焊接機器人與焊接生產線

tags:    時間:2014-03-07 13:14:25
焊接機器人與焊接生產線簡介
一、激光焊接技術在汽車裝配中的應用 激光焊接生產效率高和易實現自動控制的特點使其非常適於大規模生產線和柔性製造。其中,激光焊接在汽車製造領域中的許多成功應用已經凸現出激光焊接的特點和優勢……
焊接機器人與焊接生產線正文
一、激光焊接技術在汽車裝配中的應用
激光焊接生產效率高和易實現自動控制的特點使其非常適於大規模生產線和柔性製造。其中,激光焊接在汽車製造領域中的許多成功應用已經凸現出激光焊接的特點和優勢。
 用於大熔深激光焊接的CO₂激光器一般以連續方式工作,主要包括快軸流和Slab型兩種類型。同快軸流激光器相比,Slab型激光器具有結構緊湊、氣體消耗量少、維護成本低的特點。目前世界上CO₂激光器最大輸出功率為45kW,工業生產中應用的激光器輸出功率範圍約在700W~12kW之間。
Nd:YAG激光可以通過光纖傳輸,在柔性製造系統或遠程加工場合更具有適應性。目前國外Nd:YAG激光器的最大輸出功率達10kW,而包括汽車在內的工業生產中應用較多的則是3 kW和4 kW的Nd:YAG激光器。
1、新型激光焊新年好工藝與方法
(1)雙/多光束焊接   雙/多光束焊接的提出最初是為了獲得更大的熔深、更穩定的焊接過程和更好的焊縫成形質量,其基本方法是同時將兩台或兩台以上的激光器輸出的光束聚焦在同一位置,以提高總的激光能量。後來,隨著激光焊接技術應用範圍的擴大,為減小在厚板焊接,特別是鋁合金焊接時容易出現氣孔傾向,採用以前後排列或平行排列的兩束激光實施焊接,這樣可以適當提高焊接小孔的穩定性,減少焊接缺陷的產生幾率。
(2)激光—電弧複合焊   激光—電弧複合焊是近年激光焊接領域的研究熱點之一。該方法的提出是由於隨著工業生產對激光焊接的要求,激光焊接本身存在的間隙適應性差,即極小的激光聚焦光斑對焊前工件的加工裝配要求過高。此外,激光焊接作為一種以自熔性焊接為主的焊接方法,一般不採用填充金屬,因此在焊接一些高性能材料時對焊縫的成分和組織控制困難。而激光一電弧複合焊集合了激光焊接大熔深、高速度、小變形的優點,又具體有間隙敏感性低、焊接適應性好的性點,是一種優質高效焊接方法。其特點在於:
  1)可降低工件定位要求,間隙適應性好。
  2)有利於減少氣孔傾向。
  3)可以實現在較低激光功率下獲得更大的熔深和焊接速度,有利於降低成本。
  4)電弧對等離子體有稀釋作用,可減小對激光的屏蔽效應,同時激光對電弧有引導和聚焦作用,使焊接過程穩定性提高。
  5)利用電弧焊的填絲可改善焊縫成分和性能,對焊接特種材料或異種材料有重要意義。
 激光與電弧複合焊的方法包括兩種,即旁軸符合焊和同軸複合焊。旁軸激光—電弧複合焊方法災現較為簡單,但最大的缺點是熱源為非對稱性,焊接質量受焊接方向影響很大,難以用於曲線或三維焊接。而激光和電弧同軸的焊接方法則可以形成一種同軸對稱的複合熱源,大大提高焊新年好過程穩定性,並可方便地實現二維和三維焊接。目前,對旁軸複合焊的研究較多,而同軸複合焊的還處於研究階段。在複合焊的應用方面,許多汽車製造商正將其用於新型汽車的製造。例如,在進行汽車車身拼焊時,利用3kW的Nd:YAG激光焊接1.2mm和0.7mm厚的拼板時焊接速度最高為4.0mm/min,採用複合焊后最大速度可達7.4m/min,而允許的對接坡口間隙從原來的0.05 mm提高到0.15 mm.國內近年來也開始了激光—電弧複合焊的初步研究。
 2.焦點位置控制
圖1是某CO₂激光焊接焦點位置的雙閉環控制系統示意圖。整個系統包括數控激光焊接機床(CNC)、特殊設計的激光焊炬以及檢測控制系統。焊接噴嘴一工件距離可以通過上下調節焊炬位置實現,而聚焦透鏡位置則由電動機驅動在焊炬內獨立上下運動,實現焦點位置的調節。檢測系統由電荷感測器(PCS噴嘴)和裝在噴嘴側面的江學感測器(PS感測器)組成。焊接過程中,根椐檢測到的PCS信號變化,系統可以自動調節噴嘴至工件表面距離,保證在焊接過程中保持噴嘴—工件距離恆定;同時根據PS信號調整聚焦透鏡的位置,用於補償因熱透鏡效應引起的焦
點位置波動,使焦點位置始終處在最佳焦點位置範圍。
圖1  激光焊接焦點位置雙閉環控制系統組成
3、   激光焊接在汽車製造中的典型應用
汽車製造領域是當前工業生產中最大規模使用激光焊接技術的行業,從汽車零部件生產到車身製造,激光焊接已經成為汽車製造生產中的最主要焊接方法之一。總體上講,激光焊接在汽車製造中的應用主要包括三個方面。
(1)汽車零部件的激光焊接   激光焊接在汽車製造中的應用始於變速箱的齒輪焊接,由於採用了激光焊接,焊接后的齒輪幾乎沒有焊接變形,不需要焊后熱處理,而且焊接速度大大提高,因此很快得到了應用。國外到目前為止,激光焊接已經在汽車零部件生產中得到非常廣泛的應用,包括尾氣排放系統(進氣歧管、排氣管、消聲器等)、變速箱雙聯齒輪、減振器儲油缸筒體、濾清器、車門鉸鏈等。國內汽車領域應用激光焊接主要有變速箱齒輪和減振器儲油缸筒的焊接。
(2)激光拼焊技術   激光焊接在汽車製造中應用最為成功,同時效益最為明顯的一項技術就是汽車車身的拼焊技術。激光拼焊的目的是為了降低車身質量,即在進行車身的設計製造時,根據車身不同部位的性能要求,選擇鋼材等級和厚度不同的鋼板,通過激光裁剪和拼接技術完成車身某一部位的製造。激光拼焊技術具有下列優點:減少零件和模具數量;縮短設計和開發周期;減少材料浪費;最合理使用不同級別、厚度和性能的鋼板,減少車身重量;降低製造成本;提高尺寸精度;提高車身結構剛度和安全性。

