焊接機(jī)器人的工程應(yīng)用

焊接機(jī)器人的工程應(yīng)用本文介紹了我國(guó)焊接機(jī)器人的應(yīng)用狀況、應(yīng)用焊接機(jī)器人的意義和焊接機(jī)器人應(yīng)用工程幾個(gè)方面的情況，同時(shí)介紹了焊接機(jī)器人的4種最新的應(yīng)用技術(shù)。 國(guó)內(nèi)焊接機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展 我國(guó)開(kāi)發(fā)工業(yè)機(jī)器人晚于美國(guó)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(guó)沒(méi)有一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人問(wèn)世。而在國(guó)外，工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)是個(gè)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(shí)的國(guó)內(nèi)外形勢(shì)，國(guó)家“七五”攻關(guān)計(jì)劃將工業(yè)機(jī)器人的開(kāi)發(fā)列入了計(jì)劃，對(duì)工業(yè)機(jī)器人進(jìn)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(jī)器人技術(shù)和用戶緊密結(jié)合起來(lái)，使中國(guó)機(jī)器人在起步階段就瞄準(zhǔn)了實(shí)用化的方向。與此同時(shí)于1986年將發(fā)展機(jī)器人列入國(guó)家“863”高科技計(jì)劃。在國(guó)家“863”計(jì)劃實(shí)施五周年之際，鄧小平同志提出了“發(fā)展高科技，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化”的目標(biāo)。在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)發(fā)展的推動(dòng)下，以及對(duì)機(jī)器人技術(shù)研究的技術(shù)儲(chǔ)備的基礎(chǔ)上，863主題專家組及時(shí)對(duì)主攻方向進(jìn)行了調(diào)整和延伸，將工業(yè)機(jī)器人及應(yīng)用工程作為研究開(kāi)發(fā)重點(diǎn)之一，提出了以應(yīng)用帶動(dòng)關(guān)鍵技術(shù)和基礎(chǔ)研究的發(fā)展方針，以后又列入國(guó)家“八五”和“九五”中。經(jīng)過(guò)十幾年的持續(xù)努力，在國(guó)家的組織和支持下，我國(guó)焊接機(jī)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(jìn)展，并已進(jìn)入使用化階段，形成了點(diǎn)焊、弧焊機(jī)器人系列產(chǎn)品，能夠?qū)崿F(xiàn)小批量生產(chǎn)。 我國(guó)焊接機(jī)器人的應(yīng)用狀況 我國(guó)焊接機(jī)器人的應(yīng)用主要集中在汽車、摩托車、工程機(jī)械、鐵路機(jī)車等幾個(gè)主要行業(yè)。汽車是焊接機(jī)器人的最大用戶，也是最早用戶。早在70年代末，上海電焊機(jī)廠與上海電動(dòng)工具研究所，合作研制的直角坐標(biāo)機(jī)械手，成功地應(yīng)用于上海牌轎車底盤的焊接?！耙黄笔俏覈?guó)最早引進(jìn)焊接機(jī)器人的企業(yè)，1984起先后從KUKA公司引進(jìn)了3臺(tái)點(diǎn)焊機(jī)器人，用于當(dāng)時(shí)“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(jī)器人應(yīng)用于前圍總成的焊接，并于1988年開(kāi)發(fā)了機(jī)器人車身總焊線 。80年代末和90年代初，德國(guó)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(guó)外的二手設(shè)備，但其焊接自動(dòng)化程度與裝備水平，讓我們認(rèn)識(shí)到了與國(guó)外的巨大差距。隨后二汽在貨車及輕型車項(xiàng)目中都引進(jìn)了焊接機(jī)器人。可以說(shuō)90年代以來(lái)的技術(shù)引進(jìn)和生產(chǎn)設(shè)備、工藝裝備的引進(jìn)使我國(guó)的汽車制造水平由原來(lái)的作坊式生產(chǎn)提高到規(guī)模化生產(chǎn)，同時(shí)使國(guó)外焊接機(jī)器人大量進(jìn)入中國(guó)。由于我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的高速發(fā)展帶動(dòng)了工程機(jī)械行業(yè)的繁榮，工程機(jī)械行業(yè)也成為較早引用焊接機(jī)器人的行業(yè)之一。近年來(lái)由于我國(guó)經(jīng)濟(jì)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(kāi)始尋求自動(dòng)化焊接技術(shù)，焊接機(jī)器人逐漸嶄露頭角。鐵路機(jī)車行業(yè)由于我國(guó)貨運(yùn)、客運(yùn)、城市地鐵等需求量的不斷增加，以及列車提速的需求，機(jī)器人的需求一直處于穩(wěn)步增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。