商用车国六后处理器机器人焊接生产线特点研究

摘要：随着汽车尾气排放造成的大气污染越来越严重，国家推出了燃油车国六排放新标准。国六排放标准在尾气净化指标上较国五排放标准提高许多，因此国六后处理器产品的结构特点、机器人焊接生产线与国五相比很大的不同。与国五生产线相比也存在很大区别。主要阐述了商用车国六后处理器的产品特点、机器人焊接生产线组成、机器人焊接工作站的选型和特点、物流搬运设备的种类和特点、焊接检测设备的种类和特点，以期为商用车国六后处理器机器人焊接生产线规划提供一定的参考。

关键词：商用车国六后处理器;机器人焊接工作站;物流搬运;焊接检测

中图分类号：TP249文献标志码：A文章编号：1001-2303（2020）03-0041-08

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.03.08

0 前言

目前，我国的空气质量急待进一步改善，提高商用车尾气排放标准对于减少尾气排放对环境的污染具有重要意义。我国新推出的国六后处理器排放标准不仅参考了欧六排放标准，还借鉴了美国排放标准的部分经验，与国五排放标准相比，在整体上严格50%以上[1]。因此，国内主要的商用车排气制造厂商都在积极布局商用车国六机器人自动化生产线。国六后处理器产品结构形式与国五相比变化很大，所以国六机器人自动化生产线的布局、物流搬运和焊接检测等方面呈现出新的特点和趋势。

1 商用车国六后处理器产品特点

商用车（Commercial Vehicle）指在设计和技术特征上是用于运送人员和货物的汽车，包含所有载货汽车和9座以上客车，共五类：客车、货车、半挂牵引车、客车非完整车辆和货车非完整车辆。

商用车占我国机动车保有量不足10%，但是其排放的氮氧化物接近汽车排放总量的70%，颗粒物超过90%，是我国机动车污染防治的重中之重。2018年6月28日，国家发布了有关“国六”发动机的政策性文件，生态环境部发布“关于发布国家污染物排放标准《重型柴油车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》的公告”。自2019年7月1日起，所有燃气汽车应符合本标准要求;自2020年7月1日起，所有城市车辆应符合本标准要求;自2021年7月1日起，所有重型柴油车应符合本标准要求。

与国五排放标准相比，国六排放标准发布人排放限值加严了许多，其推出将有助于缩小我国与发达国家在机动车污染控制方面的差距，进一步改善空气质量、保护公众健康。国六排放标准PN限值对比如图1所示。

商用车国六排放处理系统主要由DOC、DPF、SCR三部分组成。

DOC是柴油机氧化催化器（Diesel oxidation ca-talyst）的缩写，一般以金属或陶瓷作为催化剂载体，涂层中主要活性成分是铂系、钯系等贵重金属与稀有金属。当柴油机的尾气通过催化剂时，HC（碳氢化合物化）、CO（一氧化碳）等在较低温度下可以很快与尾气中的氧气进行化学反应，生成無污染的H2O和CO2，达到净化尾气中HC、CO的目的。

DPF是柴油颗粒过滤器（Diesel Particulate Fil-ter）的缩写，安装在排气系统中，通过DPF过滤捕捉尾气中的PM（颗粒物），可以减少尾气中的PM（颗粒物），通常过滤效果能达到70%～90%，卡车尾气中的黑烟就是[PM2]。

SCR是选择性催化还原器（Selective Catalytic Re-duction）的缩写，主要去除尾气中NOx（氮氧化物）。利用尿素为还原剂，在选择性催化剂的还原作用下将尾气中的NOx（氮氧化物）还原成氮气与水[3]。

商用车国六后处理系统主要分为以下几种形式：针对轻型商用车的单筒式后处理系统，如图2所示;针对中型商用车的U型后处理系统，如图3所示;针对重型商用车的箱式后处理系统，如图4所示。

2 商用车国六后处理机器人焊接生产线组成

商用车国六后处理机器人焊接生产线主要由机器人焊接工作站、物流搬运设备、气密检测设备、焊接检测系统等组成。相较国五排放处理系统，国六排放处理系统工艺变化较大，涉及到增加设备较多：（1）焊缝长度、焊接工序增加，焊接工艺复杂;（2）增加装配工序，装配工艺复杂;（3）由于产品质量增加，变位机、夹具负载要求增加，需增加自动搬运机器人、辅助吊具等;（4）部分厂家要求增加焊缝检测设备，便于自动识别焊缝外观质量;（5）物料自动化程度提升，部分客户要求增加AGV上料系统，减少人工劳动强度;（6）线体集成的难度增加，同时考虑MES追踪防错系统、测漏补焊返修、集中除尘设备、自动化物流、激光打标及尺寸抽检等。

