机器人在车身焊装生产线中的应用

机器人在车身焊装生产线中的应用
摘要：本文主要分析了机器人在车身焊装生产线中的作用和车身焊接实际应用中存在的问题。

目前工业机器人在汽车工业发展中，尤其在车身焊装生产中起到重要作用，但仍存在诸多问题有待解决。

随着工业机器人在汽车工业中的作用日益突出，机器人在其他领域也会有更广阔的发展。

关键词：工业机器人；焊接机器人；焊装生产线
近年来，随着人们消费水平的增加，汽车消费市场增长迅速，汽车市场的增长对汽车生产技术提出了更高的要求，催生工业机器人在汽车制造业中得到深入广泛的应用。

据统计，近几年国内厂家所生产的工业机器人有超过一半是提供给汽车行业生产线使用。

汽车工业生产中采用工业机器人技术，不仅可以节约人力，降低成本，提高设备利用率，提高产品的质量与产量，更重要的是它可以保障工人安全，改善工作条件，减轻劳动强度，减少人员风险，提高工作效率。

众所周知，焊接加工一方面要求焊工要有熟练的操作技能、丰富的实践经验和稳定的焊接水平；另一方面，焊接劳动条件差、烟尘多、热辐射大、危险性高。

随着工业机器人的技术的成熟运用，人们自然而然首先想到用它代替人的手工焊接，既可以减轻焊工的劳动强度，也可以保证焊接质量和提高焊接效率。

实际上，工业机器人在焊接领域的最早应用是从汽车装配生产线上的电阻点焊开始的。

电阻点焊的过程相对比较简单，控制方便，且不需要焊缝轨迹跟踪，对机器人的精度和重复精度的控制要求比较低。

点焊机器人在汽车装配生产线上的大量应用大大提高了汽车装配焊接工序的生产率和焊接质量，同时又因其具有柔性焊接的特点，即只要改变程序，就可在同一条生产线上对不同的车型进行装配焊接。

1.焊接机器人系统的基本组成
焊装机器人系统主要由焊接机器人本体、机器人控制系统、工装快速转换接头、工装转回支架、机器人机座以及机器人第七轴等部分组成。

一般来讲，具有6个关节的机器人基本上能满足焊枪的位置和空间姿态的控制要求，其中3个自由度（XYZ）用于控制焊枪端部的空间位置，另外3个自由度（ABC）用于控制焊枪的空间姿态。

因此，目前的焊接机器人多数为6关节式的。

对于有些焊接场合，工件由于过大或空间几何形状过于复杂，使焊接机器人的焊枪无法到达指定的焊缝位置或无法保持焊枪姿态，这种条件下必须通过增加1～3个外部轴的办法从而增加机器人的自由度。

通常有两种做法：一是把机器人装于可以移动的轨道小车或龙门架上，扩大机器人本身的作业空间；二是让工件移动或转动，使工件上的焊接部位进入机器人的作业空间。

有些场合可以同时采用上述两种办法，让工件的焊接部位和机器人都处于最佳焊接位置。

机器人的控制系统由控制器完成，程序输入通过手动控制键盘控制完成。

通常焊装机器人具有一机多用的功能，如同时实现拼装与焊接，或是涂胶与焊接等，这些是通过焊接机器人系统的快速转换接头和工装支架的组合快速实现的，时间仅需数秒，大大提高了机器人的利用效率，降低投资成本。

