工业机器人汽车厂用的最多的—点焊工艺介绍
工业机器人汽车厂用的最多的—点焊工艺介绍
1、什么是点焊点焊是电阻焊的一种。电阻焊接是通过焊接设备的电极施加压力并在接通电源时，在工件接触点及邻近区域产生电阻热加热工件，在外力作用下完成工件的联结。点焊广泛应用于汽车、土木建筑、家电产品、电子产品、铁路机车等相关领域。点焊比其他焊接方法，比较擅长于薄板焊接领域，更适合运用于工业机器人的自动化生产。工业机器人点焊自动线2、点焊的过程1)预压保证工件接触良好；2)通电使焊接处形成熔核及塑性环；3)断电锻压使熔核在压力持续作用下冷却结晶，形成组织致密、无缩孔裂纹的焊点。点焊的通电方式按照焊接电流在电极-接合部-电极间按照何种回路进行流动。3、点焊的分类点焊是电阻焊的一种。电阻焊(resistancewelding)是将被焊母材压紧于两电极之间，并施以电流，利用电流流经工件接触面及邻近区域产生的电阻热效应将其加热到塑性状态，使得母材表面相互紧密连接，生成牢固的接合部。主要用于薄板焊接。(1)直接点焊直接点焊如图1所示。这是最基本的、也是可靠度最高的焊接方法。相对的一对电极夹住被焊接物并施压，其中一个电极通过被焊接物的接合部向另一个电极直接导通焊接电流。当然也有像c）一样将电极分成2根进行焊接的方法,但是由于很难使加压力、接触部位的电阻完全相同,所以与a）、b）图的方式相比,在工作效率上是得到了提高，但是焊接部位的可靠性变差了。图1(2)间接点焊间接点焊如图2所示。被焊接物的接合部位电流，从一个电极通过被焊接物的一个部位分流通到另外一个电极的焊接方式。有时候不需要将电极相向设置，只要在单侧设置就可以进行焊接了，因此适用与焊接大型物体。图2(3)单边多点点焊单边多点点焊如图3所示。当一个焊接电流回路中有2个接合部时，电流将顺序依次流过这两个焊点部位并进行点焊，这是一个高效的方式。但是如b）、c）图所示，在有些方式中，电流将在被焊接物内部进行分流，由此会产生一些根本无利于接合部发热的无效电流，因此不仅仅造成了电的效率低下，有时还会对焊接质量造成坏的影响。所以为了尽量减少分流,需要尽量加大电极。而当板厚不同时，需要将厚板材放在下方。图3(4)双点焊（推挽点焊）双点焊（推挽点焊）如图4所示。在上下都配置焊接变压器，可以同时进行2点焊接的方式。与图3所示的单边多点点焊相比,在相当程度上抑制了分流电流，具有利于用在厚板材焊接的优点。图44、点焊的条件焊接电流、通电时间以及电极加压力被称为电阻焊接的三大条件。在电阻焊接中，这些条件互相作用，具有非常紧密的联系。(1)焊接电流焊接电流是指电焊机中的变压器的二次回路中流向焊接母材的电流。在普通的单相交流式电焊机中，在变压器的一次侧流通的电流，将乘以与变压器线匝比（是指一次侧的线匝数N1和二次侧的线匝N2的比，即N1/N2）后流向二次侧。在合适的电极加压力下，大小合适的电流在合适的时间范围内导通后，接合母材间会形成共同的熔合部，在冷却后形成接合部（熔核）。但是，如果电流过大会导致熔合部飞溅出来（飞溅）以及电极粘结在母材（熔敷）等故障现象。此外，也会导致熔接部位变形过大。(2)通电时间通电时间是指焊接电流导通的时间。在电流值固定的情况下改变通电时间，会导致焊接部位所能够达到的最高温度不同，从而导致形成的接合部大小不一。一般而言，选择低的电流值、延长通电时间不仅仅会造成大量的热量损失，而且也会导致对不需要焊接的地方进行加热。特别是对像铝合金等热传导率好的材料以及小零件等进行焊接时，必须使用充分大的电流，在较短的时间内焊接。(3)电极加压力电极加压力是指加载在焊接母材上的压力。电极加压力既起到了决定接合部位位置的夹具的作用，同时电极本身也起到了保证导通稳定的焊接电流的作用。此外，还具备冷却后的锻压效果以及防止内部开裂等作用。在设定电极加压力时，有时也会采用在通电前进行预压、在通电过程中进行减压、然后在通电末期再次增压等特殊的方式。加压力具体作用包括：破坏表面氧化污物层、保持良好接触电阻、提供压力促进焊件熔合、热熔时形成塑性环、防止周围气体侵入、防止液态熔核金属沿板缝向外喷溅。此外，还有一个影响到熔核直径大小的条件，那就是电极顶端直径。电流值固定不便时，电极顶端直径（面积）越大，电流的密度则越小，在相同时间内可以形成的熔核直径也就越小。好的焊接条件是指选择合适的焊接电流、通电时间以便能够形成与电极顶端直径相同的熔核。此外，焊接母材的板材厚度的组合在某种程度上也决定了熔核直径的大小。因此，只要板材厚度的组合决定了，则将要使用的电极顶端直径也就决定了，相关的电极加压力、焊接电流以及通电时间的组合也可以决定了。如果想要形成比板材厚度还大的熔核，则需要选择具有更大顶端面积的电极，当然同时还需要使用较大的焊接电流以保证所需的电流密度。
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随着科技的发展和工业需求的增加，焊接技术在工业生产中所占据的分量越来越大，而且焊接技术的优良程度直接影响着零件或产品的质量。国内焊接机器人应用虽已具有一定规模，但与我国焊接生产总体需求相差甚远。因此，大力研究并推广焊接机器人技术势在必行。
本设计的重点是运用机械原理和机械制造装备设计方法设计焊接机器人的实践和方法。本次设计，是在了解焊接机器人在国内外现状的基础上，进而掌握焊接机器人内部结构和工作原理，并对手臂和腕部进行结构设计。合理布置了液压缸。同时了解机器人机械系统运动学及运动控制学。为工业上焊接机器人的设计提供理论参考、设计参考和数据参考，为工业设计者提供设计理论和设计实践的参考。该机器人具有刚性好，位置精度高、运行平稳的特点。
关键字：焊接机器人
机械机构设计
With the development of technology and the increase in industrial demand, welding in industrial production occupied more and more weight, and excellent welding technology directly affects the degree of the quality of parts or products.Although the domestic application of welding robot with a certain scale, but falls far short of the overall demand for welding.Therefore, great efforts to study and promote the welding robot technology is imperative.
The focus of this design is the use of mechanical theory and design of machinery and equipment design and methods of practice welding robot.The design of the welding robot in understanding the basis of the status quo at home and abroad, and then grasp the welding robot and working principle of the internal structure, and structural design of the arm and wrist.Rational arrangement of the hydraulic cylinder.At the same time understand the robot mechanical system kinematics and motion control study.For the design of industrial welding robots to provide a theoretical reference, reference and data reference design for industrial designers and design practice, design theory reference.The robot has a good rigidity, high precision location, stable characteristics.
Keyword:Welding robot；hydraulic system；mechanical structure design
Abstract II
第1章 引言 1
第2章 焊接机器人的总体方案 3
2.1 总体设计的思路 3
2.2 自由度和坐标系的选择 3
2.3 传动方案论证 4
2.4 焊接机器人的组成 6
2.4.1 执行机构 6
2.4.2 控制系统分类 8
2.5 焊接机器人的技术参数 8
2.6 本章小结 8
第3章 腕部结构的设计及计算 10
3.1 腕部设计的基本要求 10
3.2 腕部结构及选择 10
3.2.1 典型的腕部结构 10
3.2.2 腕部结构和驱动结构的选择 10
3.3 腕部结构设计计算 11
3.3.1 腕部驱动力计算 11
3.3.2 腕部驱动液压缸的计算 11
3.4 液压缸盖螺钉的
正在加载中，请稍后...统的综合硬件安全技术，但现在决定用新型的具有故障；车身总装单元对机器人焊接而言至关重要；安全系统对于所有单元而言至关重要；锁也由PLC控制；所有这些安全功能均由具有故障安全功能的PLC，S；最新推出的用梯形图语言编程的分布式安全系统是由福；又如，ABB机器人装备冲压生产线推进巴西大众汽车；此次涉及的自动化改造的冲压生产线是靠近巴西圣保罗；FANUCiRVis
