您可能在找这些暂无数据图片素材免费下载，千图网为中国设计师们免费提供包括，，。焊接机器人在长安汽车股份公司的应用及存在问题 1、前言 随着社会的发展和科技的进步，机器人在社会各个领域得到了日益广泛的应 用，而应用最多的则是工业机器人。工业机器人自 60 年代初问世以来，经过了 40 多年的发展，已广泛应用于工业领域，成为汽车制造业生产自动化中主要的 机电一体化设备。 制造行业应用机器人的主要目的在于削减生产人员编制、提高劳动生产率、 降低劳动强度及提高产品
质量。机器人与传统的机器相比，具有两个主要优点： 1) 容易实现生产过程的完全自动化。 2) 对生产设备的高度适应能力。 2、焊接机器人 焊接机器人是目前最大的工业机器人应用领域。由于汽车制造业对许多构件 的焊接精度和速度等指标提出越来越高的要求，一般工人已难以胜任这一工作； 此外，焊接时的火花及烟雾等，对人体造成危害，因此，焊接过程的完全自动化 已成为重要的研究课题，其中，最为重要的就是要应用焊接机器人。 3、接机器人在长安汽车股份公司的应用 3．1、KUKA 机器人在十万辆面包车焊接线上的应用 1006 年，长安汽车股份公司新建十万辆 SC6331 系列微型面包车焊接生产 线，该线首次引进德国 KUKA 公司的 KRC32 型 6 轴气动点焊机器人，应用在工艺 要求最高的车架和成车焊接线上。在原有手工焊接线上，车架增焊工位和成车增 焊工位由于焊点数量多、焊接零件结构复杂，是制约全线生产的瓶颈工位，工人 作业时间长、劳动强度大、设备故障率高、焊点质量不稳定且容易造成碰压伤， 严重制约了全线的生产速度，产品质量也得不到保证。 引进 KUKA 点焊机器人后，首先，十万辆焊接线的生产节拍大幅提高，微型 面包车的单班生产数量大幅增加，达到手工焊接线产量的 5 倍；其次，工人的劳 动强度得到大幅降低，工作时间大大缩短，工作条件得到极大改善；第三、微型 面包车质量得到显著提高，车身碰压伤大为降低；第四、KUKA 焊接机器人故障 率极低，备件供应充足，系统稳定性高，操作维护容易，大量节约了设备维护人 员，节约了人力资源。 3．2、COMAU、KUKA、OTC 机器人在 8 万辆长安之星焊接线上的应用 在成功引进 KUKA 焊接机器人后，长安汽车股份公司在 SC6350－“长安之 星”八万辆焊接生产线上再次引进焊接机器人，其中包括意大利 COMAU 公司 H4 型伺服点焊机器人，意大利 COMAU 公司 H1 型螺柱焊机器人，日本 OTC 弧焊机器 人，KUKA 公司 KRC 型检测机器人。 SC6350 八万辆焊接线上机器人的应用水平先进，伺服焊钳机器人、弧焊机 器人、检测机器人都是目前国内汽车行业机器人应用水平最先进的代表。 其中，检测机器人采用目前国际上先进的在线检测方式，应用检测技术世界 领先的德国 Perceptron 公司的检测设备与系统稳定性最高的德国 KUKA 机器人相 整合，在主线（成车）焊接线的最后一个工位在线实时检测每一个“长安之星” 白车身，以控制车身尺寸精度。检测系统设计白车身正常尺寸偏差±2mm，白车 身尺寸超差时，生产线将要报警提示，并且检测系统中将存储每个白车身的测量 数据，以供离线分析。 弧焊机器人采用日本 OTC 公司的 DR 系列七轴焊机器人，OTC 机器人本体设 计小巧，结构简单明了，弧焊功能齐全，特别适合于结构复杂的零部件气体保护 焊接。如 SC6350 系列微车构架总成上的连接横梁的弧焊，由于该横梁为圆形， 需要进行圆周焊接，且该部件位置较低，人工焊接劳动强度极大，气体保护焊又 属于有毒作业，采用 OTC 弧焊机器人克服了这些严重制约生产、无法保证产品质 量、损害操作者身体健康的缺点。 另一个值得关注的是高精度、高可靠性的伺服点焊机器人的引进，该型号机 器人选用 COMAU 公司 H4 型点焊机器人，整合 SIAKY 伺服焊钳系统，焊点焊接质 量稳定、定位精确。伺服焊钳与气动焊钳相比最突出的特点，是在焊接过程中， 伺服焊钳的焊接质量高，焊点成形好，极大改善了白车身的焊接质量，使“长安 之星”当之无愧成为中国的微车精品。 4、焊接机器人的应用经验焊接机器人在长安公司汽车生产线上的应用已有七年时间，根据实际应用， 以下一些经验供大家一起研究： 4．1、焊接机器人的使用，必须满足安全要求 焊接机器人能够代替人类在危险、有害的恶劣环境中作业，同时又带来了另 一种潜在的危险，即机器人伤人事故。为此，在焊接机器人在线运行时，绝对不 能有人进入其运动安全范围所在区域，并且其运动区域内应该保证无干涉，这是 焊接机器人安全管理的最为重要的一条原则。此外，除了通用的工业安全规程 外，还要注意焊接机器人的特殊性，采取相应可靠的对策。例如现在我们正在使 用的安全措施： (1)为焊接机器人及其周边设备安装安全防护栏，以防止有人进入危险区域 造成意外伤害。 (2)在安全护栏入口的安全门上设置插拔式电接点开关，该开关与焊接机器 人的安全回电路相连接，一旦安全门打开，机器人控制器将切断机器人的驱动电 源，机器人立即停止运动。 (3)在距焊接机器人所在工位最近的地方，安装多个紧急停止开关，一旦发 生紧急或危险情况，工作人员可以就近按下急停，让机器人停止运动。 (4)示教作业时降低焊接机器人的运动速度，并由经过专业技术操作培训的 人员进行示教。 (5)焊接机器人安全电路与生产线安全电路联为一体，当生产线遇到紧急情 况时，生产工人可以按下该线上任何工位的紧急停止开关，让机器人停止运动。 4．2、焊接机器人的控制装置 虽然焊接机器人本身拥有非常完善的控制系统，但每台焊接机器人作为一个 独立的自动化设备系统，在一条生产线或一个生产系统中永远都只是一个从属的 工作站，必须要有相应的外部控制装置对其进行远程控制，以适应自动化流水作 业生产线上各种自动化设备之间同步、有序的生产要求。 焊接机器人常用的相关控制装置有可编程序控制器和在线监控装置。 可编程控制器对生产线上包括焊接机器人在内的各种自动化设备的工作进行 协调与配合，从而有序地实现生产过程的自动化。 在线监控装置是操作者与生产系统之间的人机接口，它从生产系统中采集实 时数据，并可以有条件地对生产数据进行实时修改，因而达到实时监视生产线现 场情况、远程实时控制生产线运行的目的。使用在线监控装置能够方便地发出作 业指令，启动或停止包括焊接机器人在内的所有自动化设备，并实时了解生产系 统的状态。 长安公司 8 万辆长安之星焊接线上，采用西门子 WIN CC 在线监控系统和西 门子可编程控制器，所有的焊接机器人除了受自身控制系统的控制自动运行外， 还必须接受可编程控制器和 WIN CC 在线监控系统的远程控制，以保证与生产线 其它自动设备的同步运行。 4．3、焊接机器人系统的扩展 为了满足长安公司八万辆“长安之星”焊接线的实际需求，COMAU 公司在进 行控制系统的设计时，同时考虑到了生产线系统的稳定性与白车身产品质量的稳 定性，最终选用的焊接机器人具有以下扩展功能： (1)增加外部滑动轴 焊接机器人的外部滑动轴与其它 6 个基本轴一样，均含有伺服驱动器和伺服 电机，与相应的机械传动装置相配合，可以有效扩大机器人的活动范围，并且能 够在复杂或狭窄的空间内达到最佳的作业姿态，还可以通过示教来任意定位，以 保持最高的定位精度。