唱响现代化生产的弧焊之歌

弧焊机器人系统是集机器人技术、弧焊技术和系统工程技术为一体的综合产物，随着技术的不断进步，机器人系统在安全性、柔性化生产以及高效生产等方面都得到了完美体现。

近年来，随着国家经济的飞速发展，作为国家现代化程度标志的机器人技术也得到了越来越多的应用。经过多年的努力，首钢莫托曼机器人有限公司（以下简称“首钢莫托曼”）在机器人系统尤其是弧焊方面的技术积累了丰富的经验，使其在实际生产中得到很好的应用（见图1）。下面以轿车排气零部件的生产为例，简单介绍首钢莫托曼弧焊机器人系统的功能和特点。

图1 弧焊机器人工作现场

弧焊工艺分类

排气系统是排放和消声的重要部分，主要由歧管、催化净化器、波纹管、中消和后消等部件组成。主要功能是把发动机在燃烧过程中产生的废气从多个气缸内收集、通过催化净化器净化并消声后引到车后排放。其整体结构如图2所示。

（1-歧管  2-催化净化器 3-波纹管 4-中消 5-后消）
图2 排气系统的构成

按照主要功能模块距离发动机的远近，排气系统可划分为热端和冷端两部分。

热端部分直接连接发动机排气口，主要包括歧管、净化器、波纹管、二级净化器以及挂钩法兰等附属部件。因其所处底盘位置空间紧凑，所以其部件外形变化较大，焊缝分布复杂。同时，因其主要功能为净化尾气，故焊缝密封性要求高。

冷端部分承接热端，主要包括中消、后消以及挂钩法兰等附属部件。冷端总成通常尺寸较长，焊缝多为小直径环缝。当后消声器包为焊接结构时，通常要求压装焊接，其焊缝量较大。消声器包进出气管处焊缝为三层薄板焊接，焊缝成形要求高。

焊接单元的典型布局

排气零部件机器人焊接单元主要由弧焊机器人、焊接设备、清枪剪丝机构、变位机、焊接夹具、安全防护系统、电气控制系统、工件检测设备以及物流系统等组成。按照不同种类工件的焊接特性，其布局形式主要有以下几种：

1. 弯管类歧管焊接单元布局

弯管类歧管的焊缝空间分布较复杂，需要使用2台机器人协调焊接或应用双轴变位机取得合适的焊接姿态。其布局如图3和图4所示。

图3 双机协调焊接布局nextpage

图4 双轴变位机布局

2. 冲压半壳类歧管、净化器和波纹管焊接单元布局

冲压半壳类歧管的焊缝主要分布在半壳一侧的弧面上，应用单轴变位机即可达到合适的焊接位置。此类工件和净化器、波纹管等尺寸小、焊缝分布单一的工件一起，可使用单座单轴变位机双工位布局（见图5）。

图5 单座单轴变位机双工位布局

3. 热端总成焊接单元布局

热端工件是由歧管、净化器、波纹管、二级净化器、挂钩法兰等分总成工件焊接在一起的总成工件，是轿车排气零部件焊接工件中最复杂的一种，通常需分3～4道工序焊接完成。

其多道工序夹具分布在单个机器人焊接单元内的紧凑型布局。当产量需求大时，可以用多个机器人焊接单元组成U型线，优化物流。

4. 半壳类消声器大包焊接单元布局

半壳类消声器大包在焊接过程中需要加压80kN以上，需要使用可安装液压模具的特殊双轴变位机实现焊接。其布局如图6所示。

图6 半壳类消声器大包布局

5. 冷端总成焊接单元布局

排气系统冷端总成工件通常由法兰、进出气管、消声器大包、挂钩支架等部件焊接组成。按排量大小需要可分为单、双系统两种形式。

冷端总成工件的长度通常为2～3m，常用布局为立式翻转3轴变位（见图7）和水平回转3轴变位（见图8）两种。双系统冷端总成焊缝分布范围较大，更适用于水平回转3轴变位布局。

图7 立式翻转3轴变位焊接单元布局nextpage

图8 水平回转3轴变位焊接单元布局

系统特点

首钢莫托曼机器人有限公司依托日本安川电机MOTOMAN弧焊专用机器人的技术优势，与全球两大排气系统供应商FAURECIA和TENNECO紧密协作，不断以最新技术推出优质的排气零部件机器人弧焊线和焊接装备，使其具有技术领先、系统安全可靠和快换性能强的特点。

1. 技术优势

日本安川电机于2001年底研制推出了世界上首台弧焊专用机器人MOTOMAN-EA1400，并于2002年在中国销售。EA1400机器人将焊枪电缆与焊枪内置在机器人臂中，避免了焊枪电缆和焊枪与周围物体的相互干扰，使机器人示教过程变得更为简单，同时大大增强了焊枪的可达性。该机器人一经推出，便迅速在汽车车桥、消音器等排气系统零部件以及座椅骨架等焊接领域受到了好评。多家焊枪生产企业都为该机器人研制了专用焊枪。目前除了空冷焊枪和伺服焊枪进行焊接以外，还可以使用水冷焊枪实现较高电流的连续焊接。

