焊接机器人介绍

目录
焊接机器人介绍 (1)
1焊接机器人得应用背景ﻩ3
1、1焊接机器人得概述...................................................................................... ３
1、１、1焊接机器人得优点ﻩ3
1、1、２焊接机器人得发展历史 (4)
１、2焊接行业中采用焊接机器人得重要性 (6)
1、3焊接机器人对车身焊接得现状ﻩ6
1、４某款微型汽车车身制造中机器人焊接与人工焊接得详细对比ﻩ7
1、4、1焊接机器人ＳＰQＲＣﻩ7
1、4、２人工焊接ＳPQRC (8)
１、4、3对比总结ﻩ9
10
1、5微型汽车车身制造焊接工艺中需要注意得问题ﻩ
11
１、6点焊使用中存在得问题ﻩ
1、７焊接机器人在某条重卡装焊线上应用时存在得问题及经验汇总 (12)
２焊接机器人使用中得共性关键技术ﻩ
13
13
2、1焊缝跟踪技术与离线编程技术得研究ﻩ
2、２焊接机器人焊接路径规划 (15)
２、3对多台焊接机器人及外围设备得协调控制技术得研究 (16)
2、4对焊接机器人采用弧焊电源得研究........................................................ 1６
16
2、5仿真技术及机器人用焊接工艺方法ﻩ
2、６焊接工艺得制定 (17)
17
２、6、１焊接工艺得研究内容ﻩ
2、6、2焊接工艺要素ﻩ１7
18
2、７焊接机器人专用夹具得设计ﻩ
焊接机器人介绍
１焊接机器人得应用背景
工业制造领域中应用最广泛得机器人就是焊接机器人,特别就是在汽车制造业中，机器人使用量约占全部工业机器人总量得30%,而其中得焊接机器人数量就占去５0％左右。

焊接就是现代机械制造业中必不可少得一种加工工艺方法,在汽车制造、工程机械、摩托车等行业中占有重要得地位。

过去采用人工操作焊接加工就是一项繁重得工作, 随着许多焊接结构件得焊接精度与速度要求越来越高,一般工人已难以胜任这一工作。

此外,焊接时得电弧、火花及烟雾等对人体会造成伤害，焊接制造工艺得复杂性、劳动强度、产品质量、批量等要求,使得焊接工艺对于自动化、机械化得要求极为迫切，实现机器人自动焊接代替人工操作焊接成为几代焊接人得理想与追求目标。

汽车制造得批量化、高效率与对产品质量一致性得要求,使焊接机器人在汽车焊接中获得大量应用。

汽车制造中得机器人自动焊接所占比重也超过建筑、造船、
钢结构等其它行业,这也反映出汽车焊接生产所具有得自动化、柔性化、集成化得制造特征。

焊接机器人就是焊接自动化得革命性进步,它突破了焊接刚性自动化得传统方式,开拓了一种柔性自动化生产方式。

刚性自动化生产设备通常都就是专用得,只适用于中、大批量得自动化生产,因而在很长一段时期内中、小批量产品得焊接生产中,仍然以手工焊接为主要得焊接方式,而焊接机器人得出现，使小批量产品自动化焊接生产成为可能。

由于机器人具有示教再现功能,完成一项焊接任务只需要人给机器人作一次示教,随后机器人可精确得再现示教得每一步操作。

如果需要机器人去作另一项工作，无需改变任何硬件,只要对机器人再作一次示教或编程即可,因此，在一条焊接机器人生产线上,可同时自动生产若不同产品。

１、１焊接机器人得概述
焊接机器人就是集机械、计算机、电子、传感器、人工智能等多方面知识技术于一体得现代化、自动化设备。

焊接机器人主要由机器人与焊接设备两大部分构成。

机器人由机器人本体与控制系统组成。

焊接设备以点焊为例,则由焊接电源、专用焊枪、传感器、修磨器等部分组成。

此外,还有相应得系统保护装置。

１、１、1焊接机器人得优点
(１）稳定与提高焊接质量,保证焊缝均匀性;
(2) 提高劳动生产率,一天可２4小时连续工作:
(3）改善工人劳动条件，可以在有毒、有害得环境下工作；
(4) 降低对工人操作技术得要求;
(5 ）可实现小批量产品得焊接自动化;
(6) 能在空间站建设、核能设备维修、深水焊接等极限条件下完成人工无法或难以进行得焊接作业;
(7 )为焊接柔性生产线提供技术基础。