统的综合硬件安全技术，但现在决定用新型的具有故障安全功能S7-400F PLC替代以往复杂的安全电路系统。西门子当地方案提供商ICT、澳洲西门子以及一位来自德国西门子自动化认证中心的专家帮助福特共同完成了这一创新概念的设计。最终的设计方案非常出色，可整齐划一地应用于待建的六个单元。不但如此，电流接触器、继电器、复杂的布线系统也大大减少。与先前的单元相比，安全性能得到了改善，并且增加了更多安全设施和自动检查功能。这些设施可以维护系统并更安全简便地设定操作。触摸板为操作者提供了更详细的检测信息，使诊断工作更加清晰简便。
车身总装单元对机器人焊接而言至关重要。通常，冲压金属部件在操作平台上被点焊，有时还被机器人送到其他设备接受进一步处理。福特工程师们运用Simatic HMI以及Profibus分布式输入输出技术最大限度地发挥单元设计的优势。机器人界面直接通过Profibus进行传送，使得数据交换变得快捷方便。与设备相连的电磁阀和接近开关通过Profibus上的Festo阀组进行连接。通常操作站使用PP17操作面板实现清晰而稳定的操作者互动，并通过可触摸面板提供产量数据和诊断信息。在较大的单元中，MP370触摸面板在中心位置提供生产数据和诊断信息。触摸面板能输出优质图像可以显示出钳夹和接近开关的动态状况。这样一来就为操作者提供了清晰的诊断信息。来自焊接装置上的MP370触摸面板的菜单显示单元的自动化系统受控于标准（非故障安全）S7-400F内的梯形图语言代码，并与机器人内嵌的程序紧密互动。福特根据进程需要对机器人进行编程，并与负责监控的PLC设备保持紧密联系。通过与福特的通力合作，ICT已经为大多数场合设计了标准的控制代码。福特的工作人员已经在内部实现了这些操作代码。
安全系统对于所有单元而言至关重要。一般来讲，每个单元都有围墙保护。人工装载部件的操作台都有轻型防护装置，此外还有一个双手控制装置，可以在操作之前把部件夹紧。与此同时，轻型防护装置会保护操作区内的操作者。机器人底部开关监控机器人的动向，以确保当机器人在某处工作时能顺利操作另一处设备。防护装置还可以保护升降机，确保成型部件都通过升降机卸载到托盘上。
系统会根据防护装置、出入门和紧急停止设备发出的信号在机器人，设备电磁阀，伺服转盘驱动以及螺线空气排放阀门等处采取安全互锁定操作。出入门上的电气锁也由PLC控制。
所有这些安全功能均由具有故障安全功能的PLC，S7-400F实现。使用相关软件简化了系统配线，并使安全逻辑更加出色。同时，过去在硬件系统上无法实现的一些新维护功能现在也已变为现实。触摸面板清楚地显示安全系统的详细信息和精确到点的诊断信息。这样，不再需要操作员通过PLC检查故障维护工作大大简化。ICT测试并完成了PLC上的“故障保护”代码，福特也大力参与了系统配置和软件结构的过程。福特希望在确保安全功能的同时自由操作标准控制。这一点很重要，因为工艺过程是多变的，而安全功能却一成不变。S7-400F实现了这个目标。有了它，福特技师们就可以在不影响故障安全功能的情况下修改标准码。
最新推出的用梯形图语言编程的分布式安全系统是由福特公司完成的。用梯形图编写的“故障保护”逻辑程序今后将被所有系统采纳，就像用较早的S7-400F替代CFC一样。福特相信S7315F PLC是一套成本低廉，功能强大的CPU。福特将会在那些仅需一两个继电器的小型安全输入/输出系统上使用它。目前正在为一款新车开发五个单元。新单元的安全系统和自动化系统将采用S7-315F分布式安全技术。
又如，ABB机器人装备冲压生产线推进巴西大众汽车生产效率，一条新建的ABB机器人生产线推进了巴西大众汽车冲压自动化生产线的生产效率。 此次ABB公司提供的解决方案使大众在冲压生产线上从过去每天170个面板的生产量增加到每天3880块，且有8个不同的零件系列产品。另外，先前由同样30个员工在3或4天里能完成一个托盘，但现在同样的员工在一周时间内能完成3个托盘架的生产。
此次涉及的自动化改造的冲压生产线是靠近巴西圣保罗的大众新型Anchieta汽车工厂的两线生产线之一，它是共5.65亿现现代化改造工程项目中的一部分，这些改造项目将使该具有50年的旗舰工厂成为巴西国内最现代化和最高效的工厂。 通过IRB 6650机器人装备冲压生产线，生产循环时间减半，从过去1分钟1.5个零件增加到每分析2.8个零件。ABB解决方案使用了创新的技术，如两台机器人之间的轮转，以及为6轴机器人新增第7轴，这些加速了生产线上的零件移动速度。 FANUC iR Vision 2DV视觉系统主要是通过视觉系统软件设置，建立视觉画面上的点位与机器人位置相对应关系。对工件进行视觉成像，与已标定的工件进行比较，得出偏差值，即机器人抓放位置的补偿值，实现机器人自动抓放。该技术实现了机器人在无夹具定位工件情况下的自动柔性搬运。 回归国内，奇瑞公司以高质量的技术挑战着自动化的革命。 截至目前，奇瑞公司已开发出数款机器人，计划小批量制造并在内部应用成熟后，2013年开始大批量制造，实现机器人产业化。在日前召开的中国企业新纪录(第14批)发布大会暨中国企业自主创新高层论坛上，国内首台自主研制的大负载点焊机器人(78.790,0.00,0.00%)――――奇瑞公司QH―165工业点焊机器人，作为对国家经济建设以及调结构、促增长具有重大推动作用的重点发布项目之一在会上进行了发布。 据了解，QH―165工业点焊机器人是国内首台自主研制的165公斤级点焊机器人，由奇瑞与哈工大联合研制开发，技术上突破了高速大负载工业机器人在机械系统优化设计、高速大负载运动平稳性控制等方面的技术难点，实现了良好的人机交互操作。截至目前，“165点焊机器人”在奇瑞汽车公司焊装车间已成功焊接几万套汽车车身部件，表现出良好的性能，焊点精度达到国际先进水平。为填补国产工业机器人的空白，奇瑞公司于2007年启动了工业机器人项目，与哈工大在机器人领域开展合作，并于2008年9月成功开发出第一台样机。该机器人设计应用于点焊领域，同时可用于搬运、装配等领域，各项技术参数达到国外机器人设计水平。今年9月，“哈工大―――奇瑞机器人联合开发中心”已在哈工大落成。建立了“产、学、研、用”一体化合作模式，推动中国工业机器人发展。 在奇瑞公司的自主创新体系中，除了对关键零部件和关键技术的研发外，还有非常重要的一项，就是对关键装备的自主研发。目前，我国汽车工业工艺装备的高效化、自动化水平较低，仅为30%左右，而先进国家则高达90%以上，而且在一些关键装备的供应上仍然受制于人。合资企业基本上不采购中国的汽车制造装备，无法带动国内汽车装备制造企业整体实现技术提升。随着我国汽车制造企业越来越广泛地参与国际竞争，迫切需要提高工艺装备的高效、集成化程度。 此外，汽车装备制造业有着巨大的市场和利润空间。奇瑞公司通过对关键装备的自主研发，将不仅大幅度提高自身的装备配套能力，降低对关键装备的采购成本，还将促进我国汽车装备制造业的充分竞争和整体进步，带动相关上游和下游产业规模化的集中，提高国内汽车装备制造业的整体水平。 今年以来，奇瑞公司还启动了国家863项目210kg负载机器人，以及工信部NC重大专项165KG点焊机器人、6KG弧焊机器人的开发，并逐步形成30KG、50KG、80KG、100KG、250KG等全系列点焊机器人产品，后期将延伸到弧焊机器人、搬运机器人、喷涂机器人、装配机器人等，覆盖工业机器人在汽车行业的所有应用。截至目前，奇瑞公司已开发出数款机器人，计划小批量制造并在内部应用成熟后，2013年开始大批量制造，实现机器人产业化。 经过20年的改革开放，随着对商品高质量和多样化的要求不断提高，生产过程的柔性自动化要求日益迫切，在电子、家电、汽车和轻工等行业，工业机器人的应用日趋广泛。
从各国工业机器人发展历史来看，一般在技术成熟，进入应用后不久，通过一批用户应用工业机器人取得经济和技术效果的示范作用，推动工业机器人制造业进入快速发展期，需求量日益增长。工业机器人产业化的主体应该是生产企业，把一般量大面广、通用的工业机器人集中到企业生产制造，改变目前由科研单位分散研制的状况，才能使我国的工业机器人真正形成规模化生产，达到性能好、价格低、维修服务有保证，使机器人推广应用到各行各业，发挥作用。
随着我国工业机器人产业化的发展，前期可以依靠进口产品，但是从长远来看，由于需要量很大，有必要形成自己的制造体系，这样做不但有利于提高国产机器人性能价格比，而且对相关的产业也会带来推动的作用。 工业机器人在许多生产领域的使用实践证明，它在提高生产自动化水平，提高劳动生产率和产品质量以及经济效益，改善工人劳动条件等方面，有着令世人瞩目的作用，引起了世界各国和社会各层人士的广泛关注。在新的世纪，机器人工业必将得到更加快速的发展和更加广泛的应用。汽车工业作为一个支柱产业，它的每一个发展、进步，都离不开相关科学技术、工业等发展支持。在工业机器人技术领域不断涌现出的高新科技成果，也必将促进汽车工业向更高目标发展。相信在不久的将来，通过我们的共同努力，国内汽车行业的工业机器人技术会逐步缩短与国外先进技术水平的差距，迎接WTO带给汽车工业的机遇和挑战。 接下来，我们讨论一下焊接机器人在汽车生产应用中的发展趋势。 1.减轻汽车重量的研发，促进焊接工艺的新发展减轻汽车整车的重量对于节省燃油消耗，保护环境有着极其重要的意义，它是当今汽车制造工业一个新的发展趋势。减轻重量不仅要从结构设计上考虑减轻材料重量，还要从开辟铝锰轻合金、陶瓷材料、碳纤维增强塑料等在汽车制造生产中的应用来考虑。对于机器人焊接工艺技术来说，将面临着一个新课题、新挑战。无论是铝锰轻合金材料，还是异种材料间的焊接工艺仍有待于进一步开发、研究。 2.点焊过程中的质量监控与管理 对焊点质量的检查，尚无可靠的自动检查方法，目前，还仍然采用人工剥落的检查方法。为此，通过对\条件\实施监控从而保证\结果\考虑方法，仍是现阶段研究方向。新型最适控制型电阻焊控制器的工作原理是:检测输入到被焊工件的二次侧电流、电压，以及获得到的相应于工件金属熔化状态的阻抗变化值，再反馈回机器人控制器中进行演算，输出最适焊接电流，并对每点的焊接电流进行记忆储存，为下一点的焊接参数设定提供参考。这种电阻焊控制器可以通过控制焊接过程中飞溅发生，保证焊点质量。同时，它还可以对电极的先端尺寸进行自动管理。 3.激光焊接技术的应用与推广 激光焊接目前正处于推广应用的过程中，它具有其独特的优点: (1)焊接工艺性好 可以焊接深宽比差别比较大的焊缝，还可以对不同型号、异种金属进行焊接，如镀锌薄板与厚板、低碳钢(低合金钢)与不锈钢、钢与铜、铜与铝等。 (2)焊接质量高 由于激光的能量密度高，所以，激光焊形成的焊缝，金相组织致密，强度高。而且，激光焊的焊接热影响区小，焊后工件变形小。 (3)易实现自动化，生产效率高 激光焊装置方便与机器人、数控工作台等自动装置配合，实现焊接自动化，提高生产效率。激光焊接技术已经在许多先进国家的汽车工业中得到的应用，在中国目前仍处于推广应用中。 4.伺服技术在汽车装焊工艺中的应用 伺服机器人焊钳，就是利用伺服电机替代压缩空气作为动力源的一种新型焊钳。官具有以下优点: (1)提高车身的表面质量 伺服焊钳由于采用的是伺服电机，电极的动作速度在三亿文库包含各类专业文献、幼儿教育、小学教育、专业论文、各类资格考试、文学作品欣赏、外语学习资料、行业资料、中学教育、工业机器人在汽车生产中的应用61等内容。　
