焊接機器人的應用 焊接機器人技術的發展 我國開發工業機器人晚于美國和日本，起于 20 世紀 70 年代，早期是大學和科研院所的自發性的研究。到 80 年代中期，全國沒有一臺工業機器人問世。而在國外，工業機器人已經是個非常成熟的工業產品，在汽車行業得到了廣泛的應用。鑒于當時的國內外形勢，國家 “ 七五 ” 攻關計劃將工業機器人的開發列入了計劃，對工業機器人進行了攻關，特別是把應用作為考核的重要內容，這樣就把機器人技術和用戶緊密結合起來，使中國機器人在起步階段就瞄準了實用化的方向。與此同時于 1986 年將發展機器人列入國家 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 發展高科技，實現產業化 的目標。在國內市場發展的推動下，以及對機器人技術研究的技術儲備的基礎上， 863 主題專家組及時對主攻方向進行了調整和延伸，將工業機器人及應用工程作為研究開發重點之一，提出了以應用帶動關鍵技術和基礎研究的發展方針，以后又列入國家 八五 和 九五 中。經過十幾年的持續努力，在國家的組織和支持下，我國焊接機器人的研究在基礎技術、控制技術、關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、弧焊機器人系列產品 ，能夠實現小批量生產。 焊接機器人的應用狀況 我國焊接機器人的應用主要集中在汽車、摩托車、工程機械、鐵路機車等幾個主要行業。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機械手，成功地應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， 1984 年起先后 從 KUKA 公司引進了 3 臺點焊機器人，用于當時 “ 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用于前圍總成的焊接，并于 1988 年開發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轎車，雖然是國外的二手設備，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。可以說 90 年代以來的技術引進和生產設備、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提高到規模化生產，同時使國外焊接機器人大量進入中國。由于我國基礎設施建設的高速發展帶動了工程機械行業的繁榮，工程機械行業也成為較早引用焊接機器人的行業之一。近年來由于我國經濟的高速發展，能源的大量需求，與能源相 關的制造行業也都開始尋求自動化焊接技術，焊接機器人逐漸嶄露頭角。鐵路機車行業由于我國貨運、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步增長態勢。據 2001 年統計，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企業中的焊接機器人占全部焊接機器人的 76%。在汽車行業中點焊機器人與弧焊機器人的比例為 3： 2，其他行業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。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分布不均衡，也不夠廣泛。 進入 21 世紀由于國外汽車巨頭的不斷涌入，汽車行業迅猛發展，我國汽車行業的機器人安裝臺數迅速增加， 2002、 2003、 2004 年每年都有近千臺的數量增長。估計我國目前焊接機器人的安裝臺數在 4000 臺左右。汽車行業焊接機器人所占的比例會進一步提高。 目前在我國應用的機器人主要分日系、歐系和國產三種。日系中主要有安川、 OTC、松下、 FANUC、不二越、川崎等公司的產品。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。國產機器人主要是沈 陽新松機器人公司產品。 目前在我國應用的工業機器人中，國產機器人的數量不足 100 臺，特別是近兩年新安裝的機器人焊接系統中已經看不到中國機器人的身影，雖然我國已經具有自主知識產權的焊接機器人系列產品，但卻不能批量生產，形成規模，有以下幾個主要原因： 國內機器人價格沒有優勢。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，沒有同步發展相應的零部件產業，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機器人的發展。對于機器人的最大用戶 汽車白車身生產廠來說，目前幾乎所有的裝備都來從國外引進，國產機器人幾乎找不到表演的舞臺。 我們應該承認國產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。國外工業機器人是個非常成熟的工業產品，經歷了 30 多年的發展歷程，而且在實際生產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狀態。 國內機器人生產廠家處于幼兒期，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產品，單靠企業的自身能力是不夠的，需要政府對機器人生產企業及使用國產機器人系統的企業給予一定的政策和資金支持，加速我國國產機器人的發展。 應用焊接機器人的意義 焊接機器人之所以能夠占據整個工業機器人總量的 40%以上，與焊接這個特殊的 行業有關，焊接作為工業 “ 裁縫 ” ，是工業生產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，焊接的工作環境又非常惡劣，焊接質量的好壞對產品質量起決定性的影響。歸納起來采用焊接機器人有下列主要意義： （ 1）穩定和提高焊接質 量，保證其均一性。焊接參數如焊接電流、電壓、焊接速度及焊接干伸長度等對焊接結果起決定作用。