焊接机器人介绍

目录焊接机器人介绍1焊接机器人的应用背景工业制造领域中应用最广泛的机器人是焊接机器人;特别是在汽车制造业中;机器人使用量约占全部工业机器人总量的30%;而其中的焊接机器人数量就占去50%左右..焊接是现代机械制造业中必不可少的一种加工工艺方法;在汽车制造、工程机械、摩托车等行业中占有重要的地位..过去采用人工操作焊接加工是一项繁重的工作; 随着许多焊接结构件的焊接精度和速度要求越来越高;一般工人已难以胜任这一工作..此外;焊接时的电弧、火花及烟雾等对人体会造成伤害;焊接制造工艺的复杂性、劳动强度、产品质量、批量等要求;使得焊接工艺对于自动化、机械化的要求极为迫切;实现机器人自动焊接代替人工操作焊接成为几代焊接人的理想和追求目标..汽车制造的批量化、高效率和对产品质量一致性的要求;使焊接机器人在汽车焊接中获得大量应用..汽车制造中的机器人自动焊接所占比重也超过建筑、造船、钢结构等其它行业;这也反映出汽车焊接生产所具有的自动化、柔性化、集成化的制造特征..焊接机器人是焊接自动化的革命性进步;它突破了焊接刚性自动化的传统方式;开拓了一种柔性自动化生产方式..刚性自动化生产设备通常都是专用的;只适用于中、大批量的自动化生产;因而在很长一段时期内中、小批量产品的焊接生产中;仍然以手工焊接为主要的焊接方式;而焊接机器人的出现;使小批量产品自动化焊接生产成为可能..由于机器人具有示教再现功能;完成一项焊接任务只需要人给机器人作一次示教;随后机器人可精确的再现示教的每一步操作..如果需要机器人去作另一项工作;无需改变任何硬件;只要对机器人再作一次示教或编程即可;因此;在一条焊接机器人生产线上;可同时自动生产若不同产品..1.1焊接机器人的概述焊接机器人是集机械、计算机、电子、传感器、人工智能等多方面知识技术于一体的现代化、自动化设备..焊接机器人主要由机器人和焊接设备两大部分构成..机器人由机器人本体和控制系统组成..焊接设备以点焊为例;则由焊接电源、专用焊枪、传感器、修磨器等部分组成..此外;还有相应的系统保护装置..1.1.1焊接机器人的优点1 稳定和提高焊接质量;保证焊缝均匀性;2 提高劳动生产率;一天可24小时连续工作:3 改善工人劳动条件;可以在有毒、有害的环境下工作;4 降低对工人操作技术的要求;5 可实现小批量产品的焊接自动化;6 能在空间站建设、核能设备维修、深水焊接等极限条件下完成人工无法或难以进行的焊接作业;7 为焊接柔性生产线提供技术基础..1.1.2 焊接机器人的发展历史从二十世纪六十年代焊接机器人诞生和发展到现在;焊接机器人研究大致分为三代：第一代是指基于示教再现方式的焊接机器人;由于其操作简便、不需要环境模型;并且可以在示教时修正机械结构带来的误差;因此在焊接生产中得到大量的应用..第二代是指基于一定传感器传递信息的离线编程机器人;它得益于焊接传感技术和离线编程技术的不断改进和快速发展;目前这类机器人己经进入实际应用研究阶段..第三代是指具有多种传感器;在接收作业指令后可根据客观环境自行编程的高度适应性智能焊接机器人..这一代机器人由于人工智能技术发展的滞后;目前正处于实验研究阶段..随着计算机智能控制技术的不断发展进步;焊接机器人从单一的示教再现型向多传感器、智能化、柔性化加工方向发展必将是下一个目标..最近几十年来;随着焊接技术和其他科学技术的迅猛发展;出现了激光、电子束、等离子及气体保护焊等新的焊接方法以及高质量、高性能焊接材料的不断发展和完善;使得几乎所有的工程材料都能实现焊接..而且焊接自动化技术发展迅速;自动化焊接的生产方式越来越多的代替了手工焊接生产方式..在各种焊接技术及焊接系统中; 以电子技术、信息技术及计算机技术综合应用为标志的焊接机械化、自动化系统乃至焊接柔性制造系统;是信息时代焊接技术的重要特点..实现焊接产品制造的自动化、柔性化与智能化己成为必然趋势..采用机器人焊接己成为焊接自动化技术现代化的主要标志..焊接机器人由于具有通用性强、工作可靠的优点;受到人们越来越多的重视..在焊接生产中采用机器人技术;可以提高生产率、改善劳动条件、稳定和保证焊接质量、实现小批量产品的焊接自动化..