机器人在焊装生产线的应用探索
朱昌兵 钱光辉
AI《汽车制造业》
2022-02-21
机器人生产是一种先进的生产理念，以其时效优势及成本优势，极大地增强了企业的竞争 力。本文以汽车制造工厂的焊装车间为例，重点阐述了实现机器人自动化生产的主要做法，希 望能给同行在该方面的应用提供些帮助。
机器人最适合用于多品种高质量生产，目前 已广泛应用在汽车制造业的冲压、焊装、涂装、 总装及发动机制造中，尤其在车身焊接生产中得 到了非常广泛的应用。运用焊装机器人，不仅可 以提高生产效率，而且在很大程度上提高了焊接 件的外观和内在质量，并保证了质量的稳定性， 降低劳动强度并改善了劳动环境。
简单说，焊装机器人的原理就是模仿人的各 种肢体动作、思维方式和控制决策能力。从控制 的角度看，机器人可以通过示教再现、可编程控制、 遥控以及自主控制四种方式达到这一目标。其中， 示教再现方式是焊装常用的主要方式。示教再现 方式通过“示教盒”或人“手把手”两种方式教 机械手臂如何动作，控制器将示教过程记录下来， 然后机器人就按照记忆周而复始地重复动作，如 焊接和涂胶机器人。
主要分类有：焊接机器人、涂胶机器人、装载 机器人、打号机器人、清扫机器人和滚轮包边机 器人。
汽车焊装机器人的主要生产任务是完成零部 件的装载、焊接、涂胶、搬运、下料、激光打号、 车身清扫及滚边等。对于轿车及 SUV 的生产线来 说，机器人主要分布在车身的地板总成线、左右 侧围总成线、CRP 前围上横梁总成线、顶盖总成线、门盖总成线、车身装配线和车身调整线。
根据焊装生产线的需求和工作内容，首先要 对机器人的型号进行合理的选择。以我公司焊 装线一工厂为例，该工厂是按照年产 15 万台、 32UPH 运营纲领设计的，厂房面积 20 727m2， 双班人员总数为 170 人，机器人总数为 179 台， 焊接自动化率 100%，部品装载自动化率 11.8%. 该焊装线上可以同时生产 4 个车型（目前有 QM、 NP 这 2 个车型）的车身。焊接机器人占机器人 总数的 60%，配合伺服焊枪使用，全部选择焊接 精度要求高、动作灵活、编程方便的 BX200LB 的7轴机器人，其中MAIN BUCK工位受空间限制， 选择小型焊接机器人 ZB150SC，CO2 焊接工位 也选择小型机器人 RA020NA，装载机器人根据 上件要求分为行走 + 搬运和固定式搬运。根据装 载零部件的质量进行选择，目前正常装载工位选 择 HX165，地板总成工位采用型号为 BX300LB、 质量级为 300 kg 的重型机器人。涂胶 + 涂胶影 像检测的机器人，选择的型号为 RS080NB，其 特点是轨迹精度高，速度快，PLC 接口方便与 涂胶设备及影像系统集成。修正线的清扫机器人 选用工作范围大，工作轨迹灵活，运行速度快的 HX165 型号机器人。激光打号工位选用机器人型 号为 BT200LB，方便与激光放大器及控制系统集 成，要求能适应恶劣的工作环境。门盖线的滚边 机器人针对包边质量及精度要求，选择运行轨迹 精准、执行力度大的机器人，型号为 BX200LB。
按照焊接机器人系统在汽 车焊接夹具布局的不同特点及 外围设施的不同配置，我工厂 焊接机器人系统可分为以下几 种形式。
如图 1 所示，两套夹具固 定在滑动小车上，由磁电驱动 使装有工件的两个夹具台车轮 进入机器人焊接区 3 处焊接， 操作人员在 1 处上料，2 处机 械手下料，两个工作站交叉进 行，使机器人焊接时间与工件 上、下料时间同步。这种方式 可以节约操作时间。双夹具滑 轨形式的焊接机器人系统利用 滑轨的持续性为焊接机器人送 料，可靠性较高。
图 1 滑轨＋焊接机器人系统
该结构形式简单，打胶装 置胶枪位置固定不变，通过搬 运机器人的抓件以及旋转部品 位置，来实现打胶装置对部品 的打胶（图 2）。机器人打胶、 搬运为一体，系统故障率低， 因而机器人的利用效率高，所 以在新的生产线上利用比较广 泛。主要用于顶盖及侧围总成 线的打胶工作，节拍高，能准 确无误地完成涂胶工作及影像 跟踪检查和故障诊断。
