车身焊装生产线机器人布局设计

2014-12-30郑宏良覃鑫

科技创新导报 2014年31期

郑宏良+覃鑫

摘要：通过分析机器人与夹具、修模器、换枪架和围栏的相对距离，以及机器人底座的高度研究机器人布局设计，并从目前的仿真项目中总结出机器人仿真项目中如何获得一个好的布局，有效地解决焊接过程中出现的干涉多、余量少等问题，同时还能够优化机器人的运动轨迹，减少工作的节拍。

关键词：车身焊装线机器人布局

中图分类号：U463 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）11（a）-0008-02

Layout Design of Body Welding Robot Production Line

Zheng Hongliang Qin Xin

（Technology Development Center，SAIC-GM-Wuling Automobile Co.，Ltd，Liuzhou Guangxi，545007，China）

Abstract：Through analysis of the relative distance between robots and fixtures，the gun rack and fences，and the height of the base of the robot to research on robot layout design.To sum up the simulation of robot project how to get a good layout，that can be effectively solved multiple interference，less space in the welding process，also can be optimized trajectory of robot，and reduced the beat of produce.

Key words：Body;Welding Production Line;Robot;Layout

随着我国汽车工业的飞速发展，机器人由于的动作稳定可靠，重复精度高成为一种先进的自动化设备在汽车白车身生产中得到越来越广泛的应用。对于机器人车身焊装生产线项目的前期工作就需要拟定一个大概的布局。这个布局的好坏直接影响后面工作的工作量和进度[1]。

机器人布局设计需满足机器人运动学的要求和周边设备与生产环境对机器人间的约束[2]。由于目前机器人布局设计的评价没有统一的指标，本文是基于仿真技术和现场经验对车身焊装生产线机器人布局设计进行探讨。

1 车身机器人焊装线的组成

车身机器人焊装线通常由点焊机器人、弧焊机器人、搬运机器人，以及滑动拼台、转动拼台、操作人员的安全区等组成，它的布局设计相对于其它生产线来说要复杂得多。如图1所示，一条正在规划的柔性线下车体1#工位的布局，这个工位存在工人吊装、机器人搬运、点焊机器人定位焊等多工作界面;存在上层搬运机器人，中层车体输送和下层点焊机器人多层结构布局;并且空间上必须预留总成搬运机器人的滑移空间。（见图1）

对于图1所示的多工作界面、多层结构和紧凑空间的工位，机器人的布局需要考虑到机器人运动轨迹、人机交互工作界面的安全和周边设备对布局的空间约束[3]。在空间约束上，钢结构的高度决定了搬运机器的安装高度，而搬运机器人的高度决定着滑移拼台的高度，也决定了点焊机器人的运动空间，人机工程的好坏。因此，需要仿真设计出最佳的机器人布局。

2 车身焊装线机器人布局设计

机器人仿真项目的前期工作就需要拟定一个大概的布局。本章节主要探讨仿真过程中，怎样去布局车身焊装生产线中各种设备与机器人的位置[4-5]。

2.1 机器人与夹具的距离

工件是装在夹具上面的，故机器人与夹具之间的距离直接关系到机器人与工件之间的距离。通常来说，机器人与夹具的距离是指机器人中心与夹具上某定位销的距离。在仿真布局的过程中，应该合理地安排两者之间的位置。如果该距离太大，焊钳在焊接离机器人较远的焊点时可能会不满足可达性，此时会出现以下两种情况：（1）焊钳根本不能以要求的姿态达到工件上离机器人较远的焊点;（2）如图2所示，机器人可以达到远处的焊点，但是此时机器人的轴接近极限位置。（见图2）

总之，机器人与夹具的距离应该适宜，这主要是从机器人的可达性和余量两个方面来考虑。然而在实际项目的过程中，单纯对机器人与夹具之间距离进行修改是往往不够的，还需要结合其他方法一起进行修改，如改变机器人的底座高度，修改机器人的焊钳等等。

