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              KUKA焊接機器人在十萬輛面包車焊接線上的應用及存在的問題
              作者:    發布于:2017-09-05 11:26:05    文字:【】【】【
              摘要:KUKA焊接機器人在十萬輛面包車焊接線上的應用及存在的問題
              隨著社會的發展和科技的進步,機器人在社會各個領域得到了日益廣泛的應用,而應用最多的則是工業機器人。工業機器人自60年代初問世以來,經過了40多年的發展,已廣泛應用于工業領域,成為汽車制造業生產自動化中主要的機電一體化設備。


              制造行業應用機器人的主要目的在于削減生產人員編制、提高勞動生產率、降低勞動強度及提高產品質量。機器人與傳統的機器相比,具有兩個主要優點:
              1) 容易實現生產過程的完全自動化。
              2) 對生產設備的高度適應能力。


              焊接機器人在長安汽車股份公司的應用


              KUKA機器人在十萬輛面包車焊接線上的應用


              1996年,長安汽車股份公司新建十萬輛SC6331系列微型面包車焊接生產線,該線首次引進德國KUKA公司的KRC32型6軸氣動點焊機器人,應用在工藝要求最高的車架和成車焊接線上。在原有手工焊接線上,車架增焊工位和成車增焊工位由于焊點數量多、焊接零件結構復雜,是制約全線生產的瓶頸工位,工人作業時間長、勞動強度大、設備故障率高、焊點質量不穩定且容易造成碰壓傷,嚴重制約了全線的生產速度,產品質量也得不到保證。


              引進KUKA點焊機器人后,首先,十萬輛焊接線的生產節拍大幅提高,微型面包車的單班生產數量大幅增加,達到手工焊接線產量的5倍;其次,工人的勞動強度得到大幅降低,工作時間大大縮短,工作條件得到極大改善;第三、微型面包車質量得到顯著提高,車身碰壓傷大為降低;第四、KUKA焊接機器人故障率極低,備件供應充足,系統穩定性高,操作維護容易,大量節約了設備維護人員,節約了人力資源。


              COMAU、KUKA、OTC機器人在8萬輛長安之星焊接線上的應用在成功引進KUKA 焊接機器人后,長安汽車股份公司在SC6350-“長安之星”八萬輛焊接生產線上再次引進焊接機器人,其中包括意大利COMAU公司H4型伺服點焊機器人,意大利COMAU公司H1型螺柱焊機器人,日本OTC弧焊機器人,KUKA公司KRC型檢測機器人。


              SC6350八萬輛焊接線上機器人的應用水平先進,伺服焊鉗機器人、弧焊機器人、檢測機器人都是目前國內汽車行業機器人應用水平最先進的代表。


              其中,檢測機器人采用目前國際上先進的在線檢測方式,應用檢測技術世界領先的德國Perceptron公司的檢測設備與系統穩定性最高的德國KUKA機器人相整合,在主線(成車)焊接線的最后一個工位在線實時檢測每一個“長安之星”白車身,以控制車身尺寸精度。檢測系統設計白車身正常尺寸偏差±2mm,白車身尺寸超差時,生產線將要報警提示,并且檢測系統中將存儲每個白車身的測量數據,以供離線分析。


              弧焊機器人采用日本OTC公司的DR系列七軸焊機器人,OTC機器人本體設計小巧,結構簡單明了,弧焊功能齊全,特別適合于結構復雜的零部件氣體保護焊接。如SC6350系列微車構架總成上的連接橫梁的弧焊,由于該橫梁為圓形,需要進行圓周焊接,且該部件位置較低,人工焊接勞動強度極大,氣體保護焊又屬于有毒作業,采用OTC弧焊機器人克服了這些嚴重制約生產、無法保證產品質量、損害操作者身體健康的缺點。


              另一個值得關注的是高精度、高可靠性的伺服點焊機器人的引進,該型號機器人選用COMAU公司H4型點焊機器人,整合SIAKY伺服焊鉗系統,焊點焊接質量穩定、定位精確。伺服焊鉗與氣動焊鉗相比最突出的特點,是在焊接過程中,伺服焊鉗的焊接質量高,焊點成形好,極大改善了白車身的焊接質量,使“長安之星”當之無愧成為中國的微車精品。


