藍(lán)偉銘+李楊

摘 要：基于副車架ABB工業(yè)機(jī)器人弧焊工作站的設(shè)計(jì)，采用單臺(tái)ABB IRB1410工業(yè)機(jī)器人為核心來構(gòu)建包含焊接設(shè)備、清槍剪絲器在內(nèi)的一套單機(jī)器人雙工位的經(jīng)濟(jì)實(shí)用系統(tǒng)。工作站采用ABB標(biāo)準(zhǔn)I/O接口板作為機(jī)器人控制柜IRC5與電焊機(jī)等外設(shè)的接口器件，并進(jìn)行相應(yīng)的硬件線路設(shè)計(jì)及設(shè)置，利用程序編程實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自動(dòng)弧焊功能。

關(guān)鍵詞：汽車副車架；弧焊；縱梁；PLC；ABB

中圖分類號(hào)：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）01-0108-04

Abstract： Design of arc welding workstation for industrial robot based on subframe ABB. The single ABB IRB1410 industrial robot is used as the core to construct a set of economic and practical system which includes welding equipment， gun cleaning and shearing device. The workstation adopts the ABB standard I/O interface board as the interface device of the robot control cabinet IRC5 and welding machine， and carries on the corresponding hardware circuit design and the setup. The automatic arc welding function of robot is realized by programming.

Keywords： car subframe； arc welding； longitudinal beam； PLC； ABB

引言

近些年來，隨著我國汽車產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，汽車年產(chǎn)量也再創(chuàng)新高，柳州是廣西的工業(yè)重鎮(zhèn)，近年的微型車產(chǎn)量也再創(chuàng)新高，某款車型已經(jīng)居于世界前幾名，隨著技術(shù)投入及創(chuàng)新技術(shù)的逐漸完善，對于汽車質(zhì)量的監(jiān)控也非常的重視，質(zhì)量就是企業(yè)的生命線。很多汽車零部件配套企業(yè)也開始跟上主機(jī)廠的步伐，開始利用新的自動(dòng)化設(shè)備代替人力完成很多零部件的生產(chǎn)。汽車副車架是某款乘用車型的關(guān)鍵零部件，長期受到焊縫質(zhì)量問題的困擾，主要是人工焊接所造成的焊縫質(zhì)量不穩(wěn)定，合格率底下的主要原因。針對該車型對副車架焊縫的問題，采用PLC結(jié)合工業(yè)機(jī)器人焊接技術(shù)，采用機(jī)器換人的方式，研發(fā)一套適用于副車架的自動(dòng)點(diǎn)焊機(jī)器人系統(tǒng)來代替人工焊接，實(shí)現(xiàn)焊接過程質(zhì)量穩(wěn)定可控。

乘用車的副車架是汽車底盤的重要零部件，副車架的作用還可以減少車輛的噪聲與振動(dòng)，同時(shí)還可以提高懸掛系統(tǒng)的剛度，對于舒適性起到很重要的作用，所以其質(zhì)量對于汽車而言是非常重要的。副車架分為前橋和后橋兩大部分組成，一套副車架有幾塊縱梁焊接裝配組成，利用多套焊接工藝序完成組裝，因此對于副車架的焊接質(zhì)量是非常高的。

1 傳統(tǒng)手工焊接對質(zhì)量的影響

傳統(tǒng)的手工焊接會(huì)因?yàn)椴煌沫h(huán)境影響及焊接工自身的情緒影響，都會(huì)造成焊接質(zhì)量的不確定性，從而導(dǎo)致每個(gè)零件及每一批次的零件都會(huì)存在質(zhì)量的差異?？梢詮膸讉€(gè)方面進(jìn)行分析：一是企業(yè)焊接工本身的素質(zhì)，本身的焊接水平直接反映出焊接質(zhì)量是否合格；二是焊接工容易受到自身和外來的影響，比如說在焊接過程中容易受到家庭社會(huì)等方方面面的影響，導(dǎo)致容易產(chǎn)生情緒波動(dòng)，導(dǎo)致焊接質(zhì)量不穩(wěn)定；三是在副車架板件焊接過程中，焊接件行程不長，一般在800-1000mm范圍內(nèi)，手工弧焊工作消耗體力大，由于年齡的差異，不能保證質(zhì)量不被高強(qiáng)度的體力消耗對產(chǎn)品的影響。不能保證每個(gè)生產(chǎn)節(jié)拍都能一致，企業(yè)監(jiān)控相對較難控制產(chǎn)量。四是焊接過程中會(huì)有一定的危險(xiǎn)性和焊接時(shí)會(huì)產(chǎn)生有毒的氣體，也會(huì)影響其作業(yè)的環(huán)境及影響焊接時(shí)的合格率，這方面也極易導(dǎo)致人員的流失，如今焊接工較少人愿意從事這份工作。隨之而來導(dǎo)致企業(yè)招工難，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)焊接工緊缺的情況。

