从机器人技术发展趋势看

　　焊接机器人在汽车工业的应用趋势 

　　随着我国汽车工业的发展和对自动化水平要求的不断提高，将为焊接机器人市场的快速增长提供了一个良好的机会预计国内企业对焊接机器人的需求量将以30%以上的速度增长从机器人技术发展趋势看，焊接机器人不断向智能化方向发展，完全实现生产系统中机器人的群体协调和集成控制，从而达到更高的可靠性和安全性而采用焊接机器人的汽车生产企业在高技术、高质量、低成本条件下必将获得高速发展，也必将为汽车产业的发展带来新的生机。　　典型的焊接机器人系统有如下几种形式：焊接机器人工作站、焊接机器人生产线、焊接专机焊接机器人系统一般适合中、小批量生产，被焊工件的焊缝可以短而多，形状较复杂柔性焊接线特别适合产品品种多，每批数量又很少的情况下采用焊接专机适合批量大、改型慢的产品，对焊缝数量较少、较长，形状规矩的工件也较为适用，至于选用哪种自动化焊接生产形式，需根据企业的实际情况而定 

　　在汽车领域的典型应用 

　　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特别是近几年，国内的汽车生产企业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肘节式机器人共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、武汉等地都有引进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 

　　机器人深度服务汽车行业大市场 

　　自动化前沿技术的研制、开发与应用其系列机器人应用主要涵盖点焊、弧焊、搬运、装配、涂胶、喷涂、浇铸、注塑、水切割等各种自动化作业，广泛应用于汽车及其零部件制造、摩托车、工程机械、冶金、电子装配、物流、烟草、五金交电、军事等行业目前，机器人系列技术及应用、自动化成套技术装备、仓储物流自动化技术装备已形成新松公司三大主导产业领域，旨在为用户提供卓越的技术和服务机器人系统，是市场上极具竞争力的"机器人及自动化技术和服务"解决方案提供商，也是国内进行机器人研究开发与产业化应用的主导力量 

　　机器人产业应用主要是承担各类汽车车身自动冲压线、白车身焊装线、汽车总装线、发动机装配线、工装夹具及输送系统的设计制造；焊装线钢结构、管网工程的设计制造；焊装线工艺设计、平面布置、机器人选型、机器人用自动焊钳设计与选型、非标机械装备、辅具、控制系统的设计制造与生产工艺调试等，主要应用于汽车制造领域 

　　充分利用自身的技术优势和行业地位，公司还与国际众多知名的机器人自动化企业形成了紧密的商业合作伙伴关系，紧紧围绕客户需求，公司把国外先进的机器人自动化技术、产品与自身强大的研发设计能力、先进的技术装备与完善的服务体系进行完美整合，充分发挥各自的技术和资源优势，为客户提供完整的技术解决方案和"交钥匙"工程保证了公司的产品技术水平始终与世界先进水平同步，为广大客户提供最大增值服务，在业界树立了良好的企业形象，形成了以机器人和先进装备为主体的核心技术，从而形成了较强的综合竞争优势和差异化比较竞争优势　　　　　机器人深度服务汽车行业大市场 

　　自动化前沿技术的研制、开发与应用其系列机器人应用主要涵盖点焊、弧焊、搬运、装配、涂胶、喷涂、浇铸、注塑、水切割等各种自动化作业，广泛应用于汽车及其零部件制造、摩托车、工程机械、冶金、电子装配、物流、烟草、五金交电、军事等行业目前，机器人系列技术及应用、自动化成套技术装备、仓储物流自动化技术装备已形成新松公司三大主导产业领域，旨在为用户提供卓越的技术和服务机器人系统，是市场上极具竞争力的"机器人及自动化技术和服务"解决方案提供商，也是国内进行机器人研究开发与产业化应用的主导力量 

　　机器人产业应用主要是承担各类汽车车身自动冲压线、白车身焊装线、汽车总装线、发动机装配线、工装夹具及输送系统的设计制造；焊装线钢结构、管网工程的设计制造；焊装线工艺设计、平面布置、机器人选型、机器人用自动焊钳设计与选型、非标机械装备、辅具、控制系统的设计制造与生产工艺调试等，主要应用于汽车制造领域 

　　充分利用自身的技术优势和行业地位，公司还与国际众多知名的机器人自动化企业形成了紧密的商业合作伙伴关系，紧紧围绕客户需求，公司把国外先进的机器人自动化技术、产品与自身强大的研发设计能力、先进的技术装备与完善的服务体系进行完美整合，充分发挥各自的技术和资源优势，为客户提供完整的技术解决方案和"交钥匙"工程保证了公司的产品技术水平始终与世界先进水平同步，为广大客户提供最大增值服务，在业界树立了良好的企业形象，形成了以机器人和先进装备为主体的核心技术，从而形成了较强的综合竞争优势和差异化比较竞争优势 

在中国的汽车零部件生产中，多年来一直是由手工焊、专机焊占据焊接生产的主导地位，近年来由于焊接机器人的大量应用，提高了零部件生产的自动化水平及生产效率，同时使生产更具有柔性，焊接质量也得到了保证。 

