多工位自动化点焊技术的研究与应用

为实现空气调节器外罩类零件的点焊自动化，改变传统单工位点焊工艺生产效率低下，提高产品外观效果，保证零件质量的一致性，项目组设计了一条基于工业机器人的多工位柔性自动点焊线体。线体在外罩类零件的前后底板、壳体和防护网工序间实现自动上下料和自动焊接。本文将介绍线体的总体方案、控制方案及相关的设计创新点。

外罩零件生产背景

空气调节器制造行业作为传统的人员密集型行业，其涉及到大量的钣金零件加工生产，以窗机外罩为例，目前均靠人工进行外罩壳体、前后底板和防护网4 个组件的取放，手动将外罩壳体、前后底板和防护网依次进行焊接。

由于生产过程需多人进行协作，经多次搬运与翻转，生产效率低且零件一致性差。点焊时火花四溅，作业环境较为恶劣。工人进行机械化的反复操作，动作浪费多，劳动强度高，诸多浪费与低效等导致生产成本过高。基于此背景，结合工业机器人的应用，项目组规划设计了一条集上下料与点焊加工生产于一体的多工位自动化点焊线体，如图1 所示，对传统生产模式进行革新。

图1 自动化线体设计图

自动化生产方案设计

随着我国制造业的不断转型升级，传统的人员密集型岗位在日趋先进的自动化技术下被逐步替代。而工业机器人作为制造业主要的自动化设备之一，已在钣金零件生产过程中得到广泛应用。

项目组针对窗机外罩组件的加工流程，为完成自动化线体各功能的实现，依靠观察记录大量人工作业，分析关键动作作为基础数据，展开各工序的分解与逐个工位设计，见表1。

表1 各个工序的分解和逐个工位设计

自动化作业关键工步

第一个工步为上料、焊接动作。上料需将零件摆放在固定工装内，通过上料机器人示教，实现零件的抓取上料；而工业机器人点焊则是在机械手末端安装好点焊工具，通过PLC 对点焊工具及工业机器人动作信号进行交互控制，由于涉及到12 个点位的焊接，为提高工作效率，采用两台工业机器人配合作业，通过对工业机器人进行TCP 设定，完成固定点位的示教动作，特别注意避开动作干扰时空，最终实现相应点位的点焊动作，如图2 所示。

图2 工业机器人点焊分布图

工业机器人主要由控制系统、机械手和手持操作编程器三部分组成，其配置的6 个转动轴，通过控制系统对伺服电机精确控制，实现沿X、Y、Z 轴向以及分别围绕X、Y、Z 轴向转动的6 个自由度的空间运动。同时用于焊接的6 轴工业机器人精度较高，6 轴法兰。中心点的重复定位精度可控制在±0.08mm 以内。工业机器人运动速度快，最快移动可达3m/s，通过示教编程可完成复杂路径，并实现多台机器人同时、高效、灵活、精准地完成各项作业，满足了各位置分布的点焊作业以及效率的提升，如图3 所示。

图3 防护网双工位多点焊结构

第二个工步为定位与输送。定位是利用红外感应器，感应到零件的位置后，通过发出PLC 动作信号，驱动电磁阀气缸的动作进行零件的推动固定，同时在气缸动作时发出PLC输入信号控制变频器对滚筒线进行断电，从而实现输送与定位动作信号交互。滚筒线则是通过自主设计，由零件装配组装而成，其主要难点在于运输距离的设计、线体高度的评定，结合生产实际情况经多次试验与调整后，满足最佳输送动作。项目组通过仿真软件，基于软件的高度仿真测算，系统非常精准地模拟了该机器人工作站的真实运行需求，从而保证了该项目的快速落地投产，减少了不必要的结构更改、过程优化带来的实际成本增加。

项目投产效益

项目组对防护网工频焊接专机的三条火线独立配备小变压器，降低线路负荷，减少对电网的冲击，实现多点同步焊接，开发出低成本的双工位多点焊工频焊机取代行业普遍使用的单点中频焊机，生产效率提高150%，线体全流程图如图4 所示。

图4 线体全流程图

采用圆锥上电极和平头下电极相结合的方式，消除防护网与外罩壳体形状和厚度不一致导致的焊接融核偏移影响焊接质量的问题。上下电极皆采用活动式快换结构，定位模板通用化适用多款外罩防护网，最大限度提高焊接专机线体的通用性，实现柔性生产。

采用中置型电动驱动焊钳替代气动焊钳，在电极被磨损或表面氧化后，定期实现自动研磨，通过控制加压来实现研磨自动补偿。

采用分平面焊接替代原来单机“Z”或“U”形焊接路线，每台机器人焊接单边的6 个焊点，减少移动距离，均衡各岗位生产节拍。

设计一种新型加工运输线专利，多个运输工位沿预定运输方向依次设置，运输工位包括主体架，相邻两个运输工位的主体架之间可拆卸拼接。

经过对外罩点焊线体的优化，在保证产品质量的同时，降低了工人的劳动强度，提高了生产效率，点焊节拍约25 秒/件，实现外罩组件生产减员8 人。

结束语

在窗机产量每年呈递增形势的背景下，自动化点焊及配套技术的应用越发重要。基于前期项目开发的技术沉淀，针对钣金件的组件点焊可逐步推广应用，实现成熟技术效益的进一步发挥，为传统制造业进步贡献力量。