所以，企業(yè)為了滿足日益發(fā)展的迫切需求，急需采用自動(dòng)化方式完成焊接自動(dòng)化，除了焊接過程由工業(yè)機(jī)器人來完成，包括工裝夾具也按照自動(dòng)化的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)全套自動(dòng)化的過程，柔性可以充分的體現(xiàn)出來，這樣才能保證質(zhì)量的同時(shí)又可以保證效率，符合企業(yè)的需求。

2 項(xiàng)目介紹

前副車架是車輛的重要底盤部件。主要由前橫梁、后橫梁、左縱梁、右縱梁組成。見圖1所示。本機(jī)器人焊接工作站，主要為某汽車有限公司專門定制，零部件為F600（DM5L）款車型的汽車副車架左右縱梁總成，采用工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)焊接生產(chǎn)。左右縱梁零件如圖2、圖3所示。

3 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)主要由機(jī)器人本體、機(jī)器人控制柜、電焊機(jī)、副車架工件工裝、自動(dòng)控制系統(tǒng)，光、磁、壓力檢測機(jī)構(gòu)、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、抽排煙集成罩、聲光報(bào)警三色燈等部件組成。ABB IRB1410型6軸工業(yè)機(jī)器人，理論上可到達(dá)它工作半徑的任何位置，定位精度可以達(dá)到0.02ram；弧焊機(jī)為松下全新數(shù)字化逆變焊接，節(jié)能、功率因數(shù)高、飛濺少、焊接質(zhì)量可靠，可儲(chǔ)存128套焊接規(guī)范，滿足各種不同板材焊接，使焊接更加細(xì)化。副車架系統(tǒng)兩套夾具采用獨(dú)立式上下件，大大提高生產(chǎn)效率[1]。

3.1 系統(tǒng)硬件配置

此系統(tǒng)采用封閉式工作站，由5部分組成：機(jī)器人本體、IRC5機(jī)器人控制器、IGBT焊接控制器、兩套氣動(dòng)式焊接夾具[2]：

（1）焊接系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)的Panasonic YD-350/500GR數(shù)字IGBT控制MIG/MAG弧焊電源焊機(jī)。

（2）送絲裝置采用Panasonic YW-35DG送絲機(jī)。endprint

（3）BRG2000自動(dòng)清槍器。

（4）工業(yè)機(jī)器人本體選用ABB 1410型。

（5）機(jī)器人控制柜包含PLC控制系統(tǒng)，采用三菱FX2N-32MR-001型號(hào)的PLC。

（6）氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)均采用亞德客品牌氣動(dòng)元器件。

（7）副車架工件工裝總成由機(jī)械夾具與氣缸組成，如圖4所示。

3.2 焊接工作站系統(tǒng)

（1）副車架總成焊接工作站系統(tǒng)如圖5所示。

（2）機(jī)器人與焊機(jī)控制器部分通過硬件I/O連接方式實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)的交互，機(jī)器人與焊機(jī)部分接線圖如圖6所示。

4 焊接機(jī)器人的示教編程

本焊接機(jī)器人現(xiàn)場采用示教器進(jìn)行現(xiàn)場編程示教焊接軌跡，包含了運(yùn)動(dòng)軌跡及作業(yè)條件兩方面的示教工作。為了完成整個(gè)副車架縱梁的焊縫焊接工藝，在對機(jī)器人進(jìn)行示教的部分為焊絲端部運(yùn)動(dòng)的軌跡，包括路徑及焊接速度等；焊機(jī)參數(shù)及機(jī)器人參數(shù)設(shè)置主要是對機(jī)器人進(jìn)行焊接質(zhì)量的示教，包含了被焊件的型材、板材厚度、對應(yīng)不同角度及焊縫形狀的焊槍姿勢、焊接參數(shù)、焊接電源的控制方法等。

