机械制造装备设计课程设计轿车白车身激光焊接选型设计.doc

机械制造装备设计 题目名称：轿车白车身激光焊接选型设计 专业班级：机械设计制造及其自动化1206班 小组成员： 指导老师： 小组分工： 1、简介: 焊接机器人是从事焊接（包括切割与喷涂）的工业机器人。根据国际标准化组织（ISO）工业机器人术语标准焊接机器人的定义，工业机器人是一种多用途的、可重复编程的自动控制操作机（Manipulator），具有三个或更多可编程的轴，用于工业自动化领域。为了适应不同的用途，机器人最后一个轴的机械接口，通常是一个连接法兰，可接装不同工具或称末端执行器。焊接机器人就是在工业机器人的末轴法兰装接焊钳或焊（割）枪的，使之能进行焊接，切割或热喷涂。焊接机器人主要包括机器人和焊接设备两部分。机器人由机器人本体和控制柜（硬件及软件）组成。而焊接装备，以弧焊及点焊为例，则由焊接电源，（包括其控制系统）、送丝机（弧焊）、焊枪（钳）等部分组成。对于智能机器人还应有传感系统，如激光或摄像传感器及其控制装置等。2、对象分析： 白车身（Body in White）是指完成焊接但未涂装之前的车身，不包括四门两盖等运动件。涂装后的白车身加上内外饰（包括仪表板、座椅、风挡玻璃、地毯、内饰护板等）和电子电器系统（音响、线束、开关等），再加上底盘系统（包括制动、悬架系统等），再加上动力总成系统（包括发动机、变速箱等）就组成了整车。车身焊接是白车身制造工艺中最重要的工艺过程之一，车身焊接的质量、精度、生产效率对整车的质量、精度、生产效率有着直接的影响。 传统的汽车制造工艺为冲压、焊装、涂装、总装四大工艺组成，近几年衍生出加之树脂工艺的五大工艺，而这些工艺工作的基础是车身数据模型（以下简称数模）。冲压件通过焊装后即成白车身，其车身的主要尺寸关系就已经确定，所以说，冲压件精度是影响白车身尺寸精度（质量）的关键因素之一,焊装亦是,冲压件主要以制件精度来影响白车身精度，而焊装则是通过搭接和基准体系两个方面影响白车身精度。车身数模焊接工艺分析是指在产品设计阶段通过对数模的焊接工艺性如焊接关系、可焊性、装配性、搭接性、涂胶性能等方面进行工艺分析、审查，在保证产品工艺可行性的同时协助产品设计部门设计出最优化的车身结构。 我们小组选择大众甲壳虫这款车型作为研究对象，大众甲壳虫（Volkswagen Beetle）正式名称为大众1型（Volkswagen Type 1），是由大众汽车（香港译福士车厂）在1938年至2003年间生产的一款紧凑型轿车。1998年，在最初的甲壳虫下线许多年以后，大众汽车正式推出了外形与原先非常相似的新甲壳虫（以大众高尔夫(Golf)为平台），而甲壳虫则在墨西哥和其他少数一些国家一直生产到2003年。在评选最具世界影响力的“20世纪汽车”的国际投票中，甲壳虫排名第四。在结构方面，甲壳虫属于A级平台车辆，车身结构满足最高安全标准的要求，通过应用现代工艺技术（激光焊接，粘接技术，无铆钉冲铆），甲壳虫的车上刚度达到了较高的水平。车身参数为：车身甲壳虫 2010款 1.6AT甲壳虫 2010款 1.8TBlackOrange豪华版甲壳虫 2008款 1.8TAT 豪华型长度（mm）：412941294129宽度（mm）：172117211721高度（mm）：149814981498轴距（mm）：251525152515前轮距（mm）：150815081508后轮距（mm）：149414941494最小离地间隙（mm）：979797车身结构：三厢车三厢车三厢车车门数（个）：333座位数（个）：444油箱容积（L）：555555行李厢容积（L）：340340340 白车身（Body in White）是指完成焊接但未涂装之前的车身，不包括四门两盖等运动件。