自動焊接機器人

　　原理

　　自動焊接機器人是一種高度自動化的焊接設(shè)備.采用機器人代替手工焊接作業(yè)是焊接制造業(yè)的發(fā)展趨勢，是提高焊接質(zhì)量、降低成本、改善工作環(huán)境的重要手段。機器人焊接作為現(xiàn)代制造技術(shù)發(fā)展的重要標志己被國內(nèi)許多工廠所接受，并且越來越多的企業(yè)焊接機器人作為技術(shù)改造的方案。

　　采用機器人進行焊接，光有一臺機器人是不夠的，還必須配備外圍設(shè)備。常規(guī)的弧焊機器人系統(tǒng)由以5部分組成。1、機器人本體，一般是伺服電機驅(qū)動的 6 軸關(guān)節(jié)式操作機，它由驅(qū)動器、傳動機構(gòu)、機械手臂、關(guān)節(jié)以及內(nèi)部傳感器等組成。它的任務(wù)是精確地保證機械手末端(悍槍)所要求的位置、姿態(tài)和運動軌跡。2、機器人控制柜，它是機器人系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，包括計算機硬件、軟件和一些專用電路，負責(zé)處理機器人工作過程中的全部信息和控制其全部動作。3、焊接電源系統(tǒng)，包括焊接電源、專用焊槍等。4、焊接傳感器及系統(tǒng)安全保護設(shè)施。5、焊接工裝夾具。對于小批量多品種、體積或質(zhì)量較大的產(chǎn)品，可根據(jù)其工件的焊縫空間分布情況，采用簡易焊接機器人工作站或焊接變位機和機器人組合的機器人工作站。以適用于“多品種、小批量”的柔性化生產(chǎn)。對于工件體積小、易輸送.且批量大、品種規(guī)格多的產(chǎn)品.將焊接工序細分，采用機器人與焊接專機組合的生產(chǎn)流水線，結(jié)合模塊化的焊接夾具以及快速換模技術(shù)，以達到投資少、效率高的低成本自動化的目的。

　　性能
 

　　機器人是一種具有“柔性”的機器，機器人具有人或者生物的某些功能，例如，工業(yè)機器人操作手模擬了人類手臂的功能，步行機器人模擬了人和動物下肢的運動功能。高級的機器人可以通過傳感器了解外部環(huán)境或者“身體內(nèi)在的”狀態(tài)與變化，甚至可以做出自己的邏輯推理、判斷與決策，也就是所謂的機器人的智能行為。

　　工業(yè)機器人只有作為作業(yè)系統(tǒng)的一部分才能發(fā)揮作用。由于各種不同類型的機器人不斷涌現(xiàn)，它們發(fā)揮作用的形式和組成的系統(tǒng)也在不斷變化。工業(yè)機器人作為制造系統(tǒng)的一部分發(fā)揮作用是典型的。下面通過焊接系統(tǒng)來分析機器人的工作原理。焊接機器人系統(tǒng)工作時，至少需要一個工作臺，將工件裝卡在上面，并運送到機器人焊接的合適位置。這樣，構(gòu)成了一個簡單的機器人焊接系統(tǒng)，稱為機器人焊接工作站。如果機器人組成一個焊接生產(chǎn)線，則這個系統(tǒng)就變得更為復(fù)雜。

　　機器人要完成焊接作業(yè)，必須依賴于控制系統(tǒng)與輔助設(shè)備的支持和配合。完整的焊接機器人系統(tǒng)一般由機器人操作手、變位機、控制器、焊接系統(tǒng)（專用焊接電源、焊槍或焊鉗等）、焊接傳感器、控制計算機和相應(yīng)的安全設(shè)備等組成，如下圖所示。

　　機器人操作手是焊接機器人系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，它由驅(qū)動器、傳動機構(gòu)、機器人臂、關(guān)節(jié)以及內(nèi)部傳感器（如編碼盤）等組成。它的任務(wù)是精確地保證末端操作器所要求的位置、姿態(tài)和實現(xiàn)其運動。工業(yè)機器人操作手具有６個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的鉸接開鏈式機器人。