在点焊实际应用中，包含外部轴驱动的焊接机器人能够准 确到达所需焊点位置，并达到最佳焊接姿态，因而点焊效果更好而无噪声和焊滴 飞溅，焊接后的焊点外形美观、焊接质量高。 例如，八万辆焊接线主线 730 总拼工位，采用全自动的零部件装配与焊接工 艺，该工位共有 6 台 COMAU 焊接机器人，要完成左/右侧围与车架的装配及整个 白车身的焊接，加之工位包含了顶盖装配、车架装配及其它零件的装配，夹具、 输送装置、自动焊钳等装置众多，空间极其有限，为了保证成车组焊，共有 4 台 机器人采用了滑台式外部轴，以在狭窄的空间内，高质量、高速度、最安全地完 成所有工作。(2)弧焊中的摆动焊接 弧焊机器人通过软件的正确设置，可以在沿焊缝前进的同时，焊丝尖端实现 横向摆动，摆动的方式、频率及幅度等均可按工艺要求进行设定，从而达到提高 弧焊质量的目的。 (3)机器人的工具自动切换 同样是在八万辆焊接线 730 工位，为了节约工作场地、缩短工作时间，15 号(16 号)焊接机器人同时要完成总拼工位白车身的焊接工作，又要负责从侧围 生产线将侧围部件抓起来并放到主线与车架、顶盖组装，因而这两台焊接机器人 采用了世界领先的“枪/手”自动切换技术，由可编程控制器在生产线需要时控 制机器人进行伺服焊钳和抓手工具的自动切换。这样，一台机器人可以完成两台 机器人需要完成的工作，既节约了成本又节约了场地。 4．4、机器人的编程 长安公司十万辆焊接线上的 KUKA 机器人，其编程采用 WINDOWS 操作系统下 的 APS 软件，必须在 WINDOWS 环境下进行运动程序的上载及下载；八万辆焊接线 上的 COMAU 机器人的编程采用任意文本编辑器，再经过编译后，用 PCINT 计算机 仿真软件将程序下载到机器人控制器。这两种机器人编程的共同特点是均可以实 现离线编程、在线示教，为生产线的设计与仿真提供了有力帮助。不同之处在 于，COMAU 机器人采用了类似 PASCAL 高级编程语言的语言结构，对于学习过计 算机编程语言的人来说，可以非常快速、容易地理解，接受一些最基本的培训 后，即可以编制相当完善的机器人控制程序。而 KUKA 机器人采用其专用的机器 人编程语言，技术人员必须接受 KUKA 公司专业的编程培训，才能胜任编程工 作。OTC 机器人的控制程序编程则相对容易，基本采用简单、易懂的运动指令， 意义一目了然。 4．5、伺服焊钳的成功引进 十万辆焊接线上应用的 5 台 KUKA 点焊机器人，均采用气动点焊钳进行车体 焊接，由于焊钳电极帽存在磨损的问题，控制系统采用计算焊点数，对焊接电流 进行递增式补偿的方法。从原理上讲，这是一种开环方式的补偿方法，并不能实 际反映焊钳电极帽的真实损耗情况，因而车体焊接质量存在一定的不稳定性。 八万辆焊接线上，所有 COMAU 点焊机器人均采用 SIAKY 的伺服焊钳及控制系 统。伺服焊钳作为机器人的一个外部轴存在，在机器人控制系统中增加一套驱动 软件，该外部轴就与其它六个基本轴一样，完全受机器人控制器的控制。这样， 该外部轴与其它六轴一起融为一体，机器人控制系统通过外部轴的驱动软件，可 以实时计算该轴的真实位置。实际应用中，在完成每一个车体的焊接工作后，机 器人控制系统将对这个外部轴-伺服焊钳，执行自动校正功能，通过检查该轴(伺 服焊钳)的实际零点位置是否发生变化来确认电极帽是否磨损，这样确保了焊接 压力的自动闭环控制，使车体焊接质量稳定性大幅提高。 4．6、应用焊接机器人实现柔性生产 长安公司微型汽车种类多、品种复杂，在以往手工生产线上，如果需要混线 生产同一型号不同种类的车型，人工焊接速度因工件、工具的差别而大大降低， 生产的汽车产品质量也随之呈现出不稳定性。 引进焊接机器人后，只需预先编制好适应不同车型生产所需的若干套不同的 运动与焊接程序，机器人将根据生产线的工作指令，自动调用相应的工作程序与 不同车体焊接所需的工具，即能自动适应生产线上车型的复杂变化，即使是八万 辆焊接线上高频次、多种类车型的混线生产，也能应付自如。绝不会因为单班多 种车型混线生产而产生手工线极易出现的错焊、漏焊以及误调整或不调整焊接规 范等经常出现的车体焊接质量事故，生产线运转速度也丝毫不会降低。焊接机器 人的广泛应用，为长安公司的汽车制造实现柔性自动化生产带来了前所未有的生 机。 5、焊接机器人在应用中存在的问题 尽管焊接机器人在长安公司的汽车制造生产中得到广泛应用，使汽车焊接质 量得到了极大改善，有效提高了企业的劳动生产效率，但仍有很多方面的问题值 得我们去进一步研究和改善。 5．1、位置偏移后重新示教的问题示教再现型焊接机器人如果发生焊接位置偏移时，必须进行在线示教然后再 现运行，这个工作现在需要占用大量的生产时间。如果能够利用先进的计算机动 态仿真技术对其进行离线示教和仿真，将是焊接机器人应用的一次革命性的改 善。 5．2、弧焊机器人焊缝跟踪的问题。 示教再现型弧焊机器人进行弧焊时，不能对焊缝进行动态跟踪反馈，因而焊 缝有细微变化时，不能保证焊缝质量，如果能够应用智能技术，动态跟踪焊缝状 态，就能有效保证弧焊质量的可靠性和稳定性。 5．3、焊接机器人的备件问题。 目前，由于国内机器人的应用还不是非常广泛，国内机器人技术还有待于长 足进步，机器人的专用部件国内还不能自行设计制造，长安公司大量应用焊接机 器人后，配件问题成为机器人应用中最令人头痛的问题。因为机器人的部件多属 专用部件(尤其是电器控制部分)，技术水平要求相当高，因而必须从国外进口， 而进口的机器人备件价格高企，国内代理公司大多不愿因大量预采购而造成资金 积压，进口备件的时间周期又长，给汽车生产线造成了相当大的困难。 5．4、机器人的校轴过程占用过多时间。 长安公司所应用的 KUKA、COMAU、OTC 机器人，其轴的校正过程均需耗费比 较长的时间，对于流水化的自动生产线来说，其停机所造成的经济损失非常巨 大。如果能够应用高智能化的检测手段，使机器人在其轴的基本参数丢失或变化 后，能够自动快速恢复到发生故障前的状态，将给自动化生产线带来巨大的生产 效益 5．5、机器人电器控制系统的问题。 长安公司所应用的三种焊接机器人，其本体的机械可靠性及制造水平均相当 高，本体出现故障(指机械故障)的概率极其微小。然而，相比之下，电气控制系 统的故障率却非常高，最容易出现的部分是驱动部分的电路及元器件，另外接插 件的故障频率也相当高。 当今世界上的机器人控制电路集成化程度已越来越高，控制技术的不断进步 已使控制部分故障率大为降低。但对于汽车制造中的焊接作业这种环境恶劣、作 业强度极大、电压波动较大的应用来说，如果能针对汽车生产的具体情况，进一 步提高系统集成化程度，进一步增强系统抗干扰的能力，长安公司在未来应用大 量机器人实现完全无人化生产线的理想将变为现实。 5．6、机器人与其它设备或工位上障碍物碰撞问题。 