《焊接机器人》PPT课件

典型工作任务：先进焊接设备 子任务1：焊接机器人 什么是焊接机器人？l 具 有 三 个 或 三 个 以 上 可 自 由 编 程 的 轴 ， 并 能 将焊 接 工 具 按 要 求 送 到 预 定 空 间 位 置 ， 按 要 求 轨迹 及 速 度 移 动 焊 接 工 具 的 机 器 。 l 包 括 ： 弧 焊 机 器 人 、 激 光 焊 接 机 器 人 、 点 焊 机器 人 等 。 l 焊 接 机 器 人 主 要 包 括 机 器 人 和 焊 接 设 备 两 部 分 。机 器 人 由 机 器 人 本 体 和 控 制 柜 （ 硬 件 及 软 件 ）组 成 。 而 焊 接 装 备 ， 以 弧 焊 及 点 焊 为 例 ， 则 由焊 接 电 源 ， （ 包 括 其 控 制 系 统 ） 、 送 丝 机 （ 弧焊 ） 、 焊 枪 （ 钳 ） 等 部 分 组 成 。 对 于 智 能 机 器人 还 应 有 传 感 系 统 ， 如 激 光 或 摄 像 传 感 器 及 其控 制 装 置 等 。 图 1a、 b表 示 弧 焊 机 器 人 和 点 焊机 器 人 的 基 本 组 成 。 焊接用机器人的主要结构形式及性能 焊 接 机 器 人有 什 么 优 点 呢 ？ l1） 稳 定 和 提 高 焊 接 质 量 ； l 2） 提 高 劳 动 生 产 率 ； l 3） 改 善 工 人 劳 动 强 度 ， 可 在 有 害 环 境 下 工 作 ； l 4） 降 低 了 对 工 人 操 作 技 术 的 要 求 ； l 5） 缩 短 了 产 品 改 型 换 代 的 准 备 周 期 ， 减 少 相 应 的设 备 投 资 。 点焊机器人l点焊机器人由机器人本体、计算机控制系统、示教盒和点焊焊接系统几部分组成，由于为了适应灵活动作的工作要求，通常电焊机器人选用关节式工业机器人的基本设计，一般具有六个自由度：腰转、大臂转、小臂转、腕转、腕摆及腕捻。其驱动方式有液压驱动和电气驱动两种。其中电气驱动具有保养维修简便、能耗低、速度高、精度高、安全性好等优点，因此应用较为广泛。点焊机器人按照示教程序规定的动作、顺序和参数进行点焊作业，其过程是完全自动化的，并且具有与外点焊机器人专用的点焊钳部设备通信的接口，可以通过这一接口接受上一级主控与管理计算机的控制命令进行工 作 弧焊机器人l 弧焊机器人的组成和原理与点焊机器人基本相同，中国在20世纪80年代中期研制出华宇-型弧焊机器人。一般的弧焊机器人是由示教盒、控制盘、机器人本体及自动送丝装置、焊接电源等部分组成。可以在计算机的控制下实现连续轨迹控制和点位控制。还可以利用直线插补和圆弧插补功能焊接由直线及圆弧所组成的空间焊缝。弧焊机器人主要有熔化极焊接作业和非熔化极焊接作业两种类型，具有可长期进行焊接作业、保证焊接作业的高生产率、高质量和高稳定性等特点。随着技术的发展，弧焊机器人人正向着智能化的方向发展。 l 焊 接 机 器 人 在 高 质 量 、 高 效 率 的 焊 接 生 产 中 ， 发 挥 了 极 其重 要 的 作 用 。 工 业 机 器 人 技 术 的 研 究 、 发 展 与 应 用 ， 有 力地 推 动 了 世 界 工 业 技 术 的 进 步 。 近 年 来 ， 焊 接 机 器 人 技 术的 研 究 与 应 用 在 焊 缝 跟 踪 、 信 息 传 感 、 离 线 编 程 与 路 径 规划 、 智 能 控 制 、 电 源 技 术 、 仿 真 技 术 、 焊 接 工 艺 方 法 、 遥控 焊 接 技 术 等 方 面 取 得 了 许 多 突 出 的 成 果 。 