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白车身机器人焊装自动线关键装备技术的研究
合肥工业大学 硕士学位论文 白车身机器人焊装自动线关键装备技术的研究 姓名：王玮 申请学位级别：硕士 专业：机械设计及理论 指导教师：王健强
白车身机器人焊装自动线关键装备技术的研究摘 要焊装是汽车车身制造过程中十分重要的工序之一。白车身焊装技术和焊装 线装备水平均是提高整车产品质量和生产效率的关键因素。本论文结合乘用车白车身结构与主要焊装工艺，对机器人焊装自动线的组成及其关键装备进行了分析，并重点对机器人末端执行器和焊装线柔性合装台夹具进行了研究，通过运用ＣＡＴＩＡ软件对焊装夹具进行虚拟开发设计，建立了基于ＣＡＴＩＡ的参数化、模块化、标准化设计方法和ＤＭＵ模拟仿真流程，并构建 了基于ＣＡＴＩＡ的计算机辅助设计库。 关键词：焊装自动线；机器人末端执行器；合装台夹具；计算机辅助设计ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＫｅｙ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｏｆＢＩＷＲｏｂｏｔｉｃＷｅｌｄｉｎｇＡｓｓｅｍｂｌｙＬｉｎｅＡＢＳＴＲＡＣＴＷｅｌｄｉｎｇｏｆａｒｅｉｓａｖｅｒｙ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｐｒｏｃｅｓｓ ｉｎＢｏｄｙ―Ｉｎ．Ｗｈｉｔｅｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ．Ｔｈｅ ｌｅｖｅｌＷｅｌｄｉｎｇｌｉｎｅ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｐｒｏｃｅｓｓ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｗｅｌｄｉｎｇ ａｓｓｅｍｂｌｙｏｆ ｖｅｈｉｃｌｅ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ． ｋｅｙ ｆａｃｔｏｒｓ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｑｕａｌｉｔｙ ａｎｄ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ Ｉｎ ｔｈｅ ｐａｐｅｒ．ｒｏｂｏｔｉｃ ｗｅｌｄｉｎｇ ａｓｓｅｍｂｌｙ １ｉｎｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｋｅｙ ｗｅｒｅ ｉｎ ｔｈｅ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｗｅｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｒｏｂｏｔａｎａｌｙｚｅｄ．ａｎｄ ｅｎｄ．ｅｆｆｅｃｔｏｒｓ ｐｒａｃｔｉｃａｌｃａｓｅＢＩＷａｎｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓａｎｄ ｗｅｌｄｉｎｇｔｅｃｈｎｉｑｕｅｂｏｄｙｏｎａｓｓｅｍｂｌｙｊｉｇｏｎａｒｅｈｉｇｈｌｉｇｈｔｅｄｒｅｓｅａｒｃｈ．Ｗｉｔｈａｓｔｕｄｙ ｄｅｓｉｇｎｏｎｔｈｅｊ ｉｇＣＡＤ ａｎｄＣＡＴＩＡ，ａ ｐａｒａｍｅｔｅｒｉｚｅｄ，ｍｏｄｕｌａｒｉｚｅｄ，ａｎｄ， ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｎｓｔａｎｄａｒｄｉｚｅｄｍｅｔｈｏｄａＤＭＵｐｒｏｃｅｓｓ ＣＡＴＩＡ．ａｒｅａｎａｌｙｚｅｄａｎｄｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄＣＡＴＩＡ，ａｎｄＣＡＤ ｃａｔａｌｏｇ ｉｓ ｓｅｔｕｐＫｅｙｗｏｒｄｓ：ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｗｅｌｄｉｎｇ ａｓｓｅｍｂｌｙ ｌｉｎｅ；ｒｏｂｏｔ ｅｎｄ―ｅｆｆｅｃｔｏｒ；ｂｏｄｙ ａｓｓｅｍｂｌｙｊｉｇ；ｃｏｍｐｕｔｅｒａｉｄｅｄ ｄｅｓｉｇｎ插图清单 图２～１非承载式车身…………………………………………．４ 图２～２承载式轿车车身……………………．…………………．４ 图２―３奥迪ＡｕｄｉＡ８轿车全铝车身及其激光焊接……………………．．５ 图２―４机器人对白车身进行点焊…………………………………５ 图２－－５点焊工艺示意图…………………．．ｊ………．．：………．．５ 图２―６机器人弧焊工作站………………………………………６ 图２―７车身板件分解示意图……………………………………．８ 图２―８奇瑞汽车机器人焊装自动线………………………………．８ 图２―９北京奔驰一戴克公司机器人焊装自动线……．一………………８ 图２―１０焊装线机器人…＿……………………………………１０ 图２一ｌｌ六自由度机器人各轴分布………………………………．１０ 图２―１２机器人运动范围………………………………………ｌＯ 图２一１３机器人示教器及其界面…………………………………１１ 图２一１４机器人末端执行器（左图为抓具，右图为焊枪）……………．．１３ 图２―１５机器人末端执行器的自动更换……………………………１３ 图２―１６机器人自动工具更换装置ＡＴＣ……………………………．１３ 图２―１７机器人工具坐标系……………………………………．１４ 图２―１８车身通过滑撬进行输送…………………………………１５ 图２―１９辊床与滑撬…………………………………………．１５ 图２―２０顶盖自动上料装置……………………………………．１６ 图２―２１项盖自动上料过程示意图………………………．．，……．１６ 图２―２２卧式自动上料机………………………………………１７ 图２―２３回转式自动上料机……………………………………．１７ 图２―２４焊装夹具的分类………………………………………１８ 图２―２５一种典型的气动定位夹紧组件……………………………１９ 图２―２６多工位机器人焊装自动线整线布局………………………２ｌ 图３一ｌ Ｘ型机器人焊枪……………………．．：………………．２２ 图３―２ Ｃ型机器人焊枪………………………………………．２２ 图３－－３机器人抓具焊枪………………………………………．２３ 图３―４机器人ＧＥＯ抓具对顶盖进行焊装……………．………：……２４ 图３―５机器人ＧＥＯ抓具…．．：…………．．………．…．．………．．２４ 图３―６机器人ＧＥＯ抓具的柔性焊装功能………．．…．．…．…………２４ 图３―７顶盖定位与点焊过程……………．…．．…………………２５ 图３―８销定位的定位误差……………．．………．．……………２６ＧＥＯ抓具与辅助夹具的锁止方式及其结构……………………２７ 图３―１０吸盘组件……………………………………………２７ 图３一ｌｌ模块化定位和夹钳组件…………………………………２７ 图３一１２连杆式压紧机构………………………………………２８ 图３一１３机器人普通抓具………………………………………２８ 图３―１４机器人抓具对侧围的搬运与安装…………．ｊ………：……．２８ 图３―１５机器人抓具对地板组件的抓取……………………………２９ 图４―１预拼工位与合装工位……………………………………３０ 图４―２车身合装夹具的分类…一………………………………．３１ 图４―３翻转式合装夹具………………………………………．３１ 图４―４导轨平移式合装夹具…………………………………一．．３１ 图４―５垂直旋转式柔性合装台（右侧围部分）……………………．．３２ 图４―６多框架导轨式柔性合装台………………………………．．３３ 图４―７多框架机器人抓取式柔性合装台…………………………．．３３ 图５―１车身薄型板件焊装夹具布局优化模型示意图…………………．３６ 图５－－２关键点分布示意图……………………………………．．３６ 图５－－３普通三维工件的定位方案………………………………．．３７ 图５―４轿车侧围主控点ＭＣＰ的分布图……………………………．４０ 图５―５车身焊装主控截面ＭＣＳ（Ｍａｓｔｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｅｃｔｉｏｎ）……………．４０ 图５―６柔性合装工位布局………．．：…………………………．．４１ 图５―７柔性合装工位设备设置（左侧局部）………………………．４ｌ 图５―８轿车车身空间坐标系．．…………………………………．４２ 图５―９ ＣＡＴＩＡ三维设计目录树………………………．ｊ………．．４３ 图５―１０焊接工艺卡……………．．…………………………．．４３ 图５―１１基于ＣＡＴＩＡ的焊装夹具零件设计…，……………………．４４ 图５一１２两种类型标准化转接块…………………………………４７ 图５―１３标准化转接块三维数模库………………………………．