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工業(yè)4.0時代：激光機器人勢成必然
發(fā)表時間：2015/5/12      瀏覽次數(shù)：2693次      返回上一頁
    OFweek激光網(wǎng)訊：“工業(yè)4.0”背景下，我國工業(yè)機器人的應(yīng)用正悄然出現(xiàn)拐點。據(jù)統(tǒng)計，2013年，我國工業(yè)機器人銷量達到了三萬多臺，同比增長60%，已超過日本成為全球第一機器人大國。
　　目前在汽車產(chǎn)業(yè)中，激光焊接機器人已成為最先進的制造技術(shù)，獲得了廣泛應(yīng)用。德國大眾汽車、美國通用汽車、日本豐田汽車等汽車裝配生產(chǎn)線上，已大量采用激光焊接機器人代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電阻點焊設(shè)備，不僅提高了產(chǎn)品質(zhì)量和檔次，而且減輕了汽車車身重量，節(jié)約了大量材料，使企業(yè)獲得很高的經(jīng)濟效益。在中國，不少汽車公司也引進了激光機器人進行加工。
    在汽車制造工藝里，焊接是汽車裝配流水線上一道不可缺少的工序。通常來講，車身焊接主要有電阻電焊、縫焊、二氧化碳焊等方式。在零件焊接上，應(yīng)用到的焊接技術(shù)還有閃光焊、電子束焊、電栓焊、脈沖焊、摩擦焊等。近年來，世界上最新出現(xiàn)了激光焊接技術(shù)，并且發(fā)展得很快。
 
　　與目前傳統(tǒng)的點焊工藝不同，激光焊接可以達到兩塊鋼板之間的分子結(jié)合，通俗而言就是焊接后的鋼板硬度相當于一整塊鋼板，從而將車身強度提升30%，車身的結(jié)合精度同樣大大提升。當然，激光焊接的實際使用意義并不僅于此。一般來說，車輛在道路上行進時來自地面的顛簸會轉(zhuǎn)換成每分鐘上千次的扭曲運動考驗車身，如果車身結(jié)合精度、強度不夠，輕則車內(nèi)異響頻頻、噪音大，嚴重的可能導致安裝在車輛上的零部件如變速箱、前后橋的損壞或者車身斷裂。
　　激光焊接的特點是被焊接工件變形極小，幾乎沒有連接間隙，焊接深度/寬度比高，因此焊接質(zhì)量比傳統(tǒng)焊接方法高。但是，如何保證激光焊接的質(zhì)量，也就是激光焊接過程監(jiān)測與質(zhì)量控制是一個激光利用領(lǐng)域的重要內(nèi)容，包括利用電感、電容、聲波、光電等各種傳感器，通過電子計算機處理，針對不同焊接對象和要求，實現(xiàn)諸如焊縫跟蹤、缺陷檢測、焊縫質(zhì)量監(jiān)測等項目，通過反饋控制調(diào)節(jié)焊接工藝參數(shù)，從而實現(xiàn)自動化激光焊接。所以說，激光焊接是一門技術(shù)性非常強的先進制造工藝。
　　機器人控制系統(tǒng)是機器人的大腦，是決定機器人功能和性能的主要因素。工業(yè)機器人控制技術(shù)的主要任務(wù)就是控制工業(yè)機器人在工作空間中的運動位置、姿態(tài)、軌跡、操作順序及動作的時間等，具有編程簡單、軟件菜單操作、友好的人機交互界面、在線操作提示和使用方便等特點。目前機器人的應(yīng)用工程由單臺機器人工作站向機器人生產(chǎn)線發(fā)展，機器人控制器的聯(lián)網(wǎng)技術(shù)使得對機器人生產(chǎn)線的監(jiān)控、診斷和管理更加便捷。
    機器人焊接目前已廣泛應(yīng)用在汽車制造業(yè)，汽車底盤、座椅骨架、導軌、消聲器以及液力變矩器等焊接。豐田公司將點焊作為標準來裝備其日本國內(nèi)和海外的所有點焊機器人。用這種技術(shù)可以提高焊接質(zhì)量，甚至試圖用它來代替某些弧焊作業(yè)，同時，在短距離內(nèi)的運動時間也大為縮短。該公司推出一種高度低的點焊機器人，用它來焊接車體下部零件。這種矮小的點焊機器人還可以與較高的機器人組裝在一起，共同對車體上部進行加工，從而縮短了整個焊接生產(chǎn)線長度。轎車后橋、副車架、搖臂、懸架、減振器等底盤零件大都是以惰性氣體保護焊(Metal-InertGasWelding，MIG)為主的受力安全零件，主要構(gòu)件采用沖壓焊接，板厚平均為1.5～4mm，焊接主要以搭接、角接接頭形式為主，焊接質(zhì)量要求相當高，其質(zhì)量的好壞直接影響到轎車的安全性能。應(yīng)用機器人焊接后，大大提高了焊接件的外觀和內(nèi)在質(zhì)量，并保證了質(zhì)量的穩(wěn)定性和降低勞動強度，改善了勞動環(huán)境。
