近年來(lái)，隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，作為國(guó)家現(xiàn)代化程度標(biāo)志的機(jī)器人技術(shù)也得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。經(jīng)過(guò)多年的努力，首鋼莫托曼機(jī)器人有限公司（以下簡(jiǎn)稱“首鋼莫托曼”）在機(jī)器人系統(tǒng)尤其是弧焊方面的技術(shù)積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，使其在實(shí)際生產(chǎn)中得到很好的應(yīng)用。下面以轎車排氣零部件的生產(chǎn)為例，簡(jiǎn)單介紹首鋼莫托曼弧焊機(jī)器人系統(tǒng)的功能和特點(diǎn)。
弧焊工藝分類
排氣系統(tǒng)是排放和消聲的重要部分，主要由歧管、催化凈化器、波紋管、中消和后消等部件組成。主要功能是把發(fā)動(dòng)機(jī)在燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的廢氣從多個(gè)氣缸內(nèi)收集、通過(guò)催化凈化器凈化并消聲后引到車后排放。其整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。
按照主要功能模塊距離發(fā)動(dòng)機(jī)的遠(yuǎn)近，排氣系統(tǒng)可劃分為熱端和冷端兩部分。
熱端部分直接連接發(fā)動(dòng)機(jī)排氣口，主要包括歧管、凈化器、波紋管、二級(jí)凈化器以及掛鉤法蘭等附屬部件。因其所處底盤位置空間緊湊，所以其部件外形變化較大，焊縫分布復(fù)雜。同時(shí)，因其主要功能為凈化尾氣，故焊縫密封性要求高。
冷端部分承接熱端，主要包括中消、后消以及掛鉤法蘭等附屬部件。冷端總成通常尺寸較長(zhǎng)，焊縫多為小直徑環(huán)縫。當(dāng)后消聲器包為焊接結(jié)構(gòu)時(shí)，通常要求壓裝焊接，其焊縫量較大。消聲器包進(jìn)出氣管處焊縫為三層薄板焊接，焊縫成形要求高。
焊接單元的典型布局
排氣零部件機(jī)器人焊接單元主要由弧焊機(jī)器人、焊接設(shè)備、清槍剪絲機(jī)構(gòu)、變位機(jī)、焊接夾具、安全防護(hù)系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、工件檢測(cè)設(shè)備以及物流系統(tǒng)等組成。按照不同種類工件的焊接特性，其布局形式主要有以下幾種：
1. 彎管類歧管焊接單元布局
彎管類歧管的焊縫空間分布較復(fù)雜，需要使用2臺(tái)機(jī)器人協(xié)調(diào)焊接或應(yīng)用雙軸變位機(jī)取得合適的焊接姿態(tài)。其布局如圖3和圖4所示。
2. 沖壓半殼類歧管、凈化器和波紋管焊接單元布局
沖壓半殼類歧管的焊縫主要分布在半殼一側(cè)的弧面上，應(yīng)用單軸變位機(jī)即可達(dá)到合適的焊接位置。此類工件和凈化器、波紋管等尺寸小、焊縫分布單一的工件一起，可使用單座單軸變位機(jī)雙工位布局。
3. 熱端總成焊接單元布局
熱端工件是由歧管、凈化器、波紋管、二級(jí)凈化器、掛鉤法蘭等分總成工件焊接在一起的總成工件，是轎車排氣零部件焊接工件中最復(fù)雜的一種，通常需分3～4道工序焊接完成。
其多道工序夾具分布在單個(gè)機(jī)器人焊接單元內(nèi)的緊湊型布局。當(dāng)產(chǎn)量需求大時(shí)，可以用多個(gè)機(jī)器人焊接單元組成U型線，優(yōu)化物流。
4. 半殼類消聲器大包焊接單元布局
半殼類消聲器大包在焊接過(guò)程中需要加壓80kN以上，需要使用可安裝液壓模具的特殊雙軸變位機(jī)實(shí)現(xiàn)焊接。其布局如圖6所示。
5. 冷端總成焊接單元布局
排氣系統(tǒng)冷端總成工件通常由法蘭、進(jìn)出氣管、消聲器大包、掛鉤支架等部件焊接組成。按排量大小需要可分為單、雙系統(tǒng)兩種形式。
冷端總成工件的長(zhǎng)度通常為2～3m，常用布局為立式翻轉(zhuǎn)3軸變位和水平回轉(zhuǎn)3軸變位兩種。雙系統(tǒng)冷端總成焊縫分布范圍較大，更適用于水平回轉(zhuǎn)3軸變位布局。