４７ 图５―１４标准化支撑座三维数模库………………………………．４７ 图５―１５菱形销和圆形销的主要参数……………………………．．４８ 图５―１６模块化气动夹紧单元…………………………………．．４９ 图５―１７模块化气动夹紧组件三维数模库……………………．．ｊ…．４９ 图５―１８三维参数化标准件数模库分类……………………………４９ 图５一１９标准件库的编辑……………………………………．．５０图３―９表格清单 表２―１低碳钢焊接参数选择……………………………………６ 表２―２两种激光器特点的比较…………………………………．７ 表２―３机器人示教编程和离线编程的比较………………………．１２独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得金８垦王些太堂．或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者虢多咋签字日期：叫睥汐月吵日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解金日巴王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金匿王些盔堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 （保密的学位论文在解密后适用本授权书）学位论文作者签名：多难’导师签名：删鸣电话： 邮编：口…聊”争月矽日日签字日期：州ｋ年牛月学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址：致谢在论文完成之际，首先向我的导师王健强教授致以最衷心的感谢。 本文是在导师的悉心指导下完成的，从论文的选题、研究方案的确定到论文的书写与审阅，始终得到了王老师的关心、指正和鼓舞。他为本文 工作的顺利完成提供了优良的环境和便利的条件。 在我的硕士研究生学习期间，导师渊博的知识、敏锐的洞察力和孜孜 不倦、严谨的治学态度都深深影响了我，使我受益匪浅。同时十分感谢他在生活中对我的关心和爱护。感谢家人这么多年来对我物质和精神上的全力支持，无论是在学习上 还是生活上都给予了我很大的帮助。 感谢２００７级研究生０７班的全体同学、我的兄弟姐妹，感谢你们几年 来对我的一如既往的支持和帮助！王玮 ２０１０年３月２０日第一章绪论１．１白车身机器人焊装自动线国内外发展状况汽车车身是一个由薄型钢板冲压件焊接而成的复杂组合体。焊装是汽车车 身制造过程中十分重要的工序之一。在轿车车身生产中，车身的装配质量很大 程度上影响着整车的性能与安全性。因此，车身的总体制造水平体现了汽车的 生产技术水平…，车身焊装工艺和焊装线装备水平便成为提高整车产品质量和生产效率的关键因素。１．１．１国外发展状况 汽车车身焊装线经历了四个阶段：６０年代以前的运用大量悬挂式点焊机进行人工作业阶段：６０―８０年代初期的采用多点自动焊接技术和人工简单操作机 械手进行焊装作业的阶段；８０年代中期至９０年代末的车身焊装线柔性化方向发展以及以工业机器人取代人工作业的自动化焊装阶段：进入二十世纪以来的 高度自动化、柔性化多工位混流机器人焊装自动线阶段。 美国、德国、日本等汽车工业发达国家，经历了二三十年的发展，工业机 器人在汽车焊装线中的应用已经相对成熟。据统计，发达国家汽车行业机器人应用数量占总保有量的２３．４％一５３％，目前年产每万辆汽车所拥有机器人台数 为（包括整车和零部件）：日本８８．Ｏ台，德国６４．Ｏ台，法国３２．２台，英国２６．９台，美国３３．８台，意大利４８．０台。美、欧、日各发达国家（地区）汽车工业中焊接机器人的数量以每年８％一ｌＯ％的速度增长。仅２００３年汽车制造业中每ｌ万名产业工人拥有的工业机器人数量，法国达到了ｇｌＯ台，德国１０００台，日本 １４００台。工业机器人的大量使用使焊装自动线实现了多工位、柔性化、混流化。 例如，德国大众（Ｖｏｌｋｓｗａｇｅｎ）汽车公司位于沃尔夫斯堡（Ｗｏｌｆｓｂｕｒｇ）的“高 尔夫”、“宝来＂焊装厂所设置的３条平行布置的混流柔性焊装线，采取多工位和多机器人进行点焊以及激光焊接作业使其日产量达到２４００辆；日本丰田的雷克萨斯’（ＬＥＸＵＳ）位于ＴＡＨＡＲＡ的制造厂使用了近６００台工业机器人用于车身焊接、物料搬运和上下件等作业从而实现了车间的无人化焊装生产；此外，美国 通用汽车（ＧＭＣ）的机器人焊装自动线，其车身焊装夹具广泛采用了“模块化’’和“柔性化’’设计，使其组装灵活、适用于多种车型的焊装作业。从几十年来的发展历程可以看出汽车车身焊装线的发展趋势，即：由普通 的单一车型向着多车型柔性化焊装的方向发展；焊装线由人工、机械半自动化 作业向着多机器人作业的全自动方向发展；焊装线装备由结构和控制方法简单 和功能单一向着结构复杂、与工业机器人系统集成控制的方向发展。１．１．２国内发展状况我国于２０世纪９０年代开始引进国外机器人焊装线技术，近二十年来，机 器人焊装自动线极大地提高了我国汽车产量和生产效率，目前我国年产量十万台以上的汽车厂均采用机器人进行车身焊装作业。进入二十一世纪以来，我国汽车企业的焊装线已经接近世界先进水平，机器人焊装线在主流汽车生产企业 已经被广泛采用。据统计，“十一五”期间汽车制造业的机器人需求市场容量将达到８００多亿人民币，２０１０年机器人拥有量将达到１７３００台，预计到２０１５年 市场容量约为十几万台套陋３。我国通过引进技术与技术合作，也建成投产了一 批自动化程度较高的汽车车身机器人焊装线。例如，我国上海大众汽车的轿车 三厂采用了全新工艺设计的车身焊装线，设置了６１台工业机器人，并对车顶以 及后盖采用世界先进的激光钎焊技术从而确保车身的尺寸稳定，保证了所生产 ＰＡＳＳＡＴ车型的焊装质量；位于长春的一汽轿车车身厂焊装车间共设置１０５台机 器人，其中的奥迪Ａｕｄｉ Ａ６和宝来两种车型的焊装线均采用ＫＵＫＡ机器人实现点 焊、激光焊、弧焊、工件搬运等多种操作。１．２本课题研究的意义、内容和目标１．２．１研究意义 随着机器人焊装自动线的广泛应用及其关键装备技术的不断发展，一些发 达国家，如德国、美国等已经建立了一整套较为完善的焊装自动线机械装备设 计、模拟仿真的理论和方法。机器人本体、一体化焊枪等作为通用产品被广泛应用，与之相匹配的柔性合装台焊装夹具、机器人柔性末端执行器、物料自动输送机构等非标准化装备同样在设计理论、方法和流程等方面达到了很高的水 平；因而设计效率得到了提高，设计费用却大大降低阳叫，。经过多年努力，我国 在工业机器人以及汽车焊装线技术方面取得了较大进步和发展，设计研发并相继投产了一批与机器人工位相配套的具有自主知识产权的专用机械装备，但是我国在此领域内的研究还相对薄弱，和发达国家之间仍然存在着一定的差距。主要体现在：没有完全掌握机器人焊装线关键技术，没有建立一套较为完整的规划和设计方法，没有形成一套完整的优化及评价理论，高水平的大型焊装自 动线关键技术及其装备的自主研发能力仍然需要进一步提升。 因此，本课题紧密结合生产设计实例，具有很强的理论和现实意义：（１）在保证白车身焊装精度的前提下，提高焊装自动线的柔性程度，达到 “一线多车＂，缩短了汽车更新换代的准备周期，极大降低了投资成本。（２）以适应机器人焊装自动线的多种柔性末端执行器、柔性合装台焊装夹具、自动上料机构取代传统焊装线设备，极大地提高工作效率、减少人工作业。 （３）建立基于ＣＡＴＩＡ软件的三维设计和模拟仿真的方法与流程。（４）基于ＣＡＴＩＡ软件构建的三维零件库和标准化、模块化、参数化设计方２法。（５）提高我国汽车及其装备制造业的自主创新能力、加快实现车身焊装生产的全自动化、提高装备自主研发水平。１．２．２主要内容和目标 本文以一条Ａ级轿车车身的多工位机器人焊装自动线项目为依托，通过参 与其中部分装备的设计、研究，制定出主要内容和目标： （１）根据焊装线整体规划、工序要求和机器人型号，对机器人末端执行器、车身柔性合装台夹具和自动上料机构进行选型、设计，使之符合总体规划要求和机器人工位作业特点。 （２）ＣＡＴＩＡ环境下的三维设计。通过在ＣＡＴＩＡ环境下研究复杂汽车覆盖件 的建模技术，解决在ＣＡＴＩＡ车身数模基础上进行车身柔性合装台夹具的三维设 计开发的方法和流程。（３）通过研究，提出柔性合装台夹具?、机器人末端执行器等关键装备的计 算机辅助设计工程库体系结构，包括：参数化标准件知识库的构建，以及集中研究知识表达、知识获取以及知识库的管理。 （４）以实际装备为例，进行ＣＡＴＩＡ环境下的参数化、模块化、标准化设计的方法研究及其ＤＭＵ技术的实例化分析。第二章车身焊装工艺与自动线装备２．１自车身及其主要焊装工艺２ １ｌ自车身概述 白车身（ＢｏｄｙＩｎＷｈｉｌ．ｅ）１５－６］一般指车身生产流程中完成车身焊装但未进行涂装工艺的、形状复杂的白皮车身，其结构为空间薄型壳体。此外，白车身还包括车身制件、车门等，但不包括车身附属设备和装饰件。 白车身具有以下特点：（１）形状复杂。自车身由形状不同的薄型冲压板件组成，其造型均为复杂曲面。（２）薄壁结构。组成白车身的冲压件多为厚度在０ ８―１ ２ｍｍ的薄型钢板。（３）良好的表面质量。自车身直接体现了整车的外观，包括顶盖、车门外 板等在内的很多板件均为外部覆盖件，不仅对尺寸、形状要求很高，而且要求 表面无损伤。 汽车车身分为：非承载式车身、承载式车身和半承载式车身。如图２―１所示为非承载式车身。其特点是具有独立的剐性车架，车身通过缓冲元件等安 装在车架上，因此车身本体承载能力相对较弱，其负载主要由车架承担。一般 大、中型货运汽车由于其载重量较大而采用非承载式车身，此外也有部分客车或乘用车采用非承载式车身设计。图２一ｌ非承载式车身图２―２承载式轿车车身承载式车身不具有剐性车架而依靠车身本体空间结构直接承载车身固有载 荷以及行驶过程中的运动载荷；为了提高车身刚性和承载能力，在发动机舱、 前围、倒围、地板总成等关键部位进行了结构加强处理。目前大多数轿车均采用承载式车身设计。