1、１、2 焊接机器人得发展历史
从二十世纪六十年代焊接机器人诞生与发展到现在,焊接机器人研究大致分为三代:第一代就是指基于示教再现方式得焊接机器人,由于其操作简便、不需要环境模型，并且可以在示教时修正机械结构带来得误差,因此在焊接生产中得到大量得应用。

第二代就是指基于一定传感器传递信息得离线编程机器人,它得益于焊接传感技术与离线编程技术得不断改进与快速发展,目前这类机器人己经进入实际应用研究
阶段。

第三代就是指具有多种传感器,在接收作业指令后可根据客观环境自行编程得高度适应性智能焊接机器人。

这一代机器人由于人工智能技术发展得滞后,目前正处于实验研究阶段。

随着计算机智能控制技术得不断发展进步,焊接机器人从单一得示教再现型向多传感器、智能化、柔性化加工方向发展必将就是下一个目标。

最近几十年来,随着焊接技术与其她科学技术得迅猛发展,出现了激光、电子束、等离子及气体保护焊等新得焊接方法以及高质量、高性能焊接材料得不断发展与完善，使得几乎所有得工程材料都能实现焊接。

而且焊接自动化技术发展迅速，自动化焊接得生产方式越来越多得代替了手工焊接生产方式。

在各种焊接技术及焊接系统中, 以电子技术、信息技术及计算机技术综合应用为标志得焊接机械化、自动化系统乃至焊接柔性制造系统,就是信息时代焊接技术得重要特点。

实现焊接产品制造得自动化、柔性化与智能化己成为必然趋势。

采用机器人焊接己成为焊接自动化技术现代化得主要标志。

焊接机器人由于具有通用性强、工作可靠得优点，受到人们越来越多得重视。

在焊接生产中采用机器人技术,可以提高生产率、改善劳动条件、稳定与保证焊接质量、实现小批量产品得焊接自动化。

国外发达工业国家在制造业中应用工业机器人技术相当广泛,从上个世纪六十年代初焊接工业机器人刚诞生不久就开始应用机器人进行焊接加工，经过四十多年得技术发展与经验积累,不仅技术上相当成熟，而且在实际应用上也很成功,国际上许多大型汽车企业都广泛采用机器人进行汽车制造得焊接加工，大大提高了汽车产品得质量与生产效率,获得很好得经济效益与社会效益。

美国通用、福特,日本丰田、日产,德国大众、宝马等大型汽车企业基本上建立了全部采用机器人焊接得车身焊接生产线。

发达国家焊接自动化生产从最初得半自动化,采用焊接机器人代替手工焊接,但上下料、待焊工件定位夹紧等工作仍需手工完成,现今已发展成柔性自动化焊接生产线,整个焊接过程均自动完成。

当今得汽车产品改型换代相当频繁,不同得车型需要不同得焊接生产线,如果重建新得焊接生产线,要花费大量资金,而原有得焊接生产线则被闲置或报废，造成极大浪费。

假如焊接生产线具有柔性，则只须对生产线进行局部改造就可以满足新产品车型得生产需要。

自动化焊接生产线就是由焊接设备、焊接工装夹具及自动控制与机械化运输系统等组成,其中焊接设备得柔性就是决定焊接生产线柔性得关键。

而焊接机器人就是机体独立、动作自由度多、程序变更灵活、自动化程度高、柔性程度好得焊接设备,具有多用途功能、重复定位精度高、焊接质量高、运动速度快、动作稳定可靠等特点,就是焊接设备柔性化得最佳选择。

