焊接機器人的應(yīng)用

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1、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

2、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

3、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KUK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

4、化程度與裝備水平，讓我們認(rèn)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。 可以說 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

5、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

6、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，

7、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(rèn)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

8、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

9、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(yuǎn)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，

10、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。可實現(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

11、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(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了

12、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

13、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 TC限零，但一般全過程需要3 0min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

14、時，激光傳感器都將記錄下的數(shù)據(jù)傳遞到 CPUt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

15、，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MAGI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

16、決定。 Twin arc 法的主要生產(chǎn)廠家有德國的 SKSBenzel和Nimark公司，美國的Miller 公司。 Tandem^的主要廠家有彳惠國的 Cloos、奧地利Fronius和美國Lincoln公司。據(jù)彳惠國Cl oos公司介紹，采用Tandemfe焊接2?3mmmi板時，焊接速度可達6m/min,焊接8mnO 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

17、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?口激光/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 1> 2 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

18、，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

19、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 能被廣泛采用。但是，考慮到伺服焊鉗的優(yōu)勢，如伺服焊鉗的軟接觸化，對工件的沖擊 可減輕，從而可以相對減少焊接夾具夾緊機構(gòu)的數(shù)量，削減夾具的費用等，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 越來越多應(yīng)用于生產(chǎn)線上。 工業(yè)機器人技術(shù)的研究、發(fā)展與應(yīng)用，有力地推動了世界工業(yè)技術(shù)的進步。特別是焊接 機器人在高質(zhì)高效的焊接生產(chǎn)中，發(fā)揮了極其重要的作用。 隨著我國加入 WTOt國際競爭更加激烈，對工業(yè)機器人的需求會越來越大，我國的工業(yè) 機器人產(chǎn)業(yè)將面臨新的發(fā)展機遇和來自國外的挑戰(zhàn)，我們要把握這一機遇，迎接挑戰(zhàn)， 為我國躋身于機器人強國之列而努力奮斗。