涂装后的白车身加上内外饰（包括仪表板、座椅、风挡玻璃、地毯、内饰护板等）和电子电器系统（音响、线束、开关等），再加上底盘系统（包括制动、悬架系统等），再加上动力总成系统（包括发动机、变速箱等）就组成了整车。车身焊接是白车身制造工艺中最重要的工艺过程之一，车身焊接的质量、精度、生产效率对整车的质量、精度、生产效率有着直接的影响3、汽车车身的焊接工艺分析（1）电阻焊接 电阻焊：对置于两极之间的工件加压，并在焊接处通以电流，利用电流通过工件本身的电阻产生的热量来加热而形成局部熔化，断电冷却时，在压力继续作用下而形成牢固接头特点： <1>利用电流通过工件焊接处的电阻而产生的热量对工件加热 <2>整个焊接过程都是在压力作用下完成的 <3>在焊接处不需加任何填充材料，也不需任何保护剂1）电阻凸焊工艺 <1>焊接时间由三种因素决定：薄板厚度、凸点刚度及焊接电流 <2>利用凸焊机将螺母及螺栓焊接好后检查上一级车身零部件与车身整体是否匹配，利用定位销对螺母焊接位置进行定位 <3>为了顺利进行凸焊，在焊接汽车车身时应确保螺母板底孔孔径与凸焊螺母大小相适应2）电阻点焊工艺 <1>零件料厚比的控制 <2>严格控制车身边缘与焊点之间的距离，并保证焊点间距符合工艺要求 <3>控制好焊接面与焊接空间（2）.激光焊接工艺 当激光照射到金属表面的功率密度大于10的6次方W/cm3时，金属表面温度可在极短时间内升高到金属的熔点和沸点以上使其熔化和汽化，形成金属液体和金属蒸汽，金属蒸汽能产生足够的压力，克服液态金属的表面张力和重力，从而排开部分液态金属，使激光照射的熔池下凹，形成小孔，激光束在小孔底部继续加热，使金属液化和汽化，所产生的金属蒸汽继续压迫坑底的液态金属并使其排向熔池四周，从而使小孔进一步加深，这个过程继续进行下去，会在液态金属中形成一个细长的小孔当激光束在小孔产生的金属蒸汽的压力与液体金属的表面张力和重力平衡后，小孔不再加深而形成一个稳定深度的小孔，这就是小孔效应，当激光束向前运动时，形成稳定的小孔也向前运动，小孔前方的金属不断熔化和汽化，熔化的金属流向小孔后方，并借助液态金属的表面张力和重力进行弥合，凝固形成焊缝特点：<1>单面焊接<2>扭曲变形小<3>焊接速度快和焊接强度高<4>具有较高的柔性 电阻点焊必须靠两个电极对焊部位进行夹持后才能完成焊接，因此焊接部位的凸缘必不可少，而激光是单边输入，与焊接部位没有直接接触，凸缘结构完全可以省去，对于同样的车身部件结构，可以采用不同的结构设计。总的来说，采用激光焊接的车身比采用电阻点焊的车身，结构上更加紧凑，焊接部件更少，部件与部件之间的连接关系除了少量的对接外，大多数为搭接，而且搭接方式大多为平面与平面，很少采用曲面搭接关系，由于激光焊接为单面焊接，对工件不施加夹紧力，工件的夹紧完全依靠夹具的夹紧来实现。4、国内外主要机器人公司： 国内： 1、新松机器人自动化股份有限公司新松机器人自动化股份由公司是一家以机器人独有技术为核心，致力于数字化智能高端装备制造的高科技上市企业。新松是国内最大的机器人产业化基地，在北京、上海、杭州、深圳及沈阳设立五家控股子公司。它改变了中只有进口没有出口的局面，新松对于工业机器人技术装备也非常的齐全。 2、安川首钢机器人有限公司安川首钢机器人有限公司的前身是首钢莫托曼机器人有限公司。由中国首钢总公司和日本株式会社安川电机共同投资，是专业从事工业机器人及其自动化生产线设计、制造、安装、调试及销售的中日合资公司。