　　變位機作為的作用是將被焊工件旋轉(zhuǎn)（平移）到的焊接位置。在焊接作業(yè)前和焊接過程中，變位機通過夾具來裝卡和定位被焊工件，對工件的不同要求決定了變位機的負載能力及其運動方式。為了使機器人操作手充分發(fā)揮效能，焊接機器人系統(tǒng)通常采用兩臺變位機，當在其中一臺上進行焊接作業(yè)時，另一臺則完成工件的上裝和卸載，從而使整個系統(tǒng)獲得高的費用效能比。

　　機器人控制器是整個機器人系統(tǒng)的大腦，它由計算機硬件、軟件和一些專用電路構(gòu)成，其軟件包括控制器系統(tǒng)軟件、機器人專用語言、機器人運動學(xué)及動力學(xué)軟件、機器人控制軟件、機器人自診斷及自保護軟件等?？刂破髫撠?zé)處理焊接機器人工作過程中的全部信息和控制其全部動作。所有現(xiàn)代機器人的控制器都是基于多處理器，根據(jù)操作系統(tǒng)的指令，工業(yè)控制計算機通過系統(tǒng)總線實現(xiàn)對不同組件的驅(qū)動及協(xié)調(diào)控制。

　　焊接系統(tǒng)主要由焊鉗（點焊機器人）、焊槍（弧焊機器人）、焊接控制器及水、電、氣等輔助部分組成。焊接控制器是由微處理器及部分外圍接口芯片組成的控制系統(tǒng)，它可根據(jù)預(yù)定的焊接監(jiān)控程序，完成焊接參數(shù)輸入、焊接程序控制及焊接系統(tǒng)故障自診斷，并實現(xiàn)與本地計算機及示教盒的通信聯(lián)系。用于弧焊機器人的焊接電源及送絲設(shè)備由于參數(shù)選擇的需要，必須由機器人控制器直接控制，電源在其功率和接通時間上必須與自動過程相符。

　　在焊接過程中，盡管機器人操作機、變位機、裝卡設(shè)備和工具能達到很高的精度，但由于存在被焊工件幾何尺寸和位置誤差，以及焊接過程中熱輸入能引起工件的變形，傳感器仍是焊接過程中（尤其是焊接大厚工件時）的設(shè)備。傳感器的任務(wù)是實現(xiàn)工件坡口的定位、跟蹤以及焊縫熔透信息的獲取。

　　應(yīng)用
 

　　自動焊接機器人從事焊接（包括切割與噴涂）的工業(yè)機器人。根據(jù)國際標準化組織（ISO）工業(yè)機器人屬于標準焊接機器人的定義，工業(yè)機器人是一種多用途的、可重復(fù)編程的自動控制操作機（Manipulator），具有三個或更多可編程的軸，用于工業(yè)自動化領(lǐng)域。為了適應(yīng)不同的用途，機器人個軸的機械接口，通常是一個連接法蘭，可接裝不同工具或稱末端執(zhí)行器。焊接機器人就是在工業(yè)機器人的末軸法蘭裝接焊鉗或焊（割）槍的，使之能進行焊接，切割或熱噴涂。
 

　激光焊接
 

     原理

　　激光焊接是利用高能量密度的激光束作為熱源的一種高效精密焊接方法。激光焊接是激光材料加工技術(shù)應(yīng)用的重要方面之一。20世紀70年代主要用于焊接薄壁材料和低速焊接，焊接過程屬熱傳導(dǎo)型，即激光輻射加熱工件表面，表面熱量通過熱傳導(dǎo)向內(nèi)部擴散，通過控制激光脈沖的寬度、能量、峰值功率和重復(fù)頻率等參數(shù)，使工件熔化，形成特定的熔池。由于其的優(yōu)點，已成功應(yīng)用于微、小型零件的精密焊接中。
　　中國的激光焊接處于水平，具備了使用激光成形超過12平方米的復(fù)雜鈦合金構(gòu)件的技術(shù)和能力，并投入多個國產(chǎn)航空科研項目的原型和產(chǎn)品制造中。 2013年10月，中國焊接專家獲得了焊接領(lǐng)域?qū)W術(shù)獎--布魯克獎，中國激光焊接水平得到了世界的肯定。

