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未來是工程機械焊接機器人的天下嗎?
2020-06-24 17:34:43   來源:    點擊:

隨著人力成本的上升,工程機械行業自動化、智能化生產已成為大勢所趨。焊接作為結構件生產的基礎工藝,其發展經歷了手工焊、半自動焊、機器人焊接的歷程,工藝逐步成熟,其中,焊接機器人技術融合了機械、電子、傳感器、計算機及人工智能等許多學科的知識,先后經歷示教再現、離線編程、智能機器人三個階段,特別適合多品種、小批量柔性生產。通過技術創新來改善工作環境,操作過程簡易化,應用更加方便。
 
焊接機器人在工程機械領域的擴展及廣泛應用,大大提高了整體生產效率,改善了焊接工人的工作條件,提高了焊接生產柔性化水平及焊接質量,同時也推動了焊接相關領域的自動化升級,“一人一工位”焊接逐步轉變為“一人一條線”焊接生產。
 
1 焊接機器人在工程機械行業的應用現狀
 
1.1 工程機械行業發展現狀
 
工程機械行業是中國裝備制造業中最具國際競爭力的行業之一,創造了許多工程機械的世界紀錄。我國幅員遼闊,基建施工市場對工程機械的需求量巨大,目前大量設備進入更新換代高峰期。據相關研究分析,2019年中國工程機械銷售收入達6600億元人民幣,中國工程機械企業有9家躋身全球工程機械制造商50強。
 
新技術不斷革新,伴隨科技賦能VR、大數據、云計算、5G等技術的普及,加快了工程機械的升級換代,ERP、OA、EAP等系統,優化了信息化管理施工環節,提高了行業效率(見圖1)。同時,國家提倡的發展綠色循環經濟,這也將成為工程機械行業未來發展的重要方向。
 
 
1.2 焊接機器人應用范圍
 
焊接機器人最大的特點是柔性化,可通過編程隨時改變焊接軌跡和焊接順序,適用于品種變化大、焊縫多、形狀復雜的產品。如工程機械結構件主要由板材件和鑄鋼件拼焊而成,尺寸大、重量重,如圖2所示[1]。板材材質主要有Q235、Q355、Q460C等,板厚在6~130mm,焊縫位置多,焊接量大,廣泛采用機器人CO2/MAG氣體?;ず?,焊接熔深大、速度快。焊接變位機的配合使用,增加了機器人系統的自由度,可焊率達90%以上。
 
焊接機器人包含機器人和焊接設備,機器人由機器人本體和控制柜組成,焊接設備由焊接電源、送絲機構、焊槍及清槍器等組成。目前,6軸機器人可以滿足一般焊接要求,對于尺寸過大、幾何形狀過于復雜的工件,把機器人裝于可移動導軌小車或龍門架上,增加1~3個外部軸,同時配合1~2軸變位機,可擴大機器人本身的作業空間,讓工件的焊接部位和機器人都處于最佳的焊接位置。
 
1.3 焊接機器人應用現狀
 
焊接機器人以在工程機械行業領域表現高效性、高可靠性、高靈活性的特點為世人矚目,正逐步將焊接工人從高疲勞、高危險的勞動環境中解放出來,減少焊接煙塵帶來的職業危害。據相關部門統計,2019年焊接機器人銷量達到21.1萬臺,如圖3所示。
 
目前,焊接機器人的編程方法還是以在線示教為主,但編程器的界面比過去有了不少改進,新的焊接機器人編程界面更趨友好、操作更加容易。示教編程時首先獲取焊縫軌跡上的幾個關鍵點,輸入直線或圓弧命令,通過焊接機器人電弧傳感器或激光視覺傳感器自動跟蹤實際的焊縫軌跡。編程時除了需要選擇合理的焊接順序,短而平滑的移動軌跡、合理的變位機位置及焊槍姿態,及時插入清槍程序保證焊槍的清潔外,最重要的是編制程序一般不能一步到位,而要在機器人焊接過程中不斷檢驗和修改,經大量實踐積累后才能形成高效實用的焊接程序。
 
現場應用如圖所示,焊接工作站由焊接用機器人(6軸集成的機械手)、RGV小車、行走龍門架(1~3軸)、L型變位機、工裝夾具及各種系統設備組成,可實現自動焊接、自動上下料,生產效率比手工焊接提高50%以上,焊縫均勻美觀。
 
1.4 焊接機器人應用的意義
 
(1)穩定和提高焊接質量,保證焊縫均一性采用機器人焊接時每條焊縫的焊接參數恒定,焊縫質量受人為因素影響較小,因此焊接質量比較穩定。
 
(2)改善了工人的勞動條件 采用機器人焊接,焊工遠離了焊接弧光、煙霧、飛濺和高溫等,對于點焊來說焊工不再搬運笨重的手工焊鉗,使焊工從高強度的體力勞動中解脫出來。
 
(3)提高勞動生產率 焊接機器人一天可24h連續生產,另外隨著高速焊、窄間隙焊接技術的應用,使用機器人焊接,效率提高的更加明顯。
 
(4)產品周期明確,容易控制生產效率機器人的生產節拍是固定的,因此安排生產計劃非常明確。
 
2 焊接機器人在工程機械行業的發展趨勢
 
2.1 工程機械行業發展趨勢
 
隨著科技的進步,工程機械行業在謀求產業的轉型升級,尤其在人工智能、大數據、物聯網等新一代信息技術推動下,信息化、自動化、智能化已經成為了企業發展的主要路徑。通過機器人、軟件信息化、柔性化生產等方式,企業可實現上下游信息透明、協作設計與生產,大大提升了生產服務的質量與效率。
 
