副车架总成机器人焊接工作站的设计及应用

蓝伟铭+李杨

摘 要：基于副车架ABB工业机器人弧焊工作站的设计，采用单台ABB IRB1410工业机器人为核心来构建包含焊接设备、清枪剪丝器在内的一套单机器人双工位的经济实用系统。工作站采用ABB标准I/O接口板作为机器人控制柜IRC5与电焊机等外设的接口器件，并进行相应的硬件线路设计及设置，利用程序编程实现机器人自动弧焊功能。

关键词：汽车副车架；弧焊；纵梁；PLC；ABB

中图分类号：TP242 文献标志码：A 文章编号：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，随着我国汽车产业的高速发展，汽车年产量也再创新高，柳州是广西的工业重镇，近年的微型车产量也再创新高，某款车型已经居于世界前几名，随着技术投入及创新技术的逐渐完善，对于汽车质量的监控也非常的重视，质量就是企业的生命线。很多汽车零部件配套企业也开始跟上主机厂的步伐，开始利用新的自动化设备代替人力完成很多零部件的生产。汽车副车架是某款乘用车型的关键零部件，长期受到焊缝质量问题的困扰，主要是人工焊接所造成的焊缝质量不稳定，合格率底下的主要原因。针对该车型对副车架焊缝的问题，采用PLC结合工业机器人焊接技术，采用机器换人的方式，研发一套适用于副车架的自动点焊机器人系统来代替人工焊接，实现焊接过程质量稳定可控。

乘用车的副车架是汽车底盘的重要零部件，副车架的作用还可以减少车辆的噪声与振动，同时还可以提高悬挂系统的刚度，对于舒适性起到很重要的作用，所以其质量对于汽车而言是非常重要的。副车架分为前桥和后桥两大部分组成，一套副车架有几块纵梁焊接装配组成，利用多套焊接工艺序完成组装，因此对于副车架的焊接质量是非常高的。

1 传统手工焊接对质量的影响

传统的手工焊接会因为不同的环境影响及焊接工自身的情绪影响，都会造成焊接质量的不确定性，从而导致每个零件及每一批次的零件都会存在质量的差异。可以从几个方面进行分析：一是企业焊接工本身的素质，本身的焊接水平直接反映出焊接质量是否合格；二是焊接工容易受到自身和外来的影响，比如说在焊接过程中容易受到家庭社会等方方面面的影响，导致容易产生情绪波动，导致焊接质量不稳定；三是在副车架板件焊接过程中，焊接件行程不长，一般在800-1000mm范围内，手工弧焊工作消耗体力大，由于年龄的差异，不能保证质量不被高强度的体力消耗对产品的影响。不能保证每个生产节拍都能一致，企业监控相对较难控制产量。四是焊接过程中会有一定的危险性和焊接时会产生有毒的气体，也会影响其作业的环境及影响焊接时的合格率，这方面也极易导致人员的流失，如今焊接工较少人愿意从事这份工作。随之而来导致企业招工难，经常会出现焊接工紧缺的情况。

所以，企业为了满足日益发展的迫切需求，急需采用自动化方式完成焊接自动化，除了焊接过程由工业机器人来完成，包括工装夹具也按照自动化的方式进行设计，实现全套自动化的过程，柔性可以充分的体现出来，这样才能保证质量的同时又可以保证效率，符合企业的需求。

2 项目介绍

前副车架是车辆的重要底盘部件。主要由前横梁、后横梁、左纵梁、右纵梁组成。见图1所示。本机器人焊接工作站，主要为某汽车有限公司专门定制，零部件为F600（DM5L）款车型的汽车副车架左右纵梁总成，采用工业机器人自动焊接生产。左右纵梁零件如图2、图3所示。