　　1)激光功率。激光焊接中存在一個激光能量密度閾值，低于此值，熔深很淺，一旦達到或超過此值，熔深會大幅度提高。只有當工件上的激光功率密度超過閾值(與材料有關(guān))，等離子體才會產(chǎn)生，這標志著穩(wěn)定深熔焊的進行。如果激光功率低于此閾值，工件僅發(fā)生表面熔化，也即焊接以穩(wěn)定熱傳導(dǎo)型進行。而當激光功率密度處于小孔形成的臨界條件附近時，深熔焊和傳導(dǎo)焊交替進行，成為不穩(wěn)定焊接過程，導(dǎo)致熔深波動很大。激光深熔焊時，激光功率同時控制熔透深度和焊接速度。焊接的熔深直接與光束功率密度有關(guān)，且是入射光束功率和光束焦斑的函數(shù)。一般來說，對一定直徑的激光束，熔深隨著光束功率提高而增加。

　　2)光束焦斑。光束斑點大小是激光焊接的最重要變量之一，因為它決定功率密度。但對高功率激光來說，對它的測量是一個難題，盡管已經(jīng)有很多間接測量技術(shù)。

　　光束焦點衍射極限光斑尺寸可以根據(jù)光衍射理論計算，但由于聚焦透鏡像差的存在，實際光斑要比計算值偏大。的實測方法是等溫度輪廓法，即用厚紙燒焦和穿透聚丙烯板后測量焦斑和穿孔直徑。這種方法要通過測量實踐，掌握好激光功率大小和光束作用的時間。 3)材料吸收值。材料對激光的吸收取決于材料的一些重要性能，如吸收率、反射率、熱導(dǎo)率、熔化溫度、蒸發(fā)溫度等，其中最重要的是吸收率。

　　優(yōu)點

　　激光加工具有很多優(yōu)點，其中有:

　　焊接設(shè)備不需要和被粘結(jié)的塑料零部件相接觸。

　　速度快

　　設(shè)備自動化程度高，很方便的用于復(fù)雜塑料零部件加工。

　　不會出現(xiàn)飛邊。

　　焊接牢固

　　可以得到高精度的焊接件。

　　無振動技術(shù)

　　能產(chǎn)生氣密性的或者真空密封結(jié)構(gòu)。

　　最小化熱損壞和熱變形。

　　可以將不同組成或不同顏色的樹脂粘結(jié)在一起。

　　設(shè)備

　　激光透射焊接技術(shù)主要使用兩類激光設(shè)備:一個是摻釹釔鋁石榴石合成晶體(Nd3+:YAG)，另一個是半導(dǎo)體二極管。Nd3+:YAG激光的波長為1064納米(nm)，容易被含有特殊填料或顏料的塑料吸收?？梢酝ㄟ^光導(dǎo)纖維將激光很方便的傳送到激光頭，尤其是在使用自動化裝置的焊接技術(shù)。二極管激光器產(chǎn)生的波長范圍在800-1000nm之間，這對焊接來說是高的能量區(qū)域。它結(jié)構(gòu)緊湊，可以很方便的安裝在自動化設(shè)備上。二極管激光的吸收特征和Nd3+:YAG的吸收特征類似。塑料焊接有時也使用二氧化碳(CO2)激光器。它能產(chǎn)生10600nm的光波，這同Nd3+:YAG和二極管激光器產(chǎn)生激光相比，更容易被塑料吸收。但是二氧化碳激光的穿透性能沒有其它兩種激光器產(chǎn)生的激光。因此二氧化碳激光器主要用于薄膜材料焊接。激光類型 CO2 Nd3+:YAG 二極管波長 (um) 10.6 1.06 0.8-1.0能量 (W) 60,000 6,000 6,000效率 10% 3% 30%透射光束 鏡面反射 光纖及鏡面 光纖及鏡面最小的光點大小(mm) 0.2-0.7(直徑) 0.1-0.5(直徑) 0.5x0.5表 1: 市場上常用的塑料激光加工技術(shù)對比使用Nd:YAG或二極管激光的透射焊接技術(shù)，可以以超過20米/分的線速度將1mm以上厚度的塑料件焊接在一起。二氧化碳激光器焊接薄膜的速度可以高達750米/分。