淺析機器人焊裝系統(tǒng)的5大解決方案和優(yōu)化建議

汽車零部件機器人焊裝夾具氣路設(shè)計過程可分為夾具設(shè)計、氣路圖設(shè)計、氣路安裝施工3個階段，本文將針對此3個階段順序給出氣路圖設(shè)計的一般方法，并根據(jù)實際應(yīng)用中的一些共性問題，針對氣路運用中的實際問題給出解決方案和優(yōu)化建議。

一、機器人焊裝夾具氣路的組成結(jié)構(gòu)

汽車零部件機器人焊裝系統(tǒng)的基本氣路結(jié)構(gòu)如圖1所示。包括能源裝置、執(zhí)行裝置、控制調(diào)節(jié)裝置、輔助裝置、傳動介質(zhì)等部分。

圖1 汽車零部件焊裝夾具氣路系統(tǒng)基本組成

二、機器人焊裝夾具氣路設(shè)計

2.1 夾具設(shè)計階段

夾具設(shè)計階段是設(shè)計氣路的第一階段。夾具設(shè)計初期應(yīng)根據(jù)夾具情況預(yù)先選擇管線材料。并且氣管管徑過小會節(jié)流，因此限制氣缸的速度；而管徑過大會造成滯流，因此增加空氣消耗量和填充時間。

圖2 焊接系統(tǒng)示意

夾具設(shè)計階段在考慮夾具機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的同時，應(yīng)為氣路設(shè)計預(yù)留出走線孔，規(guī)劃線槽，考慮電磁閥集裝板及控制模塊安裝空間，及是否超過變位機各回轉(zhuǎn)半徑。

2.2 氣路設(shè)計階段

氣路設(shè)計的原則是讓氣路中的執(zhí)行裝置定位夾緊可靠，按照一定的順序松開、夾緊并確保安全。

圖3 機器人焊裝夾具氣路圖夾具參數(shù)部分

（1）確定氣路初始每一個氣缸的伸出縮回狀態(tài)。

（2）根據(jù)各種不同的控制目的及控制功能的要求，設(shè)計氣動回路。

（3）確定回路組數(shù)。設(shè)計時可將動作互不干擾的動作合并到同一個方向控制閥來控制，但需要根據(jù)壓緊力、氣缸動作速度等情況計算每組回路最多控制的氣缸數(shù)量。

圖4 機器人焊裝夾具氣路圖氣動原理部分

（4）確定控制閥形式。在設(shè)計計算出控制閥數(shù)量后一般預(yù)留兩個空位，以便后期增加氣缸還能繼續(xù)使用。

（5）編號并設(shè)計制作標(biāo)牌。按照回路的動作順序，先對回路進行排序，然后排出每一組回路中的氣缸的先后動作順序，定義控制閥。

（6）繪制氣路圖。

2.3 氣路安裝施工階段

汽車焊裝夾具組裝完畢后開始?xì)饴返陌惭b施工，氣路的安裝施工順序為：三聯(lián)件、控制閥、氣缸標(biāo)牌、主氣管、各回路、信號線、主進氣管。

圖5 夾具主氣管及線纜安裝示意

三、汽車排氣系統(tǒng)機器人焊裝夾具氣路的特點

（1）夾具安裝在變位機上，需要考慮主線的出線位置。氣管及線纜從旋轉(zhuǎn)軸電機的對側(cè)安裝，如圖5所示。

圖6 一種帶快換單元的汽車排氣系統(tǒng)焊裝夾具

（2）氣路設(shè)計時應(yīng)考慮控制閥的安裝位置。排氣系統(tǒng)焊裝夾具焊接時一般要求夾具可以繞回轉(zhuǎn)軸做360°回轉(zhuǎn)運動，因此必須考慮安裝閥的機箱或者閥島是否會超出變位機的回轉(zhuǎn)半徑。

圖7 夾具氣管快換航插

（3）考慮快換功能。由于排氣系統(tǒng)通常長度較長，為了滿足柔性化生產(chǎn)的需要，汽車廠一般需要將排氣夾具分隔成若干個單元，單獨換型，因此設(shè)計排氣系統(tǒng)夾具氣路時必須考慮快換功能，如圖6所示。夾具在快換單元設(shè)置了氣管的快換航插，如圖7所示，可以實現(xiàn)氣路的快速更換。

四、焊裝夾具氣路設(shè)計優(yōu)化建議

4.1 考慮管線分布與機器人軌跡的空間關(guān)系

機器人焊槍與從夾具底梁下方通過，如圖8所示，如果管線分布不合理將會影響焊接。

圖8 管線分布與機器人焊槍位置示意

優(yōu)化建議：在夾具設(shè)計階段對夾具和機器人進行運動協(xié)調(diào)仿真，在不影響焊接的情況下，盡量合理分布?xì)鈩釉肮芫€，當(dāng)采用硬管如銅管時應(yīng)在氣路上標(biāo)明管線的走向，避讓焊槍。

4.2 合理運用氣路，簡化夾具結(jié)構(gòu)

汽車排氣系統(tǒng)焊裝夾具通常會遇到啟動元件防掉落的問題，如圖9所示，氣缸手動伸出，螺母安裝到位后，應(yīng)保持安裝位置，不能因為氣缸自重落下。通常的解決方案是在氣缸行程方向增加一個小型氣缸對其進行穿銷鎖止。

圖9 需要防掉落的定位組件示意

優(yōu)化方案：防掉落回路如圖10所示，原理是通過增加一個溢流閥，在重物升起時單向鎖定，落下時氣動解鎖，氣缸退回。通過調(diào)整氣路簡化氣路結(jié)構(gòu)，降低設(shè)計制造成本。

圖10 氣控先導(dǎo)單向閥防掉落回路

4.3 合理安排走線

考慮增加走線槽。未增加線槽的夾具如圖11所示，管線凌亂。

圖11 氣管未按線槽布線的夾具

優(yōu)化方案：增加走線槽的夾具如圖12所示，更加整齊美觀。

圖12 氣管按線槽布線的夾具

4.4 考慮采用閥島

閥島是由多個電控閥構(gòu)成的控制元器件，它集成信號輸入、輸出及信號的控制，是新一代氣電一體化控制元器件。由于其高度集成及高防護等級的特性，接線方式簡單，占用空間小，正逐步應(yīng)用于汽車焊裝夾具領(lǐng)域中。

圖13 電磁閥匯流排式安裝

匯流排式安裝如圖13所示，需要2個機箱安裝電磁閥和電氣模塊組件，管線多且占用空間大。閥島安裝型夾具如圖14所示，其布線簡單，占用空間小。

圖14 電磁閥閥島式安裝

4.5 考慮使用溫度

在實際應(yīng)用中會遇見氣缸密封件軟化或脆裂的情況。這種情況需要考慮氣動元件的使用溫度，一般推薦在0～60 ℃環(huán)境下使用，超過此溫度應(yīng)選擇相應(yīng)的耐超低溫氣缸或耐超高溫氣缸。