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焊接过程自动化是提高效率的关键
双击自动滚屏 发布者:chinaweld 发布时间:8/17/2006 阅读:15115

焊接过程自动化是提高效率的关键

 

 

    在现代制造业尤其是汽车制造业中,焊接与切割技术作为重要的加工手段,占有非常重要的地位。近年来,我国的焊接产业发展迅速,但以人工操作为主的传统焊接方式仍占有相当比例,生产效率相对较低,因此,我国的焊接产业急需提高自动化程度,满足高效率化的要求。高效、高速、智能化焊接是现代焊接技术的发展方向,是实现现代化焊接的必由之路,焊接机器人在提高焊接质量、降低焊接成本、实现焊接自动化方面扮演着重要角色。

 

    AI:我国汽车工业的飞速发展对汽车制造技术特别是焊接技术的要求越来越高,提高焊接过程的自动化程度是提高生产效率的最有效途径之一。请您介绍一下近年来国内外机器人在汽车工业焊接中的应用情况。

    奥村尚也:就日本在汽车制造过程焊接技术的发展而言,1980年为日本的焊接机器人元年,随着汽车工业的飞速发展,用户对汽车性能等的要求日益提高,这就要求汽车生产厂家必须在尽可能短的时间内,开发出新的车型,而传统的焊接自动化是使用专机进行焊接,因此,每开发一个新车型,焊接专机设备就需要重新设计制作,这样不但成本非常高,而且专机的设计制造周期也很长,于是,汽车生产厂商向焊接机生产供应厂商提出新的要求,希望将焊接专机变为柔性生产线,即在开发新的车型时,无需重新设计制造焊接专机,只需更改相关软件就可以满足新车型的生产要求,从此各大厂商开始研究开发焊接机器人,并为汽车制造业的发展做出了巨大贡献。

    现在,汽车生产线使用焊接机器人已经非常普及。近几年,中国的汽车产业发展非常迅猛,全世界各大汽车制造商几乎都在中国设立了合资生产厂,同时争先恐后地将最新的车型投入到中国市场。为了实现高速、高效、自动化焊接,各大汽车制造商在建厂的同时,就将焊接机器人投入其生产线,大大带动了汽车工业焊接自动化的发展。中国早在10年前就开始进口焊接机器人,每年进口的数量在不断攀升。目前,焊接机器人的应用行业主要为汽车、摩托车等大批量生产型企业,但是和世界先进国家相比,自动化程度还很低。随着汽车工业的飞速发展,汽车制造厂商偕同大量的零件供应商一起进入中国,所以焊接机器人的需求将会有突飞猛进的发展。具有长远眼光的企业,为了能在将来处于不败之地,不顾眼前投资的风险,纷纷大胆导入焊接机器人设备。

    李瑞峰:目前,在我国,30%的工业机器人应用于汽车制造业,其中50%以上为焊接机器人;在发达国家,汽车工业机器人占机器人总保有量的53%以上,在世界各大汽车制造厂,年产每万辆汽车所拥有的机器人数为10台以上,如果加上汽车零部件和配件,年产每万辆汽车至少拥有30台以上机器人。工业机器人在汽车制造中应用的领域非常广泛,主要部位有车身、车窗、车架、底板、保险杠、驱动装置、隔热器、散热器、车轮、车门、行李箱、制动器、变速箱、总装等,按用途分主要有点焊、弧焊、其他焊以及喷涂、搬运、上下料、切割、装配、检测、清理等。

    日本在汽车工业中使用的机器人数量居世界首位,据日本机器人协会(JARA)发表的一份调查报告显示,与电气/电子工业一样,汽车工业依然是日本机器人的最大市场之一。日本汽车工业用弧焊机器人所占份额最大,其次是点焊,其余50%以上的工业机器人用于各种不同的生产作业,这要比日本海外同行的应用范围大得多。

    我国的工业机器人从20世纪80年代“七五”科技攻关开始起步,在国家的大力支持下,通过“七五”、“八五”科技攻关,已基本掌握了机器人的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术,生产了部分机器人关键元器件,开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人,其中有130多台(套)喷漆机器人在20多家企业的近30条自动喷漆生产线(站)上得到了规模应用。

    中国工业机器人的发展大致经历了三个阶段:第一阶段是20世纪80年代,为了跟踪国际机器人技术的发展,先后推出了弧焊、点焊、喷涂等多种工业机器人,如哈工大研制的华宇系列点焊弧焊机器人用于哈尔滨轻型车厂等。20世纪80年代中国实现了国产工业机器人零的突破,但是由于国外技术的封锁和当时技术发展的局限性,在没有国家相关技术支持的前提下,没有能够坚持下去。

