| 工業(yè)4.0時(shí)代：激光機器人勢成必然 |
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OFweek激光網(wǎng)訊：“工業(yè)4.0”背景下，我國工業(yè)機器人的應用正悄然出現拐點(diǎn)。據統計，2013年，我國工業(yè)機器人銷(xiāo)量達到了三萬(wàn)多臺，同比增長(cháng)60%，已超過(guò)日本成為全球第一機器人大國。
目前在汽車(chē)產(chǎn)業(yè)中，激光焊接機器人已成為最先進(jìn)的制造技術(shù)，獲得了廣泛應用。德國大眾汽車(chē)、美國通用汽車(chē)、日本豐田汽車(chē)等汽車(chē)裝配生產(chǎn)線(xiàn)上，已大量采用激光焊接機器人代替傳統的電阻點(diǎn)焊設備，不僅提高了產(chǎn)品質(zhì)量和檔次，而且減輕了汽車(chē)車(chē)身重量，節約了大量材料，使企業(yè)獲得很高的經(jīng)濟效益。在中國，不少汽車(chē)公司也引進(jìn)了激光機器人進(jìn)行加工。
在汽車(chē)制造工藝里，焊接是汽車(chē)裝配流水線(xiàn)上一道不可缺少的工序。通常來(lái)講，車(chē)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(shù)還有閃光焊、電子束焊、電栓焊、脈沖焊、摩擦焊等。近年來(lái)，世界上最新出現了激光焊接技術(shù)，并且發(fā)展得很快。
與目前傳統的點(diǎn)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(chē)身強度提升30%，車(chē)身的結合精度同樣大大提升。當然，激光焊接的實(shí)際使用意義并不僅于此。一般來(lái)說(shuō)，車(chē)輛在道路上行進(jìn)時(shí)來(lái)自地面的顛簸會(huì )轉換成每分鐘上千次的扭曲運動(dòng)考驗車(chē)身，如果車(chē)身結合精度、強度不夠，輕則車(chē)內異響頻頻、噪音大，嚴重的可能導致安裝在車(chē)輛上的零部件如變速箱、前后橋的損壞或者車(chē)身斷裂。
激光焊接的特點(diǎn)是被焊接工件變形極小，幾乎沒(méi)有連接間隙，焊接深度/寬度比高，因此焊接質(zhì)量比傳統焊接方法高。但是，如何保證激光焊接的質(zhì)量，也就是激光焊接過(guò)程監測與質(zhì)量控制是一個(gè)激光利用領(lǐng)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(guò)電子計算機處理，針對不同焊接對象和要求，實(shí)現諸如焊縫跟蹤、缺陷檢測、焊縫質(zhì)量監測等項目，通過(guò)反饋控制調節焊接工藝參數，從而實(shí)現自動(dòng)化激光焊接。所以說(shuō)，激光焊接是一門(mén)技術(shù)性非常強的先進(jìn)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(yè)機器人控制技術(shù)的主要任務(wù)就是控制工業(yè)機器人在工作空間中的運動(dòng)位置、姿態(tài)、軌跡、操作順序及動(dòng)作的時(shí)間等，具有編程簡(jiǎn)單、軟件菜單操作、友好的人機交互界面、在線(xiàn)操作提示和使用方便等特點(diǎn)。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(chǎn)線(xiàn)發(fā)展，機器人控制器的聯(lián)網(wǎng)技術(shù)使得對機器人生產(chǎn)線(xiàn)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(chē)制造業(yè)，汽車(chē)底盤(pán)、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(diǎn)焊作為標準來(lái)裝備其日本國內和海外的所有點(diǎn)焊機器人。用這種技術(shù)可以提高焊接質(zhì)量，甚至試圖用它來(lái)代替某些弧焊作業(yè)，同時(shí)，在短距離內的運動(dòng)時(shí)間也大為縮短。該公司推出一種高度低的點(diǎn)焊機器人，用它來(lái)焊接車(chē)體下部零件。這種矮小的點(diǎn)焊機器人還可以與較高的機器人組裝在一起，共同對車(chē)體上部進(jìn)行加工，從而縮短了整個(gè)焊接生產(chǎn)線(xiàn)長(cháng)度。轎車(chē)后橋、副車(chē)架、搖臂、懸架、減振器等底盤(pán)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(zhì)量要求相當高，其質(zhì)量的好壞直接影響到轎車(chē)的安全性能。應用機器人焊接后，大大提高了焊接件的外觀(guān)和內在質(zhì)量，并保證了質(zhì)量的穩定性和降低勞動(dòng)強度，改善了勞動(dòng)環(huán)境。