據(jù)2001年統(tǒng)計(jì)，全國(guó)共有各類焊接機(jī)器人1040臺(tái)，汽車制造和汽車零部件生產(chǎn)企業(yè)中的焊接機(jī)器人占全部焊接機(jī)器人的76%。在汽車行業(yè)中點(diǎn)焊機(jī)器人與弧焊機(jī)器人的比例為3：2，其他行業(yè)大都是以弧焊機(jī)器人為主，主要分布在工程機(jī)械(10%)、摩托車(6%)、鐵路車輛(4%)、鍋爐(1%)等行業(yè)。焊接機(jī)器人也主要分布在全國(guó)幾大汽車制造廠， 從圖1中還能看出，我國(guó)焊接機(jī)器人的行業(yè)分布不均衡，也不夠廣泛。 進(jìn)入21世紀(jì)由于國(guó)外汽車巨頭的不斷涌入，汽車行業(yè)迅猛發(fā)展，我國(guó)汽車行業(yè)的機(jī)器人安裝臺(tái)數(shù)迅速增加，2002、2003、2004年每年都有近千臺(tái)的數(shù)量增長(zhǎng)。估計(jì)我國(guó)目前焊接機(jī)器人的安裝臺(tái)數(shù)在4000臺(tái)左右。汽車行業(yè)焊接機(jī)器人所占的比例會(huì)進(jìn)一步提高。 目前在我國(guó)應(yīng)用的機(jī)器人主要分日系、歐系和國(guó)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(guó)的KUKA、CLOOS、瑞典的ABB、意大利的COMAU及奧地利的IGM公司。國(guó)產(chǎn)機(jī)器人主要是沈陽(yáng)新松機(jī)器人公司產(chǎn)品。 目前在我國(guó)應(yīng)用的工業(yè)機(jī)器人中，國(guó)產(chǎn)機(jī)器人的數(shù)量不足100臺(tái)，特別是近兩年新安裝的機(jī)器人焊接系統(tǒng)中已經(jīng)看不到中國(guó)機(jī)器人的身影，雖然我國(guó)已經(jīng)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的焊接機(jī)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(gè)主要原因： 國(guó)內(nèi)機(jī)器人價(jià)格沒(méi)有優(yōu)勢(shì)。近10年來(lái)，進(jìn)口機(jī)器人的價(jià)格大幅度降低，從每臺(tái)7-8萬(wàn)美元降低到2-3萬(wàn)美元，使我國(guó)自行制造的普通工業(yè)機(jī)器人在價(jià)格上很難與之競(jìng)爭(zhēng)。特別是我國(guó)在研制機(jī)器人的初期，沒(méi)有同步發(fā)展相應(yīng)的零部件產(chǎn)業(yè)，如伺服電機(jī)、減速機(jī)等需要進(jìn)口，使價(jià)格難以降低，所以機(jī)器人生產(chǎn)成本降不下來(lái)；我國(guó)焊接裝備水平與國(guó)外還存在很大差距，這一點(diǎn)也間接影響了國(guó)內(nèi)機(jī)器人的發(fā)展。對(duì)于機(jī)器人的最大用戶-汽車白車身生產(chǎn)廠來(lái)說(shuō)，目前幾乎所有的裝備都來(lái)從國(guó)外引進(jìn)，國(guó)產(chǎn)機(jī)器人幾乎找不到表演的舞臺(tái)。 我們應(yīng)該承認(rèn)國(guó)產(chǎn)機(jī)器人無(wú)論從控制水平還是可靠性等方面與國(guó)外公司還存在一定的差距。國(guó)外工業(yè)機(jī)器人是個(gè)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(shí)際生產(chǎn)中不斷地完善和提高，而我國(guó)則處于一種單件小批量的生產(chǎn)狀態(tài)。 國(guó)內(nèi)機(jī)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(jī)器人是個(gè)機(jī)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(duì)機(jī)器人生產(chǎn)企業(yè)及使用國(guó)產(chǎn)機(jī)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(guó)國(guó)產(chǎn)機(jī)器人的發(fā)展。 應(yīng)用焊接機(jī)器人的意義 焊接機(jī)器人之所以能夠占據(jù)整個(gè)工業(yè)機(jī)器人總量的40%以上，與焊接這個(gè)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(shí)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(duì)產(chǎn)品質(zhì)量起決定性的影響。歸納起來(lái)采用焊接機(jī)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(zhǎng)度等對(duì)焊接結(jié)果起決定作用。采用機(jī)器人焊接時(shí)對(duì)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(duì)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(shí)，焊接速度、干伸長(zhǎng)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(dòng)條件。采用機(jī)器人焊接工人只是用來(lái)裝卸工件，遠(yuǎn)離了焊接弧光、煙霧和飛濺等，對(duì)于點(diǎn)焊來(lái)說(shuō)工人不再搬運(yùn)笨重的手工焊鉗，使工人從大強(qiáng)度的體力勞動(dòng)中解脫出來(lái)。 (3) 提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。機(jī)器人沒(méi)有疲勞，一天可24小時(shí)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(jī)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(jī)器人的生產(chǎn)節(jié)拍是固定的，因此安排生產(chǎn)計(jì)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。可實(shí)現(xiàn)小批量產(chǎn)品的焊接自動(dòng)化。機(jī)器人與專機(jī)的最大區(qū)別就是他可以通過(guò)修改程序以適應(yīng)不同工件的生產(chǎn)。 我國(guó)焊接機(jī)器人應(yīng)用工程 焊接機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)是機(jī)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(jī)器人能否在實(shí)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(duì)上述技術(shù)的融合程度。經(jīng)過(guò)近10年的努力，我國(guó)在機(jī)器人焊裝夾具設(shè)計(jì)方面積累了較豐富的經(jīng)驗(yàn)，機(jī)器人周邊設(shè)備實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化，具有年產(chǎn)300余套焊接機(jī)器人工作站的能力?？梢哉f(shuō)國(guó)內(nèi)的系統(tǒng)集成商在機(jī)器人工作站及簡(jiǎn)單的焊裝線的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)方面具有了與國(guó)外系統(tǒng)集成商抗衡的能力，近幾年為國(guó)內(nèi)汽車零部件等企業(yè)提供了大量的機(jī)器人焊接系統(tǒng)。但是另外一個(gè)嚴(yán)重的事實(shí)是，我們還不具備制造高水平的機(jī)器人成套焊裝線的能力。國(guó)內(nèi)幾大汽車廠的車身焊裝線都是由國(guó)外機(jī)器人系統(tǒng)集成商設(shè)計(jì)制造的。 作為焊接機(jī)器人的最大用戶，預(yù)計(jì)未來(lái)的10年我國(guó)汽車年產(chǎn)量要達(dá)到千萬(wàn)輛，現(xiàn)在的焊接裝備遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了生產(chǎn)需求，對(duì)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(dòng)化和柔性化，以適應(yīng)多品種、小批量的生產(chǎn)要求，機(jī)器人將大量應(yīng)用于焊接生產(chǎn)線中。對(duì)我國(guó)的機(jī)器人系統(tǒng)集成商來(lái)說(shuō)如何抓住機(jī)遇是當(dāng)前要解決的重要課題，從另一方面講也決定著國(guó)產(chǎn)焊接機(jī)器人的命運(yùn)。 (1) 實(shí)行企業(yè)聯(lián)合。機(jī)器人系統(tǒng)集成商與汽車制造商聯(lián)合，消化吸收國(guó)外汽車焊裝線。 (2) 建立自己的焊接裝備設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及數(shù)模，提高設(shè)計(jì)水平和效率。 (3) 加強(qiáng)人才培養(yǎng)建設(shè)。機(jī)器人焊接生產(chǎn)線是個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及到機(jī)械、電氣、物流傳輸、計(jì)算機(jī)、汽車設(shè)計(jì)制造、機(jī)器人技術(shù)、焊接技術(shù)等多種學(xué)科，而我國(guó)目前還沒(méi)有關(guān)于這方面較為系統(tǒng)的培訓(xùn)機(jī)構(gòu)。 (4) 加強(qiáng)與國(guó)外公司的合作，通過(guò)合作學(xué)習(xí)提高自己的設(shè)計(jì)水平。 焊接機(jī)器人的最新應(yīng)用技術(shù) (1) TCP(tool center point工具中心點(diǎn))自動(dòng)校零技術(shù) 焊接機(jī)器人的工具中心點(diǎn)就是焊槍的焊絲的端點(diǎn)，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(shí)際生產(chǎn)中不可避免會(huì)發(fā)生焊槍與夾具之間的碰撞等不可預(yù)見(jiàn)性因素導(dǎo)致TCP位置偏離。通常的做法是利用手動(dòng)進(jìn)行機(jī)器人TCP校零，但一般全過(guò)程需要30分鐘才能完成，影響生產(chǎn)效率。TCP自動(dòng)校零是用在機(jī)器人焊接中的一項(xiàng)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(guò)TCP支座時(shí)，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(jìn)行比較與計(jì)算。