中国应重视机器人搅拌摩擦焊技术

文章出处: - 发布时间:2014-07-04 13:59

   我国已经成为世界公认的制造业大国,但我国工业制造自动化水平却不高,工业机器人应用有限。2013年12月30日,工信部正式发布了《关于推进工业机器人产业发展的指导意见》,确立了我国工业机器人产业发展目标,即开发满足用户需求的工业机器人系统集成技术、设计技术及关键零部件制造技术,在汽车、船舶、电子、民爆、国防军工等重要工业制造领域推进工业机器人的规模化示范应用。

全世界在役工业机器人大约有将近一半以上用于各种焊接生产。焊接机器人具有高效、质量稳定且通用性强等优点。焊接过程的柔性化、自动化、智能化已成为先进焊接装备的重要发展趋势。焊接机器人正经历着由单机示教再现型向多传感、智能化的柔性机器人工作站或多机器人工作群方向发展。

  机器人搅拌摩擦焊技术优势

  重载工业机器人与先进的焊接主轴装备的系统集成实现搅拌摩擦焊,将极大提升焊接作业柔性,适用于空间复杂结构产品的批量化焊接制造,并进一步提升焊接自动化程度和生产效率。使用机器人搅拌摩擦焊焊接时,由于机器人柔性化程度高,焊接过程稳定且无需人为干涉,因此,焊接质量可以得到显著提升,且有利于降低焊接生产成本。据国外统计机器人搅拌摩擦焊单件焊接成本比机器人氩弧焊低20%,只有多轴搅拌摩擦焊设备焊接成本的一半。由此可见,采用机器人进行搅拌摩擦焊在大规模工业生产中具有显著的成本优势。此外,机器人搅拌摩擦焊的主要技术优势有:绿色节能高效,焊接过程无污染;适用于复杂结构焊接,如平面二维、空间三维等结构;可匹配外部轴,自由扩展机器人工作空间;可实现多模式过程控制,如压力控制、扭矩控制等;接头质量良好,焊接过程稳定性好。

机器人搅拌摩擦焊国内外发展现状

  自1997年开始,国外多家机构就开始研发机器人搅拌摩擦焊工艺技术及装备系统。近年来国外商业化的机器人搅拌摩擦焊系统不断涌现,德国IGM公司、日本川崎重工及日本FANUC公司推出了自主研发的机器人搅拌摩擦焊系统,瑞典ESAB公司与美国FSL公司在ABB机器人本体上成功集成了搅拌摩擦焊系统(图1a),实现了空间曲面结构焊接,在国内外多家科研机构得到应用。德国KUKA机器人集团与欧宇航(EADS)创新工作室历经十年合作研发,于2012年推出商业化的KR500MT机器人搅拌摩擦焊系统(图1b),成为近两年国际焊接工业展的重要亮点,得到国内外航空、航天、汽车、电力、电子等行业领域焊接工作者的普遍关注,并很快在电子行业得到推广应用。

我国在机器人搅拌摩擦焊系统集成研发及工程化推广应用等方面一直远远落后于国外,近五年来国内才开始开展机器人搅拌摩擦焊工艺研发和系统集成研究。中航工业制造所作为国内首家从事搅拌摩擦焊技术研究的单位,于2013年从国外引进了一台重载机器人搅拌摩擦焊系统。在此基础上,开展了机器人搅拌摩擦焊技术的探索性研究,对机器人搅拌摩擦焊系统及空间曲面结构焊接有了初步认识。

  机器人搅拌摩擦焊市场需求分析

搅拌摩擦焊在我国已经历了十余年的技术和装备研发,市场认可度高。可以预期未来五年内,搅拌摩擦焊将迎来市场化推广及工程化应用的高潮。中航工业制造所在搅拌摩擦焊技术研发基础上,逐步形成起搅拌摩擦焊产品批量加工、系列化专机装备生产能力,至今已研制成功多种系列搅拌摩擦焊设备,逐渐形成了大型宽幅带筋壁板、液冷风冷散热器、筒体结构件等多类别产品,搅拌摩擦焊产品的发展越来越呈现出规模化发展的趋势,逐步形成了完善的产品体系。

   国家对节能减排的要求越来越高,汽车、船舶、轨道交通、民用航空、电力、冶金等行业对轻量化的要求也越来越高,先进的搅拌摩擦焊技术与高柔性自动化搅拌摩擦焊装备将成为这些行业的关键零部件产品实现绿色轻量化、高效精益生产的关键。重载工业机器人搅拌摩擦焊装备的出现,将极大提高搅拌摩擦焊的工作柔性,拓展作业空间和适用性。据IFR统计,2014年我国将成为全球最大的工业机器人应用市场。这种“井喷式”的市场需求将有力推动我国机器人搅拌摩擦焊技术和装备产业的发展。

   在飞机结构制造中,机器人搅拌摩擦焊系统有望应用于复杂曲面机身壁板焊接制造,实现长桁、隔板、框与蒙皮,以及机翼结构的焊接。欧宇航已将机器人静轴肩搅拌摩擦焊用于空客A380翼肋、翼盒、机身窗体加强结构产品的试制。日本川崎重工将机器人搅拌摩擦点焊应用于直升机舱门的研制。在汽车结构制造中,机器人搅拌摩擦焊系统有望应用于复杂曲面车体结构制造,实现复杂车体结构及不等厚裁剪板的焊接,日本川崎重工已将机器人搅拌摩擦点焊应用于汽车车门结构件的批产,采用机器人搅拌摩擦焊也可以实现电动汽车(或混合动力汽车)电池托盘的焊接。在电力电子行业各类散热产品的制造中,机器人搅拌摩擦焊优势更为突出,采用该项技术与装备,可以实现各类散热产品(如冷板、液冷风冷散热器、电机电池壳体、IGBT、ECU散热器)的高效率、高质量生产制造。在消费电子行业,机器人搅拌摩擦焊的工程化应用方面也取得了长足发展,德国KUKA机器人集团与欧宇航(EADS)创新工作室合作研发的机器人搅拌摩擦焊系统,已用于苹果公司iMac高端一体机产品壳体的焊接生产。

 

  机器人搅拌摩擦焊技术发展趋势浅析

  机器人搅拌摩擦焊技术与装备,是近年来搅拌摩擦焊技术与高端装备的重要发展方向,已成为当前国际搅拌摩擦焊技术研发热点,并得到了国内外焊接工程技术人员和工业用户的广泛关注。当前机器人搅拌摩擦焊技术,亟待解决以下几方面关键技术:

适用于搅拌摩擦焊接的重载工业机器人本体设计与制造技术。

适用于机器人焊接的搅拌摩擦焊机头设计与制造技术,尤其是新型搅拌摩擦焊工艺的运用,如搅拌摩擦点焊、静轴肩搅拌摩擦焊、双轴肩搅拌摩擦焊等。

  机器人搅拌摩擦焊系统集成技术,尤其是与多种传感控制系统的集成,以实现智能化自动化焊接。

  冗余自由度机器人搅拌摩擦焊路径规划及协同控制技术。将机器人与外部轴、变位机或多台机器人机器人系统集成实现高效作业,是智能焊接机器人发展的重要方向。

机器人搅拌摩擦焊路径和工艺规划技术。当前工业产品多具有小批量多品种特征,要求生产线具备柔性制造能力。采用工业机器人进行搅拌摩擦焊时,对焊接顺序及作业路径必须进行工艺规划,并通过离线编程实现干涉检验和指令生成,而且必须结合前序生产过程实时信息,对后续加工过程进行同步调整。

 

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