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未來是工程機(jī)械焊接機(jī)器人的天下嗎?
2020-07-02
來源:中國焊接協(xié)會 |責(zé)任編輯:小球球
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核心提示:隨著人力成本的上升,工程機(jī)械行業(yè)自動化、智能化生產(chǎn)已成為大勢所趨。焊接作為結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)的基礎(chǔ)工藝,其發(fā)展經(jīng)歷了手工焊、半自動焊、機(jī)器人焊接的歷程,工藝逐步成熟,其中,焊接機(jī)器人技術(shù)融合了機(jī)械、電子、傳感
隨著人力成本的上升,工程機(jī)械行業(yè)自動化、智能化生產(chǎn)已成為大勢所趨。焊接作為結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)的基礎(chǔ)工藝,其發(fā)展經(jīng)歷了手工焊、半自動焊、機(jī)器人焊接的歷程,工藝逐步成熟,其中,焊接機(jī)器人技術(shù)融合了機(jī)械、電子、傳感器、計算機(jī)及人工智能等許多學(xué)科的知識,先后經(jīng)歷示教再現(xiàn)、離線編程、智能機(jī)器人三個階段,特別適合多品種、小批量柔性生產(chǎn)。通過技術(shù)創(chuàng)新來改善工作環(huán)境,操作過程簡易化,應(yīng)用更加方便。
焊接機(jī)器人在工程機(jī)械領(lǐng)域的擴(kuò)展及廣泛應(yīng)用,大大提高了整體生產(chǎn)效率,改善了焊接工人的工作條件,提高了焊接生產(chǎn)柔性化水平及焊接質(zhì)量,同時也推動了焊接相關(guān)領(lǐng)域的自動化升級,“一人一工位”焊接逐步轉(zhuǎn)變?yōu)椤耙蝗艘粭l線”焊接生產(chǎn)。
1焊接機(jī)器人在工程機(jī)械行業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀
1.1工程機(jī)械行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀
工程機(jī)械行業(yè)是中國裝備制造業(yè)中最具國際競爭力的行業(yè)之一,創(chuàng)造了許多工程機(jī)械的世界紀(jì)錄。我國幅員遼闊,基建施工市場對工程機(jī)械的需求量巨大,目前大量設(shè)備進(jìn)入更新?lián)Q代高峰期。據(jù)相關(guān)研究分析,2019年中國工程機(jī)械銷售收入達(dá)6600億元人民幣,中國工程機(jī)械企業(yè)有9家躋身全球工程機(jī)械制造商50強(qiáng)。
新技術(shù)不斷革新,伴隨科技賦能VR、大數(shù)據(jù)、云計算、5G等技術(shù)的普及,加快了工程機(jī)械的升級換代,ERP、OA、EAP等系統(tǒng),優(yōu)化了信息化管理施工環(huán)節(jié),提高了行業(yè)效率(見圖1)。同時,國家提倡的發(fā)展綠色循環(huán)經(jīng)濟(jì),這也將成為工程機(jī)械行業(yè)未來發(fā)展的重要方向。
a)遠(yuǎn)程操控
b)施工現(xiàn)場
圖1智能遙控推土機(jī)遠(yuǎn)程操控及施工現(xiàn)場
1.2焊接機(jī)器人應(yīng)用范圍
焊接機(jī)器人最大的特點(diǎn)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(fù)雜的產(chǎn)品。如工程機(jī)械結(jié)構(gòu)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(zhì)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(jī)器人CO2/MAG氣體保護(hù)焊,焊接熔深大、速度快。焊接變位機(jī)的配合使用,增加了機(jī)器人系統(tǒng)的自由度,可焊率達(dá)90%以上。
圖2工程機(jī)械結(jié)構(gòu)件
焊接機(jī)器人包含機(jī)器人和焊接設(shè)備,機(jī)器人由機(jī)器人本體和控制柜組成,焊接設(shè)備由焊接電源、送絲機(jī)構(gòu)、焊槍及清槍器等組成。目前,6軸機(jī)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(fù)雜的工件,把機(jī)器人裝于可移動導(dǎo)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(jī),可擴(kuò)大機(jī)器人本身的作業(yè)空間,讓工件的焊接部位和機(jī)器人都處于最佳的焊接位置。
1.3焊接機(jī)器人應(yīng)用現(xiàn)狀
焊接機(jī)器人以在工程機(jī)械行業(yè)領(lǐng)域表現(xiàn)高效性、高可靠性、高靈活性的特點(diǎn)為世人矚目,正逐步將焊接工人從高疲勞、高危險的勞動環(huán)境中解放出來,減少焊接煙塵帶來的職業(yè)危害。據(jù)相關(guān)部門統(tǒng)計,2019年焊接機(jī)器人銷量達(dá)到21.1萬臺,如圖3所示。
圖32008—2019年全球焊接機(jī)器人銷售走勢
目前,焊接機(jī)器人的編程方法還是以在線示教為主[2-4],但編程器的界面比過去有了不少改進(jìn),新的焊接機(jī)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(guān)鍵點(diǎn),輸入直線或圓弧命令,通過焊接機(jī)器人電弧傳感器或激光視覺傳感器自動跟蹤實(shí)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(jī)位置及焊槍姿態(tài),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(jī)器人焊接過程中不斷檢驗(yàn)和修改,經(jīng)大量實(shí)踐積累后才能形成高效實(shí)用的焊接程序。
