焊接机器人系统有如下几种形式：焊接机器人工作站、焊接机器人生产线、焊接专机。焊接机器人系统一般适合中、小批量生产，被焊工件的焊缝可以短而多，形状较复杂。现阶段由于我国生产能力的提升、劳动力红利的比较优势逐渐下降，在产业转型的政策之下，一些企业纷纷引入机器人代替原来的人工作业。所谓"机器人"多以"机械手臂居多"，主要是指一种智能化的生产工具。本次研究选择焊接机械器作为研究对象，探讨其在汽车生产领域中的广泛应用。

关键词：焊接机器人；汽车；机械手

前言

随着汽车制造业对焊接精度和速度等指标提出的要求越来越高，以及用户个性化需求的日益加强，为了满足多车型、多批次的市场需求，提高车身车间生产能力的柔性和弹性，工业机器人在车身焊接中得到了广泛应用。本文结合实例介绍了点焊机器人和弧焊机器人系统在车身焊接中的应用。

焊接技术作为制造业的传统基础工艺与技术，在工业中应用的历史并不长，但它的发展却是非常迅速的。焊接机器人是在工业机器人基础上发展起来的先进焊接设备，是从事焊接（包括切割与喷涂）的工业机器人，主要用于工业自动化领域，其广泛应用于汽车及其零部件制造、摩托车、工程机械等行业，在汽车生产的冲压、焊装、涂装、总装，四大生产工艺过程都有广泛应用，其中应用最多的以弧焊、点焊为主。

轿车车身的结构和工艺在很大程度上决定了乘车的安全系数。车身本体是由十几个大总成和数百个薄板冲压件，经点焊、弧焊、激光焊、钎焊、铆接、机械连接以及胶接等工艺连接成的复杂薄板结构件。由于白车身所涉及的零件多、工艺复杂且设备类型繁多，因此车身规划对焊接工艺、装焊夹具、质量控制以及维护保养等都有较高的要求。本文结合实例重点介绍了点焊机器人系统和弧焊机器人系统在车身焊接中的应用。

典型的焊接机器人系统有如下几种形式：焊接机器人工作站、焊接机器人生产线、焊接专机。焊接机器人系统一般适合中、小批量生产，被焊工件的焊缝可以短而多，形状较复杂。柔性焊接线特别适合产品品种多，每批数量又很少的情况下采用。焊接专机适合批量大、改型慢的产品，对焊缝数量较少、较长，形状规矩的工件也较为适用，至于选用哪种自动化焊接生产形式，需根据企业的实际情况而定。

1焊接机器人概述

从应用的角度观察，焊接机器人的工作原理相对简单，主要代替原来的人工劳作，但其特征主要体现在连续性、系统性、编程控制方面。其原理主要是通过电脑编程，在视频监控或数据监控状态下实现单轴运动、系统协调运动，以达到生产工艺要求；操作过程中需要确定工作位置、操作参数、工作姿态的定位，程序命令启动等。目前的焊接机器人的工作原理应用主要动力来自于电力和压力，其工作方法以机械运动为准。从流程观察，需要建立操作系统、传感器控制、生产线状态信号连接、异常信号警报。在具体的焊接操作中，根据编程可以对机器人实施相应的工作状态检测、故障或错误自动化控制。概括起来讲，焊接机器人的工作原理及应用主要是通过PLC机器人按照焊接生产工艺完成汽车相关部件生产的焊接动作，完成焊接任务。

2点焊机器人系统在汽车行业中的应用

纵观整个汽车工业的焊接现状，不难分析出汽车工业的焊接发展趋势为：发展自动化柔性生产系统。而工业机器人，因集自动化生产和灵活性生产特点于一身，故轿车生产近年来大规模、迅速地使用了机器人。在焊接方面，主要使用的是点焊机器人和弧焊机器人。特别是近几年，国内的汽车生产企业非常重视焊接的自动化。如一汽引进的捷达车身焊装车间的13条生产线的自动化率达80%以上，各条线都由计算机(可编程控制器PLC-3)控制，自动完成工件的传送和焊接。焊接由R30型极坐标式机器人和G60肘节式机器人共61台进行，机器人驱动由微机控制，数字和文字显示，磁带记录仪输入和输出程序。机器人的动作采用点到点的序步轨迹，具有很高的焊接自动化水平，既改善了工作条件，提高了产品质量和生产率，又降低材料消耗。