在长安公司的两条焊接线上，均出现过多次因为信号交换失误而发生机器人 与机器人碰撞、机器人与其它设备或障碍物碰撞的事故。经过事后分析机器人工 作程序，发现目前机器人控制系统在处理信号交换时，都采用外部 I/O 信号来交 换彼此的工作状态，信号检测还只是以一个“点”的方式测量，即在某一运动程 序行中，确认某一个交换信号是否存在来决定机器人是否继续下面的工作，而不 是在一个运动区域中持续检测其它障碍物或机器人状态，这样，一旦检测过程结 束而机器人的运动轨迹发生错误或信号交换不正常时，碰撞就发生了。 现在机器人的应用规模越来越大，多台机器人在狭窄空间内协同工作的场合 越来越多，彼此之间信号交换已变得极其平常，如果能够在机器人的控制系统 中，采用类似微软 WINDOWS 操作系统的后台处理方式来实时监测其它障碍物或机 器人的工作状态，以决定机器人是否应该继续在有可能干涉的区域内工作，碰撞 问题应能够得到有效的控制，甚至彻底解决这个问题。 综上所述，焊接机器人使汽车制造业大批量、高效率、高质量进行流水线汽 车制造提供了有利保障，同时，焊接机器人在实际应用中暴露出来的问题，也促 使我们不断努力学习先进技术，不断寻求更加有效的手段，让焊接机器人为中国 的汽车制造业做出更大贡献。 汽车工业的焊接与激光焊接 轿车车身都采用金属构件和复盖件的分块组合。将各种预先制好的结构 件，例如风窗立柱，门立柱、门上横、前后冀子板、前后围板、顶盖等零部件通 过焊接和铆接的方式进行组合装配。其中焊接是汽车装配流水线上不可缺少的工 序。 车身焊接主要有电阻电焊、缝焊、二氧化碳焊等方式。电阻电焊通过施加 在点焊电极上的电流将零件的接触表面熔化，然后在压力作用下连接在一起，主要用于车身构件及车架的焊接。缝焊用滚轮电极代替电阻电焊的点焊电极，滚轮 电极传递焊接电流和压力，其转动与零件的移动相互协调，产生连续的焊缝，主 要用于密封性焊接或缝点焊工件，例如油箱。二氧化碳焊是一种电弧焊，即局部 加热来熔化和连接零件而不需要施压的一种焊接方法，在电极与工件之间的电弧 作为热源，同时施加二氧化碳遮住电弧和熔化区，使之与大 根据不同的零件和 要求，在汽车工业中采用了多样化的焊接技术，应用到的焊接技术还有闪光焊、 电子束焊、电栓焊、脉冲焊、摩擦焊等等。近年，还出现了激光焊，并且发展得 很快，我国生产的一些轿车车身焊接，也采用了激光焊接。 激光技术采用偏 光镜反射激光产生的光束使其集中在聚焦装置中产生巨大能量的光束，如果焦点 靠近工件，工仵就会在几毫秒内熔化和蒸发，这一效应可用于焊接工艺。激光焊 接设备的关键是大功率激光器，主要有两大类，一类是固体激光器，又称 Nd:YAG 激光器。Nd（钕）是一种稀土族元素，YAG 代表钇铝柘榴石，晶体结构与 红宝石相似。Nd:YAG 激光器波长为 1.06μm，主要优点是产生的光束可以通过光 纤传送，因此可以省去复杂的光束传送系统，适用于柔性制造系统或远程加工， 通常用于焊接精度要求比较高的工件。汽车工业常用输出功率为 3-4 千瓦的 Nd:YAG 激光器。另一类是气体激光器，又称 CO2 激光器，分子气体作工作介 质，产生平均为 10.6μm 的红外激光，可以连续工作并输出很高的功率，标准激 光功率在 2-5 千瓦之间。气隔开，主要用于车身蒙皮的焊接。 激光焊接的特 点是被焊接工件变形极小，几乎没有连接间隙，焊接深度/宽度比高，因此焊接 质量比传统焊接方法高。但是，如向保证激光焊接的质量，也就是激光焊接过程 监测与质量控制是一个激光利用领域的重要内容，包括利用电感、电容、声波、 光电等各种传感器，通过电子计算机处理，针对不同焊接对象和要求，实现诸如 焊缝跟踪、缺陷检测、焊缝质量监测等项目，通过反馈控制调节焊接工艺参数， 从而实现自动化激光焊接。 在激光焊接中，光束焦点位置是最关键的控制工 艺参数之一，在一定激光功率和焊接速度下，只有焦点处于最佳位置范围内才能 获得最大熔深和好的焊缝形状。在实际激光焊接中，为了避免和减少影响焦点位 置稳定性的因素，需要专门的夹紧和设备技术，这种设备的精确程度与激光焊接 的质量高低是相辅相成的。 汽车工业中，激光技术主要用于车身拼焊、焊接和 零件焊接。激光拼焊是在车身设计制造中，根据车身不同的设计和性能要求，选 择不同规格的钢板，通过激光截剪和拼装技术完成车身某一部位的制造，例如前 档风玻璃框架、车门内板、车身底板、中立柱等。激光拼焊具有减少零件和模具 数量、减少点焊数目、优化材料用量、降低零件重量、降低成本和提高尺寸精度 等好处，目前已经被许多大汽车制造商和配件供应商所采用。激光焊接主要用于 车身框架结构的焊接，例如顶盖与侧面车身的焊接，传统焊接方法的电阻点焊已 经逐渐被激光焊接所代替。用激光焊接技术，工件连接之间的接合面宽度可以减 少，既降低了板材使用量也提高了车体的刚度。激光焊接零部件，零件焊接部位 几乎没有变形，焊接速度快，而且不需要焊后热处理，目前激光焊接零部件已经 广泛采用，常见于变速器齿轮、气门挺杆、车门铰链等。 我国焊接机器人的工程应用 国内焊接机器人技术的发展 我国开发工业机器人晚于美国和日本，起于 20 世纪 70 年代，早期是大 学和科研院所的自发性的研究。到 80 年代中期，全国没有一台工业机器人问 世。而在国外，工业机器人已经是个非常成熟的工业产品，在汽车行业得到了广 泛的应用。鉴于当时的国内外形势，国家“七五”攻关计划将工业机器人的开发 列入了计划，对工业机器人进行了攻关，特别是把应用作为考核的重要内容，这 样就把机器人技术和用户紧密结合起来，使中国机器人在起步阶段就瞄准了实用 化的方向。与此同时于 1086 年将发展机器人列入国家“863”高科技计划。在国 家“863”计划实施五周年之际，邓小平同志提出了“发展高科技，实现产业 化”的目标。在国内市场发展的推动下，以及对机器人技术研究的技术储备的基 础上，863 主题专家组及时对主攻方向进行了调整和延伸，将工业机器人及应用 工程作为研究开发重点之一，提出了以应用带动关键技术和基础研究的发展方 针，以后又列入国家“八五”和“九五”中。经过十几年的持续努力，在国家的 组织和支持下，我国焊接机器人的研究在基础技术、控制技术、关键元器件等方面取得了重大进展，并已进入使用化阶段，形成了点焊、弧焊机器人系列产品， 能够实现小批量生产 我国焊接机器人的应用状况 我国焊接机器人的应用主要集中在汽车、摩托车、工程机械、铁路机车 等几个主要行业。汽车是焊接机器人的最大用户，也是最早用户。早在 70 年代 末，上海电焊机厂与上海电动工具研究所，合作研制的直角坐标机械手，成功地 应用于上海牌轿车底盘的焊接。“一汽”是我国最早引进焊接机器人的企业， 1084 起先后从 KUKA 公司引进了 3 台点焊机器人，用于当时“红旗牌”轿车的车 身焊接和“解放牌”车身顶盖的焊接。1086 年成功将焊接机器人应用于前围总 成的焊接，并于 1088 年开发了机器人车身总焊线 。 80 年代末和 00 年代初，德国大众公司分别与上海和一汽成立合资汽车 厂生产轿车，虽然是国外的二手设备，但其焊接自动化程度与装备水平，让我们 认识到了与国外的巨大差距。