CN180C副车架三工位点焊、弧焊一体化工作站的开发设计CN180C副车架三工位点焊、弧焊一体化工作站的开发设计黄小林【摘要】根据CN180C副车架的结构特性及焊接工艺的布局，按照整线的生产节拍，开发设计了CN180C副车架三工位点焊、弧焊一体化工作站，只需一次装夹，即可实现夹具的自动翻转变位、副车架的自动协调点焊、双机协调弧焊的工艺以及夹具的自动松开等一系列程序控制，从而保证副车架的焊接精度和质量，同时桁架式下料机械手的使用，实现了产品的自动下料，减轻了工人的劳动强度的同时，实现了一人多机操作，降低了人工成本，取得很好的效果。
关键词：机器人；副车架；工作站；设计；焊接1. 概述随着我国经济的不断发展，人民生活水平的不断提高，汽车逐渐成为人们生活中一种重要的交通工具，人们的需求也不再停留于微型车的商务运用，而是进一步追求偏向于舒适性的前置前驱车型。
前置前驱车型一个共有的特性就是副车架，副车架是轿车底盘重要的结构件，它的主要功能是承载发动机和变速箱，副车架必须要提供足够的强度和刚度以保证安装在上面的总成能够正常的工作。
就其本身工艺特性来说，副车架是大型的冲压焊接件，在生产过程中出现的主要问题是由于焊接变形引起的结构尺寸不稳定，有时出现产品报废。
因此如何保证底盘件焊接制造过程中的精度，就成为保证整个产品质量的一个关键。
这就要求副车架的焊接工艺不能再与传统微型车的一样，必须提升到更高的等级。
图1为CN180C副车架焊接示意，通过引入机器人焊接技术，采用PLC控制协调多轴与机器人的所有动作，包括变位翻转、夹具控制、焊接过程控制等，确保机器人安全高效焊接运行。
2. CN180C副车架三工位点焊、弧焊一体化工作站的设计（1）焊接工艺路线副车架作为汽车悬架的重要组成部分，同时也是汽车中底盘零部件的关键零件，其焊接工艺是和它的整体质量有着密不可分的关系。
CN180C副车架上既有点焊工艺要求，又有弧焊工艺要求，通过设计同一的三套夹具，先点焊再进行弧焊的工艺路线来实现产品的焊接。
图2和图3为CN180C副车架三工位点焊、弧焊一体化工作站焊接路线图及夹具总成。
图1 CN180C 副车架焊接工艺示意图2 CN180C副车架三工位点焊、弧焊一体化工作站焊接路线图3 CN180C副车架三工位点焊、弧焊一体化工作站夹具总成（2）系统构成如图4所示, CN180C副车架三工位点焊、弧焊一体化工作站系统主要由点焊机器人本体一套（Motoman-MS160），弧焊机器人本体两套（Motoman-MA1400）、清枪器、变压器、系统控制柜（各一套）以及桁架式下料机械手（一套）等所组成的变位运动机构。
（3）变位协调运动机构为充分发挥机器人的功效，其通常与各种焊接变位机组合使用。
变位协调运动机构采用精密的回转支撑，三工位布局。
如图5所示，水平变位伺服电动机通过水平变位减速机，驱动回转支撑做旋转运动，+120°和-240°两个角度来回往复旋转，从而使回转支撑上的三套焊具进行变位；而协调伺服电动机则通过协调变位减速机驱动直接焊接夹具与点焊、弧焊机器人做协调运动进行焊接工作。
SOS焊接工艺要求先点焊再弧焊，即一次装夹经过点焊、弧焊工位后就可以焊接成产品。
这样的布局可以使得机器人在焊接的同时，装夹与焊接不冲突，实现机器人不间歇焊接，设备利用率最大化，同时与自动下料输送线完美结合，物流最简化，减少人员移动的距离。
图4 CN180C 副车架三工位点焊、弧焊一体化工作站系统构成图5CN180C副车架三工位点焊、弧焊一体化工作站主体结构图6 桁架式机械手运动机构1.Z轴伺服电动机2.Z轴3.Y 轴4.气动90°变位机构180C副车架6.下料机架这种运动结构主要是通过机器人的PLC控制四个外部轴的运动，同时，由于这四个外部轴作为机器人控制器的一部分，使它们在机器人本体运动的同时可以进行旋转，从而将夹具变位过程中通常需要由外部轴单独回转的时间充分利用，提高了焊接效率。
（4）桁架式机械手运动机构为了降低人工成本，缓解招工难的问题，实现“一人多机”，达到降本增效的目的，采用桁架式机械手负责工件的下料，如图6所示。
（5）操作过程如图4和图7所示，操作人员装夹完零件后，按下“启动”按钮，水平变位伺服电动机通过水平变位减速机，驱动回转支撑做+120°旋转运动，把工件输送到点焊工位，而原来点焊工位则变位到弧焊工位，然后发出焊接开始信号给机器人控制器，机器人开始协调焊接。
图7 CN180C副车架三工位点焊、弧焊一体化工作站（去除防护部分）结构焊接完成后，水平变位伺服电动机通过水平变位减速机驱动回转支撑做-240°旋转运动，把焊接好的工件变位到上料工位，上料工位的夹具松开并顶起工件，将信号给桁架式机械手，桁架式机械手则运动下来抓取工件，在下料架旋转90°后下降到一定高度把工件掉到下料架上，滑到下一操作工位，而此过程中点焊、弧焊工位继续处于焊接工作状态。