采用機器人焊接時，對于每條焊縫的焊接參數都是恒定的，焊縫質量受人的因素影響較小，降低了對工人操作技術的要求，因此焊接質量是穩定的。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）提高勞動生產率。機器人沒有疲勞，一天可 24h 連續生產，另外隨著高速高效焊接技術的應用，使用機器人焊接，效率提高的更加明顯。 （ 4）產品周期明確，容易控制產品產量。機器人的生產節拍是固定的，因此安排生產計劃非常明確。 （ 5）可縮短產品改型換代的周期 ,減小相應的設備投資。可實現小批量產品的焊接自動化。機器人與專機的最大區別就是他可以通過修改程序以適應不同工件的生產。 焊接機器人應用工程 焊接機器人應用技術是機器人技術、焊接技術和系統工程技術的融合，焊接機器人能否在實際生產中得到應用，發揮其優越的特性，取決于人們對上述技術的融合程度。經過近 10 年的努力 ， 我國在機器人焊裝夾具設計方面積累了較豐富的經驗，機器人周邊設備實現了標準化，具有年產 300 余套焊接機器人工作站的能力。可以說國內的系統集成商在機器人工作站及簡單的焊裝線的設計開發方面具有了與國外系統集成商抗衡的能力，近幾年為國內汽車零部件等企業提供了大量 的機器人焊接系統。但是另外一個嚴重的事實是，我們還不具備制造高水平的機器人成套焊裝線的能力。國內幾大汽車廠的車身焊裝線都是由國外機器人系統集成商設計制造的。 作為焊接機器人的最大用戶，預計未來的 10 年我國汽車年產量要達到千萬輛，現在的焊接裝備遠遠滿足不了生 產需求，對焊接裝備的需求量將大幅增加，焊裝生產線要求更加自動化和柔性化，以適應多品種、小批量的生產要求，機器人將大量應用于焊接生產線中。對我國的機器人系統集成商來說如何抓住機遇是當前要解決的重要課題，從另一方面講也決定著國產焊接機器人的命運。 (1)實行企業聯合。機器人系統集成商與汽車制造商聯合，消化吸收國外汽車焊裝線。 (2)建立自己的焊接裝備設計標準及數模，提高設計水平和效率。 (3)加強人才培養建設。機器人焊接生產線是個復雜的系統工程，涉及到機械、電氣、物流傳輸、計算機、汽車設計制造、機器人技術、焊 接技術等多種學科，而我國目前還沒有關于這方面較為系統的培訓機構。 (4)加強與國外公司的合作，通過合作學習提高自己的設計水平。 焊接機器人的最新技術 1.TCP（ tool center point 工具中心點）自動校零技術 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量的穩定性。但在實際生產中不可避免會發生焊槍與夾具之間的碰撞等不可預見性因素導致 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，影響生產效率。 TCP 自動校零是用在 機器人焊接中的一項新技術，它的硬件設施是由一梯形固定支座和一組激光傳感器組成。當焊槍以不同姿態經過 TCP 支座時，激光傳感器都將記錄下的數據傳遞到 CPU 與最初設定值進行比較與計算。當 TCP 發生偏離時，機器人會自動運行校零 程序，自動對每根軸的角度進行調整，并在最少的時間內恢復 TCP 零位。 2.雙絲焊接技術 近年來由于我國汽車、集裝箱、機車車輛、工程機械等行業的高速發展，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用也推動了這一先進焊接技術的發展。 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，就要求一個協同控制器保證兩個電源的輸出電流波形相位相差 180 。當焊接參數設置到最佳時，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 /電弧復合焊接技術 激光 /電弧復合焊接技術是激光焊接與氣體保護焊的聯合，兩種焊接熱源同時作 用于一個焊接熔池。該技術的研究最早出現在 20 世紀 70 年代末，但由于激光器的昂貴價格，限制了其在工業中的應用。隨著激光器和電弧焊設備性能的提高，以及激光器價格的不斷降低，同時為了滿足生產的迫切需求，激光 /電弧復合焊接技術近年來成為焊接領域最重要的研究課題之一。 激光 /電弧復合焊接技術有多種形式的組合，有激光 /TIG、激光 /MAG 和激光 /MAG等。 激光 /電 弧復合焊接技術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 “ 協同效應 ” 。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定性和功率密度，提高了焊接速度和焊縫熔深，熱影響區變小，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 /電弧復合焊接技術是對激光焊接的重大發展，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的投資成本， 該技術的發展對推動激光焊接的普及將起重要的作用。 4.伺服焊鉗技術的汽車裝焊工藝中的應用 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。它具有以下優點： (1)提高車身的表面質量 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，可由高速準確地調整到低速，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，提高了車身質量。而且，應用伺服控制技術可以對焊接參數進行數字化控制管理，可 以保證提供出最適焊接參數數據，保證焊接質量。 (2)改善作業環境 由于電極對工件的是軟接觸，可以減輕沖擊噪聲，也不會出現使用氣動焊鉗時所造成的排氣噪音。改善了現場的作業環境。 (3)高生產效率 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，縮短生產節拍，提高生產效率。 目前，從投資的角度來考慮，購買伺服焊鉗設備的一次投入較高，因此，伺服焊鉗還不能被廣泛