系統(tǒng)特點(diǎn)
首鋼莫托曼機(jī)器人有限公司依托日本安川電機(jī)MOTOMAN弧焊專用機(jī)器人的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，與全球兩大排氣系統(tǒng)供應(yīng)商FAURECIA和TENNECO緊密協(xié)作，不斷以最新技術(shù)推出優(yōu)質(zhì)的排氣零部件機(jī)器人弧焊線和焊接裝備，使其具有技術(shù)領(lǐng)先、系統(tǒng)安全可靠和快換性能強(qiáng)的特點(diǎn)。
1. 技術(shù)優(yōu)勢(shì)
日本安川電機(jī)于2001年底研制推出了世界上首臺(tái)弧焊專用機(jī)器人MOTOMAN-EA1400，并于2002年在中國(guó)銷售。EA1400機(jī)器人將焊槍電纜與焊槍內(nèi)置在機(jī)器人臂中，避免了焊槍電纜和焊槍與周圍物體的相互干擾，使機(jī)器人示教過(guò)程變得更為簡(jiǎn)單，同時(shí)大大增強(qiáng)了焊槍的可達(dá)性。該機(jī)器人一經(jīng)推出，便迅速在汽車車橋、消音器等排氣系統(tǒng)零部件以及座椅骨架等焊接領(lǐng)域受到了好評(píng)。多家焊槍生產(chǎn)企業(yè)都為該機(jī)器人研制了專用焊槍。目前除了空冷焊槍和伺服焊槍進(jìn)行焊接以外，還可以使用水冷焊槍實(shí)現(xiàn)較高電流的連續(xù)焊接。
2007年初，MOTOMAN-SSA2000型機(jī)器人問(wèn)市。SSA2000在保持EA1400結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上大幅提高了軸動(dòng)作速度，單軸速度同比最大提高40%，焊接速度最大可同比提高15%，成為世界最快的弧焊機(jī)器人之一。
2008年底，安川公司又推出了新一代機(jī)器人控制器DX100，同時(shí)將SSA2000機(jī)器人進(jìn)化為世界第一臺(tái)7軸弧焊專用機(jī)器人MOTOMAN-VA1400。VA1400在傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人第一俯仰臂上增加了1個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，具有冗余的自由度，使機(jī)器人本體的機(jī)動(dòng)性和可達(dá)性提升到了前所未有的高度。在保持同一焊槍角度的情況下，其他手臂可以自由地采用多種姿態(tài)。焊接過(guò)程中不會(huì)因?yàn)楸倔w和夾具的干涉而改變焊槍和工件的夾角。新的7軸機(jī)器人為焊接工裝設(shè)計(jì)、生產(chǎn)空間布局以及焊接姿態(tài)優(yōu)化增加了更多的優(yōu)化空間。
MOTOMAN機(jī)器人不斷推出的領(lǐng)先技術(shù)，使其目前穩(wěn)居弧焊機(jī)器人世界年銷售量首位，是首鋼莫托曼在轎車排氣零部件焊接領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的技術(shù)基礎(chǔ)。
2. 可靠的安全性能
機(jī)器人自動(dòng)焊接技術(shù)為汽車制造業(yè)帶來(lái)勞動(dòng)條件改善、生產(chǎn)能力可控、生產(chǎn)效率更高和產(chǎn)品質(zhì)量有保證等優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，也存在著不可忽視的安全隱患。弧光輻射、有害氣體污染、操作機(jī)本體碰撞、變位機(jī)動(dòng)作、夾具壓手等諸多因素對(duì)操作工的傷害都時(shí)有發(fā)生。
首鋼莫托曼設(shè)計(jì)制造的排氣零部件機(jī)器人弧焊系統(tǒng)在以下幾方面制訂了嚴(yán)格的安全標(biāo)準(zhǔn)，為用戶提供了安全可靠的應(yīng)用系統(tǒng)。