    在汽车车身装焊工艺中，点焊工艺仍处于主导地位，电阻点焊技术的应用实现了汽车车身制造的量产化与自动化。在汽车车身装焊生产线上使用的电阻点焊设备，主要有以下三类: 

    　　①悬挂式点焊机主要应用于车身装焊生产线上的定位焊工位，或者是用于焊点位置复杂(不宜实现自动化)部件的焊接。手工作业，自动化程度低。 

    　　②多点焊专机多点焊工艺的优点是生产效率高，焊接变形小。其缺点是不能适应于多种车型的生产，柔性差。 

    　　③点焊机器人点焊机器人在现代化车身装焊生产线上被大量采用，可以提高装焊生产的自动化程度，减轻操作者的劳动强度，提高生产效率，保证焊接质量。点焊机器人主要用于车身装焊的补焊工位、车身总成合焊工位等。而且，由于点焊机器人的采用，实现了车身装焊的柔性化生产方式--多品种、少批量混线生产。 

    　　点焊机器人通常由机器人本体、机器人控制装置、点焊钳及电阻焊控制器(时控器)构成。目前的点焊机器人系统应用了以下先进技术: 

    　　第一，逆变焊接电源减小了焊接变压器的重量和体积，将变压器与焊钳制成一体式机器人点焊钳。一体式焊钳的应用，有利于点焊机器人在其运动范围内实现轨迹运动及姿态变化。采用逆变焊接电源还可以改善焊机的电气性能，提高电源的热效率，达到节能的目的。 

    　　第二，焊钳自动更换装置通过模块化设计，使机器人焊钳与一次侧水电气配管的连接接口实现标准化。在装置装有几把不同形式的焊钳，点焊机器人按照程序在几秒钟的时间内就可以完成自动更换。实现焊钳快速自动更换，达到使用一台点焊机器人就能够适应车身各部位焊接的要求，也可适应多品种车型生产的需要。 

    　　第三，机器人控制系统采用该系统不仅可以控制机器人本体的运动，而且，还可对电阻焊时控器进行自动控制，发出焊接开始指令，自动控制和调整焊接参数(电压、电流、加压力、时间周波)，控制点焊钳的大小行程及夹紧松开动作。同时，也具有自动故障诊断、报警等功能，例如:电极与被焊工件粘连、压缩空气气压过低时的故障报警。 

    　　(2)电弧焊汽车车身装焊生产中，主要在车架、地板等的主焊工位进行手工补焊作业，在副车架等分总成工件的焊接工位有孤焊机器人的应用。 

    　　2.汽车零部件焊接 

    　　在汽车零部件的生产中广泛地采用了点焊、凸焊、缝焊、对焊及电弧焊等焊接工艺。例如:横梁总成托架点焊，传动轴平衡片凸焊，汽车燃油箱缝焊，汽车轮圈连续闪光对焊，汽车转向臂、消声器、净化器壳体的电弧焊等。 

在国内，点焊机器人上所配备的焊钳均为气动焊钳，焊接时冲击力较大。当工件的重复精度较差、电极处于板材边缘时，焊钳易打滑并损坏被焊工件。而在国外，机器人用焊钳已逐步采用伺服焊钳，这种焊钳的开闭由伺服电机控制，每个焊点的焊接周期可大幅度降低。电极压紧力可实现无级调节，焊接时可减少碰撞变形和噪音，并能实现精确控制，提高焊接质量。

随着汽车行业的快速发展，汽车车身结构的安全性及新材料的运用对白车身的焊接工艺提出了新的挑战。对于带涂层的钢板、涂胶的钢板、多层板及不同材质板等条件下的焊接，传统的工频焊机难以满足焊接要求，应运而生的是各种先进的焊接工艺及焊接设备，如中频焊机、激光焊机等。 

近年来，国外部分生产汽车批量大的企业将中频点焊机器人和伺服技术点焊机器人应用于轿车白车身焊装线。尤其在欧洲，中频点焊机器人使用量已占40%，并扩大到铝合金轿车车身的点焊作业。在国内中频焊机在各大汽车厂中也得到了越来越广泛的应用，如一汽大众、奇瑞汽车、北京现代、东风日产等厂家都已将中频焊机运用于自动线焊接或人工点焊。 

与传统的工频焊机相比，中频焊机最大的优点在于直流极性好、焊接质量好。以RexrothPSQ6000的中频焊机在奇瑞汽车A5白车身生产线的运用为例，来说明中频焊机良好的焊接质量性能。 

在A5白车身生产线的骨架总拼工位，由机器人使用工频焊机焊接。此工位的左右侧围门槛处，有10个焊点为四层板焊接，四层板总厚度达到5.5mm，此处焊点的焊接质量很不稳定。当焊接电流过大时，会引起焊点过烧或焊点烧穿；当焊接电流调小时，又会引起弱焊或虚焊。无论如何调整焊接参数，都无法得到稳定良好的焊点质量，因为此处不仅板厚、钢板层数多，而且装配时有一定的装配间隙，而工频焊机并不能根据实际的装配状态对焊接参数进行自动的调整来保证焊接质量。对此，RexrothPSQ6000中频焊机正好能克服工频焊机的缺陷。 