车身点焊的质量直接影响着汽车车身强度和使用安全性。点焊设备因易于机械化、成本较低廉、技术成熟且配套设施完善，在汽车车身的生产中应用得最为广泛。现在，点焊焊接过程完全自动化已成为趋势，机器人点焊系统已得到广泛应用，正逐步取代手工点焊。

气动焊钳作为点焊机器人的执行机构，目前普遍采用了一体化焊钳，就是焊接变压器装在焊钳后面，减少了二次电缆的损失，提高焊接质量。由于采用一体化焊钳，变压器必须尽量小型化，提高机器人有效负载。对于容量较大的变压器，已开始采用中频逆变技术：把50Hz工频交流变为600～1000Hz交流再整流，使变压器体积减少、减轻。

气动焊钳电极组件形式上与手工焊接焊钳基本相似，完成与工件接触及通电焊接作用，为降低维护改造成本，焊钳组件有模块化的趋势。点焊机器人动作稳定可靠，重复精度高，可代替人的繁重体力劳动，并且提高了焊接质量，提高了生产线柔性。

伺服点焊机器人系统包括机器人本体、机器人控制器、中频点焊控制器、自动电极修磨机和伺服点焊钳等。伺服焊枪的优点是传统气动焊机无法比拟的，其最大的特点是以伺服装置代替气动装置，按照预先编制的程序，由伺服控制器发出指令，控制伺服电动机按照既定速度、位移进给，形成对电极位移与速度的精确控制，脉冲数目与频率决定电极位移与速度，电动机转矩决定电极压力。

伺服焊枪具有增强诊断及监控、简化焊钳设计、提高柔性、降低维修率、提高运行时间及减少生产成本（耗气/备件/省电）等特点，将是未来汽车装配生产线上应用的主要设备。其中频点焊的质量和效率均远高于工频焊接，主要表现在以下几方面：

（1）减少生产节拍机器人与焊钳同步协调运动，大大提高了生产节拍，使焊点间及障碍物的跳转路径最小化；可随意缩短电极开口减小关闭焊钳时间；焊接开始信号发出后可更快、更好地控制加压；更快地更改焊接压力，其压力调节速度可达200kgf/cycle（98N/ms）；能够很好地避免和抑制飞溅，有效保证和提高焊接质量；焊接完成信号发出后可更快打开焊钳；减少电极更换及修磨时间；换枪、电极修磨及更换后快速标定。

（2）提高焊接质量软接触可实现极少的产品冲击，还可以减小噪声；高精确度的可重复性加压；焊接中精确恒压控制；焊接过程中压力可实现调整；更稳定的电极管理及控制等。

3弧焊机器人系统简介

汽车车身结构的特点决定了车身制造离不开弧焊技术。传统手工弧焊焊接时的火花及烟雾对人体造成危害较大，工作环境恶劣，且对工人技能要求更高，焊缝质量一致性差，波动也较大。特别是汽车的重要结构安全件，其焊接质量对汽车的安全性起着决定性的作用，因此整车厂有逐步采用自动化弧焊机器人替代手工方式的趋势。

对车身弧焊机器人工作站的设计规划应首先考虑是否满足生产纲领、工作站的柔性和焊接质量，以及机器人及焊枪的选型及电控设计。具体内容包括：

机器人系统设计参数包括有效载荷、轴数、各轴的自由度范围及控制系统等。

机器人工作范围及姿态，充分考虑车身形式和弧焊点位置、夹具形式。通过3D设计模型仿真模拟干涉危险点的焊接，对焊枪及夹具的形状、机器人操作位置等进行反复修改，确定方案再进行可行性论证及设计修正。

确定机器人的高度及与前后左右距离，确保所有弧焊点机器人焊枪可达。进行优化设计最可靠的方法是通过机器人仿真软件模拟实际的焊接工作，具体方法是加入工位夹具、工件及焊枪的3D模型，在虚拟环境进行工作站的装配和调试，路径模拟，发现是否干涉，以此调整各部分的相对尺寸达到最佳。

