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焊接机器人及其在高速列车智能制造中的应用

2021-05-27 17:25:58

焊接是高速列车制造过程中Z主要和Z基本的工艺方法。随着列车高速化和轻量化, 各部件的服役环境恶化, 对车体和转向架的焊接技术提出了更高的要求。采用焊接机器人工作站或自动焊接专机是提高和稳定焊接质量的重要途径, 而且随着劳动力成本的提高, 机器人焊接的成本优势越来越明显。

《智能制造科技发展 “十二五” 专项规划》 指出:“中国已是世界第二大经济体和制造业大国, 但自主创新能力薄弱、 先进装备贸易逆差严重、 高端装备与智能装备严重依赖进口, 严重制约我国制造产业健康发展。而智能制造技术是世界制造业未来发展的重要方向之一” 。近年来, 我国高速铁路和高速列车发展迅猛, 获得了一系列具有自主知识产权的重大科技成果。但是, 我国高速列车制造过程与国外高速列车生产现状还有一定差距, 行业中的高端装备和智能装备依赖进口。走智能制造的道路也是我国未来高速列车制造业发展的趋势。

智能制造Z终目标是实现 “设计过程、 制造过程和制造装备智能化”, 包括产品设计中的数字化,制造过程中的传感信息化和网络化, 制造装备的数字化和智能化。其中, 制造装备的智能化是实现整体制造智能化的前提和基础。在所有的智能化制造装备中, 机器人无疑是柔性制造自动化的集中体现。而在高速列车的生产中, 焊接又占据了相当大的比重, 焊接机器人必然在高速列车智能制造中发挥重要作用。本文在分析焊接机器人的发展现状基础上,给出其在高速列车制造行业中的应用前景。

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OTC机器人,OTC焊机,焊接机器人

焊接机器人研究和应用现状

机器人技术是综合了计算机、 控制论、 机构学信息和传感技术、 人工智能、 仿生学等多学科而形成的高新技术, 是当代研究十分活跃的领域。近十几年来, 随着相关领域技术快速发展, 机器人技术也得到了飞速发展。为了更好地完成焊接任务, 机器人生产厂商在机器人本体上做了相应的调整?;魅怂捎貌牧峡甲蚵?、 不锈钢、 高强钢, 所使用的板材也越来越薄。使用材料的变化在保证刚度的前提下, 减少了机器人自身的质量, 降低了成本。目前市场上机器人的售价越来越低, 性价比越来越高, 各个机器人厂商纷纷推出了 11~13 万的经济型弧焊机器人。

下面介绍机器人相关技术的一些新进展。

1.1焊接机器人本体结构的改进

在焊接机器人本体结构方面, 近几年一个较大的改进就是将原来的外置式送丝机构, 改到机械臂中心, 如图 1 所示。这样避免了焊丝送丝中的打弯现象, 由于保证了焊丝输送稳定, 使焊接质量进一步提高。同时这样改进也避免了图 1 所示情况下所发生的干涉。这种送丝同轴的设计, 可以使焊枪旋转角度大于 360°。

1.2机器人控制器的通用化、 开放化和多轴协调控制

机器人控制器是根据指令以及传感信息控制机器人完成一定的动作或作业任务的装置, 它是机器人的心脏, 决定了机器人性能的优劣。传统的机器人控制器基本上采用专用的计算机、 专用的机器人语言和专用的操作系统设计的, 结构封闭, 表现出开放性差、 软件独立性差、 扩展性差、 缺少网络功能等缺点, 它严重地影响了机器人的发展和应用水平。在这种情况下, 开发开放式的机器人控制系统显得非常迫切, 同时开放式机器人控制器也是当前控制系统的主流和发展趋势。

目前各机器人厂商的控制柜都具有多轴协调控制能力, 用于多机器人焊接系统, 即若干个机器人通过合作与协调而完成某一任务。例如 MOTOMAN的机器人控制柜 NX100 Z多可控制 4 台弧焊机器人同时作业, 使生产效率进一步提高。由于1台控制柜可统一控制多台机器人,所以机器人间无需联锁。

焊接过程中, 可根据作业内容选择多台机器人协调作业, 或选择单台机器人独立作业, 控制器实时监控手臂间的干涉, 即使在示教中, 也能防止机器人间发生碰撞。

1.3焊接传感器

焊接机器人由示教再现型向智能型发展, 增强其柔性和适应性, 传感器是必不可少的。对于自主焊接来说, 传感器感知外部环境的变化通知机器人,机器人实时调整工作状态, 以适应环境的变化这一点对于焊接来说尤为重要。在实际焊接过程中, 焊接条件是经常变化的, 如加工和装配上的误差会造成焊缝位置和尺寸的变化, 焊接过程中工件受热及散热条件改变会造成焊道变形和熔透不均。为了克服机器人焊接过程中各种不确定性因素对焊接质量的影响, 需提高机器人作业的智能化水平和工作的可靠性, 要求弧焊机器人系统不仅能实现空间焊缝的自动实时跟踪, 而且还能实现焊接参数的在线检测、 调整和焊缝质量的实时控制。目前, 应用比较成熟的传感器主要是焊缝跟踪传感器, 主要有电弧跟踪和激光跟踪两大类, 分别如图2和图3所示。