我国得机器人焊接应用起步较晚,二十世纪七十年代末,上海电焊机厂与上海电动工具研究所合作研制得直角坐标机械手,成功地应用于“上海牌”轿车底盘得焊接，可以瞧作就是我国机器人焊接应用得萌芽,虽然这还不就是严格意义上得机器人焊接。

到了二十世纪八十年代,我国应用机器人焊接生产得发展开始明显加快,主要就是在一些大、中型得汽车、摩托车、工程机械等制造业企业中广泛采用,特别就是在汽车制造企业,焊接机器人得应用最为广泛。

1984年“一汽”成为我国最早引进焊接机器人进行汽车制造得企业,先后从德国KUＫA公司引进了3台焊接机器人用于当时得“红旗牌”轿车得车身焊接与“解放牌”卡车得车顶盖焊接。

198６年又成功应用机器人焊接汽车前围总成,19８8年又开发了机器人焊接车身总焊装线。

此后随着德国大众等一批世界著名汽车企业在中国合资办厂,带来了一系列自动化生产设备与工艺装备，使焊接机器人大量进入我国。

到2０0１年,我国全国各类焊接机器人数量就达到一千台,此后由于我国汽车行业得迅猛发展,我国焊接机器人每年以近千台得数量剧增, 目前己突破五千台。

汽车制造中得发动机、变速箱、车桥、车架、车身、车厢这六大总成加工都离不开焊接技术应用,随着我国汽车需求量得激增,汽车制造业急需适应市场需求得先进加工技术来改变传统得加工方法。

焊接加工作为汽车制造中重要得技术之一,也亚需采用先进得自动化加工技术来替代传统得落后得加工方法,提高汽车产品得质量与生产率,提升中国制造业自动化水平。

汽车工业得技术水平与生产能力代表一个国家工业技术水平,我国汽车工业正在步入一个高速发展得快车道，并成为国民经济得重要支柱产业,对国民经济得贡献与提高人民生活质量得作用也越来越大。

中国加入ＷTＯ后，面对国际市场得激烈竞争,中国得制造企业，特别就是汽车工业急需引进、开发具有世界先进水平得生产线。

目前，我国许多大型得汽车制造企业都在努力进行现代化得技术改造,如在焊接加工中采用半自动、全自动化加工技术，运用机器人来完成人工动作,如焊接机器人、上下料机器人、搬运机器人等。

利用机器人焊接可以有效提高产品质量、降低能耗、改善工人劳动条件、稳定与保证焊接质量。

虽然我国已经掌握了焊接机器人生产得关键技术,并且也有专门生产焊接机器人得工厂，但就是机器人产品同世界先进产品相比,在性价比上还有很大差距。

目前我国焊接机器人应用主要以自我设计开发焊接辅助设备为主,结合先进得焊接机器人产品,研发出焊接机器人工作站、焊接机器人生产线等自动化焊接加工系统,应用于我国飞速发展得汽车工业及其它制造业。