              焊接機器人的應用經驗


              焊接機器人在長安公司汽車生產線上的應用已有七年時間,根據實際應用,以下一些經驗供大家一起研究:


              焊接機器人的使用,必須滿足安全要求。


              焊接機器人能夠代替人類在危險、有害的惡劣環境中作業,同時又帶來了另一種潛在的危險,即機器人傷人事故。為此,在焊接機器人在線運行時,絕對不能有人進入其運動安全范圍所在區域,并且其運動區域內應該保證無干涉,這是焊接機器人安全管理的最為重要的一條原則。此外,除了通用的工業安全規程外,還要注意焊接機器人的特殊性,采取相應可靠的對策。例如現在我們正在使用的安全措施:


              1)為焊接機器人及其周邊設備安裝安全防護欄,以防止有人進入危險區域造成意外傷害。
              2)在安全護欄入口的安全門上設置插拔式電接點開關,該開關與焊接機器人的安全回電路相連接,一旦安全門打開,機器人控制器將切斷機器人的驅動電源,機器人立即停止運動。
              3)在距焊接機器人所在工位最近的地方,安裝多個緊急停止開關,一旦發生緊急或危險情況,工作人員可以就近按下急停,讓機器人停止運動。
              4)示教作業時降低焊接機器人的運動速度,并由經過專業技術操作培訓的人員進行示教。
              5)焊接機器人安全電路與生產線安全電路聯為一體,當生產線遇到緊急情況時,生產工人可以按下該線上任何工位的緊急停止開關,讓機器人停止運動。


              焊接機器人的控制裝置


              雖然焊接機器人本身擁有非常完善的控制系統,但每臺焊接機器人作為一個獨立的自動化設備系統,在一條生產線或一個生產系統中永遠都只是一個從屬的工作站,必須要有相應的外部控制裝置對其進行遠程控制,以適應自動化流水作業生產線上各種自動化設備之間同步、有序的生產要求。
              焊接機器人常用的相關控制裝置有可編程序控制器和在線監控裝置。
              可編程控制器對生產線上包括焊接機器人在內的各種自動化設備的工作進行協調與配合,從而有序地實現生產過程的自動化。
              在線監控裝置是操作者與生產系統之間的人機接口,它從生產系統中采集實時數據,并可以有條件地對生產數據進行實時修改,因而達到實時監視生產線現場情況、遠程實時控制生產線運行的目的。使用在線監控裝置能夠方便地發出作業指令,啟動或停止包括焊接機器人在內的所有自動化設備,并實時了解生產系統的狀態。
              長安公司8萬輛長安之星焊接線上,采用西門子WINCC在線監控系統和西門子可編程控制器,所有的焊接機器人除了受自身控制系統的控制自動運行外,還必須接受可編程控制器和WINCC在線監控系統的遠程控制,以保證與生產線其它自動設備的同步運行。


              焊接機器人系統的擴展


              為了滿足長安公司八萬輛“長安之星”焊接線的實際需求,COMAU公司在進行控制系統的設計時,同時考慮到了生產線系統的穩定性與白車身產品質量的穩定性,最終選用的焊接機器人具有以下擴展功能:


              1)增加外部滑動軸
              焊接機器人的外部滑動軸與其它6個基本軸一樣,均含有伺服驅動器和伺服電機,與相應的機械傳動裝置相配合,可以有效擴大機器人的活動范圍,并且能夠在復雜或狹窄的空間內達到最佳的作業姿態,還可以通過示教來任意定位,以保持最高的定位精度。在點焊實際應用中,包含外部軸驅動的焊接機器人能夠準確到達所需焊點位置,并達到最佳焊接姿態,因而點焊效果更好而無噪聲和焊滴飛濺,焊接后的焊點外形美觀、焊接質量高。
              例如,八萬輛焊接線主線730總拼工位,采用全自動的零部件裝配與焊接工藝,該工位共有6臺COMAU焊接機器人,要完成左/右側圍與車架的裝配及整個白車身的焊接,加之工位包含了頂蓋裝配、車架裝配及其它零件的裝配,夾具、輸送裝置、自動焊鉗等裝置眾多,空間極其有限,為了保證成車組焊,共有4臺機器人采用了滑臺式外部軸,以在狹窄的空間內,高質量、高速度、最安全地完成所有工作。


