焊接機器人的應(yīng)用

焊接機器人的應(yīng)用 焊接機器人技術(shù)的發(fā)展 我國開發(fā)工業(yè)機器人晚于美國和日本，起于 20 世紀(jì) 70 年代，早期是大學(xué)和科研院所的自發(fā)性的研究。到 80 年代中期，全國沒有一臺工業(yè)機器人問世。而在國外，工業(yè)機器人已經(jīng)是個非常成熟的工業(yè)產(chǎn)品，在汽車行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。鑒于當(dāng)時的國內(nèi)外形勢，國家 “ 七五 ” 攻關(guān)計劃將工業(yè)機器人的開發(fā)列入了計劃，對工業(yè)機器人進行了攻關(guān)，特別是把應(yīng)用作為考核的重要內(nèi)容，這樣就把機器人技術(shù)和用戶緊密結(jié)合起來，使中國機器人在起步階段就瞄準(zhǔn)了實用化的方向。與此同時于 1986 年將發(fā)展機器人列入國家 863高科技計劃。在國家 863計劃實施五周年之際，鄧小平同志提出了 發(fā)展高科技，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化 的目標(biāo)。在國內(nèi)市場發(fā)展的推動下，以及對機器人技術(shù)研究的技術(shù)儲備的基礎(chǔ)上， 863 主題專家組及時對主攻方向進行了調(diào)整和延伸，將工業(yè)機器人及應(yīng)用工程作為研究開發(fā)重點之一，提出了以應(yīng)用帶動關(guān)鍵技術(shù)和基礎(chǔ)研究的發(fā)展方針，以后又列入國家 八五 和 九五 中。經(jīng)過十幾年的持續(xù)努力，在國家的組織和支持下，我國焊接機器人的研究在基礎(chǔ)技術(shù)、控制技術(shù)、關(guān)鍵元器件等方面取得了重大進展，并已進入使用化階段，形成了點焊、弧焊機器人系列產(chǎn)品 ，能夠?qū)崿F(xiàn)小批量生產(chǎn)。 焊接機器人的應(yīng)用狀況 我國焊接機器人的應(yīng)用主要集中在汽車、摩托車、工程機械、鐵路機車等幾個主要行業(yè)。汽車是焊接機器人的最大用戶，也是最早用戶。早在 70 年代末，上海電焊機廠與上海電動工具研究所，合作研制的直角坐標(biāo)機械手，成功地應(yīng)用于上海牌轎車底盤的焊接。一汽是我國最早引進焊接機器人的企業(yè)， 1984 年起先后 從 KUKA 公司引進了 3 臺點焊機器人，用于當(dāng)時 “ 紅旗牌 ” 轎車的車身焊接和 “ 解放牌 ” 車身頂蓋的焊接。 1986 年成功將焊接機器人應(yīng)用于前圍總成的焊接，并于 1988 年開發(fā)了機器人車身總焊線 。 80 年代末和 90 年代初，德國大眾公司分別與上海和一汽成立合資汽車廠生產(chǎn)轎車，雖然是國外的二手設(shè)備，但其焊接自動化程度與裝備水平，讓我們認識到了與國外的巨大差距。隨后二汽在貨車及輕型車項目中都引進了焊接機器人?？梢哉f 90 年代以來的技術(shù)引進和生產(chǎn)設(shè)備、工藝裝備的引進使我國的汽車制造水平由原來的作坊式生產(chǎn)提高到規(guī)?；a(chǎn)，同時使國外焊接機器人大量進入中國。由于我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的高速發(fā)展帶動了工程機械行業(yè)的繁榮，工程機械行業(yè)也成為較早引用焊接機器人的行業(yè)之一。近年來由于我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，能源的大量需求，與能源相 關(guān)的制造行業(yè)也都開始尋求自動化焊接技術(shù)，焊接機器人逐漸嶄露頭角。鐵路機車行業(yè)由于我國貨運、客運、城市地鐵等需求量的不斷增加，以及列車提速的需求，機器人的需求一直處于穩(wěn)步增長態(tài)勢。據(jù) 2001 年統(tǒng)計，全國共有各類焊接機器人 1040 臺，汽車制造和汽車零部件生產(chǎn)企業(yè)中的焊接機器人占全部焊接機器人的 76%。在汽車行業(yè)中點焊機器人與弧焊機器人的比例為 3： 2，其他行業(yè)大都是以弧焊機器人為主，主要分布在工程機械（ 10%）、摩托車（ 6%）、鐵路車輛（ 4%）、鍋爐（ 1%）等行業(yè)。