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焊接机器人的应用及前沿研究

作者:吴铅          网站:焊接科技网      点击数:        时间:2012-8-29


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1、 焊接机器人应用的最初领域
焊接机器人是具有三个或三个以上可自由编程的轴,并能将焊接工具按要求送到预定空间位置,按要求轨迹及速度移动焊接工具的机器。包括弧焊机器人、激光焊接机器人、点焊机器人等。焊接机器人应用中最普遍的主要有两种方式,即点焊和电弧焊。
众所周知,焊接加工一方面要求焊工要有熟练的操作技能;另一方面,焊接又是一种劳动条件差、危险性高的工作。工业机器人的出现使人们自然而然首先想到用它代替人的手工焊接,减轻焊工的劳动强度,同时也可以保证焊接质量和提高焊接效率。
然而,焊接又与其它工业加工过程不一样,比如,手工焊时有经验的焊工需根据眼睛所观察到的实际焊缝位置适时地调整焊枪的位置、姿态和行走的速度,以适应焊缝轨迹的变化。然而机器人要适应这种变化,必须首先像人一样要“看”到这种变化,然后采取相应的措施调整焊枪的位置和状态,实现对焊缝的实时跟踪。由于电弧焊接过程中有强烈弧光、电弧噪音、烟尘、熔滴过渡不稳定引起的焊丝短路、大电流强磁场等复杂的环境因素的存在,机器人要检测和识别焊缝所需要的信号特征的提取并不像工业制造中其它加工过程的检测那么容易,因此,焊接机器人的应用并不是一开始就用于电弧焊过程的。
实际上,工业机器人在焊接领域的应用最早是从汽车装配生产线上的电阻点焊开始的。原因在于电阻点焊的过程相对比较简单,控制方便,且不需要焊缝轨迹跟踪,对机器人的精度和重复精度的控制要求比较低。点焊机器人在汽车装配生产线上的大量应用大大提高了汽车装配焊接的生产率和焊接质量,同时又具有柔性焊接的特点,即只要改变程序,就可在同一条生产线上对不同的车型进行装配焊接。
由于机器人控制速度和精度的提高,机器人焊接在汽车制造中的应用从原来比较单一的汽车装配点焊很快发展为汽车零部件和装配过程中的电弧焊。机器人电弧焊的最大的特点是柔性,即可通过编程随时改变焊接轨迹和焊接顺序,因此最适用于被焊工件品种变化大、焊缝短而多、形状复杂的产品。这正好又符合汽车制造的特点。尤其是现代社会汽车款式的更新速度非常快,采用机器人装备的汽车生产线能够很好地适应这种变化。
2、 焊接机器人应用领域的扩展
焊接机器人电弧焊不仅用于汽车制造业,更可以用于涉及电弧焊的其它制造业,如造船、机车车辆、锅炉、重型机械等等。因此,机器人电弧焊的应用范围日趋广泛,在数量上大有超过机器人点焊之势。
一些高强合金材料和轻合金材料(如铝合金、镁合金等)在工程中得到应用。这些材料的焊接往往无法用传统的焊接方法来解决,必须采用新的焊接方法和焊接工艺。其中高功率激光焊和搅拌摩擦焊等最具发展潜力。因此,机器人与高功率激光焊和搅拌摩擦焊的结合将成为必然趋势。
事实上,像上海大众等国内最具实力的汽车制造商在他们的新车型制造过程中已经大量使用机器人激光焊接。和机器人电弧焊相比,机器人激光焊的焊缝跟踪精度要求更高。根据一般的要求,机器人电弧焊(包括GTAW和GMAW)的焊缝跟踪精度必须控制在电极或焊丝直径的1/2以内,在具有填充丝的条件下焊缝跟踪精度可适当放宽。
但对激光焊而言,焊接时激光照射在工件表面的光斑直径通常在0.6以内,远小于焊丝直径(通常大于1.0),而激光焊接时通常又不加填充焊丝,因此,激光焊接中若光斑位置稍有偏差,便会造成偏焊、漏焊。因此,上海大众的汽车车顶机器人激光焊除了在工装夹具上采取措施防止焊接变形外,还在机器人激光焊枪前方安装了德国SCOUT公司的高精度激光传感器用于焊缝轨迹的跟踪。
3、     我国焊接机器人的发展
在“十五”期间,我国曾把包括焊接机器人在内的示教再现型工业机器人的产业化关键技术作为重点研究内容之一,其中包括焊接机器人(把弧焊与点焊机器人作为负载不同的一个系列机器人,可兼作弧焊、点焊、搬运、装配、切割作业)产品的标准化、通用化、模块化、系列化设计;弧焊机器人用激光视觉焊缝跟踪装置的开发,激光发射器的选用,CCD成象系统,视觉图象处理技术,视觉跟踪与机器人协调控制;焊接机器人的离线示教编程及工作站系统动态仿真等。
4、    焊接机器人实验室
上海交通大学机器人焊接智能化技术实验室在多年的智能化焊接机器人和机器人焊接智能化技术研究工作中积累了雄厚的技术基础。运用人工智能技术模拟实现焊工观察、判断与操作行为,研究在局部环境基于视觉信息对焊接环境自动识别、导引跟踪焊缝、焊接熔池动态特征智能控制等关键技术,将计算机视觉、知识建模、模糊神经网络、智能控制等智能化技术成功地用于解决各种典型工艺条件下脉冲TIG焊动态过程控制这一焊接界的难题,形成了系列性的研究成果。在基于视觉信息的焊接机器人自主与智能化关键技术及其系统实现等方向的研究中取得多项创新性结果。
代表性的成果如下: 1、Intelligent control technologies for spacial seam quality of robotic welding and system realization, Award of 2004’ National Science and Technology Progress (2004年国家科学技术进步奖二等奖);
2、智能化机器人焊接关键技术及其应用研究,2008年中国机械工业联合会科学技术奖一等奖;
3、局部环境自主智能焊接机器人关键技术及其系统,2008年上海市科学技术进步奖二等奖



图片为焊接科技产品-焊接机器人 



说明:图片为焊接科技产品-焊接机器人

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