樊志家　王賀

摘 要：在“中國(guó)制造2025”的時(shí)代背景下，中國(guó)制造向自動(dòng)化、智能化的方向邁進(jìn)，機(jī)器人焊接裝備作為自動(dòng)化生產(chǎn)的主力軍，隨著中國(guó)汽車工業(yè)的快速發(fā)展，機(jī)器人焊接工作站的需求大幅度增長(zhǎng)，提高汽車的產(chǎn)量是汽車生產(chǎn)企業(yè)的首要任務(wù)，國(guó)產(chǎn)機(jī)器人焊接工作站在汽車焊裝市場(chǎng)中的占有率比較低，影響了我國(guó)汽車制造業(yè)水平及機(jī)器人焊接工作站的設(shè)計(jì)水平的提升。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人焊接;焊接工作站;夾具

中圖分類號(hào)：TP242? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

以往汽車行業(yè)的焊接件主要依靠手工夾具、手工焊接來完成，焊接人工成本高，工作效率低，產(chǎn)品穩(wěn)定性差，不能滿足市場(chǎng)對(duì)于汽車產(chǎn)量的需求，為了提高產(chǎn)品質(zhì)量及降低生產(chǎn)成本，機(jī)器人工作站在國(guó)內(nèi)主要用于焊接汽車零部件，該文針對(duì)機(jī)器人焊接工作站的主要組成及焊裝夾具設(shè)計(jì)流程進(jìn)行闡述。

1 機(jī)器人焊接工作站的組成

機(jī)器人焊接工作站是汽車生產(chǎn)線上的重要生產(chǎn)設(shè)備，焊接工作站既能完成本工序的零件焊接與裝配等工作，同時(shí)還能夠檢驗(yàn)和校正上一道工序的零件的產(chǎn)品質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)機(jī)械化及自動(dòng)化汽車生產(chǎn)過程。常見焊接工作站一般由機(jī)器人系統(tǒng)、焊接系統(tǒng)、工裝夾具、控制系統(tǒng)、安全防護(hù)系統(tǒng)及其他輔助設(shè)備系統(tǒng)組成。

1.1 機(jī)器人系統(tǒng)

工作站需要具有聯(lián)網(wǎng)、監(jiān)控、質(zhì)量控制等功能，焊接生產(chǎn)線大多數(shù)采用KUKA、FANUC等品牌的機(jī)器人，也有一些工作站采用SIASUN品牌的機(jī)器人;機(jī)器人是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，傳感器提供機(jī)器人本體及周邊環(huán)境信息，控制系統(tǒng)根據(jù)控制程序產(chǎn)生指令信號(hào)，通過控制各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)的驅(qū)動(dòng)器，使各臂桿端點(diǎn)按照要求的軌跡、速度和加速度，以一定的姿態(tài)達(dá)到空間指定的位置，驅(qū)動(dòng)器將控制系統(tǒng)輸出的信號(hào)變換成大功率的信號(hào)以驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械本體進(jìn)行精確控制。

1.2 焊接系統(tǒng)

焊接工作站主要就是為了完成零部件的焊接工作，由于焊接方式的不同，主要分為點(diǎn)焊工作站與弧焊工作站，2種工作站的差別主要集中在焊槍樣式及工裝夾具上，常用的焊接系統(tǒng)品牌有福尼斯、小原等，焊接系統(tǒng)一般配有專用的焊接控制器及編程器。

1.3 工裝夾具

工裝夾具主要是為了能夠?qū)⒐ぜ潭ㄔ诤细竦某叽缥恢蒙?，在焊接過程中保證工件的變形量在可控范圍內(nèi)，得到合格產(chǎn)品;工裝夾具主要由夾具底板、定位機(jī)構(gòu)、支撐機(jī)構(gòu)及壓緊機(jī)構(gòu)組成，按照“六點(diǎn)定位原則”對(duì)零件進(jìn)行定位或過定位。

1.4 控制系統(tǒng)

