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汽车消声器机器人焊接工作站的设计

供稿:工控网 2007/10/22 14:23:00

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1 前言 工业机器人不仅能提高生产效率,而且能大大提高产品质量,因而在焊接领域的应用非常广泛。本文通过汽车消声器总成焊接的实例来介绍这种类型工作站的组成及主要技术。2 消声器焊接工艺分析 由图1可知,该消声器总成分为两套前后独立的分总成a和b,它们之间用螺钉连接。分总成a由8个零件组成,焊缝数量为5;分总成b由6个零件和5个吊钩支架组成,焊缝数量为10。这些零部件必须在夹具上能够逐一定位和夹紧,为了使夹具与夹具之间不能发生干涉,同时考虑便于焊接等问题,认为如果一次完成各零部件的定位夹紧是相当困难的,应当将其分块作业。分析消声器总成结构,先焊接成1、3、5、6所示的小总成,然后再把1、2、3、4、5焊接成一体(分总成一),把6、7、8、9、10、11、12、13、14焊接成一体(分总成二)。


另外,考虑到机器人的焊接节拍,焊缝的焊接时间分配,起、收弧时间及夹具间和机器人与夹具间的作业干涉问题,经过计算、绘图检查和规划之后,将作业内容分为各小总成弧焊、分总成弧焊、部分吊钩弧焊三个工序,相应设立了两个机器人焊接单元,三个机器人焊接工作站。消声器总成焊接工艺描述如下: 第一焊接单元:主要由一台焊接机器人、两套焊接夹具组成。分别完成进气管组合一(1)、进气管组合二(6)、连接管组合(3)和出气管组合(5)的焊接工作,是整个焊接工艺的第一序(如图2所示)。


图2 第一序完成的焊缝 第二焊接单元:主要由两台焊接机器人、两套焊接夹具和两套单轴变位机组成。
共分两道焊接工序:工序二完成分总成一和分总成二(部分吊钩除外)的焊接工作;工序三完成分总成二中剩余吊钩的焊接工作(如图3、图4所示)。

图3 第二序完成的焊缝


图4 第三序完成的焊缝3 总体布局 在制作总体方案之前,应首先做三件事: (1)夹具体尺寸的估算。分析各零部件的定位夹紧方案并留有一定的余地,估算出夹具体的外形及大小,必要时要用作图法估算。 (2)确定变位机的基本形式。工件夹具体应当能变换位置,使工件各处的焊缝可以适应机器人最佳的焊接姿态;另外,为充分发挥机器人的工作能力,要把工件的装卸时间尽可能地与机器人的工作时间重合起来,最好设置两套夹具装置能相对机器人实施交换。 (3)按持重和工作空间初选机器人型号。 对于某种工件的具体作业内容,随着机器人的使用数量、工厂的投资、自动化程度、操作方式、车间设备布局、物流方式以及设计人员的技术水平等多种因素的变化,可以形成多套总体设计方案,经过认真分析研究,反复对比,最后优选出一套切合实际的可行方案。从自动化程度、成本、生产率及用户意见出发,最后选定的总体布局方案如图5所示。

图5 消声器机器人焊接生产线总体布局图
①安全房 ②单元1焊接夹具1 ③单元1焊接机器人 ④单元1焊接夹具2
⑤变位机主动头 ⑥变位机从动头 ⑦单元2焊接夹具 ⑧单元2焊接机器人 总体布局共设两个工作站,均为机器人弧焊。第1工作站完成各小总成的焊接,焊后工件转移到第2工作站;第2工作站为消声器总成的完成焊,使用两套单轴变位机来满足机器人焊接需要,分两个工作位,其中机器人在里侧工作位作业,操作人员可在外侧工作位装卸及设置工件。 工作站由机器人本体、单轴伺服变位机、夹具体、焊接电源、保护气系统、送丝系统、操作系统和安全房几部分组成。焊接电源的正负极分别通过导线接在焊丝和变位机机体上;送丝电机装在机器人本体上;保护气管通过专用接头与送丝机连接;机器人控制箱和电控箱联合控制整个工作站的协调作业。 焊接机器人工作站系统的硬件组成: (1)焊接机器人本体。包括配套焊接电源系统、焊枪系统和控制器。根据焊接电源的种类和应用广泛程度,可分为弧焊机器人和点焊机器人,本次焊接采用弧焊机器人。 (2)焊接工装夹具。主要满足工件的定位、装夹,确保工件准确定位,减小焊接变形,同时要满足柔性化生产要求。所谓柔性化,就是要求焊接工装夹具在夹具平台上快速更换,包括气、电的快速切换。 (3)夹具平台。夹具平台是满足焊接工装夹具的安装和定位,根据工件焊接生产要求和焊接工艺要求的不同,设计形式亦不相同。它对焊接机器人系统的应用效率起到至关重要的作用,通常都是以它的设计形式和布局来确定其工作方式。 (4)单轴伺服变位机(相当于机器人的外部轴)。主要满足机器人的各种焊枪姿态,协调机器人完成各种焊缝的焊接作业。4 夹具体及变位机 单元一中的夹具体属于板式结构。 机器人焊接单元二为双机器人焊接,在机器人两侧有两个平行布局的焊接变位机(如图5所示),每个焊接变位机上安装一套相同的焊接夹具,不仅能通过焊接机器人转位实现交替焊接,而且当工件在一副焊接夹具上进行焊接的同时,在另一副焊接夹具上可对工件进行装卸。这种焊接方式可将机器人的利用率提高到90%以上。每个夹具体为独立的夹具单元,气和电都采用快换接头形式,两套独立夹具单元定位并安装在带外部轴变位的翻转夹具平台上,满足了柔性化焊接生产要求。 单轴伺服变位机如图6所示,夹具体装在变位机主动头和从动头的接手上,主动头的交流伺服电机通过RV减速装置驱动夹具体旋转。被动头的转轴是中空的,旋转进气活接头安装在转轴的尾部,压缩空气从尾部引入,从转轴的前端面引出。焊接电源的负极固连在轴承箱右侧(被动头)的压块上,在弹簧的作用下,压块始终与转轴接触,以保证良好的导电性,并且电流不通过轴承。转轴前端的轮盘是电线的释放和收集装置。夹具体旋转的极限位置是通过两个接近开关检测的,如果接近开关出现故障,主动侧接手后部的撞块会由死挡块限位而停转。

图6 单轴伺服示意图5 结束语 汽车消声器总成焊接机器人工作站的总体设计思想、系统组成以及关键技术均可以用于其它工件种类的焊接作业中,无论哪种工件,在使用机器人时,都必须对工件毛坯的精度提出较严格的要求,再通过一些针对工件的焊接工艺特点,引入变位机、夹具体等非标设计,就能在作业中引入机器人,从而大大提高生产率和产品质量,增加企业的竞争活力。
  
参考文献: [1]陈立德. 工装设计[M]. 上海:上海交通大学出版社,2001:51~64. [2]吴正华. 专用夹具原理及结构[J]. 机床/附件/工装,2006(3). [3]冯辛安. 机械制造装备设计[M]. 北京:机械工业出版社2005:200~270. [4]郭勇. 焊接机器人系统应用[J]. 电焊机,2006(3).

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