图 2 打胶装置 + 搬运机器人系统
3. 组装夹具 + 搬运机器人 + 焊接机器人系统
对于焊装线来讲，最关键 的工序就是车身主合成夹具， 它是每一种车型的核心，其功 能是要将不同车型车身的地板 总成、左右侧围总成和 CRP 总 成在同一个合成工位完成拼焊（图 3）。所以，为了在同一个 主合成工位实现多品种车型的 生产，DYK3 工厂焊装线采取的 方案是将主合成夹具的左右侧 围夹具设计在 2 个可旋转多面 体的不同面上，由伺服电动机 驱动实现往复回转，同时采用 2 台机器人实现左右侧围总成从 空中自行小车运送线到回转夹 具的转载。地板总成夹具设计 在可循环移动的台车上。CRP 总成夹具设计在可循环移送的 空中自行小车的吊具上。这几 组夹具通过 PLC 程序控制后实 现车身的准确定位合成。再由 12 台机器人共同完成该合成工 位的焊接操作。因为一个四面 回转体上有 4 个面，可以设置 4 种不同车型的合成夹具，所 以能实现至少 4 种车型的共线 生产。
图 3 组装夹具 + 搬运机器人结构
此类组成方式是由搬运机 器人与固定焊装机器人组合而 成的，类似于搬运机器人 + 涂 胶装置。它们之间的配合所体 现的主要优点是能适应各种位 置的焊接，最大限度地提高了 机器人的利用率，主要应用于 MOV´G LINE、SIDE LINE。
该形式在 MOV´G LINE 生 产 线 运 用 较 广 泛。在 实 际 使 用 中， 减 少 了 搬 入、 搬 出 装 置，全部利用机械手抓取，通 过轨道机械手移动，实现了在不 同 压 力 机 之 间 的 工 作， 提 高 了 生 产 效 率 的 同 时， 也 提 高 了 机 械 手 的 利 用 率 和 安 全性。
门盖线大量运用机器人进 行包边工作实现自动化。本文 就以汽车的车门生产过程来说 明机器人的运用：车门内板的焊 接采用电阻焊机器人；由涂胶机 器人完成内板涂布膨胀胶、外 板涂布结构胶和包边胶。传统 方式的内、外板合成包边是包 边模在包边油压机里完成的， 而 DYK3 工厂焊装线是选择目 前国内外最先进的机器人滚边 系统来完成的，包边后再由弧 焊机器人来完成门框与内外板 的铜焊，最后是抓取件机器人 取件放入自动化工位器具，并通过空中的 EMS 自行小车运送 至车门装配线。
该系统由搬运机器人与平 台上部的搬运小车组成，便于 实施多种车型的搬运。尤其针 对生产车型不同的情况，可以 共线生产，以提高机器人的利 用率。因为此系统是线别间的 部品移送，在生产 UPH 提高的 情况下该系统对平台上方空间 资源占用大。目前我公司二工 厂大部分搬运设备都采用此方 式（图 4）。
图 4 搬运小车 + 搬运机器人系统
搬运夹具与焊钳为 一体，同一个机械手既可以实 施焊接，也可以对部品进行搬 运移送。提高了机器人的利用率。目前一、二工厂局部位置 使用此类型的机械手，解决了 部品的装配，也完成了焊接， 提高了自动化率。
机器人焊接自动线是汽车 制造焊接的主要发展方向。该 形式由多台机器人焊接系统和 往复运输机组成。
综 上 所 述， 多 台 机 器 人、 多种工作方式的机器人之间配 合完成一个产品的焊接加工。由于每道所焊的焊点数较平均， 所以对整个生产线机械手可充 分利用，解决了由于人为原因 造成的焊接不良问题的发生。
目前我公司共有三个工厂， 机 器 人 总 量 达 到 近 1 000 台。如此之多的机器人能合理地分 配到生产线，充分发挥其性能， 适应多车种共线生产，主要是 因为我公司在生产线设计开发 初期做了大量的工作，包括虚 拟调试、在线仿真等，使得机 器人在生产调试阶段到量产阶 段能实现快速的对应。对于目 前生产线更新换代快、新车型 投入周期短、UPH 速度快、车 身精度要求高以及厂房面积限 制等众多因素的影响，以后工 业机器人必然是汽车制造行业 的自动化、智能化的首选。
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