随后二汽在货车及轻型车项目中都引进了焊接机器 人。可以说 00 年代以来的技术引进和生产设备、工艺装备的引进使我国的汽车 制造水平由原来的作坊式生产提高到规模化生产，同时使国外焊接机器人大量进 入中国。由于我国基础设施建设的高速发展带动了工程机械行业的繁荣，工程机 械行业也成为较早引用焊接机器人的行业之一。近年来由于我国经济的高速发 展，能源的大量需求，与能源相关的制造行业也都开始寻求自动化焊接技术，焊 接机器人逐渐崭露头角。铁路机车行业由于我国货运、客运、城市地铁等需求量 的不断增加，以及列车提速的需求，机器人的需求一直处于稳步增长态势。据 2001 年统计，全国共有各类焊接机器人 1040 台，汽车制造和汽车零部件生产企 业中的焊接机器人占全部焊接机器人的 76%。在汽车行业中点焊机器人与弧焊机 器人的比例为 3：2，其他行业大都是以弧焊机器人为主，主要分布在工程机械 （10%）、摩托车（6%）、铁路车辆（4%）、锅炉（1%）等行业。焊接机器人也 主要分布在全国几大汽车制造厂，从图 1 中还能看出，我国焊接机器人的行业分 布不均衡，也不够广泛。 进入 21 世纪由于国外汽车巨头的不断涌入，汽车行业迅猛发展，我国汽车 行业的机器人安装台数迅速增加，、2004 年每年都有近千台的数量 增长。估计我国目前焊接机器人的安装台数在 4000 台左右。汽车行业焊接机器 人所占的比例会进一步提高。 目前在我国应用的机器人主要分日系、欧系和国产三种。日系中主要有安 川、OTC、松下、FANUC、不二越、川崎等公司的产品。欧系中主要有德国的 KUKA、CLOOS、瑞典的 ABB、意大利的 COMAU 及奥地利的 IGM 公司。国产机器人 主要是沈阳新松机器人公司产品。 目前在我国应用的工业机器人中，国产机器人的数量不足 100 台，特别是近 两年新安装的机器人焊接系统中已经看不到中国机器人的身影，虽然我国已经具 有自主知识产权的焊接机器人系列产品，但却不能批量生产，形成规模，有以下 几个主要原因： 国内机器人价格没有优势。近 10 年来，进口机器人的价格大幅度降低，从 每台 7-8 万美元降低到 2-3 万美元，使我国自行制造的普通工业机器人在价格上 很难与之竞争。特别是我国在研制机器人的初期，没有同步发展相应的零部件产 业，如伺服电机、减速机等需要进口，使价格难以降低，所以机器人生产成本降 不下来；我国焊接装备水平与国外还存在很大差距，这一点也间接影响了国内机 器人的发展。对于机器人的最大用户―-汽车白车身生产厂来说，目前几乎所有 的装备都来从国外引进，国产机器人几乎找不到表演的舞台。 我们应该承认国产机器人无论从控制水平还是可靠性等方面与国外公司还存 在一定的差距。国外工业机器人是个非常成熟的工业产品，经历了 30 多年的发 展历程，而且在实际生产中不断地完善和提高，而我国则处于一种单件小批量的 生产状态。 国内机器人生产厂家处于幼儿期，还需要政府政策和资金的支持。焊接机器 人是个机电一体化的高技术产品，单靠企业的自身能力是不够的，需要政府对机 器人生产企业及使用国产机器人系统的企业给予一定的政策和资金支持，加速我 国国产机器人的发展。 应用焊接机器人的意义焊接机器人之所以能够占据整个工业机器人总量的 40%以上，与焊接这个特 殊的行业有关，焊接作为工业“裁缝”，是工业生产中非常重要的加工手段，同 时由于焊接烟尘、弧光、金属飞溅的存在，焊接的工作环境又非常恶劣，焊接质 量的好坏对产品质量起决定性的影响。归纳起来采用焊接机器人有下列主要意 义： （1）稳定和提高焊接质量,保证其均一性。焊接参数如焊接电流、电压、焊 接速度及焊接干伸长度等对焊接结果起决定作用。采用机器人焊接时对于每条焊 缝的焊接参数都是恒定的，焊缝质量受人的因素影响较小,降低了对工人操作技 术的要求，因此焊接质量是稳定的。而人工焊接时，焊接速度、干伸长等都是变 化的，因此很难做到质量的均一性。 （2）改善了工人的劳动条件。采用机器人焊接工人只是用来装卸工件，远 离了焊接弧光、烟雾和飞溅等，对于点焊来说工人不再搬运笨重的手工焊钳，使 工人从大强度的体力劳动中解脱出来。 （3）提高劳动生产率。机器人没有疲劳，一天可 24 小时连续生产，另外随 着高速高效焊接技术的应用，使用机器人焊接，效率提高的更加明显。 （4）产品周期明确，容易控制产品产量。机器人的生产节拍是固定的，因 此安排生产计划非常明确。 （5）可缩短产品改型换代的周期,减小相应的设备投资。可实现小批量产品 的焊接自动化。机器人与专机的最大区别就是他可以通过修改程序以适应不同工 件的生产。 我国焊接机器人应用工程 焊接机器人应用技术是机器人技术、焊接技术和系统工程技术的融合，焊接 机器人能否在实际生产中得到应用，发挥其优越的特性，取决于人们对上述技术 的融合程度。经过近 10 年的努力，我国在机器人焊装夹具设计方面积累了较丰 富的经验，机器人周边设备实现了标准化，具有年产 300 余套焊接机器人工作站 的能力。可以说国内的系统集成商在机器人工作站及简单的焊装线的设计开发方 面具有了与国外系统集成商抗衡的能力，近几年为国内汽车零部件等企业提供了 大量的机器人焊接系统。但是另外一个严重的事实是，我们还不具备制造高水平 的机器人成套焊装线的能力。国内几大汽车厂的车身焊装线都是由国外机器人系 统集成商设计制造的。 作为焊接机器人的最大用户，预计未来的 10 年我国汽车年产量要达到千万 辆，现在的焊接装备远远满足不了生产需求，对焊接装备的需求量将大幅增加， 焊装生产线要求更加自动化和柔性化，以适应多品种、小批量的生产要求，机器 人将大量应用于焊接生产线中。对我国的机器人系统集成商来说如何抓住机遇是 当前要解决的重要课题，从另一方面讲也决定着国产焊接机器人的命运。 (1)实行企业联合。机器人系统集成商与汽车制造商联合，消化吸收国外汽 车焊装线。 (2)建立自己的焊接装备设计标准及数模，提高设计水平和效率。 (3)加强人才培养建设。机器人焊接生产线是个复杂的系统工程，涉及到机 械、电气、物流传输、计算机、汽车设计制造、机器人技术、焊接技术等多种学 科，而我国目前还没有关于这方面较为系统的培训机构。 (4)加强与国外公司的合作，通过合作学习提高自己的设计水平。 焊接机器人的最新应用技术 (1)TCP（tool center point 工具中心点）自动校零技术 焊接机器人的工具中心点就是焊枪的焊丝的端点，因此 TCP 的零位精度直接 影响着焊接质量的稳定性。但在实际生产中不可避免会发生焊枪与夹具之间的碰 撞等不可预见性因素导致 TCP 位置偏离。通常的做法是利用手动进行机器人 TCP 校零，但一般全过程需要 30 分钟才能完成，影响生产效率。TCP 自动校零是用 在机器人焊接中的一项新技术，它的硬件设施是由一梯形固定支座和一组激光传 感器组成。当焊枪以不同姿态经过 TCP 支座时，激光传感器都将记录下的数据传 递到 CPU 与最初设定值进行比较与计算。