2007年初，MOTOMAN-SSA2000型机器人问市。SSA2000在保持EA1400结构优势的基础上大幅提高了轴动作速度，单轴速度同比最大提高40%，焊接速度最大可同比提高15%，成为世界最快的弧焊机器人之一。

2008年底，安川公司又推出了新一代机器人控制器DX100，同时将SSA2000机器人进化为世界第一台7轴弧焊专用机器人MOTOMAN-VA1400。VA1400在传统工业机器人第一俯仰臂上增加了1个回转关节，具有冗余的自由度，使机器人本体的机动性和可达性提升到了前所未有的高度。在保持同一焊枪角度的情况下，其他手臂可以自由地采用多种姿态。焊接过程中不会因为本体和夹具的干涉而改变焊枪和工件的夹角。新的7轴机器人为焊接工装设计、生产空间布局以及焊接姿态优化增加了更多的优化空间。

MOTOMAN机器人不断推出的领先技术，使其目前稳居弧焊机器人世界年销售量首位，是首钢莫托曼在轿车排气零部件焊接领域广泛应用的技术基础。

2. 可靠的安全性能

机器人自动焊接技术为汽车制造业带来劳动条件改善、生产能力可控、生产效率更高和产品质量有保证等优点的同时，也存在着不可忽视的安全隐患。弧光辐射、有害气体污染、操作机本体碰撞、变位机动作、夹具压手等诸多因素对操作工的伤害都时有发生。

首钢莫托曼设计制造的排气零部件机器人弧焊系统在以下几方面制订了严格的安全标准，为用户提供了安全可靠的应用系统。

（1）操作区域的安全防护设计。操作区域与工作维护区域是否完全隔离，是判断安全防护空间是否安全的重要指标。安全围栏的设计中严格要求操作工无法从操作安全区域直接进入到工作维护区域。安全围栏与地面间缝隙小于180mm，确保维护人员只能从维护门进入工作维护区域。此外，操作工进出操作安全区域处设还设置了光栅保护。当操作安全区域范围可允许操作工停留时，必须设区域扫描传感器保护。在操作工的正常操作安全区域与机器人的动作范围重合时，必须在机器人本体的水平第一轴处增设原点检测传感器。

（2）夹具的防夹手安全设计。在常用的气动夹具操作顺序中，操作工需要安装完一个零件后，按一个按钮使气缸夹紧，此操作过程中，如将手放在夹具上，容易发生手夹伤事故。

为避免此类安全事故，夹具设计中采用了以下方法：操作工进入安全区域时，所有夹具控制电磁阀处于中位排气状态，安装工件散件后，先手动试压紧，将压头按在零件上，所有工件均安装并试压紧后，再双手按动启动按钮。此时电磁阀为气缸供气，使气缸夹紧，检查零件安装夹紧状态，退出操作安全区域，按预约启动钮启动焊接。其中，所有的电磁阀均使用三位五通中位排气型电磁阀，所有夹紧机构采用带手柄可手动自锁压紧式夹紧机构。例如DESTACO 手柄型。此种夹紧机构在断气状态下可实现手动自锁压紧，发现零件状态不合适时，可以再次手动打开。

3. 便捷的夹具快换功能

便捷的夹具快换功能大大提高了设备的利用率，使用户根据需求可以随时调整，减少重复性投资和设备闲置。同时，利用快换功能，还可实现在新产品试制和小批量生产阶段先投夹具，在现有机器人焊接生产线上生产，批量生产阶段前再投新焊接线，有助于提高用户的资金利用率。

首钢莫托曼在大量的应用项目中总结并作为标准固定了以下几种夹具快换方式：

（1） 整根夹具梁快换的设计和快换方式。

夹具两侧安装定位销，变位机法兰一侧采用定位销套，另一侧采用键槽的定位方式。连接时，夹具两侧的定位销依靠重力插入销套和键槽中定位，连接板两侧的翻转螺钉压紧连接板。

（2）小件夹具及部件快换的设计和快换方式。

当单根夹具梁上夹具的互换性高时，可以使用标准快换式夹具梁，此时夹具梁上的定位销按标准尺寸分布，小件夹具可用其底板上的标准尺寸定位套与梁配合定位，使用开口快换垫圈快速夹紧。当夹具需要更换部件以适应不同型号的工件在同一套夹具上生产时，也可使用同样的结构。

应用上述快换结构，单套夹具更换时间可控制在10min以内。

结语

随着弧焊机器人在汽车工业的广泛应用，越来越多的人们对它的优越性也有了更深的了解。现在，其他应用领域对弧焊机器人的需求也越来越多，对弧焊机器人的功能也提出了更多的要求。因此，我们也会加强弧焊机器人系统开发的力度，逐步完善我们的产品，使其在更多的领域发挥其更大的优势。