現(xiàn)場應(yīng)用如圖所示,焊接工作站由焊接用機(jī)器人(6軸集成的機(jī)械手)、RGV小車、行走龍門架(1~3軸)、L型變位機(jī)、工裝夾具及各種系統(tǒng)設(shè)備組成,可實(shí)現(xiàn)自動焊接、自動上下料,生產(chǎn)效率比手工焊接提高50%以上,焊縫均勻美觀。
a)焊接現(xiàn)場
b)焊縫外觀
1.4焊接機(jī)器人應(yīng)用的意義
(1)穩(wěn)定和提高焊接質(zhì)量,保證焊縫均一性采用機(jī)器人焊接時每條焊縫的焊接參數(shù)恒定,焊縫質(zhì)量受人為因素影響較小,因此焊接質(zhì)量比較穩(wěn)定。
(2)改善了工人的勞動條件采用機(jī)器人焊接,焊工遠(yuǎn)離了焊接弧光、煙霧、飛濺和高溫等,對于點(diǎn)焊來說焊工不再搬運(yùn)笨重的手工焊鉗,使焊工從高強(qiáng)度的體力勞動中解脫出來。
(3)提高勞動生產(chǎn)率焊接機(jī)器人一天可24h連續(xù)生產(chǎn),另外隨著高速焊、窄間隙焊接技術(shù)的應(yīng)用,使用機(jī)器人焊接,效率提高的更加明顯。
(4)產(chǎn)品周期明確,容易控制生產(chǎn)效率機(jī)器人的生產(chǎn)節(jié)拍是固定的,因此安排生產(chǎn)計劃非常明確。
2焊接機(jī)器人在工程機(jī)械行業(yè)的發(fā)展趨勢
2.1工程機(jī)械行業(yè)發(fā)展趨勢
隨著科技的進(jìn)步,工程機(jī)械行業(yè)在謀求產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級,尤其在人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)推動下,信息化、自動化、智能化已經(jīng)成為了企業(yè)發(fā)展的主要路徑。通過機(jī)器人、軟件信息化、柔性化生產(chǎn)等方式,企業(yè)可實(shí)現(xiàn)上下游信息透明、協(xié)作設(shè)計與生產(chǎn),大大提升了生產(chǎn)服務(wù)的質(zhì)量與效率。
5G技術(shù)提升了信息的傳輸效率,未來工程機(jī)械滲透率有望持續(xù)提升,電動化、物聯(lián)網(wǎng)、智能化、共享化將是工程機(jī)械行業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)。遠(yuǎn)程遙控?zé)o人駕駛,多品種機(jī)械一體化施工,未來科技將讓施工更簡單。
(1)模塊化產(chǎn)品創(chuàng)新是企業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵要素,工程機(jī)械產(chǎn)品應(yīng)用模塊化設(shè)計以多品種、多選裝、新特異的發(fā)展戰(zhàn)略應(yīng)對市場需求,可降低設(shè)計風(fēng)險,縮短設(shè)計周期,提高產(chǎn)品可靠性,加強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)化,提高企業(yè)管理水平,促進(jìn)企業(yè)產(chǎn)品的升級換代。
(2)舒適性工程機(jī)械舒適性不僅表現(xiàn)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(xué),合理布置駕駛室內(nèi)飾,操作控制方式,必要的減振降噪等。工程機(jī)械工作環(huán)境通常都比較惡劣,駕駛?cè)藛T的工作強(qiáng)度也比較大,舒適的設(shè)計理念可以緩解其疲勞,提高作業(yè)效率。
(3)節(jié)能環(huán)保在大家的共同努力下,我國環(huán)境空氣質(zhì)量有了一定改善。2016年4月起非道路移動機(jī)械柴油機(jī)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)執(zhí)行到了第三階段,同時在國家新舊動能轉(zhuǎn)換的推動下,工程機(jī)械行業(yè)逐步向國家第四階段排放標(biāo)準(zhǔn)邁進(jìn),實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。
(4)個性化需求同質(zhì)化產(chǎn)品適應(yīng)大批量生產(chǎn)要求,但無法滿足用戶的特定需求,個性化工程機(jī)械深受客戶的寵愛。相較于標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品,個性化產(chǎn)品的研制成本會更高,是對企業(yè)能力與實(shí)力的最大考驗(yàn),促進(jìn)企業(yè)引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)、提高創(chuàng)新能力,適應(yīng)市場需求。
2.2焊接機(jī)器人發(fā)展趨勢
為滿足客戶對產(chǎn)品的多種需求,工程機(jī)械逐步向“新特異”小批量發(fā)展,這也加快了焊接機(jī)器人的智能化及自動化發(fā)展[5]。近年來,焊接機(jī)器人技術(shù)的研究與應(yīng)用在焊縫跟蹤、信息傳感、離線編程與路徑規(guī)劃、智能控制、電源技術(shù)、仿真技術(shù)、焊接工藝方法及遙控焊接技術(shù)等方面取得了許多突出的成果。從機(jī)器人技術(shù)發(fā)展趨勢看,焊接機(jī)器人和其他工業(yè)機(jī)器人一樣,不斷向智能化和多樣化方向發(fā)展。具體而言,表現(xiàn)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(jī)等智能控制技術(shù)應(yīng)用于焊接自動化裝備中,使其能在各種環(huán)境復(fù)雜、變化的焊接工況下根據(jù)焊接的實(shí)際情況,自動調(diào)整、優(yōu)化焊接軌跡和工藝參數(shù),實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、高效率的焊接智能控制與焊縫自動跟蹤,大大提高了機(jī)器人的作業(yè)性能和對環(huán)境的適應(yīng)性。