2.2 机器人与修模器的距离

焊接中，焊钳的电极帽会不断磨损，当磨损到一定的程度与工件的接触面积增大，导致电压密度过高，焊接时会出现假焊与爆焊等现象。因此，每焊接一定数量的焊点，就需要使用修磨器对焊钳的电极帽进行修磨，以保证接触面的面积。

常用的修磨器有以下两种，如图3所示。修磨器工作时，将需要修磨的电极送到修磨孔里即可。

在仿真布局过程中，修磨器的位置布局应该遵守以下几点：首先，机器人必须能够达到修磨器的位置，并且机器人6轴距离限位的余量必须足够大;其次，在机器人工作过程中，必须保证修磨器不会与机器人发生干涉;最后在满足以上条件的前提下，修磨器的位置应尽量靠近机器人的home点位置。该临近home点的位置最好能使机器人很方便的达到，并且机器人的姿态又不需要发生很大的变化。否则，太大、太频繁的姿态变化会在一定程度上会影响机器人的节拍。（见图3）

2.3 机器人与换枪架的距离

在点焊工作过程中，为了焊点的柔性要求有时需要用不同的焊钳对多个工件进行焊接。此时，需要借助换枪架来实现机器人的自动换枪。换枪架与机器人的距离大小应该在适宜的范围内。一方面要确保机器人能够顺利地到达换枪架的位置，又能满足机器人可达性的前提下，能够快速地自动换枪，同时机器人的姿态变化不能太大;另一方面，换枪架的位置不能够影响点焊工作的正常进行，即不能在点焊过程中与及机器人发生干涉。如图4所示，柳东宝骏基地公共补焊线换枪架的布置在两台机器人中间，这样能够实现机器人采用一把大C枪焊接CN200时车身后部轮罩焊点，当其他车型过线时机器人能够在12 s内完成焊枪的更换，且机器人的姿态变化很小。（见图4）

2.4 机器人与围栏的距离

围栏起保护作用。每个工作站通过围栏建立一个工作区域，防止在机器人工作时由于人误入机器人工作区域而造成严重后果。在布局围栏与机器人的位置的时候，要考虑机器人在工作过程中姿态变化造成的影响，即在姿态变化过程中机器人会不会与围栏干涉，特别需要注意的是机器人管线夹与围栏的干涉性、焊钳进出水管与围栏的干涉性;在没有干涉的前提下，还得遵循留足余量的原则。这几点在布局围栏的位置时，都是要充分考虑的。如图5所示，重庆基地下车体线围栏设计在离中心线4 m，保证了机器人运动轨迹与围栏的距离最小距离在达到1 m。（见图5）

2.5 机器人底座的高度

有时候，单纯地改变机器人与夹具的距离是不能满足可达性要求。此时可以考虑通过增大机器人的底座高度来实现。机器人底座的高度应该适宜。底座太低，机器人在焊接远处较高的焊点时，机器人容易与其它设备干涉，有时可能出现限位;底座太高，在焊接近处较低的焊点时，机器人容易出现姿态别扭的情况。

如图6所示，CN200下车体的焊接，底座高度800 mm机器人无法进枪;底座高度1500时，机器人进枪会与上空维修平台干涉;因此，最终选择底座高度为1200 mm的机器人进行焊接。（见图6）

3 结论

车身焊装生产线进行仿真项目中，机器人的布局设计应该遵守以下的原则：

每个设备的布局必须满足机器人能够顺利到达每个工件的前提下，还能确保机器人不会与其他设备发生干涉。

机器人与工件或者其他设备之间必须保证：机器人各轴距离限位位置的留有10%以上的余量，机器人与其他设备不干涉时的至少具有25 mm以上的安全余量。

在满足上述的前提下，还需从是否有利于优化机器人的运动轨迹，减少机器人的节拍等多个方面进行考虑。

参考文献

[1] 李靖.点焊机器人焊钳的设计[J].汽车工艺与材料，2001（8）：25-28.

[2] 项彬彬，陈卫东，亓利伟，等.基于遗传算法的机器人作业单元布局优化[J].上海交通大学学报，2008，42（10）：1697-1701.

[3] 潘涛.机器人在车身焊装线上的应用[J].现代零部件，2012（5）：21-23.