當(dāng)TCP發(fā)生偏離時(shí)，機(jī)器人會(huì)自動(dòng)運(yùn)行校零程序，自動(dòng)對(duì)每根軸的角度進(jìn)行調(diào)整，并在最少的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)TCP零位。 (2) 雙絲焊接技術(shù) 近年來(lái)由于我國(guó)汽車、集裝箱、機(jī)車車輛、工程機(jī)械等行業(yè)的高速發(fā)展，對(duì)高速焊和高熔敷效率焊接的需求越來(lái)越多。雙絲焊是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種高速高效焊接方法，焊接薄板時(shí)可以顯著提高焊接速度，達(dá)到36m/min，焊接厚板時(shí)可以提高熔敷效率。除了高速高效外，雙絲焊接還有其它的工藝特點(diǎn)：在熔敷效率增加時(shí)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(jī)器人焊接，因此可以說(shuō)機(jī)器人的應(yīng)用也推動(dòng)了這一先進(jìn)焊接技術(shù)的發(fā)展。 目前雙絲焊主要有2種方式：1種是Twin arc法，另1種為Tandem法。焊接設(shè)備的基本組成類似，都是由2個(gè)焊接電源、2個(gè)送絲機(jī)和1個(gè)共用的送雙絲的電纜。為了防止同相位的2個(gè)電弧的相互干擾，常采用脈沖MIG/脈沖MAG焊法，并保持2個(gè)電弧輪流交替燃燒。這樣一來(lái)，就要求1個(gè)協(xié)同控制器保證2個(gè)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(shí)，脈沖電弧能得到無(wú)短路、幾乎無(wú)飛濺的過(guò)渡過(guò)程，真正做到“1個(gè)脈沖過(guò)渡1個(gè)熔滴”，每個(gè)熔滴的大小幾乎完全相同，其大小是由電弧功率來(lái)決定。 Twin arc法的主要生產(chǎn)廠家有德國(guó)的SKS、Benzel和Nimark公司，美國(guó)的Miller公司。Tandem法的要廠家有德國(guó)的Cloos、奧地利Fronius和美國(guó)Lincoln公司。據(jù)德國(guó)Cloos公司介紹，采用Tandem法焊接23mm薄板時(shí)，焊接速度可達(dá)6m/min，焊接8mm以上厚板時(shí)，熔敷效率可達(dá)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(hù)焊的聯(lián)合，兩種焊接熱源同時(shí)作用于一個(gè)焊接熔池。該技術(shù)的研究最早出現(xiàn)在上世紀(jì)70年代末，但由于激光器的昂貴價(jià)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(jià)格的不斷降低，同時(shí)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(lái)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(zhǎng)而補(bǔ)各自之短，具有1+1>2或更多的“協(xié)同效應(yīng)”。與激光焊接相比，對(duì)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(shí)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(shí)的熔化不良缺陷。在這點(diǎn)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(duì)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(duì)推動(dòng)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(jī)器人焊鉗，就是利用伺服電機(jī)替代壓縮空氣做為動(dòng)力源的一種新型焊鉗。它具有以下優(yōu)點(diǎn)： 提高車身的表面質(zhì)量 伺服焊鉗由于采用的是伺服電機(jī)，電極的動(dòng)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(duì)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(duì)焊接參數(shù)進(jìn)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。 改善作業(yè)環(huán)境 由于電極對(duì)工件的是軟接觸，可以減輕沖擊噪音，也不會(huì)出現(xiàn)使用氣動(dòng)焊鉗時(shí)所造成的排氣噪音。改善了現(xiàn)場(chǎng)的作業(yè)環(huán)境。 高生產(chǎn)效率 伺服焊鉗的加壓開(kāi)放動(dòng)作由機(jī)器人來(lái)自動(dòng)控制。與氣動(dòng)焊鉗相比，伺服焊鉗的動(dòng)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(lái)考慮，購(gòu)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采用。但是，考慮到伺服焊鉗的優(yōu)勢(shì)，例如伺服焊鉗的軟接觸化，對(duì)工件的沖擊可減輕，從而可以相對(duì)減少焊接夾具夾緊機(jī)構(gòu)的數(shù)量，削減夾具的費(fèi)用等，也可以減少生產(chǎn)線的整體投資額，伺服焊鉗仍有其廣闊的應(yīng)用空間。因此，隨著發(fā)展，伺服焊鉗會(huì)越來(lái)越多應(yīng)用于生產(chǎn)線上。