　　激光焊接設(shè)備的關(guān)鍵是大功率激光器，主要有兩大類，一類是固體激光器，又稱Nd：YAG激光器。Nd：YAG激光器波長為1.06mm，主要優(yōu)點是產(chǎn)生的光束可以通過光纖傳送，因此可以省去復雜的光束傳送系統(tǒng)，適用于柔性制造系統(tǒng)或遠程加工，通常用于焊接精度要求比較高的工件。汽車工業(yè)常用輸出功率為3～4kW的Nd：YAG激光器。另一類是氣體激光器，又稱CO2激光器，分子氣體作工作介質(zhì)，產(chǎn)生平均為10.6mm的紅外激光，可以連續(xù)工作并輸出很高的功率，標準激光功率在2～5kW之間。汽車工業(yè)中激光技術(shù)主要用于車身拼焊、焊接和零件焊接。
　　德國的Rofin-Sina公司和Trumpf公司主要生產(chǎn)CO2激光器，HAAS公司則主要生產(chǎn)固體(Nd：YAG)激光器，而IPG公司生產(chǎn)新型的光纖激光器，Laserline公司生產(chǎn)半導體激光器，形成相互競爭又互相補充的激光技術(shù)研發(fā)與生產(chǎn)鏈。大眾汽車、寶馬汽車、奔馳汽車和美雅(Meyer)船廠是德國應(yīng)用激光焊接技術(shù)的示范企業(yè)。德國的大眾汽車已經(jīng)將激光焊接技術(shù)引入中國，并在上海大眾和一汽－大眾的轎車批量生產(chǎn)線上應(yīng)用，推動了中國激光焊接技術(shù)的應(yīng)用。
　　使用輸出功率大于4kW的二極管激發(fā)的固體激光器，對于鋁合金的焊接具有決定性的意義。這些系統(tǒng)的光束質(zhì)量特別好，能夠瞬間注入直徑為0.4mm的光纖中。激光束的聚焦能力極大地依靠于光纖的截面積。這表明這種新一代的固體激光器的潛力是“點”直徑更小，功率密度更高，使人們能夠進行以連續(xù)波的模式進行焊接。例如，用于對小型樣品和小零件的各種連接，如對接、T形焊接和搭接進行了研究，零件的材料是AlMgSi0.7(厚度：3mm)和AlMg3(厚度：1.6mm)鋁合金。高質(zhì)量的焊道外形只有在純粹的連續(xù)波狀態(tài)才有可能。當使用千瓦級的二極管激發(fā)的Nd：YAG激光器焊接鋁時，在很寬的參數(shù)范圍內(nèi)都能獲得很高的可靠性。
　　有業(yè)內(nèi)人士介紹，“現(xiàn)在的年輕人不愿意從事簡單的重復勞作，機器替代人工將成為以后發(fā)展的重要趨勢。”工業(yè)機器人具有重復性精確生產(chǎn)的特征，適應(yīng)制造業(yè)中規(guī)�；可a(chǎn)要求，裝配在生產(chǎn)線上代替人工作業(yè)，不僅解除了工人的繁復勞動，而且提高了生產(chǎn)質(zhì)量。它可以流動作業(yè)，適應(yīng)個性化生產(chǎn)需求。
　　機器人激光加工系統(tǒng)既具有機器人運動靈活、柔性高的特點，又具有激光的加工速度快、質(zhì)量好、熱影響小等優(yōu)點，很好地滿足了現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展的要求；同時三維激光切割焊接機器人不僅在技術(shù)上能夠滿足復雜三維切割焊接的要求，有助于提高工業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量水平，還能降低生產(chǎn)成本，給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟效益。
　　一直以來，工業(yè)機器人應(yīng)用最為廣泛的是汽車制造業(yè)；如今，機器人制造企業(yè)正努力向其他領(lǐng)域拓展。此前工業(yè)機器人主要替代重體力勞動和復雜勞動，以解決人力在惡劣環(huán)境下作業(yè)的問題；而現(xiàn)在正轉(zhuǎn)向簡單重復的、大量使用勞動力的領(lǐng)域。相關(guān)部門顯然也已經(jīng)注意到智能化所帶來的制造業(yè)變革，國家層面對智能制造的政策持續(xù)加碼。在中國傳統(tǒng)制造業(yè)面臨智能化轉(zhuǎn)型升級的背景下，激光加工進入機器人時代已勢在必然。
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