随 着 计 算 机 技术 、 网 络 技 术 、 智 能 控 制 技 术 、 人 工 智 能 理 论 以 及 工 业 生产 系 统 的 不 断 发 展 ， 焊 接 机 器 人 技 术 领 域 还 有 很 多 亟 待 我们 去 研 究 的 问 题 ， 特 别 是 焊 接 机 器 人 的 视 觉 控 制 技 术 、 模糊 控 制 技 术 、 智 能 化 控 制 技 术 、 嵌 入 式 控 制 技 术 、 虚 拟 现实 技 术 、 网 络 控 制 技 术 等 将 是 未 来 研 究 的 主 要 方 向 。焊 接 机 器 人 的 应 用 我 国 应 用 的 焊 接 机 器 人 主要 分 为 日 系 、 欧 系 、 国 产 。 应 用 主 要 集 中 在 汽 车 、 摩托 车 、 工 程 机 械 、 铁 路 机械 等 几 个 主 要 行 业 。 其 中 汽 车 生 产 是 最 大 的 用户 子 任 务 2 激 光 焊 接 技 术 激 光 设 备 l 由 光 学 震 荡 器 及 放 在 震 荡 器 空 穴 两 端 镜 间 的 介 质 所 组 成 。介 质 受 到 激 发 至 高 能 量 状 态 时 ， 开 始 产 生 同 相 位 光 波 且 在两 端 镜 间 来 回 反 射 ， 形 成 光 电 的 串 结 效 应 ， 将 光 波 放 大 ，并 获 得 足 够 能 量 而 开 始 发 射 出 激 光 。 l 激 光 亦 可 解 释 成 将 电 能 、 化 学 能 、 热 能 、 光 能 或 核 能 等 原始 能 源 转 换 成 某 些 特 定 光 频 （ 紫 外 光 、 可 见 光 或 红 外 光 的 电 磁 辐 射 束 的 一 种 设 备 。 转 换 形 态 在 某 些 固 态 、 液 态 或气 态 介 质 中 很 容 易 进 行 。 当 这 些 介 质 以 原 子 或 分 子 形 态 被激 发 ， 便 产 生 相 位 几 乎 相 同 且 近 乎 单 一 波 长 的 光 束 -激 光 。 由 于 具 同 相 位 及 单 一 波 长 ， 差 异 角 均 非 常 小 ， 在 被高 度 集 中 以 提 供 焊 接 、 切 割 及 热 处 理 等 功 能 前 可 传 送 的 距离 相 当 长 。 激 光 焊 接 设 备 简 介 焊 接 特 性 l 属 于 熔 融 焊 接 ， 以 激 光 束 为 能 源 ， 冲 击 在 焊 件 接 头 上 。 l 激 光 束 可 由 平 面 光 学 元 件 （ 如 镜 子 ） 导 引 ， 随 后 再 以 反 射聚 焦 元 件 或 镜 片 将 光 束 投 射 在 焊 缝 上 l 激 光 焊 接 属 非 接 触 式 焊 接 ， 作 业 过 程 不 需 加 压 ， 但 需 使 用惰 性 气 体 以 防 熔 池 氧 化 ， 填 料 金 属 偶 有 使 用 。 l 激 光 焊 可 以 与 MIG焊 组 成 激 光 MIG复 合 焊 ， 实 现 大 熔 深 焊 接 ，同 时 热 输 入 量 比 MIG焊 大 为 减 小 。 激 光 焊 接 的 主 要 优 点l 1） 可 将 入 热 量 降 到 最 低 的 需 要 量 ， 热 影 响 区 金 相 变 化 范 围 小 ， 且 因 热 传 导 所 导 致 的 变形 亦 最 低 。 l 2） 32mm板 厚 单 道 焊 接 的 焊 接 工 艺 参 数 业 经 检 定 合 格 ， 可 降 低 厚 板 焊 接 所 需 的 时 间 甚 至可 省 掉 填 料 金 属 的 使 用 。 l 3） 不 需 使 用 电 极 ， 没 有 电 极 污 染 或 受 损 的 顾 虑 。 且 因 不 属 于 接 触 式 焊 接 制 程 ， 机 具 的耗 损 及 变 形 接 可 降 至 最 低 。 l 4） 激 光 束 易 于 聚 焦 、 对 准 及 受 光 学 仪 器 所 导 引 ， 可 放 置 在 离 工 件 适 当 之 距 离 ， 且 可 在工 件 周 围 的 机 具 或 障 碍 间 再 导 引 ， 其 他 焊 接 法 则 因 受 到 上 述 的 空 间 限 制 而 无 法 发 挥 。