在使用中频焊机之前，技术人员采用四层板试板分别用工频焊机和中频焊机进行焊接试验观察焊接质量。四层板的试验材料为： 

（1.8+1.5+1.5+0.8）mm组合的4块冷轧低碳钢板，焊钳电极直径16mm，焊接参数经过多次试验优化，其最终的试验结果见表1。 

从表1可见对于多层板的焊接，无论从操作环境，还是从焊点质量及其稳定性，中频焊机的焊接性能都明显优于工频焊机。由于中频焊机的电流非常接近直流电流，焊接时没有电流峰值，焊接过程中热量增加比较稳定无波动，因此焊接飞溅很少，甚至几乎没有。所以中频焊机的操作环境较工频焊机操作环境好很多，并且中频焊机的电流热效率高于交流电流，故中频焊机焊接的焊点熔核直径比工频焊机的大1～2mm。 

表1 工频焊机和中频焊机对四层板焊接的结果对比 

随后在A5车身侧围门槛处用工频焊机和中频焊机进行四层板焊点的焊接，试验结果与用试板做的试验结果基本吻合，具体车身焊点见图1。用中频焊机焊接的5个焊点熔核均在5～6mm之间，用工频焊机焊接的3个焊点的熔核在3～4mm之间。 

图1 中频焊机与工频焊机进行四层板焊点焊接的破检结果

通过一段时间的现场验证，中频焊机焊接A5侧围门槛处四层板焊点焊接质量合格，且质量稳定，显著优于工频焊机的焊接质量。如此优良的焊接质量不仅与中频焊机的直流极性有关，还与它的控制系统有重要的关系。RexrothPSQ6000中频焊机拥有功能强大的监控软件，智能化程度高。它采用了恒功率控制技术和伺服运动控制器(气动元件)，可以对焊接电流、焊接时间、焊接功率及焊接的压力等进行全闭环控制。 

恒功率控制技术是对次级电流和次级电压进行监控，通过调整焊接时间和焊接电流保证每一个焊接熔核的输入功率相等，因此它可以有效补偿焊接分流、焊接装配不良、焊接母材成分变化等非机器扰动因素。首先它根据焊接的条件，选取一个标准试板，建立一条电流和电阻的样本曲线，然后在实际的焊接工作中，根据实际的焊接电阻对实际的焊接电流和焊接时间进行补偿（见图2、3）。 

图2 焊接板件之间有胶水干扰的焊接参数曲线图

图3 焊接板件之间有涂层干扰的焊接参数曲线图

图2 为焊接板件之间有胶水干扰的一个焊接参数曲线图，红色曲线是实际的焊接电流-时间曲线，与它部分重合的黑色曲线是焊接样本的焊接电流-时间曲线，绿色曲线是实际的焊接电阻-时间曲线，与它部分重合的黑色曲线是焊接样本的焊接电阻-时间曲线。样本为没有胶水的同样钢板的焊接，当焊接板件之间有胶水时，板件电阻大大高于样本电阻，故焊接电流在开始段突然增大，使胶水层被击穿，同时损失的焊接电流以延长焊接时间得到补偿，保证了焊点的质量。图3为焊接板件之间有涂层干扰的一个焊接参数曲线图，曲线含义与图2相同，当焊接板件之间有涂层干扰时，控制系统通过增加焊接电流来进行补偿。 

由于RexrothPSQ6000中频焊机具备以上两方面的优点，故其焊接质量控制远远优于工频点焊机。但是它的缺点是价格比普通工频焊机高6～8倍，一次性投资大。然而，它的综合性能将决定它的应用程度，下面看一下它的综合性能，与普通的工频焊机相比，它有以下几个特点： 

1. 中频焊机焊接电流接近完全直流，由于没有明显的峰值电流，熔核尺寸稳定扩大，几乎没有飞溅，焊接质量稳定、热效率高。与工频焊机相比，中频焊机焊接电流可降低40%，电极使用寿命大大延长。 

2. 中频焊机变压器重量和体积小，输入功率低，便于采用连变压器式焊钳。当运用于机器人点焊操作时，可使机器人的负荷减轻，而工频焊机在自动线上运用时则需要负载能力更强的机器人。 

3. 中频焊机的响应速度仅为工频焊机的1/20，电流能够更快地达到设定值，更准确地分析参数，焊接质量控制更精确。 

4. 中频焊机三相负荷均衡，功率因数高(0.9左右)，节能。而两相工频焊机，工作时很难保证相电压之间的均衡，功率因数低（0.6左右），三相工频焊机则很难实现恒流输出。 

5. 中频焊机适用多种材料及异种金属的焊接，如铝合金、不锈钢、高强度钢板等材料。另外，对于镀锌板和普通多层板的焊接，其焊接质量也远高于工频焊机的焊接质量。而工频焊机只适应焊接性能好的材料，如低碳钢板。 

从综合性能来看，中频焊机运行的能源成本比工频焊机节约近1/3，适合自动线运用，控制智能化程度高，适应材料范围广，符合汽车安全性要求增高和新材料焊接发展的方向，在汽车行业会有越来越广泛的应用。