（6）电气控制流程为了提高工作站的系统稳定性，工作站采用Siemens系统，由主机1513控制三个1556从站、一个TP1200触摸屏、一个点焊机器人及两个弧焊机器人。
PLC 与机器人之间、夹具从站之间采用PorfiNet通信，这样不仅可以减少线路，提高系统的稳定性，而且方便机器人程序控制从站系统，其硬件组态如图8所示。
PLC与机器人外部输入、输出端口的通信，由PLC编写的逻辑信号经PorfiNet 传给机器人外部输入端，编写的机器人梯形图将信号转为机器人专用输入信号，机器人的专用输入信号和控制输入信号经梯形图转换传给PLC，这样可以使系统更简单、更稳定，其控制流程如图9所示。
（7）PLC控制程序由TIA PortalV13编写的CN180C副车架三工位点焊、弧焊一体化工作站程序，开机经Complete Restart模块对机器人通信信号等进行一次初始化，如图10所示。
机器人启动分三个步骤，主程序选择、伺服启动、机器人外部启动，由于MOTOMAN 机器人有示教、PLAY和REMOTE三个模式，所以必须使机器人伺服在REMOTE模式下启动，由1513主PLC控制点焊、弧焊两个机器人的同时启动。
另外，在示教盒转换模式时，必须切断原来的伺服启动，采用了图11的控制方法。
图8 CN180C副车架三工位点焊、弧焊一体化工作站硬件组态图9 CN180C副车架三工位点焊、弧焊一体化工作站控制流程机器人自动运行模式实现一键全自动化，为了优化非焊接时间，提高生产节拍，机器人控制部分由1513主PLC 控制点焊、弧焊两个机器人，点焊机器人控制水平旋转变位作+120°和-240°两个角度重复运动，实现三个工位的变位焊接。
弧焊机器人则控制三套一样的工装夹具作±180°协调旋转，实现多角度协调焊接。
并以价值流为手段，当工位一进行装夹的同时，工位二、工位三同时各自进行点焊弧焊，同时控制桁架式机械手自动抓取零件下料，采用了如图12的控制方式。
（8）人机操作界面工作站的主控核心是PLC，PLC要在获取充足的机器人工作状态信息的基础上，才能根据焊接的工作循环，对机器人发出相应的控制指令，实现对焊接机器人的控制。
PLC采用D网通过Devicenet、I/O扩展模块实现机器人与从站等各电气控制元件的通信，从而把工作站的各个焊接状态信息进行精确处理并显示在触摸屏上，如图13所示。
（9）工作站效果如图14和图15所示，CN180C副车架三工位点焊、弧焊一体化工作站的投入使用，为公司新产品的承接提供了很好的硬件基础，取得了很好的经济效益。
图10 CN180C副车架三工位点焊、弧焊一体化工作站初始化部分程序图11 CN180C副车架三工位点焊、弧焊一体化工作站启动部分程序图12 CN180C副车架三工位点焊、弧焊一体化工作站自动运行部分程序第一，减少相应的设备投资，降低成本。
工作站共计投入成本220万元，市场同等设备采购为270万元，该项目工作站直接为公司节省设备采购成本50万元。
图13 CN180C副车架三工位点焊、弧焊一体化工作站人机操作界面图14 CN180C 副车架三工位点焊、弧焊一体化工作站数模及效果图15 CN180C副车架焊接效果第二，降低了人工成本，缓解招工难的问题，实现“一人多机”，达到降本增效的目的。
第三，提高劳动生产率。
工作站投入生产后的生产节拍为21JPH，达到整线生产节拍20JPH的要求。
第四，提高产品焊接质量。
三套同一夹具，按照SOS焊接工艺要求先点焊再双机器人协调同步控制弧焊，减少了焊接变形，质量得以保障。
即一次装夹经过点焊、弧焊工位后就可以焊接成产品。
第五，优化现场物流，减少了占地面积，缓解焊接工段场地紧张问题，使焊接物流顺畅，提高了管理水平。
第六，改善了工人劳动强度和焊接操作环境。
第七，程序故障识别可视化，方便维护。
在自动焊接过程中，点焊出现故障报警时不会影响弧焊的焊接，同样弧焊出现故障报警时也不会影响点焊的焊接。
但当人为按下急停时，点焊和弧焊同时停止动作。
第八，响应公司向自动化方向推进的号召，提高产品焊接工艺水平和市场上的竞争力，提升企业技术水平。
3. 结语C N180C副车架三工位点焊、弧焊一体化工作站的成功开发，既可以实现点焊工艺的要求，又可以实现双机器人协调控制同步弧焊的工艺要求，大大减少了因焊接变形引起的结构尺寸不稳定而出现的产品报废率，取得很好的经济效益，增强了公司产品的竞争力。
参考文献：[1] 许勇.某轿车副车架静力学分析及试验验证[J].传动技术，2006(3). [2] 陈俊梅，等.网格尺寸对别克轿车副车架总成焊接变形预测精度的影响[J].焊接学报，2002(2). [3] 李素萍，李永刚.变位机在机器人焊接工作站中的应用[J] .机器人技术与应用，2013(6).作者简介：黄小林，柳州五菱汽车工业有限公司生产制造部。