机器人焊接令冲压机焕然一新

【编者按】2014 年中，Wellington 公司将一套配有五台机器人装配单元投入保险杠总成的机器人焊接。 组件包括一个大型热冲压、有檐帽形镀铝（40 克）硼钢保险杠梁， 以及一些焊接附件：垫板、支架、螺母等。一组九个手动基座的电阻焊机器将组件输送进巨大的ABB 机器人焊接单元，五台机器人在其中不知疲倦地工作，其中两台充当焊接机器人，另外三台充当物料搬运机器人。

在Wellington 的最新型ABB 机器人焊接单元的进料端，用于组装保险杠的一系列电阻焊接组件，经传送带一路传送过来。操作工将这些组件放置到一个大的转盘式定位器上，将夹具及组件导入焊接单元。该焊接单元将加强板及一系列卡子和螺母焊接到硼钢保险杠梁上。

这家公司最显著的增长发生在过去几年中。预计未来几年，Wellington 不仅将继续开发Richards 所称的“hit-and-ship”冲压机，还将朝着汽车焊接装配领域的重要供应商前进。更准确地说，是为OEM 制造商以及一级供应商提供前端焊接模块和保险杠总成。这项工作早在2010~2011 年就开始了。

“在大批量的生产中，一级汽车供应商带来设计灵感， 而我们则开发出加工、冲压和组装新型前端模块所需的制造才能。”Richards 解释说。

大批量装配带来全新面貌

Wellington 公司厂区中的生产设施呈并行排列，原先有一个15 万平方英尺的冲压车间，配备了15 大床机械压力机；2010 年又接手了邻近的一个10 万平方英尺的组装车间。这一设施中的八个机器人焊接单元，是最新添置的。Richards 描述道，“它们代表了公司的新面貌。”

该公司进军大批量组装的历史可追溯到2010 年，当时为响应一级汽车供应商的要求，接手了一个热门型号的前端模块组装业务。为了满足即时生产模式（just-in-time）——接到订单第二天就交货的要求，Wellington 在涂装设施中安装了一台机器人焊接单元。

“这就使集装箱的数目从300减少到了100个，”Richards 说 ：“令我们在这个项目上极具竞争力，同时加快了发货速度，精简了生产及交付过程。”

接下来，在2011 年晚些时候，另一家一级汽车供应商又带来了前景不凡的项目——　一项被证明极符合Wellington 公司这个前端模块供应商目标的收购工作。

“当开启了第二前端模块计划时，”Richards 说：“我们开始与ABB Robotics 合作，帮助我们开发新的机器人焊接单元，而非依赖于原供应商的现有设备。我们以前曾经与ABB 在热冲压车顶侧轨的机器人激光微修整上有过合作经验，这使我们有信心在第一个大型室内机器人焊接项目上与其合作。余下的，正如他们所说，就是历史。”

机器人焊接应用的高潮

这两个令人印象深刻的机器人焊接项目令Wellington 极为满意。（图1）在很短时间内，它就添置了第三套ABB 机器人焊接单元，用于制造上部横梁。接下来，是一对用于组装钢制及铝制部件的机器人弧焊单元。这项工作要求Richards 和Wellington 公司应对独特的挑战。

“我们努力降低公差，以便更好地控制工艺偏差，”他解释说： “这意味着我们在冲压件设计中要学会容纳以往在电弧焊接中曾出现过的变形或零漂问题。”

除了进行预测（使用仿真软件）并使其钣金工艺适应电弧焊接带来的高热量， Wellington 在某些组件上也采用过MIG 钎焊工艺。相比传统的气体保护金属电弧焊，这一工艺能显著降低热量。MIG 钎焊使用来自Fronius 焊机的能量，采用铜基填充焊丝，其熔融温度相对较低，一般为1600~2000F，而其焊接电流通常则在40~130 安倍范围内。工艺温度相对较低， 无基材熔融发生能带来诸多好处，包括变形最小化、锌蒸发和烟雾减少，并且某些情况下能消除焊接飞溅现象。