              2)弧焊中的擺動焊接
              弧焊機器人通過軟件的正確設置,可以在沿焊縫前進的同時,焊絲尖端實現橫向擺動,擺動的方式、頻率及幅度等均可按工藝要求進行設定,從而達到提高弧焊質量的目的。 ^5)


              3)機器人的工具自動切換
              同樣是在八萬輛焊接線730工位,為了節約工作場地、縮短工作時間,15號(16號)焊接機器人同時要完成總拼工位白車身的焊接工作,又要負責從側圍生產線將側圍部件抓起來并放到主線與車架、頂蓋組裝,因而這兩臺焊接機器人采用了世界領先的“槍/手”自動切換技術,由可編程控制器在生產線需要時控制機器人進行伺服焊鉗和抓手工具的自動切換。這樣,一臺機器人可以完成兩臺機器人需要完成的工作,既節約了成本又節約了場地。


              機器人的編程


              長安公司十萬輛焊接線上的KUKA機器人,其編程采用WINDOWS操作系統下的APS軟件,必須在WINDOWS環境下進行運動程序的上載及下載;八萬輛焊接線上的COMAU機器人的編程采用任意文本編輯器,再經過編譯后,用PCINT計算機仿真軟件將程序下載到機器人控制器。這兩種機器人編程的共同特點是均可以實現離線編程、在線示教,為生產線的設計與仿真提供了有力幫助。不同之處在于,COMAU機器人采用了類似PASCAL高級編程語言的語言結構,對于學習過計算機編程語言的人來說,可以非??焖?、容易地理解,接受一些最基本的培訓后,即可以編制相當完善的機器人控制程序。而KUKA機器人采用其專用的機器人編程語言,技術人員必須接受KUKA公司專業的編程培訓,才能勝任編程工作。OTC機器人的控制程序編程則相對容易,基本采用簡單、易懂的運動指令,意義一目了然。


              伺服焊鉗的成功引進
              十萬輛焊接線上應用的5臺KUKA點焊機器人,均采用氣動點焊鉗進行車體焊接,由于焊鉗電極帽存在磨損的問題,控制系統采用計算焊點數,對焊接電流進行遞增式補償的方法。從原理上講,這是一種開環方式的補償方法,并不能實際反映焊鉗電極帽的真實損耗情況,因而車體焊接質量存在一定的不穩定性。


              八萬輛焊接線上,所有COMAU點焊機器人均采用SIAKY的伺服焊鉗及控制系統。伺服焊鉗作為機器人的一個外部軸存在,在機器人控制系統中增加一套驅動軟件,該外部軸就與其它六個基本軸一樣,完全受機器人控制器的控制。這樣,該外部軸與其它六軸一起融為一體,機器人控制系統通過外部軸的驅動軟件,可以實時計算該軸的真實位置。實際應用中,在完成每一個車體的焊接工作后,機器人控制系統將對這個外部軸-伺服焊鉗,執行自動校正功能,通過檢查該軸(伺服焊鉗)的實際零點位置是否發生變化來確認電極帽是否磨損,這樣確保了焊接壓力的自動閉環控制,使車體焊接質量穩定性大幅提高。


              應用焊接機器人實現柔性生產


              長安公司微型汽車種類多、品種復雜,在以往手工生產線上,如果需要混線生產同一型號不同種類的車型,人工焊接速度因工件、工具的差別而大大降低,生產的汽車產品質量也隨之呈現出不穩定性。


              引進焊接機器人后,只需預先編制好適應不同車型生產所需的若干套不同的運動與焊接程序,機器人將根據生產線的工作指令,自動調用相應的工作程序與不同車體焊接所需的工具,即能自動適應生產線上車型的復雜變化,即使是八萬輛焊接線上高頻次、多種類車型的混線生產,也能應付自如。絕不會因為單班多種車型混線生產而產生手工線極易出現的錯焊、漏焊以及誤調整或不調整焊接規范等經常出現的車體焊接質量事故,生產線運轉速度也絲毫不會降低。焊接機器人的廣泛應用,為長安公司的汽車制造實現柔性自動化生產帶來了前所未有的生機。