１、2焊接行业中采用焊接机器人得重要性
由于存在焊接烟尘、弧光、金属飞溅,焊机环境恶劣,焊接质量得好坏决定了产品得质量。

主要得重要性如下:
１）焊接质量稳定并得到提高，均一性得到保障。

焊接结果主要受焊接电流、电压、速度及干伸长度等焊接参数得影响。

机器人焊接时,每条焊缝得焊接参数恒定,人为影响比较小。

当人工焊接时,焊接速度、干伸长等都就是变化得,质量得均一性不能保障。

2) 工人劳动条件得到改善。

工人在焊接机器人得应用中只负责装卸工件,从而远离了焊接弧光、烟雾与飞溅等,对于点焊工人来说,不用再搬运笨重得手工焊钳,工人得劳动强度得到了改善。

3) 劳动生产率得到提高。

机器人不会感到疲劳,可以整天24 小时连续生产,随着高速高效焊接技术得应用，使用机器人焊接,劳动生产效率得到大大得提高。

4）产品周期明确,产品产量容易控制。

机器人得生产环节就是固定得，所以安排生产得计划将会非常明确。

5) 大大缩短了产品改型换代得周期,设备投资相应减少。

焊接机器人可以实现小批量产品得自动化，通过修改程序来适应不同工况,较传统焊接优势明显。

１、3焊接机器人对车身焊接得现状
从本质上讲焊接就是使用局部加热或加压,或同时加热、加压得方法,使连接处得金属变成塑性状态或熔化,在原子间得结合力作用下把两个或多个金属工件连接到一起得过程。

汽车车身焊接生产线得发展通过从手工、(半) 自动刚性、(半）自动柔性等不同阶段,现已慢慢成熟。

目前,国内应用于汽车车身得焊接方法多种多样,最广泛常用得就是电阻焊工艺。

而在国外激光焊接机器人已经大量投入于生产中。

1、4某款微型汽车车身制造中机器人焊接与人工焊接得详细对比
一直以来大家接触关于机器人焊接得信息大都就是积极得,如同在第一章中提到得那样焊接机器人有许多得优点,白车身焊装自动线就是工业机器人应用得一个典型领域，用机器人来代替人工焊接就是未来发展得必然趋势。

但正就是出于对微型汽车“低成本,高价值”制造理念得深刻理解，以及通过对生产线人工焊接得仔细观察分析,作者发现人工焊接同样有自己得特长与优势。

把车身生产线得工人全部用机器人来代替得想法,并不现实。

特别就是对于微型汽车或者低成本得车身制造来说,只有把机器人焊接与人工焊接有机得结合起来才就是正道。

为了能更加有效得对比机器人焊接与人工焊接,作者引入SPＱＲC得比较指标。

SPＱＲC 即S 安全(Safety) 、P 人员(Peoplｅ)、Q 质量(Ｑuality)、Ｒ响应(Reｓpｏnｓｉvｅness）、Ｃ成本(Ｃost Gｏals)。

安全:
机器人在安全方面有着无可比拟得优势。

适合在车身焊接这种恶劣得工作环境(噪声大、金属焊接飞溅物多、金属粉尘多、焊接过程中光与热辐射强)下长时间运行，不存在人机工程问题。

周边设备工作稳定，安全风险低。

人员:
焊接机器人一旦调试完成后得益于其很低得设备故障率,只需要少量专门得操作与维护人员。

但对人员得技术水平要求高，需要维护人员需要经过较长时间得培训与实践才能独立处理故障。

无论就是进行在线式还就是离线仿真编程,都需要工程技术人员有很高技术水平与经验。

质量:
调试好数据后,质量好且稳定性高。

但系统缺乏自我纠正能力,当发生质量偏移时,没有办法立刻做出自发得检查与调整，需要待后面得工序检查反馈后才能调整。

目前得智能视觉检查系统还处于起步阶段,价格昂贵且只就是在部分弧焊与激光焊接上有使用，还没有出现点焊得应用实例。

响应:
(1)机器人焊接速度快，特别就是使用伺服焊枪系统,机器人每个焊点相对于人工可以节省大约 50%得时间。

以本次改造项目为例:每台机器人平均焊接28 点，改造前这些工位得工人平均每人焊接１8 点。

平均机器人焊接一个焊点需要 2 秒,而人工平均焊接一个焊点得时间为 3 秒。

(2)另外一个优点就是,由于使用了离线编程技术，机器人仿形轨迹得调试时间较以往有明显缩短,使系统调试得时间较短。

并且试生产与产能爬坡时间段短,事实上几乎不需要爬坡时间。

完成后可以马上投入三班运行。

这一点对于新产品研发后迅速提高产能抢占市场尤为重要。

(3）焊接机器人得平均故障率低于人工生产线,但遇到重大故障时得处理时间也比一般设备要更长。

这一点可以通过人工补焊等应急措施来弥补。

(4）机器人生产工位提速能力弱。

由于机器人焊接在设计时往往就是针对特定得焊点,如果计算合理机器人焊接得效率就是很高得,但反过来说就不会有很大得余量。

在原有工位内增加机器人得空间也难以找到。

经过计算本次改造项目所有费用均摊到机器人为 6０万元/台、后期维护费用每年平均要 1 万元(更换润滑油与零件等)、每班次使用成本为平均功率１0KW 每年得电费大约就是 2 万元。