2.机器人在汽车车身焊装生产线中的应用
工业机器人在汽车生产中的冲压、焊装、涂装、总装四大生产工艺过程中都有广泛应用。

在汽车车身焊装生产线中的应用主要有：点焊、弧焊、搬运、装配、检测等。

工业机器人已经成为具有柔性制造系统、计算机集成制造系统的主要自动化工具。

在发达国家，工业机器人自动化生产线成套装备已成为自动化装备的主流及未来的发展方向。

2.1工件焊接
工件焊接是目前工业机器人应用最广的领域。

由于汽车制造业对许多构件的焊接精度和速度等指标提出越来越高的要求，一般焊接工人已难以胜任这一工作。

此外，焊接时的会随之产生火花及烟雾等，对人体造成危害，近年来焊接过程的完全自动化已成为重要的研究课题。

其中，最为重要的就是要应用焊接机器人替代人工焊接。

现代工业生产工艺中，各种焊接工艺和过程都可以使用工业机器人来执行，以取代焊接工人的工作。

机器人在点焊和弧焊的应用最为广泛，在其他一些工艺焊接过程中的应用还处在起步或摸索的阶段。

如图1-1所示为焊装车间总成线机器人焊接。

2.2工件夹持
在汽车生产制造领域，机器人除了在焊接工艺过程中有主要应用之外，还在工件夹持定位中有着广泛的应用。

在实现汽车车身焊接生产的焊装车间中，要实现车身工件高质量的焊接，就要求必须对焊接过程进行准确的控制。

一方面要求焊接机器人对焊钳的姿态和运动轨迹进行准确控制，另一方面要求各种夹具对待焊接工件进行夹持定位。

夹具种类很多，大部分的专用夹具只能用来实现非移动工件的定位，不能实现移动工件的定位，为此需要采用夹持机器人（一种将工业机器人同小型夹具结合起来的，具有实现工件的定位和运动功能的机器人）才能实现。

2.3工件搬运
在汽车车身焊装生产过程中，焊接前物料的搬运与转移是一项很繁琐的任务，这大部分都由专用叉车来完成，但由于专用叉车做的工作主要是将大量工件从储存车间搬运到焊装生产线的两侧。

为此，将工件从生产线的两侧搬运到生产线上的焊接夹具上以及工件在顺序工位夹具上的传递工作都需要由动作灵活的工业机器人来完成。

由于机器人工作的特点，不仅可以提高生产效率，又可以减轻工人的劳动强度。

在自动化程度较低的车身焊装生产车间里，这项工作只能通过人工来完成，效率低，劳动强度大而且具有危险性。

2.4焊点检测
为了保证车身的整体焊接质量，在车身焊接的过程中或整个焊接工作完成之后，工人需要对车身上的一些重要部位的焊缝进行检查，又称焊缝检测。

焊缝位置的多样性和形状的复杂性给检测工作提出了很高的要求。

在自动化程度很高的焊装生产线上，我们可以使用动作灵活的机器人代替工人携带专用的检测装置进行焊缝检测，一般的机械装置就很难像机器人那样执行这一任务。

3.机器人在汽车生产中其他方面的应用
3.1 机器人在汽车车身压合技术中的应用压合技术在高品质汽车制造过程中占据了极其重要的地位。

传统的压合技术一般采用模具和压机的形式，投资费用较高、占地面积较大。

机器人系统与压合技术的结合产生了机器人滚边压合新技术。

它通过机器人与经过特殊设计的压合滚轮的配合，在一定的焊接压力下实现压合方式连接，典型的工艺如天窗顶盖、四门两盖运用非常广泛。

该技术具有较高的效率和较高的柔性，可以实现多品种的混流生产，降低了投资费用；该技术还具有较高的柔性，可以通过快速转换接头，可以实现内外板的涂胶与压合同时进行；另外压合模具简单，维修极其方便，维护成本较低；该技术的另外一大特点是可以通过程序的切换快速实现不同工件的压合技术.综上所述，机器人压合技术在车身制造领域具有广泛的应用前景。

3.2 机器人在汽车车身涂胶技术中的应用
胶接技术在高品质汽车制造过程中同样占据很重要的地位。

不同类型胶的合理利用可以大大提高车身的强度、刚性、密封性、减震性和焊接性。

由于胶的种类不同，产品设计时的涂胶形状不同，所起的作用也不相同，必然导致对涂胶时胶型和控制条件的不同要求。

复合机器人的涂胶系统可以满足不同种类、不同类型涂胶的要求，而且能保证涂胶效果均匀可靠，尤其对于特殊胶型，通过机器人涂胶，可以实现精确的控制，从而提高涂胶的速度和效率，节约成本。

