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工業4.0時代：激光機器人勢成必然

發表時間：2015/5/12 瀏覽次數：2638次返回上一頁

    OFweek激光網訊：“工業4.0”背景下，我國工業機器人的應用正悄然出現拐點。據統計，2013年，我國工業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。
　　目前在汽車產業中，激光焊接機器人已成為最先進的制造技術，獲得了廣泛應用。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線上，已大量采用激光焊接機器人代替傳統的電阻點焊設備，不僅提高了產品質量和檔次，而且減輕了汽車車身重量，節約了大量材料，使企業獲得很高的經濟效益。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，應用到的焊接技術還有閃光焊、電子束焊、電栓焊、脈沖焊、摩擦焊等。近年來，世界上最新出現了激光焊接技術，并且發展得很快。

　　與目前傳統的點焊工藝不同，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換成每分鐘上千次的扭曲運動考驗車身，如果車身結合精度、強度不夠，輕則車內異響頻頻、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，因此焊接質量比傳統焊接方法高。但是，如何保證激光焊接的質量，也就是激光焊接過程監測與質量控制是一個激光利用領域的重要內容，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，實現諸如焊縫跟蹤、缺陷檢測、焊縫質量監測等項目，通過反饋控制調節焊接工藝參數，從而實現自動化激光焊接。所以說，激光焊接是一門技術性非常強的先進制造工藝。
　　機器人控制系統是機器人的大腦，是決定機器人功能和性能的主要因素。工業機器人控制技術的主要任務就是控制工業機器人在工作空間中的運動位置、姿態、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。目前機器人的應用工程由單臺機器人工作站向機器人生產線發展，機器人控制器的聯網技術使得對機器人生產線的監控、診斷和管理更加便捷。
    機器人焊接目前已廣泛應用在汽車制造業，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和海外的所有點焊機器人。用這種技術可以提高焊接質量，甚至試圖用它來代替某些弧焊作業，同時，在短距離內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，焊接質量要求相當高，其質量的好壞直接影響到轎車的安全性能。應用機器人焊接后，大大提高了焊接件的外觀和內在質量，并保證了質量的穩定性和降低勞動強度，改善了勞動環境。
　　激光焊接設備的關鍵是大功率激光器，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，主要優點是產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，適用于柔性制造系統或遠程加工，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，產生平均為10.6mm的紅外激光，可以連續工作并輸出很高的功率，標準激光功率在2～5kW之間。汽車工業中激光技術主要用于車身拼焊、焊接和零件焊接。
　　德國的Rofin-Sina公司和Trumpf公司主要生產CO2激光器，HAAS公司則主要生產固體(Nd：YAG)激光器，而IPG公司生產新型的光纖激光器，Laserline公司生產半導體激光器，形成相互競爭又互相補充的激光技術研發與生產鏈。大眾汽車、寶馬汽車、奔馳汽車和美雅(Meyer)船廠是德國應用激光焊接技術的示范企業。德國的大眾汽車已經將激光焊接技術引入中國，并在上海大眾和一汽－大眾的轎車批量生產線上應用，推動了中國激光焊接技術的應用。
　　使用輸出功率大于4kW的二極管激發的固體激光器，對于鋁合金的焊接具有決定性的意義。這些系統的光束質量特別好，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。高質量的焊道外形只有在純粹的連續波狀態才有可能。當使用千瓦級的二極管激發的Nd：YAG激光器焊接鋁時，在很寬的參數范圍內都能獲得很高的可靠性。
　　有業內人士介紹，“現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展的重要趨勢�！惫I機器人具有重復性精確生產的特征，適應制造業中規�；可a要求，裝配在生產線上代替人工作業，不僅解除了工人的繁復勞動，而且提高了生產質量。它可以流動作業，適應個性化生產需求。
　　機器人激光加工系統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、質量好、熱影響小等優點，很好地滿足了現代制造業發展的要求；同時三維激光切割焊接機器人不僅在技術上能夠滿足復雜三維切割焊接的要求，有助于提高工業產品的質量水平，還能降低生產成本，給企業帶來巨大的經濟效益。
　　一直以來，工業機器人應用最為廣泛的是汽車制造業；如今，機器人制造企業正努力向其他領域拓展。此前工業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境下作業的問題；而現在正轉向簡單重復的、大量使用勞動力的領域。相關部門顯然也已經注意到智能化所帶來的制造業變革，國家層面對智能制造的政策持續加碼。在中國傳統制造業面臨智能化轉型升級的背景下，激光加工進入機器人時代已勢在必然。

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