自1996年8月成立以来，始终致力于中国机器人应用技术产业的发展，在提高制造业自动化水平和生产效率方面，发挥着重要作用。 3、中国聪锐机器人聪锐是北京微网智宏科技有限公司合法注册的机器人品牌商标，也是国内首个机器人消费品牌，目前已经逐步成为中国机器人消费领域的领导者！2009年4月，公司旗下"聪锐机器人专营店北京总店"作为中国首家机器人专营店开店试营业。 4、 紫光优蓝机器人技术有限公司紫光优蓝机器人技术有限公司被大家称之为"机器人中的一匹黑马"。被称之为黑马也是有它的理由，紫光优蓝自2006年进入智能机器人研发领域，并与清华大学、中科院合作，在3D智能机器人等专业领域都获得了一定的成就。紫光优蓝智能机器人生产线完成了幼教机器人、益智娱乐机器人、导购机器人、主妇伴侣机器人等等服务型机器人。紫光优蓝研发的爱乐优家智能机器人被堪称智能机器人行业经典之作。 5、博思电子数码科技有限公司东莞市博思电子数码科技有限公司创立于2005年，是一家专业从事智能科技、创新及独特的产品研制、市场营销及售后服务的"自有品牌、自主技术"知名企业，钟情于"科技、创意、梦想、行动"的企业精神，执着于"培养中国式的乔布斯"的企业使命，专注于推动中国智能机器人科技教育事业的发展。国外：1、瑞典ABBRobotics公司    ABB公司是世界上最大的机器人制造公司。1974年，ABB公司研发了全球第一台全电控式工业机器人-IRB6，主要应用于工件的取放和物料的搬运。1975年，生产出第一台焊接机器人。到1980年兼并Trallfa喷漆机器人公司后，机器人产品趋于完备。至2002年，ABB公司销售的工业机器人已经突破10万台，是世界上第一个突破10万台的厂家。ABB公司制造的工业机器人广泛应用在焊接、装配、铸造、密封涂胶、材料处理、包装、喷漆、水切割等领2、日本安川电机公司    安川电机（YaskawaElectricCo.），自1977安川电机年研制出第一台全电动工业机器人以来，已有28年的机器人研发生产的历史，旗下拥有Motoman美国、瑞典、德国以及SyneticsSolutions美国公司等子公司，至今共生产13万多台机器人产品，而最近2年生产的机器人3万多台，超过了其他的机器人制造公司。2005年4月，该公司宣布将投资4亿日元，建造一个新的机器人制造厂，于11月运行，2006年1月达到满负荷生产。届时，该公司每月工业机器人生产能力将达到2000台。3、日本FANUC公司    FANUC公司的前身致力于数控设备和伺服系统的研制和生产。1972年，从日本富士通公司的计算机控制部门独立出来，成立了FANUC公司。FANUC公司包括两大主要业务，一是工业机器人，二是工厂自动化。2004年，FANUC公司的营业总收入为2648亿日元，其中工业机器人（包括注模机产品）销售收入为1367亿日元，占总收入的51.6%。 4、德国KUKARoboterGmbh公司    KUKARoboterGmbh公司位于德国奥格斯堡，是世界几家顶级工业机器人制造商之一，1973年研制开发了KUKA的第一台工业机器人。该公司工业机器人年产量接近1万台，至今已在全球安装了6万台工业机器人。这些机器人广泛应用在仪器、汽车、航天、食品、制药、医学、铸造、塑料等工业上。主要应用材料处理、机床装料、装配、包装、堆垛、焊接、表面修整等领域。5、意大利COMAU公司    COMAU公司从1978年开始研制和生产工业机器人，至今已有25年的历史。获得ISO9001、ISO14000以及福特公司的Q1认证。