徐庶庚，張汝飛，張汝強

(成都航天華濤汽車塑料飾件有限公司，四川 成都 641400)

本集成設備是用于某汽車品牌塑膠產品- 前端支架殼體NCS NF（PA），集成設備全自動實現卡扣裝配及超聲波焊接的多機器人聯(lián)動應用項目。塑膠件上料后，旋轉工作臺旋轉至工作位，機器人連續(xù)不間斷加工。主體采用兩臺ABB 六軸工業(yè)機器人多機聯(lián)動生產線，振動盤伺服模組分料供應卡扣，機器人治具取料，利用機器人末端卡扣裝配工裝機構，包括產品固定座、氣缸、導向單元，控制所述的不同夾具氣缸動作，抓取相應的金屬卡扣，按照設定好的程序，依次裝配兩種類型共14 個卡扣，將輔件安裝固定于塑膠產品所需的預定位置，金屬卡扣安裝完成，同步通訊至焊接機器人，完成相應的USB 座5 個片筋點位的超聲波焊接，有效的減少人工，提高生產效率。

1 系統(tǒng)介紹

（1）產品信息。生產加工所需塑膠產品—— 前端支架塑膠殼體NCS NF（PA），該產品屬于某汽車副板總成的一個組成部件，如圖1 示。

圖1 待加工塑膠產品示意圖

（2）金屬卡扣上料系統(tǒng)為A、B 型兩種金屬卡扣震動篩選盤加直線震動送料，如圖2 示。

圖2 震動篩選盤及直線震動送料系統(tǒng)示意圖

（3）塑膠產品裝配工裝夾具兩套，安裝于旋轉工作臺，如圖3 示。

圖3 塑膠產品壓緊工裝

（4）塑膠產品USB 殼體焊接工裝夾具，如圖4 示。

圖4 焊接工位壓緊工裝示意圖

（5）系統(tǒng)加工說明。

塑膠產品NCS NF（PA）前端支架共需安裝兩種型號的14 顆金屬卡扣，A 型金屬卡扣安裝于1#～10#位置，B 型金屬卡扣安裝于11#～14#位置，如圖5、圖6 示。

圖5 兩種型號的金屬卡扣安裝位置示意圖

圖6 金卡扣完成安裝示意圖

紫色部件為USB 接線盒裝配底座，5 個片筋支撐，如圖7 示，安裝后需進行超聲波焊接固定（5 處片筋），片筋超聲波焊接點部位如圖8 紅框處示。

圖7 USB 接線盒裝配于底座示意圖

圖8 USB 接線盒5 個片筋焊接位置示意圖

2 設備改造背景

設備改造前，該塑膠產品安裝兩種型號共14 顆金屬卡扣，以及USB 座5 個片筋超聲波焊接，因無相關自動化專用設備，完全采用員工手工安裝裝配卡扣和焊接，導致員工工作勞動強度大，效率低，人工投入成本高，員工手持超聲波焊槍焊接，焊接質量完全靠員工經驗把握，焊接的一致性和穩(wěn)定性很難得到保證。人工安裝及焊接，不良率高，卡扣損壞率5% 左右，漏裝率3% 左右，焊接報廢率25% 左右。為提高產品合格率，減輕員工勞動強度，該生產工序提升改造為機器人全自動生產線，由全自動化生產線進行自動安裝及超聲波焊接，并且增加相應的金屬卡扣漏裝識別檢測，漏裝卡扣產品將被自動識別分隔離出來。

3 設備整體布局

通過震動盤實現兩種類型的金屬卡扣A 和B 自動上料，卡扣裝配機器人6 軸末端安裝夾具將卡扣抓取并自動裝入塑膠產品相應的位置，裝配完成后焊接機器人抓取產品放入焊接工裝，機器人精確定位焊接點位并采用超聲波單點逐次完成焊接，整體布局如圖9示。

圖9 設備改造整體布局示意圖

4 集成設備系統(tǒng)構成

4.1 設備改造基本參數

（1）設備安裝尺寸，如圖10 示。

圖10 設備改造安裝尺寸示意圖

（2）要求生產節(jié)拍小于60 s。

（3）要求產品合格率99.9%。

（4）工作電壓 AC380 V/AC220 V 50 HZ。

（5）工作氣源壓力0.5～0.7 kgf/cm2。

（6）設備功率小于5 kw。

4.2 超聲波單元

系統(tǒng)使用一套 30KHz JINCHIC 超聲波設備，根據 USB 底座片筋形狀特制配套的超聲波焊頭組合。當機器人自動定位于各片筋上方，超聲波發(fā)功，由發(fā)生器產生30 KHz 的高壓、高頻信號，通過換能系統(tǒng)，把信號轉換為高頻機械振動，加于塑膠制品工件上，在工件表面及分子間的磨擦而使傳遞到接口的溫度升高，當溫度達到此工件本身的熔點時，使工件接口迅速熔化，繼而填充于接口間的空隙，塑膠焊接的同時根據機器人TCP 坐標系繼續(xù)向下緩慢移動，一直移動到設定的焊接深度，超聲波發(fā)功結束震動停止，工件在機器人一定的壓力下同時吹氣冷卻定形，便達成合格的焊接工藝。