(2)高效由于微電子技術(shù)的快速發(fā)展和大規(guī)模集成電路的應(yīng)用,使焊接機(jī)器人系統(tǒng)的可靠性有了很大提高。焊接機(jī)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(jī)價格不斷下降。過去機(jī)器人系統(tǒng)的可靠性一般為幾千小時,而現(xiàn)在已達(dá)到50000h,可以滿足任何場合的需求。同時,多臺焊接機(jī)器人和搬運(yùn)機(jī)器人集成布線可實(shí)現(xiàn)全自動生產(chǎn),人為因素減少到最低,產(chǎn)品的質(zhì)量均一性和生產(chǎn)效率都明顯改善。
(3)柔性化現(xiàn)代化生產(chǎn)要求同一臺設(shè)備能夠滿足同類型不同規(guī)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(chǎn)線一次投資相對較高,因此在設(shè)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(tǒng),以充分發(fā)揮裝備的效能。
(4)網(wǎng)絡(luò)化智能接口、遠(yuǎn)程通信等現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,促進(jìn)了焊接自動化裝備管控一體化技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。通過網(wǎng)絡(luò)將生產(chǎn)過程自動控制一體化,利用計算機(jī)技術(shù)、遠(yuǎn)程通信等技術(shù),焊接加工過程和質(zhì)量信息、生產(chǎn)管理等信息,通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)字一體化管理,實(shí)現(xiàn)脫機(jī)編程、遠(yuǎn)程監(jiān)控、診斷和檢修。
(5)清潔環(huán)保新工藝、新材料、新技術(shù)的研究,減少焊接煙塵的產(chǎn)生,同時焊接過程中產(chǎn)生的煙塵通過集中處理技術(shù)進(jìn)行凈化,焊接環(huán)境進(jìn)一步改善[6]。焊接污染處理設(shè)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(fā)展。對主要污染焊接煙塵的處理采用局部通風(fēng)為主、全面通風(fēng)為輔的手段。
2.3未來焊接機(jī)器人展望
隨著計算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、智能控制技術(shù)、人工智能理論以及工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的不斷發(fā)展,焊接機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域還有很多亟待我們?nèi)フJ(rèn)真研究的問題,特別是焊接機(jī)器人的視覺控制技術(shù)、模糊控制技術(shù)、智能化控制技術(shù)、嵌入式控制技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)等將是未來研究的主要方向。
預(yù)計未來焊接機(jī)器人將會朝著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、多傳感器信息融合技術(shù)、多智能焊接機(jī)器人系統(tǒng)、移動機(jī)器人系統(tǒng)的方向發(fā)展[2]。5G技術(shù)的超大網(wǎng)絡(luò)容量、高數(shù)據(jù)傳輸速率、低網(wǎng)絡(luò)延時,提升了焊接機(jī)器人系統(tǒng)協(xié)同化和智能化水平。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種包括3D計算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)、多功能傳感器的交互接口技術(shù)和高清顯示技術(shù)在內(nèi)的對事件的現(xiàn)實(shí)性從空間和時間上進(jìn)行分解后重新組合的技術(shù),能夠使焊接機(jī)器人進(jìn)行實(shí)時通信和遠(yuǎn)程遙控。
3結(jié)束語
我國是一個制造業(yè)大國,并已啟動“中國制造2025”戰(zhàn)略的實(shí)施推進(jìn),焊接機(jī)器人將在機(jī)械制造業(yè)中迎來一個非常好的發(fā)展前景。我國科技水平的迅速發(fā)展,極大地帶動了工程機(jī)械行業(yè)的發(fā)展,焊接機(jī)器人作為工程機(jī)械行業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重要標(biāo)志已經(jīng)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(jī)器人得到飛速發(fā)展。隨著計算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、人工智能技術(shù)等的發(fā)展,引進(jìn)及吸收先進(jìn)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn),焊接機(jī)器人技術(shù)會快速走向成熟,加快我國從制造大國向制造強(qiáng)國邁進(jìn)的步伐。
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