其机器人产品包括Smart系列多功能机器人和MAST系列龙门焊接机器人，广泛用于汽车制造、铸造、家具、食品、化工、航天、印刷等行业。该公司2004年营业总收入为17.16亿欧元，其中机器人产品的销售额占6%。5、选型依据及要求： 1）机械结构：关节型机器人特点：关节型机器人的动作类似人的动作，模仿人腰部到手臂的基本结构，本体结构通常包括关节型机器人的机座结构及腰部关节转动装置、大臂结构及大臂关节转动装置、小臂结构及小臂关节转动装置、手腕结构及手腕关节转动装置和末端执行器。关节型机器人在相同体积条件下比非关节型结构的机器人具有大得多的相对空间（即手腕端部可抵达的最大空间体积与机器人本体外壳体积之比）和绝对空间（即手腕端部可抵达的最大空间体积）。球坐标型机器人特点：又称极坐标型，按球坐标形式动作。极坐标型机械手的动作形态包括围绕基座轴的旋转，一个回转和一个直线伸缩运动，其特点类似于圆柱型机械手。在中心支架附近的工作范围较大，覆盖工作空间较大，坐标系较复杂，较难控制，存在工作死区圆柱坐标型机器人特点：圆柱坐标型机械手有一个围绕基座轴的旋转运动和两个在相互垂直方向上的直线伸缩运动。它适用于采用油压(或气压)驱动机构，在操作对象位于机器人四周的情况下，操作最为方便，灵活性较好，工作范围较大，刚度、精度较好。直角坐标型机器人与机床相似，按直角坐标形式动作，直角坐标型机器人可以在三个互相垂直的方向上作直线伸缩运动，这类机器人各个方向的运动是独立的，计算和控制比较方便，但占地面积大，限于特定的应用场合，有较多的局限性，刚度和精度高，但灵活性差。因为焊接位置相对较广，定点比较准确，可操作性比较强，综合考虑，决定使用关节型机器人为本次的机器人类型选择。焊接机器人主要包括机器人和焊接设备两部分。机器人由机器人本体和控制柜（硬件及软件）组成。而焊接装备，以弧焊及点焊为例，则由焊接电源，（包括其控制系统）、送丝机（弧焊）、焊枪（钳）等部分组成。对于智能机器人还应有传感系统，如激光或摄像传感器及其控制装置等。图1a、b表示弧焊机器人和点焊机器人的基本组成。世界各国生产的焊接用机器人基本上都属关节机器人，绝大部分有6个轴。其中，1、2、3轴可将末端工具送到不同的空间位置，而4、5、6轴解决工具姿态的不同要求。焊接机器人本体的机械结构主要有两种形式：一种为平行四边形结构，一种为侧置式（摆式）结构侧置式（摆式）结构的主要优点是上、下臂的活动范围大，使机器人的工作空间几乎能达一个球体。因此，这种机器人可倒挂在机架上工作，以节省占地面积，方便地面物件的流动。但是这种侧置式机器人，2、3轴为悬臂结构，降低机器人的刚度，一般适用于负载较小的机器人，用于电弧焊、切割或喷涂。平行四边形机器人其上臂是通过一根拉杆驱动的。拉杆与下臂组成一个平行四边形的两条边。故而得名。侧置式机器人： 平行四边形式机器人： 设计方面采用了新的流线型平行四边形结构，机器人重量得到有效减轻。大负荷机器人在结构优化的同时，也保证了同样完美的负载及工作半径，降低了节拍时间及能耗。 2）驱动方式：工业机器人主要驱动方式性能特点比较特性输出功率和使用范围控制性能和安全性结构性能安装和维护要求效率和制造成本气压传动气压较低，输出功率小，当输出功率增大时，结构尺寸将过大只适用于中小型，快速驱动压缩性大，对速度，位置的精度控制困难，阻尼效果差，低速不宜控制，排气有噪声，泄露对环境无影响结构体积较大，结构易于标准化，易实现直接驱动，密封问题不突出安装要求不高，能在恶劣环境中工作，维护方便效率低（为0.150.2）气源方便，成本低液压驱动油压高，可获得较大的输出功率，适于重型、低速驱动液体不可压缩，压