热冲压保险杠的电阻焊接

2014 年中，Wellington 公司将一套配有五台机器人装配单元投入保险杠总成的机器人焊接。 组件包括一个大型热冲压、有檐帽形镀铝（40 克）硼钢保险杠梁， 以及一些焊接附件：垫板、支架、螺母等。一组九个手动基座的电阻焊机器将组件输送进巨大的ABB 机器人焊接单元，五台机器人在其中不知疲倦地工作，其中两台充当焊接机器人，另外三台充当物料搬运机器人。

在机器人焊接单元的进料端，一个转盘式定位器180 旋转，将夹具及组件导入一对点焊机器人的工作范围内。这一步操作是为了使需进行点焊的部件在严格的尺寸公差内保持定位，以便在焊接单元中完成余下的几十处点焊。完成这一步电阻点焊操作后，组件被传送到空闲工位，物料搬运机器人夹持起组件，通过一系列固定式焊接工位。这样，机器人凭借其芭蕾舞般精巧的动作，以每小时超过100 套的速度生产出保险杠成品。

最新Wellington 机器人焊接单元的具体配置：ABB 最新型大型机器人IRB 6700，最大额定有效载荷235 公斤，标称工作范围2.65 米。ABB 公司宣称，与先前的型号相比，其第七代机器人能耗降低15%，总体拥有总成本降低20%，维护时间间隔延长一倍，速度提升（循环时间缩短）平均达5%。

“ 焊接单元一经上线立即投入生产，”Richards 补充说：“ 得益于ABB 的离线操作模拟，我们没走一点弯路，一开始就达到每小时60套总成的生产速度。几周之后，通过进一步优化机器人运动路径以及速度和加速度参数，生产速度达到甚至超过每小时100 套。”

先进机器人技术带来的回报

这一惊人生产力的形成， 是通过ABB 机器人控制， 对机器人、焊接工位和定位器实现了整合。“在整个生产单元中， 进行了大量的整合和电子通讯，”Richards 解释说，“这使得机器人的工作极其紧促，在单元内部及周边移动时，延迟时间及移动距离均实现最小化。同时，我们也更有信心实现机器人更迅捷的安全运行。”

实现单元快速安全运行的部分原因， 在于其固有的两个关键特性，机器人控制器（ABB 的IRC50）：QuickMove 和SafeMove。QuickMove 特性基于驻留在机器人控制器内的完整动力学模型优化了运动控制；而QuickMove 优化了加速， 使机器人能在最短的时间内达到程序指定的位置，进而优化循环时间，使之超越那些仅取决于机器人轴速度的应用。

此外，IRC5 机器人控制器还配备了ABB TrueMove 函数功能，旨在确保机器人在任何速度下均能遵循规定的运动路径。

消除喷溅

对镀锌钢，当然还有铝热冲压材料进行电阻焊接，需要高水平的焊接技术， Richards 拥有两名焊接工程师，负责确保开发出良好的焊接程序。“我们也充分利用ABB 的资源，” Richards 补充说。“例如，我们努力完善电阻焊接工艺中的无喷溅工艺参数（包括行业公认的解决方案， 如脉冲焊接和热能量的斜率控制），ABB 在这方面对我们的帮助很大。作为这一工艺的一部分，我们比通常要进行更多的电极头修磨。随着焊接工艺的不断完善，喷溅大为减少，从而降低了维护和清理成本， 同时还延长了电极头的使用寿命。”

关注消除焊接喷溅的同时，Wellington还开始将重点放在避免冷焊上。在ABB 的再次帮助下安装了防错装置，以便在每次修磨电极之后对焊接电流进行检查。机器人携带其焊接电极通过这些电流检测工位，向钢盘或钢坯施加电流。

“进行防错电流检查之前，”Richards 补充说，“某个班次偶尔出现一两次冷焊，我们就得检查整个班次生产的部件。在焊接单元加装防错装置，就能完全消除冷焊。而且，能使我们对自身的工艺更具信心，从而可将焊缝抽检频率从15% 降至20%。

2010 公司开始从气动焊枪转换为伺服焊枪，这进一步推动了电阻焊接生产率的提升。“伺服焊枪非常精确，并使焊接工艺的可重复性大大提升，” Richards 解释说。“使用气动焊枪时，影响焊接质量和一致性的工艺变量很多，包括环境、空气、温度和湿度，以及来自压缩机的空气质量。在许多情况下，我们都不得不对气动焊枪加压，以补偿工艺变量。”

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