l 5） 工 件 可 放 置 在 封 闭 的 空 间 （ 经 抽 真 空 或 内 部 气 体 环 境 在 控 制 下 ） 。 l 6） 激 光 束 可 聚 焦 在 很 小 的 区 域 ， 可 焊 接 小 型 且 间 隔 相 近 的 部 件 ， l 7） 可 焊 材 质 种 类 范 围 大 ， 亦 可 相 互 接 合 各 种 异 质 材 料 。 l 8） 易 于 以 自 动 化 进 行 高 速 焊 接 ， 亦 可 以 数 位 或 电 脑 控 制 。 l 9） 焊 接 薄 材 或 细 径 线 材 时 ， 不 会 像 电 弧 焊 接 般 易 有 回 熔 的 困 扰 。 l 10） 不 受 磁 场 所 影 响 （ 电 弧 焊 接 及 电 子 束 焊 接 则 容 易 ） ， 能 精 确 的 对 准 焊 件 。 l 11） 可 焊 接 不 同 物 性 （ 如 不 同 电 阻 ） 的 两 种 金 属 l 12） 不 需 真 空 ， 亦 不 需 做 X射 线 防 护 。 l 13） 若 以 穿 孔 式 焊 接 ， 焊 道 深 一 宽 比 可 达 10:1 l 14） 可 以 切 换 装 置 将 激 光 束 传 送 至 多 个 工 作 站 。 激 光 焊 接 的 工 艺 参 数激光焊接的工艺参数功 率 密 度激 光 脉 冲 波 形 激光脉冲宽度 离焦量 制造业应用粉末冶金领域汽车工业电子工业生物医学其他领域 制 造 业 应 用l 激 光 拼 焊 (TailoredBlandLaserWelding)技 术 在 国 外 轿 车 制 造 中 得 到广 泛 的 应 用 ， 据 统 计 ， 2000年 全 球 范 围 内 剪 裁 坯 板 激 光 拼 焊 生 产 线 超过 100条 ， 年 产 轿 车 构 件 拼 焊 坯 板 7000万 件 ， 并 继 续 以 较 高 速 度 增 长 。国 内 生 产 的 引 进 车 型 Passat， Buick， Audi等 也 采 用 了 一 些 剪 裁 坯 板结 构 。 日 本 以 CO2激 光 焊 代 替 了 闪 光 对 焊 进 行 制 钢 业 轧 钢 卷 材 的 连 接 ，在 超 薄 板 焊 接 的 研 究 ， 如 板 厚 100微 米 以 下 的 箔 片 ， 无 法 熔 焊 ， 但 通过 有 特 殊 输 出 功 率 波 形 的 YAG激 光 焊 得 以 成 功 ， 显 示 了 激 光 焊 的 广 阔前 途 。 日 本 还 在 世 界 上 首 次 成 功 开 发 了 将 YAG激 光 焊 用 于 核 反 应 堆 中蒸 气 发 生 器 细 管 的 维 修 等 ， 在 国 内 苏 宝 蓉 等 还 进 行 了 齿 轮 的 激 光 焊 接技 术 。 粉 末 冶 金 领 域 l 随 着 科 学 技 术 的 不 断 发 展 ， 许 多 工 业 技 术 上 对 材 料 特 殊 要 求 ， 应 用 冶铸 方 法 制 造 的 材 料 已 不 能 满 足 需 要 。 由 于 粉 末 冶 金 材 料 具 有 特 殊 的 性能 和 制 造 优 点 ， 在 某 些 领 域 如 汽 车 、 飞 机 、 工 具 刃 具 制 造 业 中 正 在 取代 传 统 的 冶 铸 材 料 ， 随 着 粉 末 冶 金 材 料 的 日 益 发 展 ， 它 与 其 它 零 件 的连 接 问 题 显 得 日 益 突 出 ， 使 粉 末 冶 金 材 料 的 应 用 受 到 限 制 。 在 八 十 年代 初 期 ， 激 光 焊 以 其 独 特 的 优 点 进 入 粉 末 冶 金 材 料 加 工 领 域 ， 为 粉 末冶 金 材 料 的 应 用 开 辟 了 新 的 前 景 ， 如 采 用 粉 末 冶 金 材 料 连 接 中 常 用 的钎 焊 的 方 法 焊 接 金 刚 石 ， 由 于 结 合 强 度 低 ， 热 影 响 区 宽 特 别 是 不 能 适应 高 温 及 强 度 要 求 高 而 引 起 钎 料 熔 化 脱 落 ， 采 用 激 光 焊 接 可 以 提 高 焊接 强 度 以 及 耐 高 温 性 能 。 