当 TCP 发生偏离时，机器人会自动运行 校零程序，自动对每根轴的角度进行调整，并在最少的时间内恢复 TCP 零位。 （2）双丝焊接技术近年来由于我国汽车、集装箱、机车车辆、工程机械等行业的高速发展，对 高速焊和高熔敷效率焊接的需求越来越多。双丝焊是近年来发展起来的一种高速 高效焊接方法，焊接薄板时可以显著提高焊接速度，达到 3～6m/min，焊接厚板 时可以提高熔敷效率。除了高速高效外，双丝焊接还有其它的工艺特点：在熔敷 效率增加时保持较低的热输入，热影响区小，焊接变形小，焊接气孔率低等。 由于焊接速度非常高，特别适合采用机器人焊接，因此可以说机器人的应用 也推动了这一先进焊接技术的发展。 目前双丝焊主要有 2 种方式：1 种是 Twin arc 法，另 1 种为 Tandem 法。焊 接设备的基本组成类似，都是由 2 个焊接电源、2 个送丝机和 1 个共用的送双丝 的电缆。为了防止同相位的 2 个电弧的相互干扰，常采用脉冲 MIG/脉冲 MAG 焊 法，并保持 2 个电弧轮流交替燃烧。这样一来，就要求 1 个协同控制器保证 2 个 电源的输出电流波形相位相差 180°。当焊接参数设置到最佳时，脉冲电弧能得 到无短路、几乎无飞溅的过渡过程，真正做到“1 个脉冲过渡 1 个熔滴”，每个 熔滴的大小几乎完全相同，其大小是由电弧功率来决定。 Twin arc 法的主要生 产厂家有德国的 SKS、Benzel 和 Nimark 公司，美国的 Miller 公司。Tandem 法 的要厂家有德国的 Cloos、奥地利 Fronius 和美国 Lincoln 公司。据德国 Cloos 公司介绍，采用 Tandem 法焊接 2～3mm 薄板时，焊接速度可达 6m/min，焊接 8mm 以上厚板时，熔敷效率可达 24Kg/h。 （3）激光/电弧复合焊接技术 激光/电弧复合焊接技术是激光焊接与气体保护焊的联合，两种焊接热源同 时作用于一个焊接熔池。该技术的研究最早出现在上世纪 70 年代末，但由于激 光器的昂贵价格，限制了其在工业中的应用。随着激光器和电弧焊设备性能的提 高，以及激光器价格的不断降低，同时为了满足生产的迫切需求，激光/电弧复 合焊接技术近年来成为焊接领域最重要的研究课题之一。 激光/电弧复合焊接技术有多种形式的组合，有激光/TIG、激光/MAG 和激光 /MAG 等。 激光/电弧复合焊接技术之所以受到青睐是由于其兼各热源之长而补各自之 短，具有 1+1&2 或更多的“协同效应”。与激光焊接相比，对装配间隙的要求降 低，因而降低了焊前工件制备成本；另外由于有填充焊丝消除了激光焊接时存在 的固有缺陷，焊缝更加致密。与电弧焊相比提高了电弧的稳定性和功率密度，提 高了焊接速度和焊缝熔深，热影响区变小，降低了工件的变形，消除了起弧时的 熔化不良缺陷。在这点上特别适合铝及其合金的焊接。 激光/电弧复合焊接技术是对激光焊接的重大发展，焊接同样板厚的材料可 降低激光功率一半左右，因此大大降低了企业的投资成本，该技术的发展对推动 激光焊接的普及将起重要的作用。 ABS、TCS、VDC 等汽车行驶主动安全技术 ABS、TCS、VDC 等汽车行驶主动安全技术 一、技术概述 防抱死制系统（Anti-Lock Braking System 简称 ABS）是一种防止制 动过程车轮抱死的汽车主动安全装置。ABS 系统在制动过程中通过传感器感知车 轮与路面的滑移，由电控单元做出判断，并通过电磁阀组成的作动器，调整制动 力的大小，使轮胎滑移率保持在一个理想的范围，来保证车辆制动时有较大的纵 向制动和抗侧向外力的能力，防止可能发生的后轮侧滑，甩尾，前轮跑偏，提高 汽车在制动过程中的方向稳定和转向操纵的能力，并能提高附着系数利用率，缩 短制动距离，减少轮胎磨损。 牵引力控制系统（Traction Control System 简称 TCS）是 ABS 基础上 的扩展。当汽车在恶劣路 面行驶时，通过控制发动机扭矩、驱动轮制动力矩、 差速器锁死等，控制车轮上的驱动力，防止车轮打滑，取得最好的驱动牵引效 果。 车辆行驶动力学调整系统（Vehicle Dynamic Control 简称 VDC，德国 BOSCH 公司又称之为 Electronic Stability Program 简称 ESP），是在 ABS 和 TCS 的基础上，增加汽车转向行驶时横向摆动的角速度传感器，通过 ECU 控制内 外、前后车轮的驱动力和制动力，确保汽车行驶的横向动力学稳定状态。VDC 的 开发成功使所有的工作状态下都能对驾驶员提供主动有效的行驶安全保证。二、现状及国内外发展趋势 ABS 在国外从 80 年代开始得到广泛的应用。到目前已是一种较成熟的 技术，00 年代初发展到 TCS，近两年发展到 VDC。技术发展有下列趋势： －－继续提高系统的集成度，减少体积和重量； －－在原来基础上开发和改进传感器，如零频率响应轮速传感器、横摆 动角速度传感器等； －－进一步提高电磁阀的响应速度； －－进一步开发适应复杂情况的控制软件，能够对汽车瞬态运动状况进 行精确定量分析、计算和控制； －－随着微电子技术的发展，采用 16 位 CPU 或 32 位芯片，并使整车电 子控制系统从分散到集成。 国内的应用研究工作起于 80 年代后期，开始气制动系统的开发研制发 展到液制动系统。技术上目前在样车上初步实现 ABS 防抱死功能，但在软件功能 和硬件质量方面与目前国外先进水平有较大差距。 三、“十五”目标及主要研究内容 预计国内 ABS 装车率在 2005 年前后有一个较大启动；随着法规的颁 布，在大吨位的客货车、牵引车上将开始成批装用，轿车、轻型车装车率将达 20％，到 2010 年将达 60－70％。当前需要由企业和研究单位结合，做好软、硬 件的开发和车辆的匹配研究工作。 ①目标：攻克关键技术，完成产品开发，小批量装车试用。 ②主要研究内容：响应快速、灵敏、精确的各类传感器技术；复杂的分 析、运算、判断、执行、通讯软件技术；电液执行机构的设计、加工技术等。 工业机器人在自动焊接行业中的应用 （提供：北京机械工业自动化所机电中心 ，作者：王晔，） 【在线联系作者】 一．概述 北京机械工业自动化所机电设备中心为苏州某开关厂设计制作的 机器人自动焊接工作站，在生产中具有方便的操作性能。该工作站要完成 2 种 规格的产品焊接，对于不同规格的产品采用更换工件的方法切换。（如图 1） 二．控制系统 本项目采用首钢莫托曼公司的机器人与西门子 S7-200PLC 的对 接，PLC 系统有独立的机柜，和机器人机柜之间通过专用电缆进行数据通讯 （如图 2）。 1．PLC 系统 采用西门子 S7-200PLC 实现 4 台工件回转步进电机的定位控制， 液晶显示设定单元的连接，气缸及按钮、传感器的控制。同时与机器人的控制 系统通讯，实现工作站的基本功能。 2．液晶显示设定单元 实现程序号的选择，步进参数的设定，报警的显示。 3．焊枪进给机构 采用焊接机器人实现焊枪的进给，可根据不同的焊接工件选择不同的 定位程序。 4．