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自动化焊接现状

  焊接是通过加热熔融(有时辅以压力)将两块金属或热塑材料连接在一起,使两者之间达到原子结合的制造方法,它在工业生产中具有极其广泛应用,被称为工业制造的“裁缝”,广泛应用于汽车、航空宇航、船舶制造、石油化工、能源动力、机械制造等行业中。

  随着焊接技术发展,焊接产品中以往存在的诸如毛刺、夹渣等外观缺陷越来越不能为人们所接受,而焊接疏松、气孔、裂纹等制造缺陷因为存在潜在的安全隐患也被更多的关注,解决这些制造问题,其根本是防止生产者劳动过程中的操作不当。然而由于焊接工人的技术水平、心态情绪、生产责任等因素均因人而异,在人工操作的基础上解决上述问题的成本极高。另一方面,大量制造企业操作工人稀缺,焊接作为一种工作环境恶劣,对人体损伤大的工种,愿意从事的人很少,娴熟的焊接工人更加以稀为贵。举例来说:经过对大批制造企业调查发现,大量80后、90后劳动者对单调、枯燥、环境恶劣的焊接工作表现排斥态度,尽管焊接工作平均薪水高于电子产品制造企业27%以上——可见薪酬已经不是造成焊接工人匮乏的唯一原因。

  目前在工厂车间中由于劳动力短缺、人工操作的不稳定等原因,自动化焊接工作站已经成为大量制造业的经济之选。从成本角度来考虑:焊接是一种对技术要求较高的加工方式,目前在工厂一线上劳动者工资很容易达到4000元/月,市场一台焊接工业机器人均价咋15万元左右,其劳动效率可以顶替三个工人,如此算下来人力成本与机器人使用成本相差无几,再考虑到机器人的使用寿命至少3—5年,成本优势更显著。经济上的可行性由以下两个方面构成:一是机器人使用成本的降低与劳动者工资的上升形成“此消彼长”的局势,在五年前一台焊接工业机器人价格在50万元以上,现在则降到15万元不到;与此同时,制造业工人工资每年以10%—20%的速度递增。第二个方面是机器人的持久性远优于工人,也不会有人类的情绪波动,其生产的产品质量稳定性和一致性更高。调查应用数据显示,将焊接机器人引入汽车白车身焊接工艺流程后,车身焊接优良率从87%提升到93%。

  上述原因使焊接自动化工作站取代人工焊接成为主流。研究发现,目前的焊接工作站面向的焊接对象要么是单一焊接参数,固定焊缝布置,固定型号任务的大批量零件;要么是产品任务经常改变,需要针对不同任务采取不同的工装,使用不同的焊接参数,而且因为焊缝布置不同因此焊接机器人运行程序也不同;第三类则是焊缝极长,焊接条件复杂,需要有针对性的开发专用的自动焊接流动站,典型的如造船业中的船体焊接。调查发现目前的焊接自动化应用中,有一种需求被关注的相对偏少,即针对同一产品系列,而在系列产品间某个方向或某两个方向的尺寸有所变化的任务。这种焊接自动化的需求在工装上不能像固定焊接任务工作站那样采用固定工装模式也不需要像小批量焊接任务那样必须采用灵活广泛适用的焊接工装,而对于每个焊接任务设计专用工作站也是不切实际的。

  焊接自动化布置方式分为生产线方式和工作站布置方式,具体表现有刚性自动化工作单元、刚性自动化生产线、柔性制造单元、柔性自动化生产线,其中刚性自动化工作单元处于加工自动化的最底层,针对加工任务更换时需要大量调整工作,而且加工质量也很难保证。刚性自动化生产线主要面向少品种大批量产品生产,投资较大,调整周期也很长。柔性焊接制造单元是以自动化焊接执行装置如焊接机器人为工作核心,由计算机实现数字化控制、采用工件柔性装夹技术的焊接制造系统。柔性自动化生产线一般由多个柔性焊接制造单元构成加工节点,由自动化物料流通存储系统实现物流自动化,多级计算机组成控制及管理系统。柔性自动化生产线的加工质量可靠、效率高、容易与ERP系统及工艺管理系统组成上级自动化制造系统,但是该种生产线投资额度最大。

  自动化焊接工作站属于柔性制造单元的一种,自动化程度虽然略低于柔性焊接生产线,但是投资却少得多,而经济效益接近因此在生产中应用也很广泛。

  焊接有多种方法,如电阻焊、压焊、激光焊、电弧焊、水下焊接等等。但其中在工业现场应用最为广泛的是电弧焊,在生产中最为常见。车间中广泛应用的焊接自动化工作站也是针对这种焊接方式开发的。弧焊包括手弧焊、埋弧焊、钨极气体保护焊、熔化极气体保护焊等焊接方式,这些焊接方式的焊接参数、操作方法虽然有一定程度的不同,但是它们都是以移动焊枪为焊丝载体,通过药芯焊丝与焊接母材之间形成的电弧熔融母材或填充金属形成结合。因此在实现自动化焊接中也具有相似的特质[[i]~[ii]]。这些相似性可以为实现弧焊焊接自动化站提供普遍性依据。

  自动化焊接工作站一般由机械、电气、焊接三大部分模块组成,是综合利用现代工业机器人技术、柔性工装技术、智能焊接电源技术、传感技术,用于高效高质自动完成焊接操作的机电液气一体化产品。随着人口红利逐年降低,我国制造业面临升级转型的艰巨课题,自动化技术受到越来越多的重视,在这样的背景下,焊接自动化工作站受到以汽车制造企业为代表的广大企业的欢迎。一个典型的焊接工作站一般具有以下几个基本的模块:

  工装夹具,包括焊接工装平台、定位装夹工具、感知装夹情况的传感系统。将待焊部件依照工艺需求定位装配夹紧,并通知执行部分准备就绪。

  焊接操作,该部分主要为工业机器人,起到的作用是携持焊枪形成焊接轨迹。除工业机器人外焊枪、焊机、绕片机及送片机也是焊接操作完成必不可少的设备。

  变位机或外部轴,在焊缝分布比较复杂或者工件体量较大情形下,工作站会配有焊接变位机配合焊接操作机器人动作或者机器人移载平台实现多工位转换。

  工作站控制系统,主要包括焊接参数控制模块、机器人控制器模块、实现工位转换的机器人移载模块或外部轴控制器、传递信号和加工信息的传感器、电磁阀系统以及工作站整体协调控制模块等等

  安全防护系统,焊接时容易产生焊渣、飞溅等现象,不仅会造成气缸或者定位元件的损伤还有可能对操作人员产生伤害,因此近年受到越来越多的重视。传统防护装置一般是防护围栏或氧化钴有机玻璃罩,但是这些装置降低了焊接过程的可视性。近期一种采用红外传感器技术的光栅防护栏可以通过安全光幕检测工作过程中的异物进入,不过成本昂贵。

  焊接自动化工作站始终是焊接领域研究的热点,随着计算机技术、传感技术的不断进步,焊接自动化技术也在飞速发展。几乎在所有焊接领域都能看到它的应用,自动化焊接使焊接效率得到了很大提高,焊接产品的质量有了坚实的保证,已经逐步取代人工焊接乃至最终实现全焊接流程的操作无人化。近年来,国内外焊接行业对于自动化焊接工作站的研究主要集中在柔性焊接工装、工作站先进控制、工作站先进设计技术、机器人轨迹规划、焊缝识别与跟踪等关键技术。返回搜狐,查看更多


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