国外发达工业国家在制造业中应用工业机器人技术相当广泛;从上个世纪六十年代初焊接工业机器人刚诞生不久就开始应用机器人进行焊接加工;经过四十多年的技术发展和经验积累;不仅技术上相当成熟;而且在实际应用上也很成功;国际上许多大型汽车企业都广泛采用机器人进行汽车制造的焊接加工;大大提高了汽车产品的质量和生产效率;获得很好的经济效益和社会效益..美国通用、福特;日本丰田、日产;德国大众、宝马等大型汽车企业基本上建立了全部采用机器人焊接的车身焊接生产线..发达国家焊接自动化生产从最初的半自动化;采用焊接机器人代替手工焊接;但上下料、待焊工件定位夹紧等工作仍需手工完成;现今已发展成柔性自动化焊接生产线;整个焊接过程均自动完成..当今的汽车产品改型换代相当频繁;不同的车型需要不同的焊接生产线;如果重建新的焊接生产线;要花费大量资金;而原有的焊接生产线则被闲置或报废;造成极大浪费..假如焊接生产线具有柔性;则只须对生产线进行局部改造就可以满足新产品车型的生产需要..自动化焊接生产线是由焊接设备、焊接工装夹具及自动控制和机械化运输系统等组成;其中焊接设备的柔性是决定焊接生产线柔性的关键..而焊接机器人是机体独立、动作自由度多、程序变更灵活、自动化程度高、柔性程度好的焊接设备;具有多用途功能、重复定位精度高、焊接质量高、运动速度快、动作稳定可靠等特点;是焊接设备柔性化的最佳选择..我国的机器人焊接应用起步较晚;二十世纪七十年代末;上海电焊机厂与上海电动工具研究所合作研制的直角坐标机械手;成功地应用于“上海牌”轿车底盘的焊接;可以看作是我国机器人焊接应用的萌芽;虽然这还不是严格意义上的机器人焊接..到了二十世纪八十年代;我国应用机器人焊接生产的发展开始明显加快;主要是在一些大、中型的汽车、摩托车、工程机械等制造业企业中广泛采用;特别是在汽车制造企业;焊接机器人的应用最为广泛..1984年“一汽”成为我国最早引进焊接机器人进行汽车制造的企业;先后从德国KUKA公司引进了3台焊接机器人用于当时的“红旗牌”轿车的车身焊接和“解放牌”卡车的车顶盖焊接..1986年又成功应用机器人焊接汽车前围总成;1988年又开发了机器人焊接车身总焊装线..此后随着德国大众等一批世界着名汽车企业在中国合资办厂;带来了一系列自动化生产设备和工艺装备;使焊接机器人大量进入我国..到2001年;我国全国各类焊接机器人数量就达到一千台;此后由于我国汽车行业的迅猛发展;我国焊接机器人每年以近千台的数量剧增; 目前己突破五千台..汽车制造中的发动机、变速箱、车桥、车架、车身、车厢这六大总成加工都离不开焊接技术应用;随着我国汽车需求量的激增;汽车制造业急需适应市场需求的先进加工技术来改变传统的加工方法..焊接加工作为汽车制造中重要的技术之一;也亚需采用先进的自动化加工技术来替代传统的落后的加工方法;提高汽车产品的质量和生产率;提升中国制造业自动化水平..汽车工业的技术水平和生产能力代表一个国家工业技术水平;我国汽车工业正在步入一个高速发展的快车道;并成为国民经济的重要支柱产业;对国民经济的贡献和提高人民生活质量的作用也越来越大..中国加入WTO后;面对国际市场的激烈竞争;中国的制造企业;特别是汽车工业急需引进、开发具有世界先进水平的生产线..目前;我国许多大型的汽车制造企业都在努力进行现代化的技术改造;如在焊接加工中采用半自动、全自动化加工技术;运用机器人来完成人工动作;如焊接机器人、上下料机器人、搬运机器人等..利用机器人焊接可以有效提高产品质量、降低能耗、改善工人劳动条件、稳定和保证焊接质量..虽然我国已经掌握了焊接机器人生产的关键技术;并且也有专门生产焊接机器人的工厂;但是机器人产品同世界先进产品相比;在性价比上还有很大差距..目前我国焊接机器人应用主要以自我设计开发焊接辅助设备为主;结合先进的焊接机器人产品;研发出焊接机器人工作站、焊接机器人生产线等自动化焊接加工系统;应用于我国飞速发展的汽车工业及其它制造业..1.2焊接行业中采用焊接机器人的重要性由于存在焊接烟尘、弧光、金属飞溅;焊机环境恶劣;焊接质量的好坏决定了产品的质量..