    第二个阶段是进入20世纪90年代,国家“863计划”开始注重高科技如何推动国民经济的发展。19955月,启动了汽车工业机器人产业化的项目。首先联合长春一汽,开发两台负荷为100kg的点焊机器人,该项目由哈工大承担机构本体的设计,中科院沈阳自动化研究所负责控制器的开发,一汽负责机器人的制造和应用工程。1996715,在一汽建厂40周年之际,点焊机器人HT100在一汽开发成功,并成功用于一汽的汽车生产线上。在“863计划”的进一步支持下,经过5年多的时间,先后又研制出HT120点焊机器人、HT10弧焊机器人、HT30搬运机器人等四个型号21台机器人,用于一汽轿车的车身点焊和轻型车车架的弧焊。通过这一阶段的发展,中国人自己具备了独立设计和生产工业机器人的能力,培养了一批高水平的研究生产队伍,同时打破了外国机器人在中国垄断的局面。

第三个阶段是进入21世纪,中国的工业机器人发展进入了一个崭新的阶段,其最大的特点是中国的机器人企业逐渐成长起来,开始走上一条不单依靠国家项目支持,而能够进行自主发展的道路。以企业为主体、以市场为导向、以赢利为目标的机器人产业开发群体正在形成。

 

    AI:提高焊接自动化技术是一个系统工程,对焊接设备、焊接工艺/方法、焊接辅具等都有很多新的要求,您认为在自动化焊接方面,与世界先进水平相比,我们的差距主要体现在哪些方面?

    奥村尚也:焊接自动化对周边设备提出了很多新的要求。首先值得注意的是,焊接自动化的主角不是焊接机器人,而是被焊接工件本身,工件的精度达不到要求,即使投入最新功能的焊接机,如激光传感跟踪焊缝功能,也是有一定限度的,所以提高工件的精度是提高焊接自动化的前提条件。

    其次,为了实现高速、高效率焊接,对焊接电源的要求也逐步提高,尤其是一些著名汽车制造厂,使用镀锌钢板和传统的焊接机,就很难实现高速、高质量的焊接。近年来,OTC公司开发了一款微电脑控制脉冲MIG焊接机,在焊接渡锌钢板时,由于其电弧非常稳定,可以实现1.2m/min以上的高速、高质量焊接。

    再有,就是对机器人周边工装夹具的要求也非常高,焊接工艺是利用电弧的高温融化金属的过程,会发生变形,所以在设计工装夹具时,必须考虑其可能的变形量,可是汽车的工件都是三元空间的形状,造型非常复杂,其变形预测也非常困难,这就需要设计制造的人员有非常丰富的经验和精湛的技术。

    与国外先进国家相比,中国的焊接过程自动化程度还有很大差距。各大汽车制造商在中国办厂的同时,就将先进的自动焊接设备投入中国,这只是初期投入,今后在增加自动化设备时,从成本、交货期以及售后服务等多方面考虑,必须从国内采购。机器人本体、焊接机等通用设备,世界很多生产厂商都在中国设立生产据点或销售网络,可是工装夹具就需要国内的专业厂商提供,而目前国内能够满足要求的专业厂商还不多。我相信,随着中国汽车制造业的发展成熟,这些差距会逐步缩短。

    李瑞峰:近年来,我国在自主研制生产工业机器人方面取得了一定成绩,但是,受关键零部件如交流伺服电机、精密减速器等仍依赖于进口以及没有形成批量生产等因素的影响,目前在汽车工业中应用的机器人仍以进口为主。

    目前,国内大型汽车企业特别是合资企业中,在汽车车身的焊装线上基本采用机器人焊接,而且大都是随整条汽车焊装线整体引进,只有部分汽车企业采用了国内企业设计完成的焊装线,而在大部分的汽车零部件及配件生产企业,因为工艺特殊、单元分散、适应产品品种多等,多数由国内机器人开发企业承担。

    从国内企业使用机器人的比例来看,远远没有达到先进国家生产每万辆汽车所使用机器人的比例,大多数中小企业仍然采用手工和半自动化焊接,特别是一些零部件厂应用机器人的比例更低,因此,随着中国汽车工业的快速发展,对机器人的需求将会越来越大。

 

    AI:请您谈一谈未来应用于汽车工业的焊接技术及焊接机器人的新发展。

    奥村尚也:汽车行业的发展水平,代表了一个国家的综合技术水平,汽车工业的发展将会带动其他行业的发展。各厂商为了在日渐激烈的竞争中立于不败之地,必须率先实现焊接自动化,因此,今后除了如汽车、摩托车这样的大批量生产行业,一些产品多样化的企业,为了提高焊接质量,也将会考虑使用焊接机器人,如钢结构等行业,与此同时,对焊接机器人的要求也必然会逐步提高,如说对焊道的自动跟踪系统的需求会逐步加大等。作为焊接机器人和焊接机的专业生产厂家,OTC公司将继续为提高中国的高速、高效、自动化焊机做出自己的贡献。