工作站控制系統(tǒng)主要包括PLC控制系統(tǒng)及焊接控制系統(tǒng)，其中焊接控制系統(tǒng)一般由焊機(jī)廠家配套提供，焊接控制器需要通過協(xié)議與工作站PLC通信，實(shí)現(xiàn)信號(hào)交互及動(dòng)作聯(lián)動(dòng)的功能;控制系統(tǒng)基于各類電氣元件與設(shè)備，通過電氣程序控制機(jī)器人及焊接設(shè)備滿足焊接功能要求。

2 焊裝夾具設(shè)計(jì)流程

2.1 焊裝夾具設(shè)計(jì)依據(jù)

設(shè)計(jì)依據(jù)是按照客戶提供的產(chǎn)品三維模型、產(chǎn)品圖紙、產(chǎn)品技術(shù)要求輸入信息，并結(jié)合企業(yè)自身的加工水平進(jìn)行設(shè)計(jì)。分析用戶提供的產(chǎn)品圖紙，對(duì)各零部件的基準(zhǔn)定位信息進(jìn)行記錄并標(biāo)記。

2.2 設(shè)計(jì)前準(zhǔn)備工作

在開始焊裝夾具之前，應(yīng)根據(jù)分析圖紙所得到的信息，在產(chǎn)品三維模型上對(duì)產(chǎn)品的焊接位置進(jìn)行標(biāo)記，以免在設(shè)計(jì)過程中丟漏焊縫;確定產(chǎn)品在夾具底板上的擺放位置，在滿足支撐定位的前提下，盡量使產(chǎn)品離夾具底板近一些，便于對(duì)機(jī)器人背面進(jìn)行焊接;同時(shí)確定焊槍型號(hào)，并提供焊槍的完整數(shù)模，將焊槍以合理的角度擺放在焊縫上，直觀地反應(yīng)焊接過程，焊槍布置應(yīng)與產(chǎn)品對(duì)接面有45°夾角，與焊縫走向有75°夾角。

2.3 產(chǎn)品的定位系統(tǒng)

產(chǎn)品的定位分為定位銷定位和定位面定位，其中，定位銷分為圓形定位銷和菱形定位銷，圓形定位銷作為主要定位基準(zhǔn)，菱形定位銷為防轉(zhuǎn)定位銷;定位面一般為支撐面，應(yīng)有對(duì)應(yīng)的壓緊機(jī)構(gòu)，使產(chǎn)品在焊裝作業(yè)時(shí)保持在固定的位置上。在產(chǎn)品定位過程中，應(yīng)注意5個(gè)常見問題：

（1）當(dāng)零件與焊接總成基準(zhǔn)不一致時(shí)，通常按焊接總成基準(zhǔn)定位。

（2）在零件基準(zhǔn)無法使用時(shí)，可以選擇總成中功能性位置作為定位基準(zhǔn)。

（3）支撐面一般選擇在零件的基準(zhǔn)面上，以保證不同批次產(chǎn)品的定位基準(zhǔn)相同。

（4）壓緊位置應(yīng)選擇在距離焊縫近且底部有支撐的位置，原則上無支撐不壓緊，在底部無支撐的情況下仍需要通過壓緊來固定零件，因此可以采用彈簧壓頭或增加壓緊限位擋塊的方式，以免導(dǎo)致零件變形。

（5）壓緊機(jī)構(gòu)一般采用壓臂缸進(jìn)行壓緊，壓臂的打開角度是由裝件時(shí)夾具平臺(tái)的角度決定的，如夾具平臺(tái)人工裝件的角度為15°，則遠(yuǎn)離人側(cè)的壓臂缸打開角度需大于105°，以免壓臂在裝件過程中落下，影響裝件效率。

2.4 典型的定位機(jī)構(gòu)

在焊裝夾具的設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)盡量選擇通用的夾緊機(jī)構(gòu)以及標(biāo)準(zhǔn)的零部件，提高夾具的通用程度，便于進(jìn)行夾具維護(hù)。下面介紹4種常用的機(jī)構(gòu)。

2.4.1 抽銷機(jī)構(gòu)