半承载式车身利用螺栓联接、铆接或焊接等联接方式将车身与车架作刚性 联接，车架仍然是承受各种载荷的基础，车身一方面用于加固车架另一方面也 分担～部分载荷，其承载方式可视为上述两种的鲒合。 一个典型的承载式轿车白车身如离２―２所示。采用承载式的轿车车身具有 质量轻、质心低、高速行驶稳定性好等方面的优点。承载式轿车车身板件包括以下几种类型：（１）车身覆盖件（ｃｏｖｅｒ ｐａｎｅｌ）：用于包覆车身骨架的表面板件，具有较 大面积或区面形状，其主要功用为封闭车身、体现车身外观造型及增大结构强 度和刚度薜，因此对于表面质量要求较高。例如；项盖外板、车门辨板等。 （２）车身结构件（ｓｔｒｕｃｔｕｒａＩ ｍｅｍｂｅｒ／ｂｏｄｙ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）：一般指梁、支柱等，是支撑覆盖件的车身结构零件。它是车身承载能力的基础，对保证车身要 求的结构强度和刚度非常重要。（３）结构加强件：主要用于加强板件的刚度阻及提高各构件的联接强度。２ １２白车身主要焊装工艺 自车身是一个复杂结构件，车身钢板经过冲压后形成不同的车身板件，其材料大都是具有良好焊接性能的低碳钢，目前部分高档轿车也采用强度高、重量轻的铝合金车身（如图２―３所示）。各种冲压板件均需要通过焊接以形成具有 一定刚度、强度和电好外形的白车身，因此焊接成为了现代车身制造中应用最 为广泛的联结方式，包括电阻焊、电弧焊、气焊、钎焊和特种焊等”…，在白车 身焊装线上晟为常见的是电阻焊，包括点焊（又分为单点焊和多点焊）、缝焊和凸焊。随着激光技术的不断发展，如德国奔驰（ＢＥＮＺ）、奥迪（Ａｕｄｉ）、大众（Ｖｗ） 等轿车车身部分采用了激光焊接工艺。图２―３奥迪Ａｕｄｉ＾８轿车全铝车身及其激光捍接圈母Ｉ￡点焊时产生的热量Ｗ为：Ｗ２∥ｑ）Ｒｏ）４式中：ｗ一焊接时产生的热量（Ｊ）（２一１）ｔ广一焊接电流通过时间（ｓ）ｉ（ｔ）一一通过扳件的焊接电流（Ａ） Ｒ（ｔ）一一两电极闻电阻（ｎ） 由公式２―１，影响焊接热量的因素包括：焊接时通过电流ｉ（ｔ）、车身板件电阻Ｒ（ｔ）、电流通过时间ｔ．。生产实践中ｉ（ｔ）和ｔ．确定，而Ｒ（ｔ）受车身板件 表面粗糙度、不同板件之间间隙、焊枪两电极问压力大小等因素影响。 通常焊接热量在一个区域内变化，生产实践中根据表２一ｉ所示经验数据进 行选择“１。表２―１低碳钢焊接参数选择 焊接件厚度／ｍｚ焊接电流“３５００―５０００通电时间／ｓ０ ０电极压力／Ｎ０８―０ ３ｌ一０３３Ｉ ２０００一１６０００（２）弧焊工艺 弧焊是利用电弧放电所产生的热量将焊条（焊丝）与工件焊接处的材料互 相熔化井在冷凝后形成焊缝，从而获得牢固接头的焊接过程。由于电弧焊过程 中的高温在空气中会使金属氧化而影响焊接质量，故弧焊通常采取气体保护。 根据保护气体的种类，弧焊分为：熔化极惰性气体保护焊（ＭＥＧ）、熔化极混合 气体保护焊（ＭＡＧ）、钨极氩弧焊（ＴＩＧ）、ＣＯ：保护焊等：根据电极类型可以分为 熔化极气体保护捍和非熔化极气体保护焊。如图２―６所示为一个机器人弧焊工 作站，主要包括：工业机器人、弧焊设各、清枪剪丝装置、变位机及其焊装夹 具、控制系统和安全系统等。舞 嚣越豳２―６机器＾９ｎ佯上作站．（３）激光焊接工艺激光焊接工艺即采用激光作为焊接热源，利用其极高的加热能力，将大量 能量集中在很小的焊接点上，实现了薄板的快速联接。机器人通过激光焊接器 将激光束打在金属板件的焊接部分边缘，输入的能量将金属加热并熔化。激光束作用后熔化的材料迅速冷却，在此过程中部分热量进入被焊接板件中。在焊接减少热变形的同时，也减少了输入的热能量，从而减少因热量影响产生的变 形，保证了焊接精度，极大提高了车身焊接质量和效率。’激光焊接设备主要由激光器、导光系统、焊接机和控制系统等组成。目前 用于激光焊接的激光器主要有两种：Ｃ０。气体激光器和ＹＡＧ固体激光器。两者特 点比较如表２―２所示。表２―２两种激光器特点的比较 波长 输出功率ｐｍ光纤传输光学部件 采用特殊材料光学部件运行消耗与维护 消耗气体，清理电 极麻烦． 必要时更换泵浦Ｃ０２ １０．６激光器ＹＡＧ １．０６大不可 （ＺｎＳｎ，ＧａＡｓ等）激光器小可采用普通光学部件灯，维护简单激光焊接具有如下特点。引：①降低焊缝体积，实现了将焊缝宽度控制在Ｏ．５～ｌｍｍ； ②激光束控制较为灵活，能够对其它焊接方法难以达到的位置进行焊接； ③对冲压成形性能影响较小； ④在焊缝上附加镀锌后，可保持其阴极保护功能； ⑤热量输入小，深宽比大，．因此热影响区小，工件收缩变形小。２．１．３白车身焊装工艺流程承载式轿车车身的组成板件具有数量多、种类多、造型复杂等特点，因此 其焊装流程复杂、工序较多。目前国际上广泛采用了“分级焊装’’的流程模式，即：若干零件／冲压板件焊装成组件，若干组件焊装成总成，各总成焊装成 白车身。如图２―７所示，本文项目中的某型轿车车身“分级焊装”模式包括了：地板总成（Ｕｎｄｅｒｂｏｄｙ ＡｓｓｅｍｂｌＹ）、发动机舱总成（Ｅｎｇｉｎｅ 侧围总成（Ｓｉｄｅｂｏｄｙ Ａｓｓｅｍｂｌｙ Ｒｏｏｍ ｂｏｄｙＡｓｓｅｍｂｌｙ）、左ＡｓｓｅｍｂｌｙＬＨ）、右侧围总成（ＳｉｄｅＲＨ）、顶盖总成（Ｒｏｏｆ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）等几大总成以及各车门总成（Ｄｏｏｒ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）、行李 箱与箱盖（ＬｕｇｇａｇｅＣｏｍｐａｒｔｍｅｎｔ ｗｉｔｈＤｅｃｋｌｉｄ）、翼子板等（Ｆｅｎｄｅｒ）。７图２―７车身扳件分解示意图２．２机器人焊装自动线的组成及特点机器人焊装自动线是以工位（Ｓｔａｒｉｏｎ）为基本单位，咀工业机器人取代人 工作业，通过对机器人和其它所有相关设备集成控制，按照预先制定的工艺流程完成白车身焊接拼装的高度自动化流水线，一般由机器人系统（包含工业机器人本体、机器人末端执行器、机器人控制器、示教器等）、线体设备（包含车 身输送设备、焊装夹具、工件上料装置等）、焊接设各（包括焊枪、焊机、焊接 控制器等）、安全防护、检测以及工厂物流等子系统组成。机器人与各设备和子系统间墟过总线连接而形成一个大型综合自动化系统．如图２－８和图２－ｇ所示。大型机器人焊装自动线不仅焊接作业全部由工业机器人来完成，而且大部分的物料搬运，特别是车身侧围、顶盖等焊接总成件均由工业机器人来完成，从而实现了车身焊装的全线“自动化”、“柔性化”。机器人焊装自动线及其关键装备具有以下特点…ｑ 实现生产节拍的精确控制、获得稳定的焊接质量。２１：（１）大量采用机器人焊接、取送和搬运车身工件，极大提高了生产效率、 （２）充分利用工业机器人多自由度的特点，通过相应柔性焊装设备实现多种车型共线焊装，极大提高了焊装线柔性程度。（３）。关键装备均具有适应机器人作业特点，其方案需要参照机器人运动特 点进行设计和计算机模拟仿真，通过对机器人的运动路径进行规划和优化，．避 免了机器人与自车身和其他设备之间出现干涉。（４）通过机器人作业程序的优化和多机协作控制技术，实现在一个工位上完成更多工件的焊装，降低生产节拍、减少工位设置，使得主线占地面积减少。（５）控制系统较为复杂，涉及机械、电气、气动、ＰＬＣ、机器人示教及离线 编程等技术。 （６）安全级别较高，生产区域封闭，避免了人工操作可能产生的劳动伤害。２．３焊装机器人系统焊装机器人系统包括了工业机器人本体、机器人末端执行器、机器人控制器、示教器等。２．３．１六自由度工业机器人工业机器人是高科技机电一体化产品，其技术是集机械工程、电气工程、 计算机科学、控制工程、电子技术、传感器技术、人工智能以及仿生学等学科 为一体的综合性技术ｎ引。随着科技的不断进步，工业机器人在各领域内均得到 了十分广泛的运用。六自由度工业机器人由开式运动链机构所组成，其与传统的闭式运动链机构所组成的机械化和自动化系统装备存在着本质性区别。六自由度工业机器人可以在其作业空间内的任意位置、任意方向独立或协同地进行作业，并且受工 作环境影响小。此外，通过机器人内部控制系统可以实现按其控制程序迅速调 整机器人动作程序，使一台机器人可以完成多种类型作业，使其环境适应性大大提高。因此，通过多台六自由度工业机器人及其它多种工装设备进行集成控制，可以构成一种更加灵活、更加柔性、具有多用途的自动化生产系统。 白车身焊装自动线是六自由度工业机器人应用的一个典型领域ｎ卜１钊，每个乘 用车白车身６０％以上的焊点是由六自由度工业机器人来完成的。六自由度工业机器人本体如图２～１０所示。９￡。。Ｉ蕊黪◎图２一１２机器人运动范围六自由度工业机器人及其构成的焊装系统具有如下特点： （１）机器人本体有６个自由度，通过安装于伺服滑台（外部轴）可以获得 ７个自由度，因此安装面积小，工作范围大，保证了焊点的可达性： （２）快速完成小节距的多点定位（例如每０３～０ ４ｓ＂移动３０～５０ｍｍ的节距后定位）并且获得较高的定位精度（±Ｏ．２５衄）以确保作业质量： （３）负载范围大（５０～３６０ｋｇ）以便携带不同质量的末端执行器； （４）通过集成控制，实现了机器人的焊接速度、搬运速度与线体各相关设 备的速度相匹配，使生产节拍能够得到精确控制： （５）棚．器人既可以按照预先离线编程又可以根据现场示教生成的固定程序进行作业．通过更改程序完成不同作业，内存容量大、示教方便； （６）机器人系统对于焊装现场环境变化的反应可以通过外部传感器的触发得以实现：（７）机器人作业区域外侧安装围栏和安全光幕避免人员和其他物体侵入阻保证生产区域内的绝对安全。２．３．２机器人的运动控制 运动控制是机器人控制系统的主要任务。机器人运动控制有点位控制和连 续轨迹控制两种基本方式： （１）点位控制（ＰＴＰ―ＰｏｉｎｔＴｏ Ｐｏｉ ｎｔ Ｃｏｎｔｒ０１）点位控制方式仅对于机器人在目标点的位姿进行控制，而不控制起始点与 目标点之间的运动轨迹。其特点是：控制过程简单、运动速度较快．一般用于点焊、工件或物料的抓取和搬运等作业。 （２）连续轨迹控制（ＣＰ―Ｃｅｎｔｉ ｒｉｕｏｌｌ ｓＰａｔｈ Ｃｅｎｔｒ０１）连续轨迹控制方式根据机器人连续运动所经过的运动轨迹进行控制。