汽 车 工 业 l 20世 纪 80年 代 后 期 ， 千 瓦 级 激 光 成 功 应 用 于 工 业 生 产 ， 而 今 激 光 焊 接 生 产 线已 大 规 模 出 现 在 汽 车 制 造 业 ， 成 为 汽 车 制 造 业 突 出 的 成 就 之 一 。 德 国 奥 迪 、奔 驰 、 大 众 、 瑞 典 的 沃 尔 沃 等 欧 洲 的 汽 车 制 造 厂 早 在 20世 纪 80年 代 就 率 先 采用 激 光 焊 接 车 顶 、 车 身 、 侧 框 等 钣 金 焊 接 ， 90年 代 美 国 通 用 、 福 特 和 克 莱 斯勒 公 司 竟 相 将 激 光 焊 接 引 入 汽 车 制 造 ， 尽 管 起 步 较 晚 ， 但 发 展 很 快 。 意 大 利菲 亚 特 在 大 多 数 钢 板 组 件 的 焊 接 装 配 中 采 用 了 激 光 焊 接 ， 日 本 的 日 产 、 本 田和 丰 田 汽 车 公 司 在 制 造 车 身 覆 盖 件 中 都 使 用 了 激 光 焊 接 和 切 割 工 艺 ， 高 强 钢激 光 焊 接 装 配 件 因 其 性 能 优 良 在 汽 车 车 身 制 造 中 使 用 得 越 来 越 多 ， 根 据 美 国金 属 市 场 统 计 ， 至 2002年 底 ， 激 光 焊 接 钢 结 构 的 消 耗 将 达 到 70000t比 1998年增 加 3倍 。 根 据 汽 车 工 业 批 量 大 、 自 动 化 程 度 高 的 特 点 ， 激 光 焊 接 设 备 向 大 功率 、 多 路 式 方 向 发 展 。 在 工 艺 方 面 美 国 Sandia国 家 实 验 室 与 PrattWitney联 合进 行 在 激 光 焊 接 过 程 中 添 加 粉 末 金 属 和 金 属 丝 的 研 究 ， 德 国 不 莱 梅 应 用 光 束技 术 研 究 所 在 使 用 激 光 焊 接 铝 合 金 车 身 骨 架 方 面 进 行 了 大 量 的 研 究 ， 认 为 在焊 缝 中 添 加 填 充 余 属 有 助 于 消 除 热 裂 纹 ， 提 高 焊 接 速 度 ， 解 决 公 差 问 题 ， 开发 的 生 产 线 已 在 奔 驰 公 司 的 工 厂 投 入 生 产 生 物 医 学 l 生 物 组 织 的 激 光 焊 接 始 于 20世 纪 70年 代 ， Klink等 及 jain13用 激 光焊 接 输 卵 管 和 血 管 的 成 功 焊 接 及 显 示 出 来 的 优 越 性 ， 使 更 多 研 究 者 尝试 焊 接 各 种 生 物 组 织 ， 并 推 广 到 其 他 组 织 的 焊 接 。 有 关 激 光 焊 接 神 经方 面 目 前 国 内 外 的 研 究 主 要 集 中 在 激 光 波 长 、 剂 量 及 其 对 功 能 恢 复 以及 激 光 焊 料 的 选 择 等 方 面 的 研 究 ， 刘 铜 军 进 行 了 激 光 焊 接 小 血 管 及 皮肤 等 基 础 研 究 的 基 础 上 又 对 大 白 鼠 胆 总 管 进 行 了 焊 接 研 究 。 激 光 焊 接方 法 与 传 统 的 缝 合 方 法 比 较 ， 激 光 焊 接 具 有 吻 合 速 度 快 ， 愈 合 过 程 中没 有 异 物 反 应 ， 保 持 焊 接 部 位 的 机 械 性 质 ， 被 修 复 组 织 按 其 原 生 物 力学 性 状 生 长 等 优 点 将 在 以 后 的 生 物 医 学 中 得 到 更 广 泛 的 应 用 。 电 子 工 业 l 激 光 焊 接 在 电 子 工 业 中 ， 特 别 是 微 电 子 工 业 中 得 到 了 广 泛的 应 用 。 