              焊接機器人在應用中存在的問題


              盡管焊接機器人在長安公司的汽車制造生產中得到廣泛應用,使汽車焊接質量得到了極大改善,有效提高了企業的勞動生產效率,但仍有很多方面的問題值得我們去進一步研究和改善。


              位置偏移后重新示教的問題


              示教再現型焊接機器人如果發生焊接位置偏移時,必須進行在線示教然后再現運行,這個工作現在需要占用大量的生產時間。如果能夠利用先進的計算機動態仿真技術對其進行離線示教和仿真,將是焊接機器人應用的一次革命性的改善。


              弧焊機器人焊縫跟蹤的問題


              示教再現型弧焊機器人進行弧焊時,不能對焊縫進行動態跟蹤反饋,因而焊縫有細微變化時,不能保證焊縫質量,如果能夠應用智能技術,動態跟蹤焊縫狀態,就能有效保證弧焊質量的可靠性和穩定性。


              目前,由于國內機器人的應用還不是非常廣泛,國內機器人技術還有待于長足進步,機器人的專用部件國內還不能自行設計制造,長安公司大量應用焊接機器人后,配件問題成為機器人應用中最令人頭痛的問題。因為機器人的部件多屬專用部件(尤其是電器控制部分),技術水平要求相當高,因而必須從國外進口,而進口的機器人備件價格高企,國內代理公司大多不愿因大量預采購而造成資金積壓,進口備件的時間周期又長,給汽車生產線造成了相當大的困難。


              機器人的校軸過程占用過多時間。


              長安公司所應用的KUKA、COMAU、OTC機器人,其軸的校正過程均需耗費比較長的時間,對于流水化的自動生產線來說,其停機所造成的經濟損失非常巨大。如果能夠應用高智能化的檢測手段,使機器人在其軸的基本參數丟失或變化后,能夠自動快速恢復到發生故障前的狀態,將給自動化生產線帶來巨大的生產效益 +&i
              機器人電器控制系統的問題。


              長安公司所應用的三種焊接機器人,其本體的機械可靠性及制造水平均相當高,本體出現故障(指機械故障)的概率極其微小。然而,相比之下,電氣控制系統的故障率卻非常高,最容易出現的部分是驅動部分的電路及元器件,另外接插件的故障頻率也相當高。


              當今世界上的機器人控制電路集成化程度已越來越高,控制技術的不斷進步已使控制部分故障率大為降低。但對于汽車制造中的焊接作業這種環境惡劣、作業強度極大、電壓波動較大的應用來說,如果能針對汽車生產的具體情況,進一步提高系統集成化程度,進一步增強系統抗干擾的能力,長安公司在未來應用大量機器人實現完全無人化生產線的理想將變為現實。


              機器人與其它設備或工位上障礙物碰撞問題。


              在長安公司的兩條焊接線上,均出現過多次因為信號交換失誤而發生機器人與機器人碰撞、機器人與其它設備或障礙物碰撞的事故。經過事后分析機器人工作程序,發現目前機器人控制系統在處理信號交換時,都采用外部I/O信號來交換彼此的工作狀態,信號檢測還只是以一個“點”的方式測量,即在某一運動程序行中,確認某一個交換信號是否存在來決定機器人是否繼續下面的工作,而不是在一個運動區域中持續檢測其它障礙物或機器人狀態,這樣,一旦檢測過程結束而機器人的運動軌跡發生錯誤或信號交換不正常時,碰撞就發生了。
              現在機器人的應用規模越來越大,多臺機器人在狹窄空間內協同工作的場合越來越多,彼此之間信號交換已變得極其平常,如果能夠在機器人的控制系統中,采用類似微軟WINDOWS操作系統的后臺處理方式來實時監測其它障礙物或機器人的工作狀態,以決定機器人是否應該繼續在有可能干涉的區域內工作,碰撞問題應能夠得到有效的控制,甚至徹底解決這個問題。


              綜上所述,焊接機器人使汽車制造業大批量、高效率、高質量進行流水線汽車制造提供了有利保障,同時,焊接機器人在實際應用中暴露出來的問題,也促使我們不斷努力學習先進技術,不斷尋求更加有效的手段,讓焊接機器人為中國的汽車制造業做出更大貢獻。 
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