力、流量以控制，反应灵敏，可无级调速，能实现速度，、位置的精确控制，传动平稳，泄露污染环境结构尺寸较气动要小，易于标准化，易实现直接驱动，密封问题显得重要安装要求高（防泄漏），要配置液压源设备，安装面积大，维护要求较高效率中等（为0.30.6），管路结构较复杂，成本高电动机驱动交、直流普通电动机适用于抓取质量较大而速度低的中、重型机器人的驱动控制性能差，惯性大，不易精确定位对环境无影响电动机驱动易实现标准化，需减速装置，传动体积较大安装维修方便成本低效率为0.5左右步进、伺服电动机步进电动机输出力较小，伺服电动机可大一些适用于运动控制要求严格的中、小型机器人控制性能好，控制灵活性强，可实现速度、位置的精确控制，对环境无影响体积小，需减速装置维修使用较复杂成本较高效率为0.5左右 经过对比比较，伺服电动机更符合焊接机器人的要求，所以我们选择伺服电动机驱动3）减速装置：由于谐波减速传动装置具有传动比大（一级谐波齿轮减速比可以在50500之间，采用多级或复波式传动，传动比可以更大）、承载能力强、传动精度高、传动平稳、效率高（一般可达0.700.90）、体积小、质量轻等的优点，所以采用谐波减速传动装置减速 4）传动装置：在工业机器人中常采用柔软且拉伸变形小的钢带传递运动。钢带传动结构简单，传动效率高，是无间隙传动，传动精度高。6、选型相关因素：（1）工作站布局：根据要求，一个工作站有3个焊接机器人，所以我们安排2个机器人负责车体两旁的焊接工作，1个机器人负责车体车头附近的焊接工作（2）工作载荷：根据对机器人的要求，机器人所携带焊钳或抓具的质量确定机器人的额定负载，机器人的有效负载为100-200kg（3）工作空间：由于是对白车身进行焊接，由甲壳虫车身大小可估算机器人的工作半径需要2500-3000mm7、选型（1）焊接机器人的属性机器人的属性包括型号、控制器类型、控制轴、手腕部最大可搬运质量、重复定位精度、机构质量、运动半径、各轴的动作范围、最高运动速度等 下面是柯马机器人（COMAU）常见型号：系列型号轴数极限负载应用Smart5Arc465 kg弧焊，装配，表面密封，涂胶，搬运/包装，机加工，测量/测试，抛光/去毛刺Smart5SIX66 kg弧焊，装配，表面密封，涂胶，搬运/包装，机加工，测量/测试，抛光/去毛刺Smart5NS616 kg弧焊，装配，表面密封，涂胶，铸造，搬运/包装，激光焊切割，机加工，测量/测试，等离子切割/水切割，抛光/去毛刺，冲压折弯，过程加工，木料/玻璃加工Smart5NM645 kg弧焊，装配，表面密封，涂胶，铸造，搬运/包装，激光焊切割，机加工，测量/测试，等离子切割/水切割，抛光/去毛刺，冲压折弯，冲压连线，过程加工，木料/玻璃加工Smart5NJ 110-1306130 kg弧焊，装配，表面密封，涂胶，铸造，搬运/包装，激光焊切割，机加工，测量/测试，等离子切割/水切割，抛光/去毛刺，过程加工，点焊，木料/玻璃加工，码垛Smart5NJ 165-2206220 kg装配，涂胶，铸造，搬运/包装，激光焊切割，机加工，测量/测试，等离子切割/水切割，抛光/去毛刺，冲压折弯，冲压连线，过程加工，点焊，木料/玻璃加工，码垛Smart5NJ46270 kg搬运/包装，点焊Smart5PAL4470 kg搬运/包装，码垛Smart5NJ 290-3706370 kg装配，铸造，搬运/包装，机加工，测量/测试，抛光/去毛刺，冲压连线，过程加工，点焊，木料/玻璃加工，码垛Smart5NJ 370-5006500 