电弧跟踪传感优点是简单, 不用附加另外的传感装置, 但它只适用于熔化极焊接场合。目前很多商用机器人已具有电弧跟踪传感功能。激光跟踪传感由于其优越的性能, 已成为Z有前途、 发展快的焊接传感器。由激光二极管发射的激光束入射到工件表面, 经金属表面反射, 由 CCD 摄像机接收成像??梢钥吹?, 当工件位置不同时, 激光光斑成像在 CCD 上的位置是不同的。如果已知激光入射角度, 通过图像上的光斑位置, 就可以计算出工件上点的三维信息。除了这种点式激光光源, 目前更多的焊缝激光传感器采用激光条纹作为光源。加拿大Servorobot 和英国 META 公司已有商业化的产品出售。这类专业的激光焊缝跟踪传感器的售价一般在20 万元以上, 比机器人本体还要昂贵。传感结果通过数据接口传输给机器人控制, 由控制器发出指令对机器人的运动进行调整。目前, 这类激光传感器在焊接机器人工作站上使用主要为了实现三类功能:

( 1 ) 初始焊位引导, 也称为焊缝搜索或接头搜索。由于装配误差, 可能引起焊缝位置的变化。此时如果仍然按照原示教结果进行焊接, 可能会出现焊偏现象。焊缝搜索是利用一次或多次搜索定位焊缝, 在焊接前平移机器人的编程路径, 确保焊缝确地熔敷在接头上的过程。用于焊接机器人的焊缝搜索定位系统, 包括点式及条纹式的激光传感器,适用于不同项目需求。

( 2 ) 焊接过程中对焊缝实时跟踪。焊缝跟踪也称为接头跟踪, 是指在焊接位置前方进行实时跟踪。这不仅可以校正机器人或专机的轨迹, 而且可以实现自适应控制, 例如通过调整电压、 送丝速度或行走速度来改变焊缝成形。利用激光焊缝跟踪传感器在焊枪之前实时地检测焊缝三维空间位置和曲面曲率, 并将此信息发送给机器人控制器, 引导焊枪移动。

( 3 ) 焊后质量检测。利用激光传感器的三维信息获取能力, 可以对焊后的焊缝成形质量和缺陷进行检验, 发现成形不良、 咬边等缺陷。

值得注意的是, 目前一些机器人厂商, 如 OTC ,MOTOMAN 等, 已经开始着手研制用于所产机器人的激光焊缝跟踪传感器。将来焊缝跟踪激光传感器将与焊接机器人协同工作得更好。先进的激光焊缝跟踪传感器不仅能够感知被测点的三维位置, 还能够拟合出工件的曲率, 从而不仅调节焊枪位置, 还可以帮助调节焊枪姿态, 如图 4 所示。这样在激光焊缝跟踪传感器的帮助下, 有可能完全省去示教步骤, 从而大大提高工作效率。目前, 焊缝跟踪传感器还是非?;钤镜牧煊蛑?, 多条纹激光光源、 锥形激光光源等都有研究和应用。所适用的焊接过程也从原来的单道焊接扩展到多层多道焊的焊缝跟踪, 对于高反光的铝合金材料焊接, 也能够实现有效跟踪。

1.4离线编程技术

机器人离线编程 ( OLP — off-linprogramming ) 系统是机器人编程语言的拓广, 它利用计算机图形学的成果, 建立起机器人及其工作环境的模型, 在利用一些规划算法, 通过对图形的控制和操作, 在不使用实际机器人的情况下进行轨迹规划, 进而产生机器人程序。它是 CAD/CAM/ROBOTICS 一体化的产物。

离线编程技术的高目标是全自动编程, 即只需输入工件的模型, 离线编程系统中的专家系统会自动制订相应的工艺过程, 并Z终生成整个加工过程的机器人程序, 称之为 “傻瓜编程”。目前, 还不能实现全自动编程。自动编程技术是当前研究的重点。自动编程技术的核心是焊接任务、 焊接参数、焊接路径和轨迹的规划技术。针对弧焊应用, 自动编程技术可以表述为在编程各阶段中, 能够辅助编程者完成独立的、 具有一定实施目的和结果的编程任务的技术, 是为了提高系统的智能, 提高编程的质量和效率而提出来的。目前除了一些较通用的离线编程系统外, 各个机器人生产厂商也纷纷推出自己的离线编程系统。

1.5焊接过程监测和质量保证

为了更好地监测焊接过程, 一些焊接机器人向用户直接提供了焊接参数监测系统, 用以帮助用户观察和记录焊接过程参数, 发现潜在的焊接缺陷。同时为了保证焊接质量, 机器人厂商纷纷推出专用焊机, 采用自适应控制方法, 避免飞溅产生和适应变坡口间隙的情况。目前能够采用机器人进行焊接的工艺方法有 GTAW , GMAW , 点焊, 激光焊等,从焊接工艺的角度出发, 改进机器人的性能和辅助功能。

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焊接机器人在高速列车生产中的应用前景

随着智能制造计划的推进, 工业机器人在制造业中的应用将会飞速发展。实际上, 近年来我国每年新装机器人的台套数都在以 50%/ 年的速度在增长。随着机器人售价的降低和人工成本的增加, 使用机器人所带来的经济效益越来越驱动企业使用机器人进行焊接。另一方面, 机器人的性能大幅提高,经过了几十年的积累, 机器人厂商已经能够针对不同的产品形式提供成套的设备, 包括机器人本体、变位机、 离线编程系统和传感系统等, 大大降低了用户使用机器人的难度。

在高速列车生产中, 北车集团已经采用多套机器人系统进行铝合金车体的焊接, 其转向架的焊接已经可用焊接机器人来完成。由于复杂的形状和严格的质量要求, 转向架是另一种采用弧焊很难焊接的工件。为了获得规定的熔透, 焊缝的定位要求非常关键。采用装有视觉系统的机器人已用于焊接这些工件, 其中所用的机器人带有焊接参数自适应控制的功能。

可以预见, 在高速列车生产中采用机器人焊接无疑可以提高产品质量, 为实现智能制造奠定基础。


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