工艺时序设计，控制流程图设计。弧焊机器人工作站的设备构成包括弧焊机器人、机器人控制器、焊机、清枪系统、输送系统、焊接夹具、排烟除尘设备、安全防护网、弧光遮挡帘和水电气单元等。

4焊接机器人发展现状

随着我国汽车工业的发展和对自动化水平要求的不断提高，将为焊接机器人市场的快速增长提供了一个良好的机会。预计国内企业对焊接机器人的需求量将以30%以上的速度增长。从机器人技术发展趋势看，焊接机器人不断向智能化方向发展，完全实现生产系统中机器人的群体协调和集成控制，从而达到更高的可靠性和安全性。而采用焊接机器人的汽车生产企业在高技术、高质量、低成本条件下必将获得高速发展，也必将为汽车产业的发展带来新的生机。相信，在不久的将来，通过我们的共同努力，国内汽车行业的焊接技术会逐步缩短与国外先进焊装技术水平的差距，迎接WTO带给汽车工业的机遇和挑战。

在焊接机器人的应用过程中，焊缝跟踪技术的应用相普通，焊接机器人在进行焊接作业操作过程汇总，由于焊缝的过程可能会受到强弧光辐射、烟尘、飞溅、加工误差、夹具精度、工件热变形等因素的影响，必须特别注意这些因素的控制，避免出现焊炬偏离焊缝，导致焊接质量出现问题，焊缝跟踪技术的存在，在一定程度上可以结合焊接条件的变化，实时监测出焊缝的偏差，并及时调整焊接路径和焊接参数，有效的避免焊接过程中出现的质量问题。

不断的实践工作经验表明，在焊接机器人系统中，电气性能良好的专用弧焊电源，是确保焊接机器人使用性能的正常发挥的关键之一。焊接机器人所用的专用弧焊逆变电源大多都是单片微机控制的晶体管式弧焊逆变器，在精细的波形控制方法的焊接电源，可以在一定程度上确保焊缝烙宽以及烙深的一致性，促使焊接表面更加的美观。因此在焊接机器人的应用过程中，针对专用弧焊电源进行深入的研究非常重要。

在焊接作业的操作过程中，离线编程与路径规划技术主要是指机器人编程语言的进一步扩展，其主要利用计算机图形学的研究成果建立的机器人已经工作环境的模型，并通过专业的算法，对焊接器件的图形进行一定的控制和操作，是促使焊接机器人可以在设定好的轨迹规划基础上进行焊接作业，离线编程的另一现实基础，是自动编程技术的应用。通过应用自动编程技术，为焊接机器人实现焊接任务、焊接参数、焊接路径以及焊接轨迹的同时，辅助编程人员进行编程任务的一种技术。

在实际工作过程中，多机器人协调控制技术主要是指为了完成某一项工作任务选行组织数量若干的机器人通过合作与协调组合成的一体系统，多机器人协调控制技术在应用的过程中，主要是多焊接机器人系统安排某项任务之前，需要考虑如何根据实际的操作任务组织焊接机器人进行有效的工作。当确定工作机制以后，就需要结合实际工作，考虑如何保持焊接机器人运动协调的一致性问题了。

5结论

根据现代工业发展的趋势机器人生产必然会越来越多的得到广泛应用，尤其是在对人体危害较大、安全性较低、生产质量要求较高的岗位或生产环节中，使用机械人具有一定的技术支持与可操作性。因此，在当前的汽车生产中可以尝试引入焊接机器人，并在这种岗位化、部分化的生产实践中逐渐摸索、认识机器人应用的优势与不足，从而在未来的汽车行业的转型发展为其大范围的应用积累一些经验，提高应用水平与控制能力。

作为一种大众商品，人们对轿车的要求不仅是美观舒适，而且还要结实耐用。这就要求白车身既要有足够的焊接强度，又要有合格的外观质量。点焊机器人和弧焊机器人系统作为一个灵活、独立的焊接加工单元给大批量、高效率和高质量进行流水线的汽车制造提供了有利保障，让高柔性化的短时弹性生产也成为可能。