机器人在车身焊装生产线中的应用

1引言

    依据中国汽车工业协会统计数据，自2000年以来，中国汽车产销量年均增长率超过20%，远高于全球平均增长率；而且年生产量占全球汽车生产量的比重持续上升，2009年我国汽车产销量超过美国，成为全球汽车工业产销量第一的国家；根据预测，我国汽车消费市场仍会以较快的速度增长。

    汽车市场的增长对汽车生产技术提出了更高的要求，催生工业机器人在汽车制造业中得到深入广泛的应用。据统计，近几年国内厂家所生产的工业机器人有超过一半是提供给汽车行业。目前，国际上工业机器人技术在制造业中的应用范围已很广泛，现已从传统制造业推广到其他制造业。但汽车工业仍是工业机器人的主要应用领域。据了解，美国60%的工业机器人用于汽车生产，全世界用于汽车工业的工业机器人已经达到总用量的37%，用于汽车零部件的工业机器人约占24%。

    汽车工业生产中采用工业机器人技术，不仅可以节约人力，降低成本，提高设备利用率，提高产品的质量与产量，更重要的是它可以保障工人安全，改善工作条件，减轻劳动强度，减少人员风险，提高工作效率。

2机器人在车身焊接生产线中的作用

    工业机器人在汽车生产中的冲压、焊装、涂装、总装四大生产工艺过程中都有广泛应用，具体在汽车车身焊装生产线中的应用主要有：点焊、弧焊、搬运、装配、检测等。工业机器人已经成为具有柔性制造系统、计算机集成制造系统的主要自动化工具。在发达国家，工业机器人自动化生产线成套装备已成为自动化装备的主流及未来的发展方向。

2.1工件焊接

    工件焊接是目前最大的工业机器人应用领域。由于汽车制造业对许多构件的焊接精度和速度等指标提出越来越高的要求，一般工人已难以胜任这一工作；此外，焊接时的火花及烟雾等，对人体造成危害，因此，焊接过程的完全自动化已成为重要的研究课题，其中，最为重要的就是要应用焊接机器人。现在工业生产中，各种焊接工艺和过程都可以使用工业机器人来执行，以取代使用工人在实际恶劣的焊接环境下工作。机器人在点焊和弧焊过程中的应用最为广泛，在其他一些工艺焊接过程中的应用还处在起步或摸索的阶段。

2.2工件夹持

    在汽车生产制造领域，机器人除了在焊接工艺过程中有主要应用之外，还在工件加持定位中有着广泛的应用。在实现汽车车身焊接生产的焊装车间中，要实现车身工件高质量的焊接，就要求必须对焊接过程进行准确的控制，一方面要求焊接机器人对焊钳的姿态和运动轨迹进行准确控制，另一方面要求各种夹具对待焊接工件进行夹持定位。夹具种类很多，大部分的专用夹具只能用来实现非移动工件的定位，但不能实现移动工件的定位，这需要采用夹持机器人（一种将工业机器人同小型夹具结合起来的，具有实现工件的定位和运动功能的机器人）才能实现。

2.3工件搬运

    在汽车车身焊装生产车间，焊接前物料的搬运与转移是一项很繁琐的任务，这大部分都由专用叉车来完成，但专用叉车做的工作主要是将大量工件从储存车间搬运到焊装生产线的两侧，将工件从生产线的两侧搬运到生产线上的焊接夹具上以及工件在顺序工位夹具上的传递工作都需要由动作灵活的工业机器人来完成，这不仅提高了生产效率，又减轻了工人的劳动强度。在自动化程度较低的车身焊装生产车间里，这项工作都要通过人工来完成。

2.4焊点检测

    为了保证车身的整体焊接质量，在车身焊接的过程中或整个焊接工作完成之后，需要对车身上的一些重要部位的焊缝进行检查，又称焊缝检测。焊缝位置和形状的复杂性给检测工具的适应性提出了要求。在自动化程度很高的焊装生产线上，可以使用动作灵活的机器人代替工人携带专用的检测装置进行焊缝检测，一般的机械装置就很难像机器人那样执行这一任务。

3焊接机器人的作用

    焊接机器人是在工业机器人基础上发展起来的本体独立，动作自由度多，程序变更灵活、自动化程度高、柔性程度极高的先进焊接设备，是从事焊接（包括切割与喷涂）的工业机器人，具有多功能、重复精度高、焊接质量高、抓取重量大、运动速度快、动作稳定可靠等特点。

    汽车工业对产品制造批量化、高效率和对产品质量一致性的需求，使焊接机器人生产方式在汽车生产制造过程中获得了广泛应用，最突出的是焊接机器人在汽车焊装生产上的应用，可以说，机器人是实现汽车焊接生产线柔性化的关键。