焊接機器人也主要分布在全國幾大汽車制造廠， 從中 還能看出，我國焊接機器人的行業(yè)分布不均衡，也不夠廣泛。 進入 21 世紀(jì)由于國外汽車巨頭的不斷涌入，汽車行業(yè)迅猛發(fā)展，我國汽車行業(yè)的機器人安裝臺數(shù)迅速增加， 2002、 2003、 2004 年每年都有近千臺的數(shù)量增長。估計我國目前焊接機器人的安裝臺數(shù)在 4000 臺左右。汽車行業(yè)焊接機器人所占的比例會進一步提高。 目前在我國應(yīng)用的機器人主要分日系、歐系和國產(chǎn)三種。日系中主要有安川、 OTC、松下、 FANUC、不二越、川崎等公司的產(chǎn)品。歐系中主要有德國的 KUKA、 CLOOS、瑞典的 ABB、意大利的 COMAU 及奧地利的 IGM 公司。國產(chǎn)機器人主要是沈 陽新松機器人公司產(chǎn)品。 目前在我國應(yīng)用的工業(yè)機器人中，國產(chǎn)機器人的數(shù)量不足 100 臺，特別是近兩年新安裝的機器人焊接系統(tǒng)中已經(jīng)看不到中國機器人的身影，雖然我國已經(jīng)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的焊接機器人系列產(chǎn)品，但卻不能批量生產(chǎn)，形成規(guī)模，有以下幾個主要原因： 國內(nèi)機器人價格沒有優(yōu)勢。近 10 年來，進口機器人的價格大幅度降低，從每臺7 8 萬美元降低到 2 3 萬美元，使我國自行制造的普通工業(yè)機器人在價格上很難與之競爭。特別是我國在研制機器人的初期，沒有同步發(fā)展相應(yīng)的零部件產(chǎn)業(yè)，如伺服電機、減速機 等需要進口，使價格難以降低，所以機器人生產(chǎn)成本降不下來；我國焊接裝備水平與國外還存在很大差距，這一點也間接影響了國內(nèi)機器人的發(fā)展。對于機器人的最大用戶 汽車白車身生產(chǎn)廠來說，目前幾乎所有的裝備都來從國外引進，國產(chǎn)機器人幾乎找不到表演的舞臺。 我們應(yīng)該承認國產(chǎn)機器人無論從控制水平還是可靠性等方面與國外公司還存在一定的差距。國外工業(yè)機器人是個非常成熟的工業(yè)產(chǎn)品，經(jīng)歷了 30 多年的發(fā)展歷程，而且在實際生產(chǎn)中不斷地完善和提高，而我國則處于一種單件小批量的生產(chǎn)狀態(tài)。 國內(nèi)機器人生產(chǎn)廠家處于幼兒期，還需要政府政策和 資金的支持。焊接機器人是個機電一體化的高技術(shù)產(chǎn)品，單靠企業(yè)的自身能力是不夠的，需要政府對機器人生產(chǎn)企業(yè)及使用國產(chǎn)機器人系統(tǒng)的企業(yè)給予一定的政策和資金支持，加速我國國產(chǎn)機器人的發(fā)展。 應(yīng)用焊接機器人的意義 焊接機器人之所以能夠占據(jù)整個工業(yè)機器人總量的 40%以上，與焊接這個特殊的 行業(yè)有關(guān)，焊接作為工業(yè) “ 裁縫 ” ，是工業(yè)生產(chǎn)中非常重要的加工手段，同時由于焊接煙塵、弧光、金屬飛濺的存在，焊接的工作環(huán)境又非常惡劣，焊接質(zhì)量的好壞對產(chǎn)品質(zhì)量起決定性的影響。歸納起來采用焊接機器人有下列主要意義： （ 1）穩(wěn)定和提高焊接質(zhì) 量，保證其均一性。焊接參數(shù)如焊接電流、電壓、焊接速度及焊接干伸長度等對焊接結(jié)果起決定作用。采用機器人焊接時，對于每條焊縫的焊接參數(shù)都是恒定的，焊縫質(zhì)量受人的因素影響較小，降低了對工人操作技術(shù)的要求，因此焊接質(zhì)量是穩(wěn)定的。而人工焊接時，焊接速度、干伸長等都是變化的，因此很難做到質(zhì)量的均一性。 （ 2）改善了工人的勞動條件。采用機器人焊接工人只是用來裝卸工件，遠離了焊接弧光、煙霧和飛濺等，對于點焊來說工人不再搬運笨重的手工焊鉗，使工人從大強度的體力勞動中解脫出來。 （ 3）提高勞動生產(chǎn)率。機器人沒有疲勞，一天可 24h 連續(xù)生產(chǎn)，另外隨著高速高效焊接技術(shù)的應(yīng)用，使用機器人焊接，效率提高的更加明顯。 （ 4）產(chǎn)品周期明確，容易控制產(chǎn)品產(chǎn)量。