當(dāng)產(chǎn)品孔的軸線方向與取件方向（一般為豎直方向）的夾角大于5°時(shí)，定位銷應(yīng)設(shè)計(jì)成活動(dòng)銷，在裝件之前定位銷伸出，裝件后完成焊接，在取件前定位銷縮回?？梢愿鶕?jù)銷孔的形式，對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行修改，用于不同夾具的定位。

2.4.2 浮動(dòng)壓緊機(jī)構(gòu)

多點(diǎn)同時(shí)壓緊或曲面壓緊時(shí)，為了讓所有壓點(diǎn)都能有效壓緊，可選擇浮動(dòng)壓緊機(jī)構(gòu)，可以根據(jù)實(shí)際情況改變擺臂的形狀，通常擺臂回轉(zhuǎn)處間隙不能超過0.5 mm，以保證良好的浮動(dòng)壓緊效果。

2.4.3 圓管支撐壓緊機(jī)構(gòu)

此機(jī)構(gòu)是底部“V”形塊+可調(diào)節(jié)支撐銷來進(jìn)行支撐的，可調(diào)節(jié)性良好，提高圓柱類零件的定位準(zhǔn)確性。

2.4.4 “U”形支撐+彈簧壓緊機(jī)構(gòu)

常用于方管的定位支撐，“U”形塊單側(cè)與方管一面接觸，方管另一面依靠彈簧壓緊機(jī)構(gòu)來定位，“U”形塊的另一側(cè)起初導(dǎo)向作用，產(chǎn)品取出時(shí)需克服與彈簧壓緊機(jī)構(gòu)和方管之間的摩擦力。采用通用化、標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)能大大地提高設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)效率，節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間。

2.5 夾具框架及氣路布置等相關(guān)附件

（1）夾具框架的強(qiáng)度及穩(wěn)定性對(duì)整個(gè)夾具的準(zhǔn)確性和焊接質(zhì)量有很大的影響，夾具框架一般由矩形管焊接而成，所有的組立都連接在其上，夾具底板在滿足強(qiáng)度要求的前提下，應(yīng)盡量增大開口率，以減輕重量，使夾具在回轉(zhuǎn)過程中的慣性矩變小，延長(zhǎng)變位機(jī)等回轉(zhuǎn)元件的壽命。夾具底板通常由4釘2銷定位固定，4釘四角分布，2銷對(duì)角線布置。

（2）氣路管道根據(jù)氣動(dòng)元件的工作位置及順序進(jìn)行分組，并分配相應(yīng)的電磁閥進(jìn)行控制，通常一個(gè)電磁閥最多同時(shí)控制4個(gè)氣缸（40缸徑，行程小于50 mm），這樣可以使氣缸的動(dòng)作穩(wěn)定并快速響應(yīng)。

（3）為了滿足焊裝夾具的安裝調(diào)試等要求，夾具底板上需增加用于夾具吊裝的吊裝孔，吊裝時(shí)夾具整體趨于水平狀態(tài);用于夾具定位調(diào)整的坐標(biāo)檢測(cè)孔一般采用3個(gè)基準(zhǔn)坐標(biāo)孔，為了操作方便，有時(shí)也布置4個(gè)基準(zhǔn)坐標(biāo)孔;布置端子箱及氣管走向，應(yīng)盡量避開焊縫區(qū)域，無法避開焊縫的管線應(yīng)做防燙、防飛濺處理，以免損壞管線。

2.6 其他設(shè)計(jì)收尾工作

完成工程圖紙、機(jī)電交流文件、氣路原理圖等相關(guān)文件的編寫和繪制，完成設(shè)計(jì)工作。

3 結(jié)語

該文按照常規(guī)的設(shè)計(jì)工作流程，進(jìn)行焊裝夾具設(shè)計(jì);通用化、標(biāo)準(zhǔn)化的焊裝夾具設(shè)計(jì)流程，能快速、高效、高質(zhì)量地完成夾具設(shè)計(jì)任務(wù)，減少不必要的時(shí)間，對(duì)之后的焊裝夾具設(shè)計(jì)工作有借鑒和指導(dǎo)意義。

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