4.3 自動化設備構成

（1）機器人單元。

由A 和B 兩臺ABB 工業(yè)機器人（IRC5 Single）組成多機聯(lián)動，工業(yè)機器人型號IRB1410、承載能力5 kg、到達距離1.45 m，A 機器人完成金屬卡扣的全自動夾取及安裝，B 機器人完成USB 支架超聲波焊接及取放產品、卡扣漏裝識別。

（2）旋轉供料臺一套，待加工塑膠產品放在旋轉胎模上，便于機器人實現連續(xù)不間斷加工。

（3） 控制系統(tǒng)采用西門子SIEMENS 系列SMART S7-200 PLC 及SMART LINE 觸摸屏，并實現與機器人聯(lián)絡通訊，實現信號交互。

（4）震動篩選供料盤2 套，待安裝金屬卡扣有序排列至前端，便于機器人自動夾取卡扣。

（5）輸送線2 條（合格品和不合格品各一條輸送線），B 機器人焊接完成把加工完成的產品放在輸送帶上，自動運至安全區(qū)。

4.4 設備各模組展示介紹，如圖11 示。

圖11 設備改造各模組示意圖

（1）A 模塊，金屬卡扣抓取安裝夾具，實現A、B 兩種金屬卡扣的全自動抓取及安裝。

（2）B 模塊，金屬卡扣上料系統(tǒng)，實現震動篩選全自動不間斷供料。

（3）C 模塊, 卡扣安裝產品固定工裝夾具，安裝于旋轉供料臺，實現產品穩(wěn)固定位，便于A 機器人安裝卡扣。

（4）D 模塊，旋轉供料臺，塑膠產品上料后旋轉至工作位，便于機器人實現不間斷加工。

（5）E 模塊，產品抓取工裝夾具及超聲波焊槍，實現B 機器人把產品由旋轉供料臺抓取至焊接工位，同時集成有超聲波焊槍。

（6）F 模塊，超聲波焊接產品固定工裝夾具，安裝于焊接工位，實現產品穩(wěn)固定位，便于B 機器人定位焊接。

5 集成設備工作原理及工藝流程

5.1 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)改造后，塑膠產品實現機器人全自動超聲波焊接與金屬卡扣裝配，需要安裝14 顆兩種型號金屬卡扣，以及USB 座5 個片筋超聲波焊接，由兩臺ABB工業(yè)機器人組成多機聯(lián)動，A 機器人完成金屬卡扣的夾取及安裝，B 機器人完成USB 支架超聲波焊接及取放產品、卡扣漏裝識別。兩種類型的金屬卡扣分別放入各自的震動篩選供料盤，篩選并排列好的金屬卡扣通過直線振動軌道把卡扣有序地送至出料口，A 機器人運行至A 金屬卡扣取料口，由安裝在機器人6 軸末端的五套微型夾具取走A 型卡扣5 個，然后機器人運行至B 金屬卡扣取料口，由安裝在機器人6 軸末端的兩套微型夾具取走B 型卡扣2 個，兩種類型卡扣取料完畢后，A 機器人接收到塑膠產品旋轉供料臺到位信號后，進行A 型卡扣1#～5#和B 型卡扣11#～12#的安裝。安裝完成后，A 機器人返回取料程序，再次夾取A 和B 型卡扣，繼續(xù)進行A 型卡扣6#～10#和B 型卡扣13#～14#的安裝。卡扣全部安裝完成后，A 機器人至安全區(qū)域傳送卡扣安裝完成信號給焊接B 機器人，B 機器人收到卡扣裝配完成信號后，運行至卡扣安裝工位，取走塑膠產品，放至焊接工裝，完成USB 支架5 個焊點超聲波焊接，焊接完成后啟動卡扣漏裝識別，判別后，把產品分別放至合格輸送線或者漏裝卡扣輸送線，從而完成一套產品的卡扣安裝及超聲波焊接。

5.2 產品金屬卡扣裝配及焊接工藝機器人動作流程

A、B 兩臺機器人實現相互通訊以及與西門子SMART S7-200 PLC 通訊信號連接，根據信號各自運行預先編制好的程序完成相應的金屬卡扣全自動安裝以及USB 座片筋點位的焊接工作，工作流程示意圖，如圖12 所示。