在此主要介绍商用车国六后处理器机器人焊接工作站的选型和特点、物流搬运设备的种类和特点、焊接检测设备的种类和特点。

3 商用车架国六后处理器机器人焊接工作站的选型和特点

商用车国六后处理器机器人焊接工作站包括：机器人系统（机器人本体、机器人控制柜、示教盒）、焊枪防碰撞传感器、焊接电源系统（焊机、通讯基板或通讯接口板、送丝机、焊枪、焊枪电缆组件、冷却水箱及附件）、清枪剪丝机构、中央连接盘（含气体三联件、保护气流量传感器、保护气流量调节器、压缩空气流量传感器及端子台等）、变位机、焊接夹具、PLC控制系统（PLC控制柜、HMI触摸屏、中继盒、主操作盘等）、安全系统（安全围栏、卷帘门、安全光栅、安全锁、三色灯等）、机器人底座、气管、接头及管线槽、耗材等。

由于商用车国六排气产品大多采用不锈钢材质，其板薄，焊接量大，有气密性要求，且外观件不能有飞溅，所以大多厂家在选择焊机时优先考虑采用CMT焊机。

冷金属过渡焊（简称CMT）技术是Fronius公司推出一种特殊的熔化极气体保护焊技术。CMT焊接焊丝端头以70 Hz高频往复移动，电弧点燃后熔滴生成、长大，同时焊丝前送，逐渐降低焊接电流。某一瞬间，熔滴接触熔池产生短路，电弧熄灭，同时送丝机迅速抽丝，迫使熔滴从焊丝端头脱落。熔滴在无电流状态下进行过渡，熔滴脱落后，再次提高焊接电流，重新生成电弧，并将焊丝前送，开始新一轮CMT焊接过程。由于CMT焊接熔滴在极低电流状态下短路过渡，使得焊接热输入量小、焊接变形小、无焊接飞溅、弧长控制精确、焊缝成形好。可实现不同厚度、不同材料的焊接[4]。CMT焊接熔滴脱落原理如图5所示。

商用车国六排气机器人弧焊工作站的布局形式主要有：三轴水平回转机器人弧焊站、三轴垂直翻转机器人弧焊站以及双工位TL站，系统布置如图6～图8所示。

三轴水平回转机器人弧焊站工作站占地面积较大，两工位装件在同一位置，减少操作工的走动时间，单边供料，两工位间采用变位机转换，生产效率较高。另外，对于工件回转半径大，夹具梁在3 m以上的常采用机器人倒吊安装，以减小工作站占地面积。

三轴垂直翻转机器人弧焊站占地面积小于三轴水平回转站，工位间翻转占用的是高度方向，因此工作站较高，机器人焊接工位较高。其他特点基本与三轴水平回转站相同[5]。

双工位TL机器人弧焊站主要用于U型后处理器、方型后处理器总成焊接，通过可双方向变位的TL形式变位机来达到更佳的焊接姿态。

4 商用车国六后处理器物流搬运设备的种类和特点

因商用车国六后处理器产品内部含封装载体，产品大多较重，需要物料搬运设备。其搬运方案主要有：硬臂式的吊取方案、软索式的吊取方案及机器人搬运方案。

硬臂式吊取方案采用压缩空气为动力源，要求气源空气压力不小于0.5 MPa。吊具主体采用框架式钢结构，如图9所示。垂直升降主机采用内壁是蜂窝状结构的抗扭气缸，维护与普通气缸相同，与抓具连接处采用抗扭法兰，因此比外置气缸更加耐用;系统有负载指示装置，可以显示夹具负载状态;有误操作保护装置，只有工件被有效支撑或工件降低到最低位置，才能释放工件，气源有供气两联件;采用浮动或UP/DOWN控制方式控制夹具的上升和下降。硬臂式吊具主要特点是工件在取件、移动和放件过程中处于悬浮状态，停止时无晃动，使用较为安全可靠。

软索式的吊取方案（见图10）按动力源可分为气动和电动，二者主要区别在于采用气动葫芦或者电动葫芦作为系统主机，上升、下降动作由按钮控制。气动平衡吊具有浮动特点，使得提升、移动、放件操作过程无阻力，定位准确等。电动葫芦采用双速起升马达，带紧急制动装置，摩擦转矩离合器，上下提升限位开关等。采用模块化设计，安全可靠，安装方便。软索式吊具具有成本低、实用性强、易操作等特点。

搬运机器人是焊接自动线上下料最常用的方式如图11所示。它具有无需人工参与、操作效率高、柔性化程度高等特点。因搬运机器人成本较高，为提高搬运机器人的使用率，常常与外部轴驱动的行走机构配合使用，提高搬运机器人的工作范围，实现多工位自动上下料[6]。