機器人的生產(chǎn)節(jié)拍是固定的，因此安排生產(chǎn)計劃非常明確。 （ 5）可縮短產(chǎn)品改型換代的周期 ,減小相應(yīng)的設(shè)備投資?？蓪崿F(xiàn)小批量產(chǎn)品的焊接自動化。機器人與專機的最大區(qū)別就是他可以通過修改程序以適應(yīng)不同工件的生產(chǎn)。 焊接機器人應(yīng)用工程 焊接機器人應(yīng)用技術(shù)是機器人技術(shù)、焊接技術(shù)和系統(tǒng)工程技術(shù)的融合，焊接機器人能否在實際生產(chǎn)中得到應(yīng)用，發(fā)揮其優(yōu)越的特性，取決于人們對上述技術(shù)的融合程度。經(jīng)過近 10 年的努力 ， 我國在機器人焊裝夾具設(shè)計方面積累了較豐富的經(jīng)驗，機器人周邊設(shè)備實現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化，具有年產(chǎn) 300 余套焊接機器人工作站的能力?？梢哉f國內(nèi)的系統(tǒng)集成商在機器人工作站及簡單的焊裝線的設(shè)計開發(fā)方面具有了與國外系統(tǒng)集成商抗衡的能力，近幾年為國內(nèi)汽車零部件等企業(yè)提供了大量 的機器人焊接系統(tǒng)。但是另外一個嚴(yán)重的事實是，我們還不具備制造高水平的機器人成套焊裝線的能力。國內(nèi)幾大汽車廠的車身焊裝線都是由國外機器人系統(tǒng)集成商設(shè)計制造的。 作為焊接機器人的最大用戶，預(yù)計未來的 10 年我國汽車年產(chǎn)量要達到千萬輛，現(xiàn)在的焊接裝備遠遠滿足不了生 產(chǎn)需求，對焊接裝備的需求量將大幅增加，焊裝生產(chǎn)線要求更加自動化和柔性化，以適應(yīng)多品種、小批量的生產(chǎn)要求，機器人將大量應(yīng)用于焊接生產(chǎn)線中。對我國的機器人系統(tǒng)集成商來說如何抓住機遇是當(dāng)前要解決的重要課題，從另一方面講也決定著國產(chǎn)焊接機器人的命運。 (1)實行企業(yè)聯(lián)合。機器人系統(tǒng)集成商與汽車制造商聯(lián)合，消化吸收國外汽車焊裝線。 (2)建立自己的焊接裝備設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)及數(shù)模，提高設(shè)計水平和效率。 (3)加強人才培養(yǎng)建設(shè)。機器人焊接生產(chǎn)線是個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及到機械、電氣、物流傳輸、計算機、汽車設(shè)計制造、機器人技術(shù)、焊 接技術(shù)等多種學(xué)科，而我國目前還沒有關(guān)于這方面較為系統(tǒng)的培訓(xùn)機構(gòu)。 (4)加強與國外公司的合作，通過合作學(xué)習(xí)提高自己的設(shè)計水平。 焊接機器人的最新技術(shù) 1.TCP（ tool center point 工具中心點）自動校零技術(shù) 焊接機器人的工具中心點就是焊槍的焊絲的端點，因此 TCP 的零位精度直接影響著焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性。但在實際生產(chǎn)中不可避免會發(fā)生焊槍與夾具之間的碰撞等不可預(yù)見性因素導(dǎo)致 TCP位置偏離。通常的做法是利用手動進行機器人 TCP校零，但一般全過程需要 30min 才能完成，影響生產(chǎn)效率。 TCP 自動校零是用在 機器人焊接中的一項新技術(shù)，它的硬件設(shè)施是由一梯形固定支座和一組激光傳感器組成。當(dāng)焊槍以不同姿態(tài)經(jīng)過 TCP 支座時，激光傳感器都將記錄下的數(shù)據(jù)傳遞到 CPU 與最初設(shè)定值進行比較與計算。當(dāng) TCP 發(fā)生偏離時，機器人會自動運行校零 程序，自動對每根軸的角度進行調(diào)整，并在最少的時間內(nèi)恢復(fù) TCP 零位。 2.雙絲焊接技術(shù) 近年來由于我國汽車、集裝箱、機車車輛、工程機械等行業(yè)的高速發(fā)展，對高速焊和高熔敷效率焊接的需求越來越多。