圖12 產品卡扣裝配及焊接流程示意圖

6 系統(tǒng)集成運用

6.1 工裝夾爪器具部分

工裝夾爪器具，根據產品生產工藝加工流程，為待加工產品生產工藝和流程能正確執(zhí)行而所需的裝置，幫助塑膠工件產品夾持、準確定位、牢固支持，保證加工精度。

（1）塑膠產品裝配工裝設計

卡扣裝配，產品固定工裝夾具，確保金屬卡扣安裝工藝準確無誤，保證加工精度，如圖13 所示。

圖13 卡扣裝配，產品固定工裝夾具示意圖

（2）塑膠產品焊接工裝設計

超聲波焊接，產品固定工裝夾具，確保塑膠產品放至焊接工裝后，機器人持超聲波焊槍焊接工藝，保證加工精度，如圖14 所示。

圖14 超聲波焊接，產品固定工裝夾具示意圖

（3）A 機器人卡扣取料工裝設計

A 機器人需對兩種不同類型的金屬卡扣夾取，卡扣取料工裝設計為兩種，A 型金屬卡扣設計為5 個獨立的氣缸夾取，機構圖中灰色部分，B 型金屬卡扣設計為2 個獨立的氣缸夾取，機構圖中淺藍色部分，安裝于B 機器人6 軸末端，如圖15 所示。

圖15 卡扣取料工裝設計示意圖

（4）B 機器人產品取料及焊槍工裝設計

當塑膠產品14 顆卡扣安裝完畢，B 機器人需要在裝配工裝上取走產品，放至焊接工裝定位，進行超聲波焊接，如圖16 所示。

圖16 產品取料及焊槍工裝示意圖

6.2 震動篩選盤供料系統(tǒng)設計部分

金屬卡扣自動上料系統(tǒng)，通過震動篩選盤加直線送料，分別把A 型和B 型金屬卡扣自動排列至供料末端，以備機器人夾取，取走一個后并實現迅速不間斷補料，如圖17 所示。

圖17 震動篩選盤供料系統(tǒng)示意圖

6.3 電氣控制部分

控制系統(tǒng)采用西門子s7-200 SMART PLC 及觸摸屏（HMI），s7-200 SMART 是西門子公司推出的高性價比小型PLC，配帶一個以太網接口，用以太網和交換機實現上位機、PLC、HMI 以及機器人之間的通訊，網絡通訊拓撲，如圖18 所示。

圖18 系統(tǒng)改造網絡拓撲示意圖

根據系統(tǒng)集成要求，為滿足生產工藝，在進行應用程序設計時，確定好系統(tǒng)的構成形式，選擇輸入設備( 按鈕、操作開關、限位開關、傳感器等)、輸出設備( 繼電器、接觸器、信號燈等執(zhí)行元件) 以及由輸出設備驅動的控制對象( 電動機、電磁閥等)，設計控制程序，配置好Plc、上位機、觸摸屏、機器人相互之間的通訊聯(lián)絡。根據工藝流程要求，編制調試好控制程序及網絡通訊，是保證系統(tǒng)正常、安全、可靠的關鍵。

6.4 機器人程序部分

工業(yè)機器人編程是使用機器人特定語言來描述機器人動作軌跡，根據工藝控制流程配合PLC 相互通訊，配置好和Plc 之間的信號關聯(lián)，編制機器人控制程序。它通過對機器人的示教，使機器人按照既定運動和作業(yè)指令完成編程和想要的各種操作。在編制機器人程序前定義好工件坐標系，它是用來定義工件相對于大地坐標系或者其它坐標系的位置，方便用戶以工件平面方向為參考手動操作調試。接著創(chuàng)建焊槍的工具坐標系（TCP），TCP（Tool Center Point）工具座標系是機器人運動的基準，是由工具中心點TCP 與坐標方位組成，機器人連動時，TCP 是必需的，能方便控制機器人的姿態(tài)。在超聲波焊接作業(yè)時，將焊槍工具的TCP 定義在焊槍末端，方便地調整焊接姿態(tài)。

7 集成運用改造取得效果

NCS NF 前端支架共需要安裝14 個金屬輔件及焊接5 個點位的USB 支架，未整改前此條生產線需要3名員工完成金屬輔件作業(yè)和USB 支架的超聲波焊接，勞動強度大，生產效率不高，焊接質量不穩(wěn)定，合格率低。改造后，塑膠產品“NCS NF（PA）前端支架”安裝輔件卡扣、USB 支架焊接生產線，通過利用機器人自動化安裝及焊接，實現了減少2 名人工，大幅提升生產效率、節(jié)約人工成本、提高產品合格率、焊接質量穩(wěn)定可靠等目的，還極大降低了員工的勞動強度，詳見以下圖表說明，如圖19 所示。

圖19 改造取得的效果對比示意圖

8 結束語

在目前制造業(yè)招工難，人工成本高的今天，逐步使用工業(yè)機器人替代人工，提升生產線的自動化和智能化水平，是企業(yè)最有效的解決方式之一。根據生產工藝的要求開發(fā)相關的專用高效設備，改造全自動化生產線，通過使用工業(yè)機器人很好的取代人工裝配輔件及超聲波塑膠焊接作業(yè)，塑膠產品實現自動化輔件安裝、超聲波焊接、防漏裝檢測等多工序的全程自動化生產，全自動化生產線的工藝非常穩(wěn)定可靠，不僅降低了生產及人工成本，而且還大幅提升提高勞動生產率，使產品的質量得到可靠保證的目的。