kg装配，铸造，搬运/包装，机加工，测量/测试，抛光/去毛刺，点焊，木料/玻璃加工，码垛Smart5NX6800 kg装配，铸造，搬运/包装，抛光/去毛刺，过程加工，木料/玻璃加工，码垛Smart5LaserN/A800 kg激光焊切割Smart5MPN/A5,000 kg定位器单元Smart5TRN/A6,500 kg机器人工作台Smart5PTDV2850 kg车床定位器（2）选型确定白车身焊接质量的控制任务很重，它不仅要对当日流出的白车身进行生产过程管理，还要对白车身的焊接质量及时做出评价，在测量平台的水平度时，测量点间距应该保证在300 mm×300 mm以上。夹具平台上表面的粗糙度Ra应为3.2 m以下，同时表面还要进行防锈处理，夹具平台必须设有安装定位的基点（Jig Base Point，JBP），JBP也是装配检查的基准点。 SmartNJ以及SmartNJ4系列机器人有效载荷为110-270kg，独特的“中空腕”设计将机器人的所以管线内置于机械手臂内，避免管线磨损，延长了机器人寿命，同时也保证了离线编程结果的准确性。此外，在设计方面采用了新的流线型平行四边形结构，机器人重量得到有效减轻。大负荷机器人在结构优化的同时，也保证了同样完美的负载及工作半径，降低了节拍时间及能耗 根据要求初步选择了以下几种焊接机器人型号：<1>产品型号：F-200iB 最大负重：100kg 可达半径：437mm*1040mm 重复精度：0.1mm<2>产品型号：MOTOMAN-ES165D 负载：165kg 垂直可达距离：3372mm 水平可达距离：2651mm 重复定位精度：0.2mm<3>产品型号：NJ165-3.0 载荷：165kg 最大水平工作半径：3.0m 重复精度：0.085mm<4>产品型号：NJ220-2.7 载荷：220kg 最大水平工作半径：2.7m 重复精度：0.075 由甲壳虫车身大小可估算机器人的工作半径需要2500-3000mm，根据运动半径及工作负载由上表可选择机器人型号 NJ165-3.0 及NJ165-2.78、 综合评价：评价标准设计方案1（NJ165-3.0）设计方案2 (NJ220-2.7)No内容重要性系数特征值评价数加权值特征值评价数加权值1重复定位精度0.29750.08530.89250.07530.89252最大可搬运质量0.08516530.25522040.343加工范围0.085R36050.425R36050.4254最高速度0.21259530.637511040.855最大运动半径0.2125340.852.730.63756美观性0.075红色50.375红色50.3757机构轻巧性0.075复杂30.225复杂30.225总权重值3.663.745技术评价0.9771经济评价0.900.90技术经济评价0.93850.959、 总结总结：本次选型设计中，我们选择了smart5 NJ 165-2.7，从灵活，速度，稳固和精度方面而言提供了顶尖性能。所有这些型号既能安装于地面也能倒挂安装。机器人家族既能提供“标准手腕”和“中空手腕”。创新，也是长期建立的“中空手腕”技术。进一步增强于SMART5 NJ型号: 全部焊接线缆集成于前臂，而不是像传统机器人线缆置于外部。 该解决方案保证独一无二的性能和维修成本的节省，允许100%“离线”机器人编程。 主要构件采用冲压焊接，板厚平均为1.54mm，焊接主要以搭接、角接接头形式为主，焊接质量要求相当高，其质量的好坏直接影响到轿车的安全性能。应用机器人焊接后，大大提高了焊接件的外观和内在质量，并保证了质量的稳定性和降低劳动强度，改善了劳动环境。