工件回转机构 采用步进电机控制工件的旋转速度和角度，其数值可任意设定。 三．转轴焊接工作站 PLC 与机器人的软件连接 1．机器人主程序（MAIN） 根据不同条件，分别调出 2 个不同的工作子程序（WORK）。该程 序一直处于扫描状态，当条件信号满足时进行焊接，焊接完毕，继续扫描，等 待下一次焊接指令。 （1）条件信号（由 PLC 发出）： IN1- IN2： 01――对应品种 1； 10――对应品种 2。 IN5- IN6：工位 1-4 选择用 4 种信号组合（00，01，10，11）来选择 4 种焊接工位，IN5 为低 位，IN6 为高位 IN7：动作应许（根据 PLC 的运行状态，决定是否开始焊接） （2）程序流程：（共 4 组程序段） A．先根据条件信号来判断所需程序号； B．用 CALL 指令调用相应的工作子程序（WORK）。 2．工作子程序（WORK） 工作子程序共计 2 个，对应品种 1、2； 条件确认信号： OUT1- OUT2：程序反馈确认信号 1-2，通知 PLC 收到品种选择信号 （由机器人发出）； 01――对应品种 1； 10――对应品种 2。 OUT4-OUT5：确认工位号 1-4，通知 PLC 收到工位选择信号（由机器人 发出）； 用 4 种信号组合（00，01，10，11）来表示 4 种焊接工位，OUT4 为低 位，OUT5 为高位。 OUT8 焊接指示，用来反馈给 PLC 焊接过程 2）程序流程： A．接受 PLC 程序号，工位号（IN1，IN2，IN5，IN6） B．反馈给 PLC 程序号，工位号（OUT1，OUT2，OUT4，OUT5） C．置位 OUT8，通知 PLC 开始焊接； D．CALL 焊缝子程序； 焊缝子程序是机器人通过示教后产生，主要是记录机器人的焊枪 在示教过程中的运动轨迹。 E．完成全部焊缝后，OUT8 复位，通知 PLC，该件焊接完毕。 机器人主程序品种选择数值换算表： 四. 工作方法 1．开机 打开气源开关，调整减压阀使压力在 5～6Mpa 之间。打开 PLC 驱 动柜总电源开关，确认柜内可编程控制器电源开关、稳压电源开关闭合后，打 开机器人驱动柜电源开关. 2．参数输入与设定 当接通气源、电源后，即可在触摸式显示屏上输入工件品种。 3.装入工件（如图 3） 在外侧的工位上装入工件,装好后,按下相应工位的就绪按扭, 等待机器人焊接.( 开机第一次焊接时,须按一下相应工位的工位变换按钮,把就 绪的外侧工位旋转至内侧,以后便自动转入.) 4.卸工件 焊接完毕后，PLC 驱动柜里的扬声器声响提示。此时，若该工位 的外侧工位就绪灯已亮，则变位机旋转 180 度，焊接完的工位在外侧卸工件。 若该工位的外侧工位就绪灯未亮，按相应手控盒上的工位变换按钮也可使变位 机旋转 180 度。 五. 结束语 本系统结构简单，性能稳定可靠，操作方便。为机器人自动焊接 技术的实现提供了一个很好的实例。 请问当前哪种品牌电磁阀好 难说啊，但我去到客户里看到的大部份以 SMC、AIRTAC、KOGANEI、FESTO 为 主。其中 smc 的 SY 系列、airtac 的 4v、4a 系列，festo 的 MFH 系列。但 airtac 的假货的确太多了。 SMC 主要在气体控制上用的很多，毕竟是亚洲的东西，在中国肯定用的 多。ASCON 的在很多场合都可以用，应该算是国际第一品牌吧，在中国的用量未必是第一，但至少是第二吧。听说 SMC 的也在开始卖，不过比起前 2 个来那就差 太远了。另外 AIRTAC、PARKER、KOGANEI、KANAN、FESTO 等都有电磁阀卖，具体 的用量就很难说了。 Asco ,Honeywell(parker) ,Danfoss 等多种品牌各有特色,ASCO 主要在化 工领域,HONEYELL 主要在石油领域,DANFOSS 主要在空调领域.但是 HONEWELL 将电 磁阀转让给 PARKER 后,PARKER 好象没有太重市场,惟有在液压行业与 BOSS 及力 士乐有竞争,逐渐消声,而 ASCO,诺冠, SMC,CKD,FESTO 等在销售市场均以气动元 件及气动用电磁阀为主,因此电磁阀当前进口品牌多以气动和液压市场为主. 弧焊机器人的选购应用 首先，为了满足机器人工作空间内任一位姿可达，要有 5 个自由度，但为 了避障，一般应有 6 个自由度。对于焊接机器人，焊枪送丝机的重量一般都不 大，为 5Kg 至 6Kg。由于机器人的空间机构构形不同，即使同样负载，连杆尺寸 相近的机器人其空间运动范围也是相差很大的，一般说，平行四边形结构的机器 人空间运动范围小于关节型机器人。所以，吊装或壁装机器人一般用关节型机器 人。点到点的运动精度一般为+/-0.1mm 或+/-0.05mm，最大运动速度为 1m/s 至 1.5m/s；在价格相近的情况下，尽量选择精度高，运动速度大的产品，因为以上 指标反映了机器人的全面素质，同时也与机器人性能衰减有关。 关于 I/O 功 能，一般机器人的 I/O 接口除了可被主程序（JOB）寻址操作外，还可以进行内 部 PLC 式编程；对于内部 PLC 的要求，主要是性能可靠，因为受应用限制，它比 一般的通用 PLC 功能要差一些，一般只具备最基本的逻辑和时序功能，故对性能 要求不能太高。运动插补功能一般要求具有关节，直线，圆弧等功能就可以了。 现在的机器人一般都有比较完善的自诊断和安全防护功能；一般机器人的平均无 故障时 间大约为 20000 小时以上――即按一天两班工作制（16 小时/天），五 年内不会发生故障。对于弧焊机器人，为了完成模仿人焊接的动作而得到高质量 的焊缝，还要求有摆动功能，有了这种功能，机器人也就具备了以电弧作传感器 进行焊缝跟踪的条件。对于第二代弧焊机器人，除了有示教再现功能外，还应具 有一定的对周围环境的适应能力，比如焊接开始点检测和焊缝跟踪功能。对于焊 缝跟踪功能，目前已经发展了如机械接触式、电磁感应式、电弧感应式、光电感 应式和视觉传感器等。关于弧焊机器人的辅助设备如焊机，送丝机，焊枪及焊枪 清理装置，水冷装置等要求有比较高的可靠性。机器人焊枪是一个非常重要的部 件，应当特制。对于工程机械或大型设备制造和汽车工业的焊接，有条件的厂家 应尽量选择好一些的焊枪和焊枪清理设备，一定会从中受益的。四、点焊机器人 的选购应用 点焊机器人对于运动的要求一般不象弧焊机器人那么严格(理论 上甚至只要求点到点的运动功能)，点到点重复定位精度为+/-0.5mm 以下就可以 了，对轨迹的重复定位精度要求也不太严格，只要运动范围满足生产要求就可以 了；对机器人的要求是力量大，结构刚性好，结实可靠，点焊机器人的主要选择 指标在点焊设备。焊钳和电源是点焊机器人附助设备中最重要的设备，电源的效 率直接决定机器人负载 的大小和水流量的多少，并且由于点焊设备耗能极大， 所以提高电源效率对节能具有重大点意义，一体化焊钳主要就看它的电源变压器 质量。