主要的重要性如下：1 焊接质量稳定并得到提高;均一性得到保障..焊接结果主要受焊接电流、电压、速度及干伸长度等焊接参数的影响..机器人焊接时;每条焊缝的焊接参数恒定;人为影响比较小..当人工焊接时;焊接速度、干伸长等都是变化的;质量的均一性不能保障..2 工人劳动条件得到改善..工人在焊接机器人的应用中只负责装卸工件;从而远离了焊接弧光、烟雾和飞溅等;对于点焊工人来说;不用再搬运笨重的手工焊钳;工人的劳动强度得到了改善..3 劳动生产率得到提高..机器人不会感到疲劳;可以整天24 小时连续生产;随着高速高效焊接技术的应用;使用机器人焊接;劳动生产效率得到大大的提高..4 产品周期明确;产品产量容易控制..机器人的生产环节是固定的;所以安排生产的计划将会非常明确..5 大大缩短了产品改型换代的周期;设备投资相应减少..焊接机器人可以实现小批量产品的自动化;通过修改程序来适应不同工况;较传统焊接优势明显..1.3焊接机器人对车身焊接的现状从本质上讲焊接是使用局部加热或加压;或同时加热、加压的方法;使连接处的金属变成塑性状态或熔化;在原子间的结合力作用下把两个或多个金属工件连接到一起的过程..汽车车身焊接生产线的发展通过从手工、半自动刚性、半自动柔性等不同阶段;现已慢慢成熟..目前;国内应用于汽车车身的焊接方法多种多样;最广泛常用的是电阻焊工艺..而在国外激光焊接机器人已经大量投入于生产中..1.4某款微型汽车车身制造中机器人焊接与人工焊接的详细对比一直以来大家接触关于机器人焊接的信息大都是积极的;如同在第一章中提到的那样焊接机器人有许多的优点;白车身焊装自动线是工业机器人应用的一个典型领域;用机器人来代替人工焊接是未来发展的必然趋势..但正是出于对微型汽车“低成本;高价值”制造理念的深刻理解;以及通过对生产线人工焊接的仔细观察分析;作者发现人工焊接同样有自己的特长和优势..把车身生产线的工人全部用机器人来代替的想法;并不现实..特别是对于微型汽车或者低成本的车身制造来说;只有把机器人焊接和人工焊接有机的结合起来才是正道..为了能更加有效的对比机器人焊接和人工焊接;作者引入 SPQRC的比较指标..SPQRC 即 S 安全Safety 、P 人员 People、Q 质量Quality、R 响应Responsiveness、C 成本Cost Goals..1.4.1焊接机器人 SPQRC安全：机器人在安全方面有着无可比拟的优势..适合在车身焊接这种恶劣的工作环境噪声大、金属焊接飞溅物多、金属粉尘多、焊接过程中光和热辐射强下长时间运行;不存在人机工程问题..周边设备工作稳定;安全风险低..人员：焊接机器人一旦调试完成后得益于其很低的设备故障率;只需要少量专门的操作和维护人员..但对人员的技术水平要求高;需要维护人员需要经过较长时间的培训和实践才能独立处理故障..无论是进行在线式还是离线仿真编程;都需要工程技术人员有很高技术水平和经验..质量：调试好数据后;质量好且稳定性高..但系统缺乏自我纠正能力;当发生质量偏移时;没有办法立刻做出自发的检查和调整;需要待后面的工序检查反馈后才能调整..目前的智能视觉检查系统还处于起步阶段;价格昂贵且只是在部分弧焊和激光焊接上有使用;还没有出现点焊的应用实例..响应：1机器人焊接速度快;特别是使用伺服焊枪系统;机器人每个焊点相对于人工可以节省大约 50%的时间..以本次改造项目为例：每台机器人平均焊接28 点;改造前这些工位的工人平均每人焊接 18 点..平均机器人焊接一个焊点需要 2 秒;而人工平均焊接一个焊点的时间为 3 秒..2另外一个优点是;由于使用了离线编程技术;机器人仿形轨迹的调试时间较以往有明显缩短;使系统调试的时间较短..并且试生产和产能爬坡时间段短;事实上几乎不需要爬坡时间..完成后可以马上投入三班运行..这一点对于新产品研发后迅速提高产能抢占市场尤为重要..3焊接机器人的平均故障率低于人工生产线;但遇到重大故障时的处理时间也比一般设备要更长..这一点可以通过人工补焊等应急措施来弥补..4机器人生产工位提速能力弱..