6 商用车就国六后处理器焊接检测设备的种类和特点

商用车国六后处理器焊接检测主要分为气密性检测和焊缝检测。

气密性检测主要是向密封胶体内部充入设定压力的压缩空气，通过测量工件内部压力或流量变化来检测出是否存在泄漏。气密性检测设备主要由气密检测仪、PLC控制系统、供气系统、工件定位压紧机构、工件气密封堵机构组成。

目前排气检测最常用的气密性测试方法有直压法、差压法、流量法、质量流量法。

（1）直压法是通过调压阀直接往产品内充一定压力的压缩气体，稳压后，压力传感器检测一段时间内压力下降或者泄漏量。由于传感器量程较大，导致测试精度较低，测试需要累积时间而较慢，主要使用于一些對密封要求不高的产品的测试。

（2）差压法也叫比较法，需要一个标准无泄漏的产品（或者工件内部容积与检测产品容积相差不大的密封罐体）。在密闭的待测品内通入一定压力的气体，同时在一个标准品内通入同样压力的气体，静止一段时间，观察标准罐体内的压力与工件内的压力差，从而判定产品是否泄漏。差压法精度高，测试速度快，及时归零不漂移。

（3）流量法的原理是通过安装在层流管两端的流量传感器来测量层流管中的流量。在测量范围内，流体通过层流管时产生层流，由此产生的压降与流量成正比。首先需要保证进气源的压力超过产品的测试压力;然后调压阀自动调压，调节的压力为在参数中设置好的测试压力，气体通过流量传感器流通到测试产品中;直压传感器连接测试产品的一段进行压力测试，验证测试产品内部的压力是否达到要求，并且实时反馈给调压阀，使其不断调压。气体流过流量传感器的数率就是该产品在当时压力情况下的流量。

（4）质量流量法需要一个对比容腔，同时往产品端和对比容腔端充气，稳压后停止充气。若产品端有泄漏，容腔内的气会往产品端流动，此时可用质量流量计测试泄漏率，后通过公式计算出整个系统的泄漏量。该方法可测试较大产品、体积小泄漏。

为提高产品的气密检测效率，常选用自动气密检测设备，即工件定位、夹紧和产品的气密封堵均采用气缸自动定位、夹紧、自动封堵。

焊缝自动检测系统由机器人携带3D激光传感器扫描焊缝，并通过与标准焊缝的对比找出焊接缺陷。主要用于焊后零件焊缝长度、焊缝宽度、焊缝厚度、横截面积/体积、焊缝位置、焊脚不对称、焊缝余高、焊缝边距、焊瘤长度等的在线检测。可检测漏焊、缺焊、气孔、孔洞、未焊满、咬边、焊渣、焊穿、弧坑、凹陷等典型缺陷。

焊缝检测系统可根据焊缝质量标准，随时对所有生产部件进行100%检测，从而显著提高产品质量。焊缝检测系统可减少零件浪费并可配合系统进行返工，同时提供综合评估作为进程优化和降低成本的基础。所有检测结果会生成文档并可用于统计评估，并便于根据定义的质量标准进行随后的追溯。

7 结论

商用车国六排气集成后处理系统可有效降低碳排放，防止大气污染，降低空气污染物，便于人们出行，减少汽车尾气对人体的危害。

随着国六后处理器排放标准的推出，商用车后处理系统升级必定是大势所趋。如何根据国六后处理器的自身产品特点规划一条符合企业自身特点的国六后处理器机器人焊接生产线主要应该从产品的产量、节拍、占地面积及投资规模等几个方面进行综合考虑。

本文旨在介绍一些商用车国六后处理器的产品特点，商用车国六后处理器机器人焊接生产线基本配置、方案特点及物流和检测设备方案和特点，以期为商用车国六后处理器机器人焊接生产线规划提供一些参考。

参考文献：

[1] 曲忠海，崔慧林. 浅谈国六汽车设计研究[J]. 机电机械，2016（11）：308-309.

[2] 梁曦. DOC与DPF结合在柴油机后处理上的应用研究[J]. 科技创新与应用，2013（11）：24.

[3] 冯刚琼. 康明斯应用后处理器模块新技术[J]. 汽车科技，2015（3）：5.

[4] 杨修荣. 超薄板的MIG/MAG焊—CMT冷金属过渡技术[J]. 电焊机，2006，36（6）：5-7.

[5] 叶坤. 机器人弧焊系统应用分析[J]. AI汽车制造业，2017，13（2）：41-45.

[6] 叶坤. 机器人自动化弧焊生产线[J]. 电焊机，2017，47（8）：30-37.