副車架兩套氣動(dòng)式焊接夾具：左右兩邊各一套，采用支持DeviceNet現(xiàn)場總線的輸入輸出板（DSQ651）對氣動(dòng)電磁閥進(jìn)行控制。工業(yè)現(xiàn)場總線現(xiàn)在使用的比較廣泛的是DeviceNet，它作為ABB工業(yè)機(jī)器人的標(biāo)配通訊協(xié)議，可靠性好、抗干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定性高、極大減少現(xiàn)場布線等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)通信中。在設(shè)置機(jī)器人與板子通信時(shí)，首先要設(shè)置DSQ651（8DI/8DO）板子的地址，地址采用8421編碼，根據(jù)實(shí)際地址配置651板基本參數(shù)，定義選擇IO板的型號(hào)，根據(jù)本項(xiàng)目選擇IO板通訊的總線形式為Devicenet，以及修改該板的名字等等設(shè)置[3]。機(jī)器人通信板的定義設(shè)置如圖7所示。

ABB IO板的模擬量輸出信號(hào)的范圍是：0～10V，本系統(tǒng)采用的為日本松下的機(jī)器人配套焊機(jī)，焊機(jī)中的撥碼開關(guān)用于電壓的選擇：0～10V或0～15V，本項(xiàng)目將7號(hào)撥動(dòng)開關(guān)撥到ON位置，選擇了電壓范圍為0～10V。

YD-350/500GR弧焊焊機(jī)其主要的控制信號(hào)5個(gè)輸出信號(hào)：焊機(jī)開關(guān)信號(hào)（Do Weld），送氣信號(hào)（Do_Gas），手動(dòng)送絲信號(hào)（Do_ Feed），焊接電流控制信號(hào)（Ao_Current）和焊接電壓控制信號(hào)（Ao_ Voltage）；1個(gè)輸入信號(hào)：電弧建立信號(hào)（Di_ArcE）。在自動(dòng)焊接系統(tǒng)中，只需要在機(jī)器人的PROC中配置個(gè)5各焊接參數(shù)：Do_Weld、Do_Gas、Ao_Current、Ao_Voltage、Di_ArcE；機(jī)器人根據(jù)設(shè)置的不同焊接參數(shù)對Ao_Current和Ao_Vo1tage兩個(gè)模擬信號(hào)的控制，來達(dá)到對焊接電流和電壓的控制[3]。機(jī)器人通信板模擬量信號(hào)的定義設(shè)置如圖8所示。

定義好了TCP（工具坐標(biāo)系）后，按照工藝的順序進(jìn)行焊縫軌跡的示教，焊接示教的角度很重要，在焊接過程中可以調(diào)整到焊接更理想的質(zhì)量效果。機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)焊接姿勢如圖9所示。

5 項(xiàng)目實(shí)施情況

本項(xiàng)目從設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、安裝、機(jī)電集成、控制系統(tǒng)編程調(diào)試、機(jī)器人焊接編程調(diào)試、焊接參數(shù)優(yōu)化、工件破壞性試驗(yàn)等全部由系部專業(yè)教師帶領(lǐng)學(xué)生共同完成，目前焊接樣件已經(jīng)通過廠方驗(yàn)收。圖10、圖11為副車架左、右縱梁總成焊接現(xiàn)場圖。

5.1 焊接工作站性能特點(diǎn)

焊接工作站只需人工上料，按下啟動(dòng)鍵后，由控制系統(tǒng)控制氣動(dòng)夾具自動(dòng)夾緊工件，傳感器檢測工件夾緊到位后，控制系統(tǒng)向機(jī)器人發(fā)出控制信號(hào)，機(jī)器人、智能電焊機(jī)自動(dòng)完成工件焊接，焊接完畢后夾緊機(jī)構(gòu)打開，夾具上的氣動(dòng)機(jī)構(gòu)頂出工件，由人工下料。