雙絲焊是近年來發(fā)展起來的一種高速高效焊接方法，焊接薄板時可以顯著提高焊接速度，達到 3 6m/min， 焊接厚板時可以提高熔敷效率。除了高速高效外，雙絲焊接還有其他的工藝特點：在熔敷效率增加時保持較低的熱輸入，熱影響區(qū)小，焊接變形小，焊接氣孔率低等。 由于焊接速度非常高，特別適合采用機器人焊接，因此可以說機器人的應(yīng)用也推動了這一先進焊接技術(shù)的發(fā)展。 目前雙絲焊主要有兩種方式：一種是 Twin arc 法，另一種為 Tandem 法。焊接設(shè)備的基本組成類似，都是由兩個焊接電源、兩個送絲機和一個共用的送雙絲的電纜。為了防止同相位的兩個電弧的相互干擾，常采用脈沖 MIG/脈沖 MAG 焊法，并保持兩個電弧輪流交替燃燒。這樣一 來，就要求一個協(xié)同控制器保證兩個電源的輸出電流波形相位相差 180 。當(dāng)焊接參數(shù)設(shè)置到最佳時，脈沖電弧能得到無短路、幾乎無飛濺的過渡過程，真正做到 “1 個脈沖過渡 1 個熔滴 ” ，每個熔滴的大小幾乎完全相同，其大小是由電弧功率來決定。 Twin arc 法的主要生產(chǎn)廠家有德國的 SKS、 Benzel 和 Nimark 公司，美國的 Miller 公司。 Tandem 法的主要廠家有德國的 Cloos、奧地利 Fronius 和美國 Lincoln 公司。據(jù)德國 Cloos 公司介紹，采用 Tandem 法焊接 2 3mm 薄板時，焊接速度可達 6m/min，焊接 8mm 以上厚板時，熔敷效率可達 24kg/h。 3.激光 /電弧復(fù)合焊接技術(shù) 激光 /電弧復(fù)合焊接技術(shù)是激光焊接與氣體保護焊的聯(lián)合，兩種焊接熱源同時作 用于一個焊接熔池。該技術(shù)的研究最早出現(xiàn)在 20 世紀(jì) 70 年代末，但由于激光器的昂貴價格，限制了其在工業(yè)中的應(yīng)用。隨著激光器和電弧焊設(shè)備性能的提高，以及激光器價格的不斷降低，同時為了滿足生產(chǎn)的迫切需求，激光 /電弧復(fù)合焊接技術(shù)近年來成為焊接領(lǐng)域最重要的研究課題之一。 激光 /電弧復(fù)合焊接技術(shù)有多種形式的組合，有激光 /TIG、激光 /MAG 和激光 /MAG等。 激光 /電 弧復(fù)合焊接技術(shù)之所以受到青睞是由于其兼各熱源之長而補各自之短，具有 1 12 或更多的 “ 協(xié)同效應(yīng) ” 。與激光焊接相比，對裝配間隙的要求降低，因而降低了焊前工件制備成本；另外由于有填充焊絲消除了激光焊接時存在的固有缺陷，焊縫更加致密。與電弧焊相比提高了電弧的穩(wěn)定性和功率密度，提高了焊接速度和焊縫熔深，熱影響區(qū)變小，降低了工件的變形，消除了起弧時的熔化不良缺陷。在這點上特別適合鋁及其合金的焊接。 激光 /電弧復(fù)合焊接技術(shù)是對激光焊接的重大發(fā)展，焊接同樣板厚的材料可降低激光功率一半左右，因此大大降低了企業(yè)的投資成本， 該技術(shù)的發(fā)展對推動激光焊接的普及將起重要的作用。 4.伺服焊鉗技術(shù)的汽車裝焊工藝中的應(yīng)用 伺服機器人焊鉗，就是利用伺服電機替代壓縮空氣做為動力源的一種新型焊鉗。它具有以下優(yōu)點： (1)提高車身的表面質(zhì)量 伺服焊鉗由于采用的是伺服電機，電極的動作速度在接觸到工件前，可由高速準(zhǔn)確地調(diào)整到低速，這樣，就可以形成電極對工件的軟接觸，減輕電極沖擊所造成的壓痕，從而也減輕了后序車身表面修磨處理量，提高了車身質(zhì)量。而且，應(yīng)用伺服控制技術(shù)可以對焊接參數(shù)進行數(shù)字化控制管理，可 以保證提供出最適焊接參數(shù)數(shù)據(jù)，保證焊接質(zhì)量。 (2)改善作業(yè)環(huán)境 由于電極對工件的是軟接觸，可以減輕沖擊噪聲，也不會出現(xiàn)使用氣動焊鉗時所造成的排氣噪音。改善了現(xiàn)場的作業(yè)環(huán)境。 (3)高生產(chǎn)效率 伺服焊鉗的加壓開放動作由機器人來自動控制。與氣動焊鉗相比，伺服焊鉗的動作路徑可以控制到最短化，縮短生產(chǎn)節(jié)拍，提高生產(chǎn)效率。 目前，從投資的角度來考慮，購買伺服焊鉗設(shè)備的一次投入較高，因此，伺服焊鉗還不能被廣泛