 

    德國大眾最早於1985年將激光拼焊用於Audi車型底盤的焊接,日本豐田於1986年採用添絲激光焊的方法用於車身側面框架的焊接。北美大批量應用激光拼焊技術是在1993年,當時美國為了提高美國汽車同日本汽車的競爭力而提出了2mm工程。到目前為止,世界上幾乎所有的著名汽車製造商都大量採用了激光拼焊技術,所涉及的汽車結構件包括車身側框架、車門內板、擋風玻璃窗框、輪罩板、底板、 中間支柱等。
(3)汽車車身激光焊接技術   激光焊接在汽車製造中的另一個重要應用是汽車車身框架的激光焊接,其中一個典型例子就是汽車車身頂蓋與車身側板的焊接。傳統的焊接方法為點焊,如圖2 a所示,但現在正逐漸被激光焊接所代替(圖2b).比較兩者可以看出,採用激光焊接后,,頂蓋和側面車身的搭接邊寬度減少,降低了鋼板使用量,同時提高了車體的剛度。目前這種車身框架的激光焊接技術在各大汽車製造商的較新型車中都得到了非常廣泛的應用,例如Audi A2車體框架是由鋁合金材料焊接而成,比同樣結構使用鋼材可減少重量43kg,其實激光焊接的焊縫總長多達30m.國內,上海通用的polo、上海大眾passat車型和一汽Bora的製造中,也都採用了激光焊接技術。這是我國汽車製造業真正使用激光焊接技術的一個重要標誌。
a)        點焊                               b) 激光焊
圖2 汽車車身頂蓋與側面激光焊接代替焊
二、汽車焊接機器人及柔性焊接生產線
1、   汽車焊接機器人
 工業機器人在汽車生產的衝壓、焊裝、塗裝、總裝四大生產工藝過程都有廣泛應用,其中應用最多的以弧焊、點焊為主。
 汽車工業的焊接發展趨勢為:發展自動化柔性生產系統。轎車生產近年來大規模地使用了機器人。主要使用的是點焊機器人和弧焊機器人。近幾年,國內的汽車生產企業非常重視焊接的自動化。如一汽引進的捷達車身焊裝車間的13條生產線的自動化率達80%以上,穩中有降條線都由計算機(可編程式控制制器PLC-3)控制,自動完成工件的傳送和焊接。焊接由R30型極坐標式機器人和G60肘節式機器人共61台進行,機器人驅動由微機控制,數字和文字顯示,磁帶記錄儀輸入和輸出程序。機器人的動作採用點到點的序步軌跡,具有很高的焊接自動化水平,既改善了工作條件,提高了產品質量和生產率,又降低材料消耗。汽車焊接機器人主要是承擔車身焊裝線、汽車總裝線。
2、   柔性焊接生產線
 某機器人焊接生產線主要用於轎車底盤件的左右控制臂總成、左右後拖曳臂總成的焊接,工件如圖3、圖4所示。在選擇生產線的設備時主要考慮以下幾個方面:
1)   滿足生產綱領。
                     
              圖3 控制臂總成                             圖4 后拖曳臂總成
2)   生產線具有很好的柔性。
3)   焊接質量滿足產品要求。
其中左右控制臂總成的焊接由4套單機器人焊接工作站完成,左右後拖曳臂總成的焊接由一套雙機器人焊接工作站完成。各機器人焊接工作站的焊縫數量及焊接節拍如表1所示。
表1 機器人工作站的焊縫統計及焊接節拍
 左右控制臂總在、左右後拖曳臂總成的共同特點就是焊縫長、數量多。由於焊接時有大量的熱輸入,如果夾具設計不合理,焊接後會產生很大的焊接變形,影響尺寸精度。因此如何控制焊接變形是焊接夾具設計的關鍵。在長焊縫的定位夾緊部位可以採用調整銅材,並通水冷卻,提高夾具的散熱效果。
   PLC控制系統用於機器人系統及其周邊裝置的協調與控制,可實現參數設定、系統編程、工作狀態顯示及故障報警顯示。
   焊接機器人應採用封閉式,為了安全起見,避免人機混合工作。

 

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