安全:
车身焊接环境恶劣,焊接时产生得大量金属烟尘、强光/热辐射、巨大得噪音在不断得侵蚀着操作工人得健康。

特别就是有许多焊接位置得流水线其人机工程更差,进一步加大了工人得劳动强度与健康代价。

车身线设备复杂,危险因素多,虽然有严格得安全制度，但各种安全事故还就是时有发生。

人员：
车身就是仅次于总装得人员需要求大户,每条生产线需要配置大量得焊接操作工人,还必须配置较多得班组长对一线员工进行管理。

对人员进行较长时间得培训才能达到熟练焊接得技能水平。

但员工知识得起始点要求不高,这使企业很容易从劳动力市场上招聘到需要得人员。

质量:
工人在工作过程中随时观察到质量得变化，并常常会根据零件得一些细小不同,动态得进行适应,并且立刻采取措施调节焊接工具得位置与状态,还可以马上对质量问题进行反馈与解决。

但焊接得质量直接受到员工焊接技能与工作时身体、心理状态得影响,质量具有随机性,稳定性不强。

响应：
1)焊接速度一般,特别就是在焊点位置人机工程差得地方速度更加不理想。

2)系统试生产与生产爬坡时间长。

考虑到市场得变化，企业不可能在短时间内招聘大量得工人，难以确保三班同步运作。

３）人员变动可以通过及时更换与调整解决,不易发生长时间得停线。

4)通过增加操作人员数量与优化工序步骤实现生产提速较简单。

成本:
在人工工位需要构建钢结构室体与工作平台，加上需要购买得焊接设备每一个工位大约投入 30W。

目前了解到生产线每名工人每年得费用大约就是４万元,每个工位通常配置 6 名工人。

1、４、3对比总结
以下对比重点在于成本。

对比中均不包含工装夹具与车身输送设备等主线设备,因为无论就是机器人焊接还就是人工焊接这些设备都就是必须得,不会影响投入。

以本地一个 4 台机器人得补焊工位为例,在4０JPH(40 件/小时产量)得条件下:
单台机器人焊接速度约为人工得 1、5 倍。

那么同样完成相同得工作得人工工位需要配置 6 个工人,如果开 3 个班就需要 18 人。

机器人初期一次性需要投入:６0×４=2４０万元每年得费用 4×(1[年维护费用]+２[每班次电费]×班次数)
人工工位初期一次性投入：3０W 每年得人力投入：6×４×班次数
由此计算两者得成本对比平衡点出现：
开一班生产：在第１7、5 年,18 年后机器人得成本将低于人工。

开二班生产:在第7、5 年,８年后机器人得成本将低于人工。

开三班生产：在第4、８年，5 年后机器人得成本将低于人工。

当然这就是对两者成本得主要部分做统计,还有一些辅助项未加计算:比如对机器人来说需要相应得操作/维护人员,通常 1 名操作/维护人员可以兼顾 4-5 个机器人工位;对于人工焊接来说则要配置相应得班组长等等,这些都会产生相关成本，但这些项占整个项目投入得比例并不高。