其特点是：机器人运动平稳、确保预先规划路径上各点的位姿精度：控制过程较点位控制方式复杂，需要通过各种插补运算、进行多轴脉冲的同时分配和协调控制，一般多用于弧焊、涂装毗及切割等作业， 目前，大部分机器人均采用ＰＴＰ＋ＣＰ的综台运动控制方式，并通过相应的机 器人语言对动作进行描述和控制。机器人的运动控制可以通过示教和离线编程“７。。”两种基本方法实现：（ｉ）机器人示教 机器人示教／再现（Ｔ／Ｐ－－Ｔｅａｃｈｌｎｇ／Ｐｌａｙｂａｃｋ）是一种常见的基本控制方式。 其控制系统核一Ｅｌ，是“示教编程”和“自动翻译”两个过程。“示教编程”指：示教人员在现场通过示教器（如图２―１３所示）操纵机器人，使其末端运动至所需轨 迹点并记录在该点时各关节伺服电机编码器信息，通过命令形式确定运动至该点的速度、精度咀及插补方式等，再由机器人控制器按照这些命令查找相应的功能代码并存放于某个指定示教数据区内。“自动翻译”指：在上述示敦编程的 再现过程中，机器人控制器自动逐条读取示教命令等数据，通过解读、计算作出判断后将相应的控制信号和数据送至机器人各关节伺服系统，通过伺服电机 驱动机器人精确地再现示教编程的动作。屠纂图２―１３机器人示教嚣盈萁界面（２）离线编程（ＯＬＰ一一Ｏｆｆ―ＬｉｎｅＰｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ）离线编程是机器人编程语言的拓展。以计算机图形学理论为基础，建立起 机器人及其工作环境的模型，再利用规划算法，通过对三维数模的控制和操作， 在不使用实际机器人情况下进行轨迹规划等编程，进而产生机器人程序。与传 统的示教编程相比，离线编程具有如下优点： ①无需现场真实设备环境，减少机器人现场调试的时间；‘ ②可以结合各种人工智能等技术提高编程效率并且程序易于修改； ③便于同ＣＡＤ／ＣＡＭ系统相结合，实现ＣＡＤ／ＣＡＭ／Ｒｏｂｏｔｉｃｓ一体化； ④大大减轻编程人员现场作业量并提供了安全的计算机编程环境。 常用的机器人离线编程软件主要有ＲＯＢＣＡＤ，Ｗｏｒｋｓｐａｃｅ，ＩＧＲＩＰ等。运用ＲＯＢＣＡＤ软件进行机器人离线编程，各种型号的工业机器人和末端执行器三维数模均存入数模库；建立工作单元，设置所有工位设备和机器人模型后进行离线编程。 机器人离线编程主要实现以下功能：①对焊点进行仿真，确定焊点可达、无干涉；运动轨迹的优化、焊枪姿态等；．②根据仿真结果修正规划的位置和姿态，包括：焊点信息的设置、焊枪 ③对机器人坐标、车身坐标、焊枪ＴＣＰ等进行标定，使其与离线编程系统中的坐标一致；④将离线编程得到的程序导入机器人控制器后，机器人利用此程序完成作业。 离线编程需要针对机器人设置准确的位置和工具信息，这些信息数据将写 入程序中，包括：机器人ＢＡＳＥ坐标系、工具ＴＣＰ坐标和负载等信息。ＯＬＰ程序 的调试可以通过ＲＯＢＣＡＤ的自动校准功能配合对机器人位置的三坐标测量方法 进行校准以保证虚拟与现实的一致性。 示教编程和离线编程的比较ｎ们如表２―３所示示教编程 依赖机器人设各及真实现场环境 操作机器人设备进行编程 对示教人员的经验要求高 对复杂的运动轨迹编程困难离线编程 依靠计盟加数件平台、所有设各＝绋数樟 利用仿真试验程序进行 借助ＣＡＤ方法进行最佳轨迹的规划 可实现复杂运动轨迹的编程２．３．３机器人末端执行器机器人末端执行器是机器人用来执行各种具体作业所用工具（ｔ００１）的总称（如图２二１４所示）。它与机器人第六轴末端法兰盘相联接。焊装线机器人系统１２棉鬻、氩碱厣惫。謦隔中心为原点建立一个直角坐标系，亦称为“法兰盘坐标系”，将ＴＣＰ定义在此坐 标系中并以数据的形式汜录在工具文件里。此外，可以利用多个文件对应记录 多个ＴＣＰ数据。机器人尚未安装调试前，其工具立件中的数据均为霉．因此， 末端执行器（工具）安装完毕后必须进行ＴＣＰ的设定。由于在生产实践中为了 提高效率和柔性，同一台机器人通过ＡＴＥ选择并联接多个工具，因此当各工具作业点不同时需要对每个工具分别进行设定。 坐标系的选择：当点焊机器人按照ＰＴＰ或ｃＰ的控制方式进行运动时，其过程是在以机器人原点为基准的关节坐标或ＢＡＳＥ直角坐标中进｛亍控制点移动的。 除此之外，常用的还有工具坐标系和用户坐标系等。（１）工具坐标系当工具文件中的控制点位置数据和工具位姿数据等设定完毕之后，以控制点为原点，以工具在作业时的有效方向为２铀的直角坐标系称为“工具坐标系” （如图２－ｌ ７所示）。基于此坐标系的示教过程中以工具的三维方向进行移动， 因此适合于工具仅沿工件作平行移动而保持姿势不变的情况。，圉２―１７机器＾工具坐标系＾雠Ｉ蠢（２）用户坐标系 以工件或者焊装夹具为基准而设定原点和三维方向的直角坐标系称为“用户坐标系”。在某些工位，需要由一台机器人对应多台焊装夹具或其它设备，此 时需要分别设定用户坐标系并在示教时使控制点在相应用户坐标系中进行运 动。以机器人抓取工件为例，可以将用户坐标系设置于抓具上以简化示数过程。此外，当机器人本体在壁挂或倒悬等非标准状态下安装时，用户坐标系符合示 教的方向习惯。通过机器人系统内部的信息处理软件可以实现各坐标系之间的自动转换， 即可以将控制点的同一位置点精确地自动换算到机器人关节坐标系中从而避免 了在实际示教过程中进行坐标系之间的人工挟算。 ４车身输送系统 汽车车身在焊装线各工位之旬的移动通过一套输送系统来完成。常见的焊 装线车身输送方式有：台车式、交差臂步进式和辊床滑撬式等”””。。 （１）台车式输送系统。车身依靠台车在吾工位间进行自动化输送。使用台２车输送时，由于车身的基准统一因此定位精度高：由于不同车身可以使用不同台车输送，而且新增产品时只需增加相应台车，使得车身输送的柔性程度太大提高。但是台车的存贮系统较为复杂，且占地面积大。 （２）交差臂步进式输送系统。利用电机、气动或液压等方式驱动齿轮齿条带动变差臂机构完成动作循环来输送车身工件，分为同步式和非同步式两种，其中同步式应用较为广泛。采用交差臂步进式输送系统的焊装线设各结构较为复杂、投资较大；但占地面积小，车身运行平稳，重复定位精度能够达到０３ｍｒｎ－满足机器人点焊或者弧焊的基本应用条件。同步式交叉臂输送系统运动方式为： 一台由变频器控制的电机驱动齿轮齿条机构作往复运动实现水平输送；一套由 双向气缸推动斜楔机构的平移来驱动交叉臂实现升、降运动。（３）辊床滑撬式输送系统。滑撬在多台辊床上连续运动来实现车身水平输 送（如图２―１８和图２一１９所示）。其特点是整条焊装线的输送系统由多台相同辊 床组成，辊床上带有自动升降机构，实现车身在不同工位之间的输送。 辊床设置两台电机，其中一台通过同步带驱动滚轮转动。滑壤依靠自身重 力（满载时外加白车身重力）通过滑轨与滚轮间的摩擦力沿线体方向水平运动输送车身；另一台电机通过同步带驱动两组凸轮作旋转运动从而实现顶升功能。其工作过程为：滑撬与车身输送到某一工位后停止，电机正转，凸轮将滑撬和车身降下并在主线定位机构上进行定位；作业完毕后电机反转，凸轮将滑撬和车身顶起，再通过滚轮将其输送到下一工值。～鼍露、ｔ黪≤叠５一一，一∥…一孽隳辣２…。’一瓿图２一１８车身通过滑撬进行输送图２―１９辊床与滑撬２５自动上料系统 机器人焊装自动线的上料系统由多种类型的自动上料机组成，其目的是为所需工位自动提供车身板件，具有临时储料、自动送抖、工件有无检测等功能。通过与工业机器人实现集成控制，自动上料机的功能、设计与动作循环均与该 工位机器人相匹配。大型机器人焊装自动线安全级别非常高，生产过程中焊装 区域内绝对禁止人员出入，因此自动上料系统成为完全替代人工上料的一种安全有效的方式。２５ｌ顶盖自动上料机项盖焊装工位的自动上料采用一种立体式自动上料机（如图２―２０所示）。立 体式自动上料机整体为四根方形钢管立柱焊接而成的框架结构，分为上下两层， 立柱底部有调整螺母，调整并确定上料机水平位置后与基板（Ｂａｓｅ）焊牢。基 板通过高效能化学螺栓与地基紧固。圈２―２０顶盖自动上料装置上料机工作过程如图２―２ｌ所示：叉车先将装满顶盖的料架置于Ａ位，满料 架从＾位水平移动至Ｂ位供机器人抓取顶盖，当顶盖用完后空料架垂直下降到 Ｃ位再水平移动到Ｄ位供叉车取走。各料架在＾。Ｂ，Ｃ，Ｄ四个位置间的运动通过 电机以链传动的方式实现，实现了叉车取、送料架和机器人抓取顶盖的同时进行、互不干扰。鸯图２―２ｌ顶盖自动上料过程示意图上料机每个料架存储１０张顶盖，根据要求由叉车将不同顶盖料架放置于料 架Ａ位即可。上料机具有料架自动识别功能，通过与车型识别系统信号对接， 对叉车送来的顶盏类型进行判断，如与车型不符则以声光报警形式输出。 自动上料机的内端（机器人作业端）和外端（叉车作业端）分别在焊装线 工作区域安全护栏的内部和外部，为了保证自动线的安全性，护栏开口部分通 过安全光幕确保人员不会在作业时进入。２ｊ２其他自动上料机 （１）卧式自动上料机卧式自动上料机通过电机驱动和链传动实现步进式上料功能，如图２―２２所示。主要用于外形尺寸较小工件的上料。托架通过定位销对工件定位以保证 精确输送到机器人抓取位簧，通过工件传感器发出的信号控制电机的启动和停止。其特点是：机器Ａ在～端取料的同时另一端进行补料，提高了自动上料效 率，但卧式自动上料机长度大． 般用于补料处距离机器人较远的工位。幽２－２２卧式自动上料机蝌２―２３回转式自动上｝４机‘２）回转式自动上料机回转式自动上料机（如图２―２３所示）通过一台伺服电机带动一组内齿轮传动的方式驱动～个框架式回转台。回转台上安装了长方体框架，其中的两个 作业面设置了定位料架，通过定位销对工件进行定位，每料架均可以定位放霄１０个工件。工作时通过回转台的转动使得其中一面料架为机器人供料时，另一 面料架进行补料。其特点是：体积小、结构紧凄、机器人取料和补料作业可咀同时进行，提高了自动供料效率。２．６焊装夹具乘用车自车身绝大多数由薄形冲压板件焊接而成。因此在焊接装配过程中，需要一种对车身各组成件进行定位并夹紧，从而使焊接过程符合工艺要求并保证车身焊装精度的工装设备，这种工装设备统称为焊装夹具。焊装夹具有多种类型心２３（如图２―２４所示），一般由ＢＡＳＥ、定位组件、夹 紧组件以及辅助系统组成。图２－－２４焊装夹具的分类’（１）ＢＡＳＥ是焊装夹具的安装、测量基础，所有定位组件、夹紧组件和其 它部件均安装在ＢＡＳＥ上。