由于机器人焊接在设计时往往是针对特定的焊点;如果计算合理机器人焊接的效率是很高的;但反过来说就不会有很大的余量..在原有工位内增加机器人的空间也难以找到..经过计算本次改造项目所有费用均摊到机器人为 60 万元/台、后期维护费用每年平均要 1 万元更换润滑油和零件等、每班次使用成本为平均功率10KW 每年的电费大约是 2 万元..1.4.2人工焊接 SPQRC安全：车身焊接环境恶劣;焊接时产生的大量金属烟尘、强光/热辐射、巨大的噪音在不断的侵蚀着操作工人的健康..特别是有许多焊接位置的流水线其人机工程更差;进一步加大了工人的劳动强度和健康代价..车身线设备复杂;危险因素多;虽然有严格的安全制度;但各种安全事故还是时有发生..人员：车身是仅次于总装的人员需要求大户;每条生产线需要配置大量的焊接操作工人;还必须配置较多的班组长对一线员工进行管理..对人员进行较长时间的培训才能达到熟练焊接的技能水平..但员工知识的起始点要求不高;这使企业很容易从劳动力市场上招聘到需要的人员..质量：工人在工作过程中随时观察到质量的变化;并常常会根据零件的一些细小不同;动态的进行适应;并且立刻采取措施调节焊接工具的位置和状态;还可以马上对质量问题进行反馈和解决..但焊接的质量直接受到员工焊接技能和工作时身体、心理状态的影响;质量具有随机性;稳定性不强..响应：1焊接速度一般;特别是在焊点位置人机工程差的地方速度更加不理想..2系统试生产和生产爬坡时间长 ..考虑到市场的变化;企业不可能在短时间内招聘大量的工人;难以确保三班同步运作..3人员变动可以通过及时更换和调整解决;不易发生长时间的停线..4通过增加操作人员数量和优化工序步骤实现生产提速较简单..成本：在人工工位需要构建钢结构室体和工作平台;加上需要购买的焊接设备每一个工位大约投入 30W..目前了解到生产线每名工人每年的费用大约是 4 万元;每个工位通常配置 6 名工人..1.4.3对比总结以下对比重点在于成本..对比中均不包含工装夹具和车身输送设备等主线设备;因为无论是机器人焊接还是人工焊接这些设备都是必须的;不会影响投入..以本地一个 4 台机器人的补焊工位为例;在 40JPH40 件/小时产量的条件下：单台机器人焊接速度约为人工的 1.5 倍..那么同样完成相同的工作的人工工位需要配置 6 个工人;如果开 3 个班就需要 18 人..机器人初期一次性需要投入：60×4=240 万元每年的费用 4×1年维护费用+2每班次电费×班次数人工工位初期一次性投入：30W 每年的人力投入：6×4×班次数由此计算两者的成本对比平衡点出现：开一班生产：在第 17.5 年;18 年后机器人的成本将低于人工..开二班生产：在第 7.5 年;8 年后机器人的成本将低于人工..开三班生产：在第 4.8 年;5 年后机器人的成本将低于人工..当然这是对两者成本的主要部分做统计;还有一些辅助项未加计算：比如对机器人来说需要相应的操作/维护人员;通常 1 名操作/维护人员可以兼顾4-5 个机器人工位；对于人工焊接来说则要配置相应的班组长等等;这些都会产生相关成本;但这些项占整个项目投入的比例并不高..从这一点上看;机器人和人工的投资效益的平衡点与运行的时间和当地劳动力成本有直接关系..而对于微型车行业来说产能就是经济效益;因此新生产线在项目建设结束后很快就会投入 2-3 班的连续运行阶段..从这一点看机器人的一次性投入虽然高于人工工位;但随着机器人工作时间的增长;高出的部分很快会在 5-8 年内被稀释..这就解释了为什么上海、广州这样一线城市的汽车企业在焊接机器人的使用率上要远高于本企业..他们人力的成本更高;并且随着国家对劳动者权益的越来越重视;法规越来越严格;人力成本还将继续上涨;这是不可逆转的必然趋势..因此在生产线的设计寿命内机器人的总投入将大幅度低于人力成本的投入..在劳动密集型企业这种特点尤为突出;例如连富士康这样的企业也提出 5 年内用 100 万台机器人代替工人的计划..综合上述来看机器人焊接在效率上和质量稳定性上优于人工焊接;但一个非常明显的缺点;就是对质量的自我检查和纠正能力很差..