5.2 焊接產(chǎn)量

焊接一件工件包括上下料需4分鐘，每小時(shí)15件。按每天三班次、每班六小時(shí)，生產(chǎn)效率按80%計(jì)算，每天產(chǎn)量為216件，可滿足108臺(tái)汽車的生產(chǎn)配套。

5.3 焊接工作站后續(xù)開發(fā)計(jì)劃

現(xiàn)由教師帶領(lǐng)學(xué)生組成的開發(fā)團(tuán)隊(duì)，已經(jīng)在進(jìn)行焊接工作站自動(dòng)上下料系統(tǒng)的開發(fā)工作。該系統(tǒng)配合焊接工作站，在工件料箱自動(dòng)抓取工件，放置到焊接工裝上，焊接工作站焊接完畢后，上下料系統(tǒng)自動(dòng)抓取工件送回料箱。自動(dòng)上下料系統(tǒng)配合焊接工作站，可實(shí)現(xiàn)工件的自動(dòng)焊接、自動(dòng)上下料、自動(dòng)倉儲(chǔ)等功能、可大大減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度、提高生產(chǎn)效率。

6 結(jié)束語

本文介紹的副車架自動(dòng)焊接工作站，由于采用了工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行自動(dòng)焊接，具有性價(jià)比高、可靠性好、作業(yè)效率高的特點(diǎn)，帶來的生產(chǎn)質(zhì)量可控，生產(chǎn)節(jié)拍達(dá)到企業(yè)要求，無人為因素干擾，將人力從繁重的體力勞動(dòng)以及惡劣的粉塵環(huán)境中解放出來，具有很高的現(xiàn)實(shí)意義，解決了企業(yè)的實(shí)際需求。通過投入現(xiàn)場實(shí)際成產(chǎn)，本焊接工作站具備以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）從產(chǎn)品質(zhì)量方面來說，由于是采用PLC為主要控制單元，對于工裝夾具的動(dòng)作，以及對工業(yè)機(jī)器人的控制，包括工業(yè)機(jī)器人本身的控制動(dòng)作，在硬件機(jī)械部分能夠得到很好維護(hù)的情況下，程序本身非常可靠不會(huì)發(fā)生人為問題，所以很大程度上保證了每次動(dòng)作的精準(zhǔn)，從而保證了每一件工件都能按照同樣的節(jié)拍完成焊接，也就保證了每一件產(chǎn)品都能夠做到幾乎一致，提高了質(zhì)量。

（2）從勞動(dòng)生產(chǎn)的角度來看，改善了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，使得工人不再進(jìn)行繁重的體力焊接工作，還要冒著粉塵及焊接過程中的弧光、飛濺及煙霧等都會(huì)對人身造成的傷害。工業(yè)機(jī)器人可以按照既定的節(jié)拍實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)，在特殊時(shí)候還可以調(diào)節(jié)生產(chǎn)節(jié)拍，不會(huì)出現(xiàn)以往人工焊接的疲勞現(xiàn)象，可以實(shí)現(xiàn)全天24小時(shí)的焊接工作，隨著技術(shù)的提升，焊接效率還會(huì)有大的提升。

（3）從企業(yè)管理的角度來說，都希望生產(chǎn)質(zhì)量和節(jié)拍可以監(jiān)控，本系統(tǒng)由于采用機(jī)器人焊接，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品工藝可控，排產(chǎn)方便，柔性很大，通過修改程序即可滿足不同工藝卡對焊接的要求，大大提高了效率，企業(yè)可以根據(jù)不同的訂單需求進(jìn)行排產(chǎn)，有計(jì)劃的進(jìn)行產(chǎn)量控制。

（4）從工藝研發(fā)的角度來看，本焊接系統(tǒng)可以通過對工裝夾具的定位銷的控制，即可對同一系列兩款車型進(jìn)行選擇加工，減少了投入，大大提高了設(shè)備的利用率。

（5）從價(jià)格的角度來看，本自動(dòng)焊接工作站價(jià)格就不高，而隨著工業(yè)機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用的普及，很多品牌的機(jī)器人價(jià)格也在逐年下降，為更多企業(yè)改造現(xiàn)有設(shè)備提供了很大空間[4]。

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