    李瑞峰:由于焊接技术是基于多学科交叉融合的产物,随着现代科学技术成果的不断涌现,必将推动焊接技术更新更快的发展。除了物理、化学、材料、力学、冶金、机械、电子学等学科的新发展将会推动焊接新材料、新工艺的不断出现外,计算机、控制理论、人工智能等信息科学领域的新进展将进一步将焊接工艺实现的手段推进到自动化、机器人化和智能化的新阶段,进而实现几代焊接人的梦想——用机器来代替人工进行焊接作业。

对于在汽车工业中的点焊应用来说,目前已广泛采用电驱动的伺服焊枪。日本丰田公司已决定将这种技术作为标准来装备其日本国内和海外的所有点焊机器人。据本田公司称,用这种技术可以提高焊接质量,在短距离内的运动时间也大为缩短,因而试图用它来代替某些弧焊作业。据富士电机报导,该公司最近推出一种高度较低的点焊机器人,用它来焊接车体的下部零件,这种矮小的点焊机器人还可以与较高的机器人组装在一起,共同对车体上部进行加工,从而缩短了整个焊接生产线的长度。

    目前,用2台机器人协调工作进行弧焊已相当普遍。此时,一台弧焊机器人焊接工件,而另一台夹持机器人夹持工件,从而不必为特殊工件专门设计成本很高的专用夹具,并能保持最佳的焊接压力。目前,丰田公司已开始使用能够焊接厚度为0.6mm的薄钢板(间隙2mm)的弧焊机器人,由于这种弧焊机器人能从钢板一侧进入到焊接位置而不必像点焊机器人那样需要从钢板两侧进入到焊接位置,因而将优先取代某些点焊作业。

    在日本,激光焊接还不是很普遍,而柔性本体生产线(FBL)方案的应用已日益增多。在这种场合下,各种形状的板金件都采用激光焊接,以形成车体的板金件。将处理速度更高的微处理器引入到机器人控制器,显著提高了机器人的运动控制性能,从而提高了生产效率。由于运动控制性能的不断提高,使得一些新型应用成为可能,比如汽车油箱的线焊,采用特殊的焊机焊接油箱的接缝,专门设计用于特定的油箱形状,而为了便于装入到车体内的有限空间内,油箱的形状越来越复杂,因而这就要求机器人的工作尽可能满足这一需要。过去,由于难以保持恒定的线焊速度,很难实现这一任务,而使用了新的机器人控制器后则能够顺利完成这一任务。

    计算机视觉以其信息量大、精度高、检测范围大等特点,在焊接领域得到了广泛应用,为实现焊接操作自动化提供了有力手段。借助CCD摄像机、红外摄像仪、X光探伤仪、高速摄像机等图像传感设备及智能化的图像处理方法,许多机器人及特定的自动焊机也具备了一定的视觉功能,它们不仅可以模拟熟练焊工的视觉感知能力,而且可以超越人的局限,完成诸如获取并处理强弧光及飞溅干扰下的焊缝图像,实时提取焊接熔池特征参数,预测焊接组织、结构及性能等,实现人类难以直接作业的特殊场合(如水下、空间核辐射环境等)的自动焊接施工,确保焊缝质量的稳定性和可靠性。在国内外研究人员的共同努力下,计算机视觉广泛应用于焊缝跟踪、熔池形状与熔透控制、焊道形貌检测与控制等领域,为焊接生产和过程自动化、智能化作出了重要贡献。鉴于焊接过程的复杂性、先进制造业对焊接技术更高层次的需求及用户对新型视觉传感系统更高的性价比要求等,当前还必须解决系统的复杂性与可靠性、实时性与精确性、可控性与智能化等方面的问题。

随着全球经济的一体化发展,世界制造中心逐步向中国转移,中国工业机器人的产业也将会快速地发展起来。我坚信,在不远的未来,在中国的汽车生产线上会有越来越多的国产焊接机器人发挥作用。

 

    人物简介

    奥村尚也:毕业于日本京都产业大学经营学部,19863月进入日本OTC公司(DAIHEN Corporation)工作,20021月任欧地希机电(上海)有限公司副总经理,20046月至今一直任欧地希机电(上海)有限公司总经理。

 

    李瑞峰1996年获得哈尔滨工业大学机电控制自动化专业博士学位,现为哈尔滨工业大学机器人研究所副所长、教授,中国人工智能学会机器人委员会委员,中国标准化学会工业机器人分会委员,主要从事工业机器人技术、智能服务机器人技术的研究,先后参加和承担多项“863计划”项目,设计完成了多个型号的工业机器人。

 

 

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