由 于 激 光 焊 接 热 影 响 区 小 加 热 集 中 迅 速 、 热 应 力低 ， 因 而 正 在 集 成 电 路 和 半 导 体 器 件 壳 体 的 封 装 中 ， 显 示出 独 特 的 优 越 性 ， 在 真 空 器 件 研 制 中 ， 激 光 焊 接 也 得 到 了应 用 ， 如 钼 聚 焦 极 与 不 锈 钢 支 持 环 、 快 热 阴 极 灯 丝 组 件 等 。传 感 器 或 温 控 器 中 的 弹 性 薄 壁 波 纹 片 其 厚 度 在 0.05-0.1mm，采 用 传 统 焊 接 方 法 难 以 解 决 ， TIG焊 容 易 焊 穿 ， 等 离 子 稳定 性 差 ， 影 响 因 素 多 而 采 用 激 光 焊 接 效 果 很 好 ， 得 到 广 泛的 应 用 。 其 他 领 域 l 在 其 他 行 业 中 ， 激 光 焊 接 也 逐 渐 增 加 特 别 是 在 特 种 材 料 焊 接 中 国 内 进行 了 许 多 研 究 ， 如 对 BT20钛 合 金 、 HEl30合 金 、 Li-ion电 池 等 激 光 焊接 ， 德 国 玻 璃 机 械 制 造 商 GlamacoCoswig公 司 与 IFW接 合 技 术 与 材 料 实验 研 究 院 合 作 开 发 出 了 一 种 用 于 平 板 玻 璃 的 激 光 焊 接 新 技 术。 焊 接 的 主 要 缺 点l （ 1） 焊 件 位 置 需 非 常 精 确 ， 务 必 在 激 光 束 的 聚 焦 范 围 内 。 l （ 2） 焊 件 需 使 用 夹 治 具 时 ， 必 须 确 保 焊 件 的 最 终 位 置 需 与 激 光 束 将冲 击 的 焊 点 对 准 l （ 3） 最 大 可 焊 厚 度 受 到 限 制 渗 透 厚 度 远 超 过 19mm的 工 件 ， 生 产 线 上不 适 合 使 用 激 光 焊 接 。 l （ 4） 高 反 射 性 及 高 导 热 性 材 料 如 铝 、 铜 及 其 合 金 等 ， 焊 接 性 会 受 激光 所 改 变 。 l （ 5） 当 进 行 中 能 量 至 高 能 量 的 激 光 束 焊 接 时 ， 需 使 用 等 离 子 控 制 器将 熔 池 周 围 的 离 子 化 气 体 驱 除 ， 以 确 保 焊 道 的 再 出 现 。 l 6） 能 量 转 换 效 率 太 低 ， 通 常 低 于 10%。 l （ 7） 焊 道 快 速 凝 固 ， 可 能 有 气 孔 及 脆 化 的 顾 虑 。 l （ 8） 设 备 昂 贵 。 激 光 焊 国 内 外 发 展 状 况 l 20世 纪 80年 代 中 期 ， 激 光 焊 接 作 为 新 技 术 在 欧 洲 、 美 国 、 日 本 得 到 了广 泛 的 关 注 。 1985年 德 国 蒂 森 钢 铁 公 司 与 德 国 大 众 汽 车 公 司 合 作 ， 在Audi100车 身 上 成 功 采 用 了 全 球 第 一 块 激 光 拼 焊 板 。 90年 代 欧 洲 、 北美 、 日 本 各 大 汽 车 生 产 厂 开 始 在 车 身 制 造 中 大 规 模 使 用 激 光 拼 焊 板 技术 。 目 前 ， 无 论 实 验 室 还 是 汽 车 制 造 厂 的 实 践 经 验 ， 均 证 明 了 拼 焊 板可 以 成 功 地 应 用 于 汽 车 车 身 的 制 造 。 l 中 国 的 激 光 拼 焊 板 技 术 应 用 刚 刚 起 步 ， 2002年 10月 25日 ， 中 国 第 一 条激 光 拼 焊 板 专 业 化 商 业 生 产 线 正 式 投 入 运 行 ， 由 武 汉 蒂 森 克 虏 伯 中 人激 光 拼 焊 从 德 国 蒂 森 克 虏 伯 集 团 TWB公 司 引 进 。 此 后 上 海 宝 钢 阿 赛 洛激 光 拼 焊 公 司 、 一 汽 宝 友 激 光 拼 焊 有 限 公 司 等 相 继 投 产 。