（1）操作區(qū)域的安全防護(hù)設(shè)計(jì)。操作區(qū)域與工作維護(hù)區(qū)域是否完全隔離，是判斷安全防護(hù)空間是否安全的重要指標(biāo)。安全圍欄的設(shè)計(jì)中嚴(yán)格要求操作工無(wú)法從操作安全區(qū)域直接進(jìn)入到工作維護(hù)區(qū)域。安全圍欄與地面間縫隙小于180mm，確保維護(hù)人員只能從維護(hù)門進(jìn)入工作維護(hù)區(qū)域。此外，操作工進(jìn)出操作安全區(qū)域處設(shè)還設(shè)置了光柵保護(hù)。當(dāng)操作安全區(qū)域范圍可允許操作工停留時(shí)，必須設(shè)區(qū)域掃描傳感器保護(hù)。在操作工的正常操作安全區(qū)域與機(jī)器人的動(dòng)作范圍重合時(shí)，必須在機(jī)器人本體的水平第一軸處增設(shè)原點(diǎn)檢測(cè)傳感器。
（2）夾具的防夾手安全設(shè)計(jì)。在常用的氣動(dòng)夾具操作順序中，操作工需要安裝完一個(gè)零件后，按一個(gè)按鈕使氣缸夾緊，此操作過(guò)程中，如將手放在夾具上，容易發(fā)生手夾傷事故。
為避免此類安全事故，夾具設(shè)計(jì)中采用了以下方法：操作工進(jìn)入安全區(qū)域時(shí)，所有夾具控制電磁閥處于中位排氣狀態(tài)，安裝工件散件后，先手動(dòng)試壓緊，將壓頭按在零件上，所有工件均安裝并試壓緊后，再雙手按動(dòng)啟動(dòng)按鈕。此時(shí)電磁閥為氣缸供氣，使氣缸夾緊，檢查零件安裝夾緊狀態(tài)，退出操作安全區(qū)域，按預(yù)約啟動(dòng)鈕啟動(dòng)焊接。其中，所有的電磁閥均使用三位五通中位排氣型電磁閥，所有夾緊機(jī)構(gòu)采用帶手柄可手動(dòng)自鎖壓緊式夾緊機(jī)構(gòu)。例如DESTACO 手柄型。此種夾緊機(jī)構(gòu)在斷氣狀態(tài)下可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)自鎖壓緊，發(fā)現(xiàn)零件狀態(tài)不合適時(shí)，可以再次手動(dòng)打開。
3. 便捷的夾具快換功能
便捷的夾具快換功能大大提高了設(shè)備的利用率，使用戶根據(jù)需求可以隨時(shí)調(diào)整，減少重復(fù)性投資和設(shè)備閑置。同時(shí)，利用快換功能，還可實(shí)現(xiàn)在新產(chǎn)品試制和小批量生產(chǎn)階段先投夾具，在現(xiàn)有機(jī)器人焊接生產(chǎn)線上生產(chǎn)，批量生產(chǎn)階段前再投新焊接線，有助于提高用戶的資金利用率。
首鋼莫托曼在大量的應(yīng)用項(xiàng)目中總結(jié)并作為標(biāo)準(zhǔn)固定了以下幾種夾具快換方式：
（1） 整根夾具梁快換的設(shè)計(jì)和快換方式。
夾具兩側(cè)安裝定位銷，變位機(jī)法蘭一側(cè)采用定位銷套，另一側(cè)采用鍵槽的定位方式。連接時(shí)，夾具兩側(cè)的定位銷依靠重力插入銷套和鍵槽中定位，連接板兩側(cè)的翻轉(zhuǎn)螺釘壓緊連接板。
（2）小件夾具及部件快換的設(shè)計(jì)和快換方式。
當(dāng)單根夾具梁上夾具的互換性高時(shí)，可以使用標(biāo)準(zhǔn)快換式夾具梁，此時(shí)夾具梁上的定位銷按標(biāo)準(zhǔn)尺寸分布，小件夾具可用其底板上的標(biāo)準(zhǔn)尺寸定位套與梁配合定位，使用開口快換墊圈快速夾緊。當(dāng)夾具需要更換部件以適應(yīng)不同型號(hào)的工件在同一套夾具上生產(chǎn)時(shí)，也可使用同樣的結(jié)構(gòu)。
應(yīng)用上述快換結(jié)構(gòu)，單套夾具更換時(shí)間可控制在10min以內(nèi)。
隨著弧焊機(jī)器人在汽車工業(yè)的廣泛應(yīng)用，越來(lái)越多的人們對(duì)它的優(yōu)越性也有了更深的了解。現(xiàn)在，其他應(yīng)用領(lǐng)域?qū)『笝C(jī)器人的需求也越來(lái)越多，對(duì)弧焊機(jī)器人的功能也提出了更多的要求。因此，我們也會(huì)加強(qiáng)弧焊機(jī)器人系統(tǒng)開發(fā)的力度，逐步完善我們的產(chǎn)品，使其在更多的領(lǐng)域發(fā)揮其更大的優(yōu)勢(shì)。