目前在机器人焊接技术上使用了视觉或其他类型的传感器让机器人可以“看到”焊接结果;从而实现自我纠正的闭环控制..其技术要求高;价格昂贵;目前主要应用在电弧焊和激光焊这样的对精度有严格要求的场所..在微型汽车车身焊接中应用最广泛的电阻点焊领域还没有应用的先例;前沿技术的市场化在短期内还没有实现的可能..因此对机器人焊接质量的把关还是必须由人工完成..综合上述的两点;考虑到本地的人力资源状况;将机器人和人工焊接有机的结合起来将是微车车身制造发展的方向..具体的来说就是讨论两者如何进行组合最有效率..1.5微型汽车车身制造焊接工艺中需要注意的问题通过对现场实践;本文总结了 4 个原则：1 必须要为机器人焊接配置人工检查工位..根据我们的观察在40JPH的条件下;人工焊接检查工位人工检查工位用于检查机器人焊接点是否存在质量缺陷;并对缺陷点进行补焊和机器人焊接的比例不应低于 1：5 ..这主要是考虑到工人进行在线检查每个焊点时间的需求;人工检查每个焊点的时间约为 0.4 秒..当生产节拍提高时该比例还要相应提高;即增加人工检查工位人数..2 必须要考虑到当出现某台机器人故障且无法在短时间内修复时;应当可在人工工位进行补焊..当出现这种情况时;应保证生产线的连续运行;但可能会出现生产节拍低于设定值的情况..修补工位在每条补焊线不应少 1 个;和焊接机器人数量的比例应高于 1：10 ..3 充分考虑到车身的焊点分布特点;用人工焊接工位..通常有相当部分焊点是比较容易人工操作的;人机工程相对理想;人工焊接的速度快..经过在现场实际的测试;对于这些人机工程良好的焊点人工焊接的速度基本和机器人持平..这样就可以缓解生产线初期一次性投入的成本压力..通过生产线工作平衡;人工工位完成一部分焊点的同时还可以检查机器人焊点的质量..具体情况因不同的车型设计有所区别;对本多款公司微车产品的车身焊点研究统计后发现：全部焊点的 20%左右、即大约 500-700 个为人机工程不理想焊点..大约 30%-40%的焊点为人机工程理想焊点;其余的焊点为普通焊点..4 把机器人焊接和简单的自动焊结合起来;可以降低..微型车身上一些有规律的焊点;比如左右侧围下裙边;焊点在低位置的一条有规律的直线上..对于人工焊接来说其处于低工位;人机工程较差焊接困难..而采用具有一个活动轴的自动焊相对于机器人来说可以节约成本..比如下裙边的焊点;采用单轴的自动焊其成本只有机器人的30%左右..综合这些特点来看：焊接机器人工位和焊接工人工位比例应当合适;必须要结合不同的情况节拍、车型等来考虑机器人的数量;并不是焊接机器人越多越好..焊接机器人优先处理人机工程差的焊点;同时要配置机器人焊点的检查工位..若以本次改造项目车型来看;在补焊线机器人数量和焊接工人数量的比例大约在 1：2 较为合理;实际在项目实施时处于成本控制的原因;比例为 1：3..附本次改造项目改造前和改造后的对比1.6点焊使用中存在的问题1.焊点质量检验目前尚缺少简单而又可靠的无损检验方法2.焊件的尺寸、形状、厚度以及焊件的材料受焊机功率、机臂尺寸与结构形状的限制;所以对于一些封闭型、半封闭型结构或特殊材料不适合使用点焊..3.点焊多采用搭接接头;增加了构件的质量;焊缝受力时会有附加力矩;使承载条件变化;降低了焊接接头的承载能力..1.7焊接机器人在某条重卡装焊线上应用时存在的问题及经验汇总机器人电缆磨损问题虽然机器人厂家为机器人配备了耐磨的专业点焊电缆套件;将水、电、气集成为电缆包套件随机器人固定好; 由于机器人的运动速度很快; 部分姿态电缆经过长期频繁的弯折后仍会出现软管套破裂; 电缆线磨损等问题 "对于一体化焊钳; 由于将电网动力电直接接到焊接变压器上; 如果导线裸露;后果不堪设想 "因此出现以上问题时必须及时处理..对于磨损严重的; 我们采取将整个电缆包套件更换修复后再做为储备件使用 "从这个问题可以看到;如果仿真工作做得不是很准确; 会给后期使用带来很多麻烦..水、气路问题点焊设备在工作中需要用循环水来冷却 ; 用压缩空气驱动焊钳的张开、闭合; 压缩空气和水的供应质量很重要; 必须先经过过滤 ; 去除水中的杂。