当车间里点焊机很多时，耗电量极大，如果光靠提高车间供电变压器的容 量，势必造成资源和金钱的浪费，而且当多台焊机同时工作时，容易造成电网负 载陡增，电网电压陡降的情况，因此，应设置焊接群控系统，对多台焊机进行群 控，实现焊接电流的分时交错，稳定电网电压，保证焊点的质量。焊钳的选择主 要看形状是否能适应工作要求，再有就是要看水、气路和接头是否设计合理，是 否易发生漏气、漏水事故。电缆的选择也很重要，要求选用无感电缆。对于一体 化焊钳，由于将电网动力电直接接到焊接变压器上，如果将电源线随意放置，那 么由于机器人的不断运动，会与电源线发生磨擦，如果导线裸露，后果不堪设 想，因此，一要选择耐磨电缆，二要把电缆随机器人固定好或干脆用耐磨软管套 在电缆外边。有的机器人生产厂家的产品设计时考虑的很周到，可以将水、电、 气等管线穿过机器人本体内部或能很方便地固定于机器人本体上，这样就避免了 出现以上后果的可能。压缩空气和水的供应质量也很重要，必须先经过过滤，去 除水中的杂质和空气中的尘埃颗粒，否则时间久了会发生堵塞或腐蚀，造成水 压、气压不足，影响产品的质量和焊钳的寿命。 机器人的定义和基本组成由于研究的侧重点不同，对于机器人的定义，国际上目前尚未有明确的统一 标准。综合各种定义，可将机器人理解为：机器人是一种在计算机控制下的可编 程的自动机器，根据所处的环境和作业需要，它具有至少一项或多项拟人功能， 另外还可能程度不同地具有某些环境感知能力（如视觉、力觉、触觉、接近觉 等），以及语言功能乃至逻辑思维、判断决策功能等，从而使它能在要求的环境 中代替人进行作业。 机器人一般由以下部分组成： 1. 机械本体 机器人的机械本体机构基本上分为两大类：一类是操作本体机构，它类 似人的手臂和手腕，配上各种手爪与末端操作器后可进行各种抓取动作和操作作 业，工业机器人主要采用这种结构。另一类为移动型本体结构，主要目的是实现 移动功能，主要有轮式、履带式、足腿式结构以及蛇行、蠕动、变形运动等机 构。壁面爬行、水下推动等机构也可归于这一类。 2.驱动伺服单元 机器人本体机械结构的动作是依靠关节机器人的关节驱动，而大多数机 器人是基于闭环控制原理进行的。伺服控制器的作用是使驱动单元驱动关节并带 动负载超减少偏差的方向动作。已被广泛应用的驱动方式有，液压伺服驱动、电 机伺服驱动，近年来气动伺服驱动技术也有一定进展。 3.计算机控制系统 各关节伺服驱动的指令值由主计算机计算后，在各采样周期给出。主计 算机根据示教点参考坐标的空间位置、方位及速度，通过运动学逆运算把数据转 变为关节的指令值。 通常的机器人采用主计算机与关节驱动伺服计算机两级计算机控制，有 时为了实现智能控制，还需对包括视觉等各种传感器信号进行采集、处理并进行 模式识别、问题求解、任务规划、判断决策等，这时空间的示教点将由另一台计 算机上级计算机根据传感信号产生，形成三级计算机系统。 4.传感系统 为了是机器人正常工作，必须与周围环境保持密切联系，除了关节伺服 驱动系统的位置传感器（称作内部传感器）外，还要配备视觉、力觉、触觉、接 近觉等多种类型的传感器（称作外部传感器）以及传感信号的采集处理系统。 5. 输入/输出系统接口 为了与周边系统及相应操作进行联系与应答，还应有各种通讯接口和人机通 信装置。工业机器人提供一内部 PLC，它可以与外部设备相联，完成与外部设备 间的逻辑与时实控制。一般还有一个以上的串行通讯接口，以完成磁盘数据存 储、远程控制及离线编程、双机器人协调等工作。一些新型机器人还包括语音合 成和识别技术以及多媒体系统，实现人机对话。 汽车制造焊接新技术应用与总体发展趋势 ( 本站提供 应用行业：汽车制造 阅读次数：470 ) 【字体：大 中 小】 焊接是现代机械制造业中一种必要的工艺方法，在汽车制造中得到广泛 的应用。汽车的发动机、变速箱、车桥、车架、车身、车厢六大总成都离不 开焊接技术的应用。本文详细介绍了汽车制造中焊接新技术的应用情况与总 体发展趋势。 焊接是现代机械制造业中一种必要的工艺方法，在汽车制造中得到 广泛的应用。汽车的发动机、变速箱、车桥、车架、车身、车厢六大总成都 离不开焊接技术的应用。在汽车零部件的制造中，点焊、凸焊、缝焊、滚凸 焊、焊条电弧焊、CO2 气体保护焊、氩弧焊、气焊、钎焊、摩擦焊、电子束 焊和激光焊等各种焊接方法中，由于点焊、气体保护焊、钎焊具有生产量 大，自动化程度高，高速、低耗、焊接变形小、易操作的特点，所以对汽车 车身薄板覆盖零部件特别适合，因此，在汽车生产中应用最多。在投资费用 中点焊约占 75%，其他焊接方法只占 25%。 随着汽车工业的发展，汽车车身焊装生产线也在逐渐向全自动化方 向发展，为了赶上国际水平，在提高产量的同时，要求努力提高汽车制造质量。众所周知，实现自动化的前提是零部件的制造精度要很高，希望焊接变 形最小，焊接部位外观要清爽，故要求焊接技术越来越高。我国面临加入 WTO 的机遇和挑战，焊接方面新技术的推广应用对汽车工业的品牌提升有着 极其重要的作用。 一、汽车工业所用的焊接方法及零部件的应用情况 汽车制造业是焊接应用面最广的行业之一，所用的焊接方法也种类 繁多，其应用情况如下： 1.电阻焊 (1)点焊 主要用于车身总成、地板、车门、侧围、后围、前桥和小 零部件等。 (2)多点焊 用于车身底板、载货车车厢、车门、发动机盖和行李箱 盖等。 (3)凸焊及滚凸焊 用于车身零部件、减震器阀杆、制动蹄、螺钉、 螺帽和小支架等。 (4)缝焊 用于车身顶盖雨檐、减震器封头、油箱、消声器和机油盘 等。 (5)对焊 用于钢圈、排进气阀杆、刀具等。 2.电弧焊 (1)CO2 保护焊 用于车箱、后桥、车架、减震器阀杆、横梁、后桥 壳管、传动轴、液压缸和千斤顶等的焊接。 (2)氩弧焊 用于机油盘、铝合金零部件的焊接和补焊。 (3)焊条电弧焊 用于厚板零部件如支架、备胎架、车架等。 (4)埋弧焊 用于半桥套管、法兰、天然气汽车的压力容器等。 3.特种焊 (1)摩擦焊 用于汽车阀杆、后桥、半轴、转向杆和随车工具等。 (2)电子束焊 用于齿轮、后桥等。 (3)激光焊割 用于车身底板、齿轮、零件下料及修边等。 4.氧乙炔焊 用于车身总成的补焊。 5.钎焊 用于散热器、铜和钢件、硬质合金的焊接。 二、汽车工业中焊接新技术的应用 现今，汽车工业中的先进焊接技术很多，这里只列举出与车身焊接 相关的焊接新技术。 1.电阻焊的节能及控制技术 (1)联体悬挂式点焊机 汽车工业中应用最多的是悬挂式点焊机，一 个车间往往是几十或上百台，其容量大多在 100kVA 以上，在汽车薄板的焊 接中得到了广泛的应用。 (2)电阻焊机 目前电阻焊机大量使用交流 50Hz 的单相交流电源， 容量大、功率因数低 。发展三相低频电阻焊机、三相次级整流接触焊机(已 在普通型点焊机、缝焊机、凸焊机中 应用)和 IGBT 逆变电阻焊机，可以解 决电网不平衡和提高功率因数(可达 010 以上)的问题。 同时还可进一步节 约电能，利于实现参数的微机控制，可更好地适用于焊接铝合金、不锈钢 及 其他难焊金属的焊接。另外还可进一步减轻设备重量。 (3)电阻焊的控制 西南交通大学针对一工厂铝合金车圈对焊研制成 车圈焊接 PLC(可编程控制器)智能控制器，对原机进行了改造，解决了铝合 金车圈的焊接质量问题，提高了焊接生产率。