    目前典型的焊接机器人系统有焊接机器人工作站、焊接机器人生产线和焊接专机。从汽车工业的焊接发展趋势看，焊接生产线将向自动化和柔性化生产系统发展。焊装生产线是由焊接设备、工装夹具、传输系统和自动控制等部分组成。从整体与部分功能之间的关系说，生产线的整体柔性程度由各组成部分的柔性程度所决定，其中焊接设备的柔性是决定焊装生产线柔性程度的关键。因焊接机器人对产品要求具有高度的适应性和诸多优点，焊接机器人生产方式成为焊接设备柔性化的最佳选择。是否采用焊接机器人是焊装生产线柔性程度的重要标志之一。

4焊接机器人应用中的焦点问题

    虽说焊接机器人在汽车制造生产中得到了广泛应用，不仅汽车焊接质量得到了极大改善，而且有效提高了企业的劳动生产效率。但目前焊接机器人在汽车制造生产中的应用仍有诸多问题有待解决，以下就几个方面的问题做一讨论。

4.1焊接机器人在线示教问题

    对于示教再现型焊接机器人而言，如果在焊接时发生焊接位置偏移，必须停止机器人乃至整个生产线的工作，进行机器人在线示教后再现运行，这个工作现在需要占用大量的生产时间。这类问题还需进一步研究解决。

4.2焊接机器人焊缝跟踪问题

    目前，生产中所用的示教再现型弧焊机器人在进行弧焊时，大多数情况是不能对焊缝进行实时动态的跟踪反馈，而实际焊缝与示教所用样本焊缝必然存在着细微的差异，这样焊缝质量就难以得到保证。这类问题还需进一步研究解决。

4.3焊接机器人失位校正问题

    目前市场上所应用的多数机器人产品，其轴的失位校正过程均需耗费比较长的时间，对于流水化的自动生产线来说，其停机所造成的经济损失是巨大的。这类问题还需进一步研究解决。

4.4焊接机器人电器故障

    焊接机器人本体的机械可靠性相当高，本体出现机械故障的概率极小。相比之下，机器人的电器控制系统的电器故障率却非常高，最容易出现故障的部分是驱动器的电路及元器件，此外接插件的故障频率也相当高。目前国际上的机器人控制电路集成化程度越来越高，控制技术的不断进步已使控制部分故障率大为降低。但对于汽车制造中的环境恶劣、作业强度极大、电压波动较大的焊接作业来说，还需进一步研究解决。

4.5焊接机器人安全使用

    汽车车身焊装生产线上的焊接机器人数量很大，有时在一个焊装工位上就有多个焊接机器人，为了节省时间提高效率，同一工位上的多个机器人并行工作同时运行。因信号交换失误而出现的机器人与机器人碰撞、机器人与其它设备或障碍物碰撞的事故时有发生。经分析，发现目前机器人控制系统在处理信号交换时，都采用外部I/O信号来交换彼此的工作状态，信号检测还只是以一个“点”的方式测量，即在某一运动程序行中，确认某一个交换信号是否存在来决定机器人是否继续下面的工作，而不是在一个运动区域中持续检测其它障碍物或机器人状态，这样，一旦检测过程结束而机器人的运动轨迹发生错误或信号交换不正常时，碰撞就发生了。这类问题还需进一步研究解决。

4.6电路组态

    目前所有知名汽车厂家的汽车车身焊装生产线上都大量应用了焊接机器人及其他自动化设备，并通过离线编程以实现自动化与柔性化的车身焊装生产。但带来的问题是，在生产现场，软管、电缆掉落的到处都是，很容易被进入现场的工作人员或器械钩住，以致发生故障或事故。从集成观点看，这是因为没能很好的进行电路组态和建模。目前比较可行的解决方法是为机器人配备集成外罩，避免零部件线路外露随处掉落的问题。但若要从根本上解决问题，还需在设计之初就做好组态和建模工作，这是一项复杂的工作。

5结束语

    工业机器人技术的进步与应用，有力地推动了世界工业技术的进步。焊接机器人在高质量、高效率的焊接生产中，发挥了极其重要的作用。近年来，焊接机器人技术在焊缝跟踪、离线编程与路径规划、智能控制、电源技术等方面取得了许多成果，应用中已经出现的问题在逐步得到解决，但随着新技术的引入，焊接机器人技术领域还会有新的问题产生。

参考文献：

[1] 汤传业，徐鹏.机器人在车身焊装自动化应用中的问题分析[J].科技经济市场，2010-10（10）：5-6.

[2] 崔文旭.机器人在焊接生产线柔性化中的应用[J].焊接技术，2003，32（5）：36-38.

[3] 毕胜.国内外工业机器人的发展现状[J].机械工程师，2008（7）.

[4] 林尚扬，陈善本.焊接机器人及其应用[M].北京：机械工业出版社，2000.