涂胶系统和涂胶机器人通过总线进行群控，不同的胶型、不同的部位、不同的涂胶形状通过PLC（可编程控制器）控制完成。

对于特殊的涂胶形式，可以通过在胶枪部位增加不同类型的震动发生器来实现。

涂胶时，基于工艺简化的要求，可以通过固定胶枪位置而移动工件完成，或是通过固定工件而移动胶枪位置来完成。

另外，还可以根据现场的特点和工件形状的要求，通过一机多枪的设计实现此类功能，只是这种条件下必须考虑使用机器人涂胶快速转换接头才能实现。

3.3 机器人系统在汽车车身冲铆技术中的应用
冲铆技术在汽车车身制造过程中的应用，提高了车身冲铆的效率，降低了制造成本。

冲铆技术无需事前的冲孔处理，它将冲孔与螺母铆接融为一体，在同
一工艺过程中实现两者的有效结合，提高了铆接的精度。

这对于日益发展的汽车车身技术中要求越来越多的铝合金连接，具有极其重要的现实意义。

机器人系统通过使用必要的抓拾系统以及快速转换接头，可以极大地提高焊件连接的质量和可靠性，同时大大提高了劳动生产率。

系统通过机器人程序搭载不同的抓拾器，可以实现不同部件的混流生产，从而降低了焊装设备的投资，提高焊接的柔性化生产能力。

4.焊接机器人的其他作用
焊接机器人是在工业机器人基础上发展起来的本体独立、动作自由度多、程序变更灵活、自动化程度高、柔性程度极高的先进焊接设备，是从事焊接（包括切割与喷涂）的工业机器人，具有多功能、重复精度高、焊接质量高、抓取重量大、运动速度快、动作稳定可靠等特点。

汽车工业对产品制造批量化、高效率和对产品质量一致性的需求，使得焊接机器人生产方式在汽车生产制造过程中获得了广泛应用。

最突出的是焊接机器人在汽车焊装生产线上的应用，可以说，机器人是实现汽车焊接生产线柔性化的关键。

目前典型的焊接机器人系统有焊接机器人工作站、焊接机器人生产线和焊接专机。

从汽车工业的焊接技术发展趋势看，焊接生产线将向自动化和柔性化生产系统发展。

焊装生产线是由焊接设备、工装夹具、传输系统和自动控制系统等组成。

从整体与部分功能之间的关系说，生产线的整体柔性程度由各组成部分的柔性程度所决定，其中焊接设备的柔性是决定焊装生产线柔性程度的关键所在。

鉴于焊接机器人对产品要求具有高度的适应性和诸多优点，焊接机器人生产方式成为焊接设备柔性化的最佳选择。

采用焊接机器人是焊装生产线柔性程度的重要标志之一。

5.焊接机器人应用中的焦点问题
虽说焊接机器人在汽车制造生产中得到了广泛应用，不仅使得汽车焊接质量和可靠性得到了极大改善，还有效提高了企业的劳动生产效率。

然而焊接机器人在目前汽车制造生产应用中仍有诸多问题有待解决。

主要存在于以下几方面：
5.1焊接机器人在线示教
对于示教再现型焊接机器人而言，如果在焊接时发生焊接位置偏移，必须停止机器人乃至整个生产线的工作，进行机器人在线示教后再现运行，这个工作目前需要占用大量的生产时间，亟待解决和提高。

5.2焊接机器人焊缝质量跟踪
目前，生产中所用的示教再现型弧焊机器人在进行弧焊时，大多数情况是不
能对焊缝进行实时动态的跟踪反馈的。

实际操作经验表面，机器人完成的焊缝与示教所用样本焊缝难免存在着细微的差异，这样焊缝质量存在进一步提升和改进的空间。

5.3焊接机器人失位校正
目前市场上所应用的多数工业焊装机器人产品中，其轴的失位校正过程均需耗费比较长的时间，对于流水化的自动生产线来说，停机造成的经济损失是巨大的。

而这方面的成功改进将会使得工业焊装机器人系统在车身焊接工业生产中的运用获得更为突出的优势。

结束语
近年来，人类的活动领域不断扩大，机器人应用也从制造领域向非制造领域发展。

像海洋开发、宇宙探测、采掘、建筑、医疗、农林业、服务、娱乐等行业都提出了自动化和机器人化的要求。

这些行业与制造业相比，其主要特点是工作环境的非结构化和不确定性，因而对机器人的要求更高，需要机器人具有行走功能，对外感知能力以及局部的自主规划能力等，是机器人技术的一个重要发展方向。

可以预见，在21世纪各种先进的机器人系统将会进入人类生活的各个领域，成为人类最得力的助手和科学技术进步的重要组成部分。

参考文献：
[1]汤传业，徐鹏.机器人在车身焊装自动化应用中的问题分析[J].科技经济市场，2010-10（10）：5-6.
[2]崔文旭.机器人在焊接生产线柔性化中的应用[J].焊接技术，2003，32（5）：36-38.
[3]毕胜.国内外工业机器人的发展现状[J].机械工程师，2008（7）.
[4]林尚扬，陈善本.焊接机器人及其应用[M].北京：机械工业出版社，2000。