5G技術提升了信息的傳輸效率,未來工程機械滲透率有望持續提升,電動化、物聯網、智能化、共享化將是工程機械行業發展的重點。遠程??匚奕思菔?,多品種機械一體化施工,未來科技將讓施工更簡單。
 
(1)??榛?產品創新是企業發展的關鍵要素,工程機械產品應用??榛杓埔遠嗥分?、多選裝、新特異的發展戰略應對市場需求,可降低設計風險,縮短設計周期,提高產品可靠性,加強標準化,提高企業管理水平,促進企業產品的升級換代。
 
(2)舒適性 工程機械舒適性不僅表現在良好的焊接、涂裝、裝配工藝的外在美,更在于駕駛員操作的舒適性。舒適性基于人體工程學,合理布置駕駛室內飾,操作控制方式,必要的減振降噪等。工程機械工作環境通常都比較惡劣,駕駛人員的工作強度也比較大,舒適的設計理念可以緩解其疲勞,提高作業效率。
 
(3)節能環保 在大家的共同努力下,我國環境空氣質量有了一定改善。2016年4月起非道路移動機械柴油機污染物排放標準已經執行到了第三階段,同時在國家新舊動能轉換的推動下,工程機械行業逐步向國家第四階段排放標準邁進,實現經濟和環境的協調發展。
 
(4)個性化需求 同質化產品適應大批量生產要求,但無法滿足用戶的特定需求,個性化工程機械深受客戶的寵愛。相較于標準化產品,個性化產品的研制成本會更高,是對企業能力與實力的最大考驗,促進企業引進先進技術、提高創新能力,適應市場需求。
 
2.2 焊接機器人發展趨勢
 
為滿足客戶對產品的多種需求,工程機械逐步向“新特異”小批量發展,這也加快了焊接機器人的智能化及自動化發展[5]。近年來,焊接機器人技術的研究與應用在焊縫跟蹤、信息傳感、離線編程與路徑規劃、智能控制、電源技術、仿真技術、焊接工藝方法及??睪附蛹際醯確矯嬡〉昧誦磯嗤懷齙某曬?。從機器人技術發展趨勢看,焊接機器人和其他工業機器人一樣,不斷向智能化和多樣化方向發展。具體而言,表現在如下幾個方面:
 
(1)智能化 將激光、視覺、傳感、檢測、圖像處理及計算機等智能控制技術應用于焊接自動化裝備中,使其能在各種環境復雜、變化的焊接工況下根據焊接的實際情況,自動調整、優化焊接軌跡和工藝參數,實現高質量、高效率的焊接智能控制與焊縫自動跟蹤,大大提高了機器人的作業性能和對環境的適應性。
 
(2)高效 由于微電子技術的快速發展和大規模集成電路的應用,使焊接機器人系統的可靠性有了很大提高。焊接機器人性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修),而單機價格不斷下降。過去機器人系統的可靠性一般為幾千小時,而現在已達到50 000h,可以滿足任何場合的需求。同時,多臺焊接機器人和搬運機器人集成布線可實現全自動生產,人為因素減少到最低,產品的質量均一性和生產效率都明顯改善。
 
(3)柔性化 現代化生產要求同一臺設備能夠滿足同類型不同規格工件的加工,甚至不同類型工件的焊接自動化加工,同時由于大型焊接自動化成套裝備或生產線一次投資相對較高,因此在設計這種焊接裝備時需要盡量考慮柔性化,形成柔性制造系統,以充分發揮裝備的效能。
 
(4)網絡化 智能接口、遠程通信等現代網絡技術的發展,促進了焊接自動化裝備管控一體化技術的發展和應用。通過網絡將生產過程自動控制一體化,利用計算機技術、遠程通信等技術,焊接加工過程和質量信息、生產管理等信息,通過網絡實現數字一體化管理,實現脫機編程、遠程監控、診斷和檢修。
 
(5)清潔環保 新工藝、新材料、新技術的研究,減少焊接煙塵的產生,同時焊接過程中產生的煙塵通過集中處理技術進行凈化,焊接環境進一步改善[6]。焊接污染處理設備從單一性、固定式、大型化,向成套性、組合性、可移動性、小型化及資源低耗方向發展。對主要污染焊接煙塵的處理采用局部通風為主、全面通風為輔的手段。
 
2.3 未來焊接機器人展望
 
隨著計算機技術、網絡技術、智能控制技術、人工智能理論以及工業生產系統的不斷發展,焊接機器人技術領域還有很多亟待我們去認真研究的問題,特別是焊接機器人的視覺控制技術、模糊控制技術、智能化控制技術、嵌入式控制技術、虛擬現實技術及網絡控制技術等將是未來研究的主要方向。
 
預計未來焊接機器人將會朝著虛擬現實技術、多傳感器信息融合技術、多智能焊接機器人系統、移動機器人系統的方向發展[2]。5G技術的超大網絡容量、高數據傳輸速率、低網絡延時,提升了焊接機器人系統協同化和智能化水平。虛擬現實技術是一種包括3D計算機圖形學技術、多功能傳感器的交互接口技術和高清顯示技術在內的對事件的現實性從空間和時間上進行分解后重新組合的技術,能夠使焊接機器人進行實時通信和遠程???。
 
3 結束語
 
我國是一個制造業大國,并已啟動“中國制造2025”戰略的實施推進,焊接機器人將在機械制造業中迎來一個非常好的發展前景。我國科技水平的迅速發展,極大地帶動了工程機械行業的發展,焊接機器人作為工程機械行業轉型升級的重要標志已經得到了國家的高度重視,政府加大政策和資金支持將促使焊接機器人得到飛速發展。隨著計算機技術、傳感器技術、人工智能技術等的發展,引進及吸收先進技術和經驗,焊接機器人技術會快速走向成熟,加快我國從制造大國向制造強國邁進的步伐。

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