因此ＢＡＳＥ平面的表面粗糙度和各组件安装孔的位置 和尺寸精度要求较高。 （２）焊装夹具的定位组件通常利用销、定位块等将车身工件进行精确定位。 当工件尺寸较大时（例如侧围总成），夹具需要借助粗导向装置进行辅助定位。 （３）焊装夹具的夹紧组件通过夹钳机构的闭合实现对工件的夹紧。为了保 证焊接过程中安全可靠，夹钳均具有自锁性。 （４）辅助系统根据焊装夹具类型的不同而异，例如ｔ气动夹具的气路系统， 某些焊装夹具的举升机构、可移动式夹具的走行部件等。机器人焊装自动线广泛使用柔性焊装夹具以满足针对不同车型的共线生产要求。柔性焊装夹具是指一台夹具通过部分定位组件和夹紧组件的转换或调整 完成对多种车型工件的定位和夹紧，实现对不同车型的焊装。采用大量柔性焊装夹具的机器人焊装自动线具有生产效率高、车型适应性强、节约生产区域占地空间、提高不同车型量产速度、减少生产线投资和降低生产运营成本等优点，是焊装自动线及其关键装备技术发展的方向。机器人焊装自动线柔性夹具具有以下特点：【２３嗡１：（１）具有定位组件、夹紧组件自动转换机构，能够保证各种不同车型板件均获得准确定位和可靠夹紧。（２）通过气动或电动方式实现夹钳的开合以及其它机构的转换，通过与线体各设备的集成实现夹具动作的自动化控制。（３）夹具上的定位组件和夹紧组件数量多、结构复杂，夹具占地面积大。 ，（４）夹紧、松开等动作频繁，使用过程中必须确保安全可靠。夹具上的各１８种受力零部件均具有足够的强度和剐度以承受重力和因焊接形变而引起的各个 方向上的力；此外能够有效阻止焊接件产生的热变形，卧保证焊装结束后车身获得正确的几何形状和尺寸。（５）夹紧组件的夹钳开合动作迅速，工件装卸方便。所有定位组件和夹紧 组件之间有足够空间以保证焊枪顺利进出、移动和焊接，夹钳在打开、关闭两个状态下以及打开、关闭的过程中均不能发生干涉。（６）工件在夹具上定位精确、夹紧可靠，装配和焊接过程简化，满足焊装程序。 （７）夹具上与车身外部覆盖件直接接触的零件采用尼龙材料以避免划伤外 板。（８）夹具的结构需紧凑，成本低，投资少。 焊装夹具通过定位销等结构实现对工件的定位。常用的定位销有圆形销和 菱形销两种类型。如图２―２５所示，定位销８通过螺母紧固于安装块７上，再 通过转接块９、联接板４和支撑座５安装在夹具ＢＡＳＥ上。通过两组组合垫片可 阻实现定位销在ｘ和Ｙ两个方向上的调整。夹具通过夹钳机构实现对车身板件的夹紧。机器人焊装自动线均采用气动夹钳。气缸６的活塞端部与夹钳括动臂 １０通过螺栓联接，缸体安装于联接板４上，工件在夹具上定位后，夹钳活动臂 １０闭合，夹紧块１和支撑块２共同作用将板件夹紧，支撑块２通过转接块３固 定在联接板４上。Ｚ图２－－２５一种典型的气动定位夹紧组件２７焊装自动线布局与工位概述 本论文的研究与完成．依托我国某大型汽车生产企业的一条焊装自动线项目。本线为同时满足一款Ａ级轿车的三厢和两厢共计两个车型的柔性线。整体布局如图２―２６所示，其中地板线（ＵｎｄｅｒＢｏｄｙ Ｌ１ｎｅ）和车身主线（ＭａｉｎＢｏｄｙＬｉｎｅ）采用机器人全自动作业，一共有５５台焊装和搬运机器人，其中地板线设置６个自动焊接工位，车身主线设置８个自动焊接工位。２．８本章内容小结本章首先引入白车身的概念、分类并介绍了点焊、弧焊和激光焊三种白车身主要焊装工艺以及轿车车身焊装工艺流程，在此基础上着重介绍了机器人焊 装自动线关键装备的组成，包括：焊装线机器人及其示教和离线编程两种运动控制方法、机器人末端执行器的种类与工具坐标系的确立、焊装线车身输送系 统的种类与特点以及三种自动上料机以及焊装夹具的种类和特点。嗄释蝌鞘蝌臀皿蜊鞋＜雌９ １＿艄篙ＩＮ匝个自动焊接工位，车身主线设置８个自动焊接工位。２．８本章内容小结本章首先引入白车身的概念、分类并介绍了点焊、弧焊和激光焊三种白车身主要焊装工艺以及轿车车身焊装工艺流程，在此基础上着重介绍了机器人焊 装自动线关键装备的组成，包括：焊装线机器人及其示教和离线编程两种运动控制方法、机器人末端执行器的种类与工具坐标系的确立、焊装线车身输送系 统的种类与特点以及三种自动上料机以及焊装夹具的种类和特点。第三章焊装线机器人柔性末端执行器的研究３１焊装线机器人末端执行器的分类与应用在第二章的２３３节中对机器人末端执行器的分类与应用做了概述。本章将重点就下述几种机器人末端执行器进行分析和研究。３．２机器人抓具焊枪集成的研究３ ２１一体化点焊枪 机器人点焊焊枪””（以下简称焊枪）足机器人进行点焊作业的基本工具，在焊装自动线装备中，焊枪既属于焊接设备又属于机器人末端执行器。机器人 点焊枪将其两电极臂与焊接变压器、变压器二次侧汇流铜排等制成一体的结构。 按照电极臂驱动形式分为气动、电机伺服驱动两种；按照电极臂动作类型分为 ｘ型和ｃ型两种（如图３―１和图３ ２所示）。Ｘ型焊枪工作时两电极臂以心轴为 支点，通过活动轴后端气缸驱动电极臂做旋转运动。当焊点和板件边缘距离较 大时，ｘ型焊枪有着较好的可达性（Ａｃｃｅｓｓｉｈｉｌｉｔｙ）。Ｃ型焊枪只有一个可动电 极臂因此结构紧凑、构造简单。焊枪和机器人第六轴末端通过ＡＴＣ―ＡｕｔｏｍａｔｉｃＴｏｏｌＣｈａｎｇｅｒ相联接使机器人根据程序要求能够快速更换不同型号的焊枪。图３―１ ３ ２ｘ型机器人焊枪圈３―２ Ｃ型机器人焊枪２一种带抓取功能点焊枪的研究机器人分别通过焊枪和抓具实现点焊和抓取功能，需要通过ＡＴＣ完成不同末端执行器的更换，增加了工位设备数量，延长了生产节拍。因此，利用机器 人Ｃ型点焊枪，将点焊与工件抓具两种功能集成从而设计出一种点焊、抓取一 体化的机器人末端执行器（以下简称抓具焊枪）。如图３－３所示：在Ｃ型点焊枪 ２的外板上增加一套抓取单元，由左、右两组结构功能相同的夹钳组件构成。每个夹钳组件由一个起支撑作用的固定臂５和一个起夹紧作用的摆动臂４构成。固定臂５和摆动臂４外端分别安装支撑块６（Ｌｏｃａｔｏｒ）和央紧块７（Ｃｌａｍｐ）， 通过组合垫片调整间隙。摆动臀在自锁型气缸３驱动下绕支点旋转实现开合动 作从而抓取工件１。其工作过程为：机器＾从自动上料机抓取工件并安装到车身辅助夹具上；夹具闭台后机器人调整位姿再利用焊枪进行点焊作业国３―３机器人抓具焊枪抓具焊枪具有如下特点：（１）将点焊枪和工件抓取单元有机结合，实现了点焊和工件抓取功能在一台设备上的集成，减少了ＡＴＣ和焊枪支架、抓具支架等工位设备，节省了工位 空间。（２）实现了“工件抓取一一车身点焊”不更换工具的连续作业，缩短了生产节拍。（３）实现了机器人、抓取单元、点焊枪的集成控制。 （４）通过示教或离线编程等方法，机器人抓具焊枪可咀执行多种路径的抓取和点焊作业。（５）受到点焊枪体积、枪体自身结构复杂等原因限制，只适用于体积较小 工件的抓取。在车身主线部分的“左、右翼子板加强板工位”设置机器人抓具焊枪。３３机器人ＧＥＯ抓具的研究机器人ＧＥＯ―Ｇｅｏｍｅｔｒｙ Ｇｒｉｐｐｅｒ抓具即机器人定位抓具，如图３－４所示。由于轿车顶盖外板等曲面外部覆盖件面积较大、造型复杂且对表面质量要求较高， 使用吊具和普通夹具时会出现输送平稳性差、定位精度不高、节拍难以保证、 自动化和柔性程度较低等缺点。利用机器人ＧＥＯ抓具这一柔性顶盏焊装系统““圳可以实现顶盖的选取、搬运、定位、装夹等一系列过程，确保了顶盖焊装质量和生产节拍，提高了柔性程度。 ＧＥＯ抓具本体为铝含金型材通过卡扣和连接扳拼接而成的框架结构，具有 质量小、安装方便、适台机器人作业的特点。如图３－５所示：ｌ顶盖板件，２ 锁止器，３吸盘组件，４安装板，５工具自动更换装置ＡＴＣ，５连杆式压紧机构，７定位夹紧组件。图３―５机器人ＧＥｏ抓具３．３１ＧＥＯ抓具的柔性焊装功能分析根据生产纲领和焊装线规划要求，适用两种车型顶盖的柔性焊装工位（Ｓｔａｒｉｏｎ―ＭＢ０７０）设备包括：一台ＧＥＯ抓具机器人用于顶盖的抓驭和定位，两 台点焊机器人用于焊接。设置两种ＧＥＯ抓具分别对应两厢和三厢轿车顶盖。车身到达工位后，机器人根据车型识别结果选取一种ＧＥＯ抓具对相应顶盖进行作 业（如图３ ６所示）。图３－６机器人ＧＥＯ抓具的柔性焊装功能具体过程分析如下： （１）车身输送至工位后降下并在辅助夹具上定位。（２）机器人通过ＡＴＣ联接对应ＧＥＯ抓具后移动到料架处完成对一张顶盖的定位，通过吸盘产生的吸力拾取顶盖后垂直向上移动２００ｍｍ，此时４个夹钳ｃｌａｍｐ 机构闭合以防气路故障吸盘失效而导致工件掉落。（３）机器人按设定路径将ＧＥＯ抓具及顶盖送至车身顶部后垂直下移，４个央钳张开：机器人通过将ＧＥＯ抓具在辅助夹具上定位柬实现顶盖同车身的精确 定位；然后４个夹钳和连杆式压紧机构均闭合，将顶盖与前、后横粱和中部横梁央紧。 （４）两台点焊机器人对顶盏进行点焊作业（如图３ ７所示）；国３―７顶蔫定位与点焊过程（５）焊接完毕后辅助夹具和Ｇ∞抓具上所有夹紧装置打开，吸盘吸力消失机器人和辅助夹具回位，顶盖焊装过程结束；车身送至下一工位进行补焊。根据车型检测结果，机器人选择不同ＧＥＯ抓具执行上述过程。３ ３ ２ＧＥＯ抓具的定位与锁止运用ＧＥＯ抓具实现项盖与车身精确定位的原理是：先使工件和车身分别在 ＧＥＯ抓具和辅助夹具上定位，再通过机器人使抓具与辅助夹具之间定位，从而 实现工件与车身的定位。 上述三种定位均通过销孔组合方式实现。以工件在ＧＥＯ抓具上的定位为例， 将工件平面及其上两个工艺孔作为定位基准。工件定位面限制三个自由度， 个圆柱销限制两个自由度，～个菱形销限制一个自由，从而实现完全定位，此 种方式称为“一面两销定位”。 销孔配合定位方式为间隙配台，因此存在由间隙配合引起的误差，单圆柱 销与孔定位时最大间隙为（如图３―８＾所示）６＝Ｄ恤一‰＝Ａ＋８，十６。式中Ｄ衄为定位孔最大直径 屯。为定位销最小直径△为销与孔的最小间隙 ８．为销的公差 ６。为孔的公差（３－－Ｉ）△△?（ｃ） 图３―８销定位的定位误差抓取工件后工件孔中心偏离销中心的最大范围是以６为直径，以销中心为 圆心的圆。若定位时工件始终靠紧销的一侧，即定位以销的一条母线为基准，工件的定位误差仅为（如图３―８Ｂ所示）６＝三６９（３―２）一面两销定位方式中，由于平面限制三个自由度，圆柱销限制两个自由度。 Ｘ，Ｙ方向定位误差同单圆柱销定位，均为：６＝△Ｉ＋６。。