3 系统组成

系统主要由机器人本体、机器人控制柜、电焊机、副车架工件工装、自动控制系统，光、磁、压力检测机构、气动驱动机构、抽排烟集成罩、声光报警三色灯等部件组成。ABB IRB1410型6轴工业机器人，理论上可到达它工作半径的任何位置，定位精度可以达到0.02ram；弧焊机为松下全新数字化逆变焊接，节能、功率因数高、飞溅少、焊接质量可靠，可储存128套焊接规范，满足各种不同板材焊接，使焊接更加细化。副车架系统两套夹具采用独立式上下件，大大提高生产效率[1]。

3.1 系统硬件配置

此系统采用封闭式工作站，由5部分组成：机器人本体、IRC5机器人控制器、IGBT焊接控制器、两套气动式焊接夹具[2]：

（1）焊接系统采用标准的Panasonic YD-350/500GR数字IGBT控制MIG/MAG弧焊电源焊机。

（2）送丝装置采用Panasonic YW-35DG送丝机。endprint

（3）BRG2000自动清枪器。

（4）工业机器人本体选用ABB 1410型。

（5）机器人控制柜包含PLC控制系统，采用三菱FX2N-32MR-001型号的PLC。

（6）气动驱动机构均采用亚德客品牌气动元器件。

（7）副车架工件工装总成由机械夹具与气缸组成，如图4所示。

3.2 焊接工作站系统

（1）副车架总成焊接工作站系统如图5所示。

（2）机器人与焊机控制器部分通过硬件I/O连接方式实现控制信号的交互，机器人与焊机部分接线图如图6所示。

4 焊接机器人的示教编程

本焊接机器人现场采用示教器进行现场编程示教焊接轨迹，包含了运动轨迹及作业条件两方面的示教工作。为了完成整个副车架纵梁的焊缝焊接工艺，在对机器人进行示教的部分为焊丝端部运动的轨迹，包括路径及焊接速度等；焊机参数及机器人参数设置主要是对机器人进行焊接质量的示教，包含了被焊件的型材、板材厚度、对应不同角度及焊缝形状的焊枪姿势、焊接参数、焊接电源的控制方法等。

副车架两套气动式焊接夹具：左右两边各一套，采用支持DeviceNet现场总线的输入输出板（DSQ651）对气动电磁阀进行控制。工业现场总线现在使用的比较广泛的是DeviceNet，它作为ABB工业机器人的标配通讯协议，可靠性好、抗干扰能力强、稳定性高、极大减少现场布线等优点，广泛应用于工业通信中。在设置机器人与板子通信时，首先要设置DSQ651（8DI/8DO）板子的地址，地址采用8421编码，根据实际地址配置651板基本参数，定义选择IO板的型号，根据本项目选择IO板通讯的总线形式为Devicenet，以及修改该板的名字等等设置[3]。机器人通信板的定义设置如图7所示。

ABB IO板的模拟量输出信号的范围是：0～10V，本系统采用的为日本松下的机器人配套焊机，焊机中的拨码开关用于电压的选择：0～10V或0～15V，本项目将7号拨动开关拨到ON位置，选择了电压范围为0～10V。

YD-350/500GR弧焊焊机其主要的控制信号5个输出信号：焊机开关信号（Do Weld），送气信号（Do_Gas），手动送丝信号（Do_ Feed），焊接电流控制信号（Ao_Current）和焊接电压控制信号（Ao_ Voltage）；1个输入信号：电弧建立信号（Di_ArcE）。在自动焊接系統中，只需要在机器人的PROC中配置个5各焊接参数：Do_Weld、Do_Gas、Ao_Current、Ao_Voltage、Di_ArcE；机器人根据设置的不同焊接参数对Ao_Current和Ao_Vo1tage两个模拟信号的控制，来达到对焊接电流和电压的控制[3]。机器人通信板模拟量信号的定义设置如图8所示。

定义好了TCP（工具坐标系）后，按照工艺的顺序进行焊缝轨迹的示教，焊接示教的角度很重要，在焊接过程中可以调整到焊接更理想的质量效果。机器人标准焊接姿势如图9所示。

5 项目实施情况

本项目从设计、生产制造、安装、机电集成、控制系统编程调试、机器人焊接编程调试、焊接参数优化、工件破坏性试验等全部由系部专业教师带领学生共同完成，目前焊接样件已经通过厂方验收。图10、图11为副车架左、右纵梁总成焊接现场图。