激光焊接設備的關(guān)鍵是大功率激光器，主要有兩大類(lèi)，一類(lèi)是固體激光器，又稱(chēng)Nd：YAG激光器。Nd：YAG激光器波長(cháng)為1.06mm，主要優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)生的光束可以通過(guò)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(chē)工業(yè)常用輸出功率為3～4kW的Nd：YAG激光器。另一類(lèi)是氣體激光器，又稱(chēng)CO2激光器，分子氣體作工作介質(zhì)，產(chǎn)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(chē)工業(yè)中激光技術(shù)主要用于車(chē)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(chǎn)CO2激光器，HAAS公司則主要生產(chǎn)固體(Nd：YAG)激光器，而IPG公司生產(chǎn)新型的光纖激光器，Laserline公司生產(chǎn)半導體激光器，形成相互競爭又互相補充的激光技術(shù)研發(fā)與生產(chǎn)鏈。大眾汽車(chē)、寶馬汽車(chē)、奔馳汽車(chē)和美雅(Meyer)船廠(chǎng)是德國應用激光焊接技術(shù)的示范企業(yè)。德國的大眾汽車(chē)已經(jīng)將激光焊接技術(shù)引入中國，并在上海大眾和一汽－大眾的轎車(chē)批量生產(chǎn)線(xiàn)上應用，推動(dòng)了中國激光焊接技術(shù)的應用。
使用輸出功率大于4kW的二極管激發(fā)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(zhì)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(diǎn)”直徑更小，功率密度更高，使人們能夠進(jìn)行以連續波的模式進(jìn)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(jìn)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(zhì)量的焊道外形只有在純粹的連續波狀態(tài)才有可能。當使用千瓦級的二極管激發(fā)的Nd：YAG激光器焊接鋁時(shí)，在很寬的參數范圍內都能獲得很高的可靠性。
有業(yè)內人士介紹，“現在的年輕人不愿意從事簡(jiǎn)單的重復勞作，機器替代人工將成為以后發(fā)展的重要趨勢�！惫I(yè)機器人具有重復性精確生產(chǎn)的特征，適應制造業(yè)中規�；可a(chǎn)要求，裝配在生產(chǎn)線(xiàn)上代替人工作業(yè)，不僅解除了工人的繁復勞動(dòng)，而且提高了生產(chǎn)質(zhì)量。它可以流動(dòng)作業(yè)，適應個(gè)性化生產(chǎn)需求。
機器人激光加工系統既具有機器人運動(dòng)靈活、柔性高的特點(diǎn)，又具有激光的加工速度快、質(zhì)量好、熱影響小等優(yōu)點(diǎn)，很好地滿(mǎn)足了現代制造業(yè)發(fā)展的要求；同時(shí)三維激光切割焊接機器人不僅在技術(shù)上能夠滿(mǎn)足復雜三維切割焊接的要求，有助于提高工業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量水平，還能降低生產(chǎn)成本，給企業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟效益。
一直以來(lái)，工業(yè)機器人應用最為廣泛的是汽車(chē)制造業(yè)；如今，機器人制造企業(yè)正努力向其他領(lǐng)域拓展。此前工業(yè)機器人主要替代重體力勞動(dòng)和復雜勞動(dòng)，以解決人力在惡劣環(huán)境下作業(yè)的問(wèn)題；而現在正轉向簡(jiǎn)單重復的、大量使用勞動(dòng)力的領(lǐng)域。相關(guān)部門(mén)顯然也已經(jīng)注意到智能化所帶來(lái)的制造業(yè)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(yè)面臨智能化轉型升級的背景下，激光加工進(jìn)入機器人時(shí)代已勢在必然。 |
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