后又同一工厂研制了 PLC 缝焊 控制器，解决了对一般清理要求制件的缝焊问题。通过这两项控制器的研 制，证明了 PLC 比单片微机控制器抗干扰能力强，可靠性高；比工控机控制 器体积小、成本低，使用通用的单相工频交流电阻焊机完成了高难度的对焊 及缝焊工作。 2.气体保护焊接技术 (1)表面张力过渡的波形控制法 方法的关键是用 2 个电流脉冲完成 1 个熔滴过渡，第 1 个电流脉冲形成熔滴并使之长大，直至熔滴与工件短路；第 2 个电流脉冲是 1 个短时窄脉冲并不断检测其 di/dt，同时控制电流 脉冲值，以产生适当的电磁收缩力，使熔滴颈部收缩变细，最后靠熔池表面 张力拉断，完成 1 个熔滴过渡而不产生飞溅。 (2)逆变电源波形控制 利用逆变电源良好的动特性和灵活的可控 性，采用波形控制，在短路阶段初期抑制电流上升，以减少电磁力在刚形成 小桥时熔滴过渡的阻碍和爆断，减少大颗粒飞溅，并利于熔滴在熔池摊开； 当熔滴在熔池摊开后，使电流迅速上升，以加速形成缩颈，以后再慢速上升 到一较低峰值，使小桥爆断时飞溅减少。 (3)氩弧焊新技术 氩弧焊有非熔化极(TIG)和熔化极(MIG)两种，均 用于汽车工业有色金属和高合金钢焊接中。为了改善 CO2 气体保护焊的成形 和减少飞溅，采用加入 80%或 20%Ar 的混合气体保护焊。 3.高能束热源焊接及加工技术 高能束热源是指能量密度已大于 5×108W/m2 的热源(电子束、离子 束和激光)，在汽车工业中均有应用，目前国外发展的新技术有： (1)激光和电弧复合加热焊接 激光焊接可焊出窄而深的焊缝，电弧 焊接可焊出宽而浅的焊缝；前者投资大，后者成本低，两者特性组合，会大 大提高焊接效率。激光和电弧复合加热焊接的焊炬设计特别重要，两热源的 夹角要尽可能小，焊炬也设计成激光+双电弧电源。 该方法已在 4～8mm 厚的钢结构中使用，正拟用于更薄的汽车部件 生产和铝合金焊接中。激光除了在焊接及精密切割中应用外，还在摩擦面形 成储油细花纹或重熔复合层，以提高耐磨性方面应用。 (2)等离子体的应用 氩气保护的等离子焊接切割早已在各行业应 用，主要用于合金钢和有色金属加工。目前空气等离子切割已普遍应用于一 般钢铁和有色金属的切割，国内铁路客车厂引进了水下等离子切割，以减少 变形和提高精度。发动机气阀体早已采用填充圈等离子焊接。近十几年来粉 末等离子堆焊有很大发展，可进行小熔合比的薄层料精细堆焊，能堆焊各种 特种合金表面。 三、汽车工业中焊接新材料的发展趋势 随着轿车发展的日趋紧凑小型化、轻量化、新材料的应用使轿车材 料构成发生了明显改变，未来轿车车身材料仍以钢板为主，为使钢板厚度减 薄，将广泛采用高强度钢板。同时为了提高车身的防腐蚀性能，世界上不少 汽车厂家在轿车生产中大量应用了镀锌钢板。另外，还使用铝合金、塑料及 陶瓷等材料。据有关专家预测，到本世纪末并不会在大批量轿车生产中 出 现全铝车身或全塑车身。 1.镀锌钢板 在美国焊接学会分会的会议上讨论汽车工业中应用的金属板焊接问 题时，有关专家指出，焊接镀锌钢板最有前途的方法是激光焊接。但是由于 该过程现在自动化程度还不够，必须完善汽车工业中广泛应用的接触点焊方 法。这种方法的主要缺点是在焊件与电极接触中锌的大量过渡而使电极烧损 较快。故建议使用 Al2O3 弥散微粒强化的 Cu-Zn 和 Cu-Cr 合金制造的电极， 可在最小电抗下焊接，以保证获得最小的焊接接头尺寸。 2.高强度钢板 为了实现汽车的轻量化，提高汽车安全性能，高强度钢板在汽车中 的应用正在逐年增加，现今出现了新一代的高强度钢板材料――超细晶粒 钢。该钢种主要指在经济指标进一步提高的基础上，钢铁材料的强度、韧性 比现有的钢材提高一倍。新一代超细晶粒钢在组织结构上具有超细晶粒、高 洁净度、高均匀度的特性。 当前用于研究的新一代超细晶粒钢主要有 400MPa 级和 800MPa 级两 种。 在对新一代钢铁的研究上，我国与国际水平并没有什么差距，几乎 是同时起步，同日、韩两国共处世界的领先地位。但是由于出现的时间较 短，所以参与研究的单位也并不很多，主要是以钢铁研究总院和清华大学机 械系为主。在对超细晶粒钢的焊接技术进行一定的研究后，取得了一些先进 成果。3.铝合金 铝合金具有重量轻、强度高及抗腐蚀等优点，是优良的建筑材料， 汽车工业中也逐渐在使用铝合金材料的零部件。铝合金焊接有五个主要的特 点： (1)铝合金表面有一层致密的氧化薄膜(熔点约 2050℃)，焊接时如 未能将其清除，将会影响基本金属的熔化质量，形成夹杂等质量问题。 (2)热导率大(约为钢的 4 倍)，导电性好，焊接时若要达到与钢相 同的焊速，则焊接热输入要比焊钢时大 2～4 倍。 (3)线膨胀系数大，焊件有产生较大的热应力、变形及裂纹的倾 向。 (4)易出现气孔。 (5)铝合金焊接接头的强度降低。 铝合金焊接的这些特点，正是我们在研制焊接设备和焊接工艺时应 认真对待的问题，只有这样才能开发出适合铝合金焊接的设备、材料和焊接 工艺。 四、汽车工业焊接的总体发展趋势 11发展自动化柔性生产系统 纵观整个汽车工业的焊接现状，不难分析出汽车工业的焊接发展趋 势为：发展自动化柔性生产系统。而工业机器人，因集自动化生产和灵活性 生产特点于一身，故轿车生产近年来大规模、迅速地使用了机器人。在焊接 方面，主要使用的是点焊机器人和弧焊机器人。 焊接生产线要高度自动化，广泛采用 6 自由度的机器人，且机器人 具有焊钳储存库，可根据焊装部位的不同要求或焊装产品的变更，自动从储 存库抓换所需焊钳。传输装置则已发展为采用无人驾驶的更具柔性化的感应 导向小车。 21发展轻便组合式智能自动焊机 国内汽车焊接水平与国外相比差距很大。近年来，国内的汽车制造 厂都非常重视焊接的自动化。如一汽引进的捷达车身焊装车间的 13 条生产 线的自动化率达 80%以上。各条线都由计算机(可编程控制器 PLC-3)控制， 自动完成工件的传送和焊接。焊接由 R30 型极坐标式机器人和 G60 肘节式机 器人 61 台进行，机器人驱动由微机控制，数字和文字显示，磁带记录仪输 入 和输出程序。机器人的动作采用点到点的序步轨迹，具有很高的焊接自 动化水平，既改善了工作条件，提高了产品质量和生产率，又降低材料消 耗。 类似的高水平的生产线，在上海、武汉等 地都有合资及引进， 包括了德国、美国、法国和日本的先进汽车制造技术。但这些毕竟还 远不 能适应我国民族汽车工业迅速发展的需要，我们必须坚持技术创新，大力加 速发展高效节能的焊接新材料、新工艺和新设备，发展应用机器人技术，发 展轻便灵巧的智能设备，建立高效经济的焊接自动化系统，必须用计算机及 信息技术改造传统产业，提高档次。 相信，在不久的将来，通过我们的共同努力，国内汽车行业的焊接 技术会逐步缩短与国外先进焊装技术水平的差距，迎接 WTO 带给汽车工业的 机遇和挑战。
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