5.1 焊接工作站性能特点

焊接工作站只需人工上料，按下启动键后，由控制系统控制气动夹具自动夹紧工件，传感器检测工件夹紧到位后，控制系统向机器人发出控制信号，机器人、智能电焊机自动完成工件焊接，焊接完毕后夹紧机构打开，夹具上的气动机构顶出工件，由人工下料。

5.2 焊接产量

焊接一件工件包括上下料需4分钟，每小时15件。按每天三班次、每班六小时，生产效率按80%计算，每天产量为216件，可满足108台汽车的生产配套。

5.3 焊接工作站后续开发计划

现由教师带领学生组成的开发团队，已经在进行焊接工作站自动上下料系统的开发工作。该系统配合焊接工作站，在工件料箱自动抓取工件，放置到焊接工装上，焊接工作站焊接完毕后，上下料系统自动抓取工件送回料箱。自动上下料系统配合焊接工作站，可实现工件的自动焊接、自动上下料、自动仓储等功能、可大大减轻工人的劳动强度、提高生产效率。

6 结束语

本文介绍的副车架自动焊接工作站，由于采用了工业机器人进行自动焊接，具有性价比高、可靠性好、作业效率高的特点，带来的生产质量可控，生产节拍达到企业要求，无人为因素干扰，将人力从繁重的体力劳动以及恶劣的粉尘环境中解放出来，具有很高的现实意义，解决了企业的实际需求。通过投入现场实际成产，本焊接工作站具备以下优点：

（1）从产品质量方面来说，由于是采用PLC为主要控制单元，对于工装夹具的动作，以及对工业机器人的控制，包括工业机器人本身的控制动作，在硬件机械部分能够得到很好维护的情况下，程序本身非常可靠不会发生人为问题，所以很大程度上保证了每次动作的精准，从而保证了每一件工件都能按照同样的节拍完成焊接，也就保证了每一件产品都能够做到几乎一致，提高了质量。

（2）从劳动生产的角度来看，改善了工人的劳动强度，使得工人不再进行繁重的体力焊接工作，还要冒着粉尘及焊接过程中的弧光、飞溅及烟雾等都会对人身造成的伤害。工业机器人可以按照既定的节拍实现生产，在特殊时候还可以调节生产节拍，不会出现以往人工焊接的疲劳现象，可以实现全天24小时的焊接工作，随着技术的提升，焊接效率还会有大的提升。

（3）从企业管理的角度来说，都希望生产质量和节拍可以监控，本系统由于采用机器人焊接，实现了产品工艺可控，排产方便，柔性很大，通过修改程序即可满足不同工艺卡对焊接的要求，大大提高了效率，企业可以根据不同的订单需求进行排产，有计划的进行产量控制。

（4）从工艺研发的角度来看，本焊接系统可以通过对工装夹具的定位销的控制，即可对同一系列两款车型进行选择加工，减少了投入，大大提高了设备的利用率。

（5）从价格的角度来看，本自动焊接工作站价格就不高，而随着工业机器人技术应用的普及，很多品牌的机器人价格也在逐年下降，为更多企业改造现有设备提供了很大空间[4]。

参考文献：

[1]舒章钧.ABB机器人在纵梁自动焊接中的应用[A].2015年第五届全国地方机械工程学会学术年会暨中国制造2025发展论坛论文集[C].2015：5-6.

[2]韦宏明.基于DeviceNet的ABB工业机器人弧焊工作站的设计[J].机械，2013，03：23-27.

[3]周方伟.ABB机器人弧焊系统的研究与分析[J].汽车实用技术，2010（05）：56-58.

[4]赵国，蒋召杰，韦柳毅.浅谈机器人焊接在汽车发动机后悬置横梁上的应用[J].装备制造技术，2014，05：238-240.

[5]陈凯丰.试论焊接机器人在汽车焊装领域中的应用[J].科技创新与应用，2015（34）：54.endprint