＋６譬。，菱形销限制了绕Ｚ 方向转动自由度，孔与菱形销在Ｙ方向定位误差为：６２＝Ａ２＋６，２＋６譬２，实际上 是限制了工件绕Ｚ轴的转动，由于存在间隙，使得工件产生一个转角误差，．转 角误差为（如图３―８Ｃ所示）立：锄盈：坠鱼：垒！±垒！±垒望±鱼三！±曼ｇ！±坠＝璺蝼二刍幽±堡ｍ芷二垡２画。２ ２ ２上ｍｉＩｌ２￡椭 （３―３）２厶ＩＩｉｎ式中：以响为菱形销最小直径； 皿一为菱形销定位孔最大直径；ｋ为两定位销最小中心距。当ＧＥ０抓具与辅助夹具定位后，还通过呈对角设置的两套气动锁止装置实 现其在辅助夹具上的固定。每套锁止装置由安装于抓具框架上的滚轮组和安 装于辅助夹具顶部的锁止器两部分组成并且相互之间配套成组。抓具定位时，机器人先将抓具准确移动至辅助夹具上方再缓慢垂直下移，滚轮组上的三个滚轮沿锁止器上的导向块下移直至抓具与支撵块完全接触，传感器感应到抓具完 全放置在支架上即输出信号，锁止器上的止动块落下将抓具在夹具上锁紧（如图３－９所示）。３ ３图３一ｌＯ吸盘组件图３―１１模块化定位和夹钳组件ＧＥＯ抓具通过４个夹钳ｃｌａｍｐ和连杆式压紧机构完成顶盖与车身前、中、后三组顶盖横粱的央紧。（１）夹钳ｃｌａｍｐ组件（如图３―１Ｉ所示：１自锁气缸，２连接板，３、７转 接块，４定位销支撑块，５定位销，６夹钳块）采用气动操作。气压传动具有介 质（空气）易得、粘度小、对环境无污染、流动时压力损失小、便于集中供气和长距离输送、气动元件维护简单、使用方便以及可实现系统的过载自动保护 等特点”…。 （２）连杆式压紧机构（如图３ １２所示：ｌ安装板，２拨杆，３压紧块ｔ４、７连杆，５ Ｔ形连接板，６气缸）工作原理是：顶盖与横粱搭搔后，气缸通过连杆将左、右两个拨杆合拢，拨杆上的压块将顶盖与中部横粱在搭接处压紧。Ａ７６１ＢＣＤ２３图３一１２连杆式压紧机构连杆式压紧机构特点是：一个气缸通过一套连杆机构同时驱动左、右两组 压紧块动作，实现快速可靠压紧。图中虚线所示为机构打开状态，实线位置为 压紧状态。压紧状态下Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ四点共线，机构自锁以保证压紧效果。３．４普通抓具普通抓具（如图３―１ ３所示）功能和结构均较为简单，由框架、抓取单元、ＡＴＣ 等组成。抓具框架有两种结构：一是采用若干截面为圆形的铝合盒管材通过多 个９０。换向接头紧定联接而成，另一种是用一根铝合金管作为安装主体，其它 所有模块化抓取单元和气动单兀均安装在铝合会管的不同位置，气路和电路均 布置在锅台金管内部，使得结构更加简单、紧凑。普通抓具对工件定位的原理 和方式同ＧＥＯ抓具。翻３－－１３机器人普通抓具在焊装自动线上，普通抓具用于以下工位的工件搬运： （１）总拼工位总拼工位中用于抓取和搬运侧围、顶盖横梁等工件（如图３一囤３－－１４机器人抓具对侧围的搬运与安装１４所示）（２）地板总成补焊工位地板总成补焊工位采用了机器人用抓具直接将中一一后地板合焊件抓起， 然后按照设定运动路径将工件在固定焊枪上进行补焊，其特点是焊枪固定而工件运动，和传统焊装过程中工件固定、焊枪运动的过程正好相反，减少了该工 位的夹具设备数量（如图３―１５所示）。图３－１５机器人抓具对地板组件的抓取３５本章内容小结 本章对机器人末端执行器进行了分析与研究。介绍了机器人焊枪和普通抓具，对一种点焊枪和抓具的集成进行了分析，然后重点对顶盖焊装工位的ＧＥＯ 定位抓具的功能进行了研究并分析丁工件在抓具上的定位方式、夹紧方式。第四章柔性合装技术与装备的研究４１车身合装技术 白车身焊装流程中，将左侧围、右侧围、地板发舱、顶盖横粱等各分总成或组件进行拼台焊装的工序称为台装工序。经过台装工序后，白车身主体构架 基本形成。这一工位称为车身台装工位，亦称总拼工位。 根据机器人焊装自动线整体规划布局的不同，台装工位具体拼合焊接工序、 工位设备不尽相同，但通常具有以下特点： （１）工位占地面积大，设备种类数量繁多、结构复杂，系统控制复杂。 （２）工位设备通常包括：龙门架、搬运机器人、焊接机器人、车身输送装 置、舍装台、焊装夹具、其它辅助设各及电控设备等。 （３）舍装台根据左、右侧围分别设置成关于主线中心线左右对称的两组机 构，通过电机或气动方式进行驱动。 （４）合装工位夹具精度要求高，以满足车身焊装质量要求。 基于上述特点，对于车型较多的柔性合装工位，可咀将其分解成预拼及台 装两个工序，通过两个工位完成（如图４一ｌ所示）。预拼式车身合装即：左、右侧围在预拼工位完成与车身的拼合，再输送至台装工位定位央紧并焊接。图４―１预拼工位与合装工位预拼式车身合装的特点是： （１）当车型较多时，将车身台装焊接过程分解为预拼和焊接两个工序后使 得每个工序作业量减少，避免丁一个工位内设各种类、数量过多和控制过程过 于复杂。（２）车身的合装焊接过程分解到预拼、合焊两个工位完成，增加了工位数量，延长了焊装主线长度。（３）预拼工位一般采用人工作业将侧围与车身进行搭棱，因此需要设置恻 围吊具或机械手臂等搬运设备。（４）由于车身需要在两个工位分别进行定位，因此两次定位和转移过程会 增加焊装误差。４２车身合装夹具车身台装夹具””３ １的分类如图４―２所示一 一斟４ ４ ２２车身台装夹具的分娄露１普通合装夹具的类型及其功能分析 （１）翻转式 翻转式台装夹具如图４ ３所示。侧围框架在气缸驱动下绕平行于地面的轴旋转一个角度÷（中≤９０。）后打开，侧围上件：定位后反向旋转立起与车身 搭接并央紧；焊接结束后气动夹钳张开，侧围框架打开，车身输送到下一工位。 其特点是侧围框架张开后具有较大的上件空间和灵活性，合装台不会占用过多 工位面积．适用车型较多，因此翻转式合装夹具广泛运用于手动焊装线和机器 人焊装自动线的车身合装Ｔ情．图４―４导轨平移式合装夹具（２）导轨平移式 导轨平移式合装夹具如图４－４所示。左、右侧围框架在电机或气缸驱动下 沿水平导轨分别向主线两侧运动，完全打开后侧围上件，然后再沿导轨向车身方向运动将侧围拼合在车身上夹紧。其特点是无需进行翻转，安全可靠，焊接空间大；但合装台两侧需要分别设置一套导轨和平移滑台，占地面积大；夹具 打开状态下侧围需要在垂真于地面的方向上进行安装。导轨平移式合装夹具广 泛运用于手动焊装线和机器人焊装自动线的台装工位。 （３）内置式 车身左、右侧围在预拼工位完成预拼后输送到合装工位，夹具从敞开的顶部仲入车内将左、右侧围从车身内部固定并央紧；焊接完毕后；夹具从车身中抽出．车身则随输送装置运行到下一工位进行补焊。其特点是由于夹具悬挂于 焊装线上方，因此不占用车身外部两侧空间，工位占地面积小；而夹具本身外 形尺寸受到车内空间的限制，结构必须紧凑，因此内置式台装夹具广泛运用于工位占地面积较小的车身合装工位。４ ２２柔性合装夹具的种类与功能分析 柔性合装夹具适应多种车型共线焊装。根据成组技术原理，要实现柔性化，在整体结构上将其分为共用部分和可调部分。合装夹具的共用部分包括ＢＡＳＥ、 合装台驱动系统、气路系统、控制系统。可调部分包括不同车型侧固定位夹紧 单元、侧围转换框架。可调部分是实现针对不同车型柔性切换功能的关键因素， 因此也是柔性合装夹具的关键技术。 （１）垂直旋转式 如图４―５所示，台装台右侧围（左侧围与之对称）部分为方形钢管焊接而 成的框架结构，其中两个作业面分别对应安装两种右侧围。框架由两台电机驱 动，一台实现沿垂直于主线方向的直线开合运动，另 台实现四面体框架绕垂直干地面轴的回转运动。车身到达工位后，通过框架的旋转和平移两个动作将对应作业面上的侧围拼接到车身上夹紧从而实现柔性切换功能。 垂直旋转式柔性台装台特点是：每个作业面上均可通过夹具安装不同的侧 围，因此理论上可进行车型切换数量取决于框架的作业面数量。图４―５垂直旋转式柔性台装台（右侧围部分（２）多框架导轨式 如图４―６所示，合装台设各包括ＢＡＳＥ、侧围安装框架、框架存储库、直 线导轨、驱动电机等。各框架之间相互独立并且对应安装一种车型侧围；通过 车型检测系统发出的指令，存储库中的侧目框架先通过导轨沿平行于主线方向运动到拼舍机构上定位，再由拼台机构沿垂直于主线方向运动拼接到车身上夹紧，焊接完毕后框架返回存储库中，实现了柔性切换功能。 多框架导轨式柔性合装台特点是：理论上可进行车型切换数量取决于存储库客量和导轨系统，因此可以通过增大存储库容量和提高侧围框架数量获得较 高的柔性；但是工位占地面积大、设备结构和控制系统十分复杂。豢簿图４―６多框架导轨式柔性舍装台（３）多框架机器人抓取式 如图４７所示，当焊装自动线大量采用机器人进行物料搬运时，直接利用机器人从存储库中选取和搬运相应的侧围框架置于拼合机构上完成拼台。其 基本工作原理和过程同多框架导轨式合装台相同．只是取消了导轨系统和驱动 电机，直接由机器人完成搬运。蹦４７多框架机器＿＾抓取式柔性台装台多框架机器人抓取式柔性合装台特点是：通过若干台搬运机器人取代了复杂的导轨系统和驱动装置，拼合机构结构紧凑，工位占地面积小，柔性切换速度快，通过与机器人之间的集成简化了台装台的控制系统。４３本章内容小结 本章介绍了车身合装工艺特点、合装工位主要设备的构成和分类：针对几种主流的车身合装台央具的功能进行了分析，并重点对三种焊装自动线柔性合 装台的结构以及柔性切换功能进行了分析。３３第五章基于ＣＡＴＩＡ的焊装夹具设计方法的研究５．１ＣＡＴＩＡ三维设计软件概述ＣＡＴＩＡ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｉｄｅｄ Ｔｒｉ－Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ）是法国Ｄａｓｓａｕｌｔ Ｓｙｓｔｅｍ公司研发的一种ＣＡＤ／ＣＡＥ／ＣＡＭ一体化软件，广泛应用于航 空航天、汽车设计与制造等行业。ＣＡＴＩＡ Ｖ５版本可为数字化企业建立一个针对 产品整个开发过程的工作环境。在这个环境中，不仅可以对产品进行开发设计， 还可以对整个过程的各个方面进行模拟仿真，并且能够实现工程人员与非工程 人员之间的电子通信。ＣＡＴＩＡ软件在全球汽车行业得到了非常广泛的运用，特别是在车身设计与工程方面具有极大优势，为汽车车身的设}