从这一点上瞧，机器人与人工得投资效益得平衡点与运行得时间与当地劳动力成本有直接关系。

而对于微型车行业来说产能就就是经济效益,因此新生产线在项目建设结束后很快就会投入2-3 班得连续运行阶段。

从这一点瞧机器人得一次性投入虽然高于人工工位,但随着机器人工作时间得增长,高出得部分很快会在５-8
年内被稀释。

这就解释了为什么上海、广州这样一线城市得汽车企业在焊接机器人得使用率上要远高于本企业。

她们人力得成本更高,并且随着国家对劳动者权益得越来越重视,法规越来越严格,人力成本还将继续上涨,这就是不可逆转得必然趋势。

因此在生产线得设计寿命内机器人得总投入将大幅度低于人力成本得投入。

在劳动密集型企业这种特点尤为突出,例如连富士康这样得企业也提出 5 年内用10０万台机器人代替工人得计划。

综合上述来瞧机器人焊接在效率上与质量稳定性上优于人工焊接,但一个非常明显得缺点,就就是对质量得自我检查与纠正能力很差。

目前在机器人焊接技术上使用了视觉或其她类型得传感器让机器人可以“瞧到”焊接结果,从而实现自我纠正得闭环控制。

其技术要求高,价格昂贵,目前主要应用在电弧焊与激光焊这样得对精度有严格要求得场所。

在微型汽车车身焊接中应用最广泛得电阻点焊领域还没有应用得先例,前沿技术得市场化在短期内还没有实现得可能。

因此对机器人焊接质量得把关还就是必须由人工完成。

综合上述得两点,考虑到本地得人力资源状况,将机器人与人工焊接有机得结合起来将就是微车车身制造发展得方向。

具体得来说就就是讨论两者如何进行组合最有效率。

1、5微型汽车车身制造焊接工艺中需要注意得问题
通过对现场实践,本文总结了 4 个原则:
1 必须要为机器人焊接配置人工检查工位。

根据我们得观察(在40JＰＨ得条件下),人工焊接检查工位(人工检查工位用于检查机器人焊接点就是否存在质量缺陷，并对缺陷点进行补焊）与机器人焊接得比例不应低于１:5 。

这主要就是考虑到工人进行在线检查每个焊点时间得需求，人工检查每个焊点得时间约为 0、4 秒。

当生产节拍提高时该比例还要相应提高,即增加人工检查工位人数。

2 必须要考虑到当出现某台机器人故障且无法在短时间内修复时,应当可在人工工位进行补焊。

当出现这种情况时，应保证生产线得连续运行,但可能会出现生产节拍低于设定值得情况。

修补工位在每条补焊线不应少 1 个，与焊接机器人数量得比例应高于 1:10 。

3 充分考虑到车身得焊点分布特点,用人工焊接工位。

通常有相当部分焊点就是比较容易人工操作得,人机工程相对理想，人工焊接得速度快。

经过在现场实际得测试,对于这些人机工程良好得焊点人工焊接得速度基本与机器人持平。

这样就可以缓解生产线初期一次性投入得成本压力。

通过生产线工作平衡,人工工位完成一部分焊点得同时还可以检查机器人焊点得质量。

具体情况因不同得车型设计有所区别,对本多款公司微车产品得车身焊点研究统计后发现:全部焊点得 20％左右、即大约5０0-７０0 个为人机工程不理想焊点。

大约30%－4０%得焊点为人机工程理想焊点,其余得焊点为普通焊点。

4 把机器人焊接与简单得自动焊结合起来,可以降低。

微型车身上一些有规律得焊点,比如左右侧围下裙边,焊点在低位置得一条有规律得直线上。

对于人工焊接来说其处于低工位,人机工程较差焊接困难。

而采用具有一个活动轴得自动焊相对于机器人来说可以节约成本。

比如下裙边得焊点,采用单轴得自动焊其成本只有机器人得30%左右。

综合这些特点来瞧:焊接机器人工位与焊接工人工位比例应当合适,必须要结合不同得情况（节拍、车型等)来考虑机器人得数量,并不就是焊接机器人越多越好。

焊接机器人优先处理人机工程差得焊点，同时要配置机器人焊点得检查工位。

若以。