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自动焊机器人 激光焊接「设备 原理 优点」


发表日期:2021-01-26 | 文章来源:三和激光 | 文章编辑:焊接小能手 | 浏览次数:

  自动焊接机器人



  原理


  自动焊接机器人是一种高度自动化的焊接设备.采用机器人代替手工焊接作业是焊接制造业的发展趋势,是提高焊接质量、降低成本、改善工作环境的重要手段。机器人焊接作为现代制造技术发展的重要标志己被国内许多工厂所接受,并且越来越多的企业首选焊接机器人作为技术改造的方案。

  采用机器人进行焊接,光有一台机器人是不够的,还必须配备外围设备。常规的弧焊机器人系统由以5部分组成。1、机器人本体,一般是伺服电机驱动的 6 轴关节式操作机,它由驱动器、传动机构、机械手臂、关节以及内部传感器等组成。它的任务是精确地保证机械手末端(悍枪)所要求的位置、姿态和运动轨迹。2、机器人控制柜,它是机器人系统的神经中枢,包括计算机硬件、软件和一些专用电路,负责处理机器人工作过程中的全部信息和控制其全部动作。3、焊接电源系统,包括焊接电源、专用焊枪等。4、焊接传感器及系统安全保护设施。5、焊接工装夹具。对于小批量多品种、体积或质量较大的产品,可根据其工件的焊缝空间分布情况,采用简易焊接机器人工作站或焊接变位机和机器人组合的机器人工作站。以适用于“多品种、小批量”的柔性化生产。对于工件体积小、易输送.且批量大、品种规格多的产品.将焊接工序细分,采用机器人与焊接专机组合的生产流水线,结合模块化的焊接夹具以及快速换模技术,以达到投资少、效率高的低成本自动化的目的。

  性能
 

  机器人是一种具有“柔性”的机器,机器人具有人或者生物的某些功能,例如,工业机器人操作手模拟了人类手臂的功能,步行机器人模拟了人和动物下肢的运动功能。高级的机器人可以通过传感器了解外部环境或者“身体内在的”状态与变化,甚至可以做出自己的逻辑推理、判断与决策,也就是所谓的机器人的智能行为。

  工业机器人只有作为作业系统的一部分才能发挥作用。由于各种不同类型的机器人不断涌现,它们发挥作用的形式和组成的系统也在不断变化。工业机器人作为制造系统的一部分发挥作用是典型的。下面通过焊接系统来分析机器人的工作原理。焊接机器人系统工作时,至少需要一个工作台,将工件装卡在上面,并运送到机器人焊接的合适位置。这样,构成了一个简单的机器人焊接系统,称为机器人焊接工作站。如果机器人组成一个焊接生产线,则这个系统就变得更为复杂。

  机器人要完成焊接作业,必须依赖于控制系统与辅助设备的支持和配合。完整的焊接机器人系统一般由机器人操作手、变位机、控制器、焊接系统(专用焊接电源、焊枪或焊钳等)、焊接传感器、中央控制计算机和相应的安全设备等组成,如下图所示。

  机器人操作手是焊接机器人系统的执行机构,它由驱动器、传动机构、机器人臂、关节以及内部传感器(如编码盘)等组成。它的任务是精确地保证末端操作器所要求的位置、姿态和实现其运动。工业机器人操作手具有6个旋转关节的铰接开链式机器人。

  变位机作为的作用是将被焊工件旋转(平移)到的焊接位置。在焊接作业前和焊接过程中,变位机通过夹具来装卡和定位被焊工件,对工件的不同要求决定了变位机的负载能力及其运动方式。为了使机器人操作手充分发挥效能,焊接机器人系统通常采用两台变位机,当在其中一台上进行焊接作业时,另一台则完成工件的上装和卸载,从而使整个系统获得高的费用效能比。

  机器人控制器是整个机器人系统的大脑,它由计算机硬件、软件和一些专用电路构成,其软件包括控制器系统软件、机器人专用语言、机器人运动学及动力学软件、机器人控制软件、机器人自诊断及自保护软件等。控制器负责处理焊接机器人工作过程中的全部信息和控制其全部动作。所有现代机器人的控制器都是基于多处理器,根据操作系统的指令,工业控制计算机通过系统总线实现对不同组件的驱动及协调控制。

  焊接系统主要由焊钳(点焊机器人)、焊枪(弧焊机器人)、焊接控制器及水、电、气等辅助部分组成。焊接控制器是由微处理器及部分外围接口芯片组成的控制系统,它可根据预定的焊接监控程序,完成焊接参数输入、焊接程序控制及焊接系统故障自诊断,并实现与本地计算机及示教盒的通信联系。用于弧焊机器人的焊接电源及送丝设备由于参数选择的需要,必须由机器人控制器直接控制,电源在其功率和接通时间上必须与自动过程相符。

  在焊接过程中,尽管机器人操作机、变位机、装卡设备和工具能达到很高的精度,但由于存在被焊工件几何尺寸和位置误差,以及焊接过程中热输入能引起工件的变形,传感器仍是焊接过程中(尤其是焊接大厚工件时)不可缺少的设备。传感器的任务是实现工件坡口的定位、跟踪以及焊缝熔透信息的获取。

  应用
 

  自动焊接机器人从事焊接(包括切割与喷涂)的工业机器人。根据国际标准化组织(ISO)工业机器人属于标准焊接机器人的定义,工业机器人是一种多用途的、可重复编程的自动控制操作机(Manipulator),具有三个或更多可编程的轴,用于工业自动化领域。为了适应不同的用途,机器人最后一个轴的机械接口,通常是一个连接法兰,可接装不同工具或称末端执行器。焊接机器人就是在工业机器人的末轴法兰装接焊钳或焊(割)枪的,使之能进行焊接,切割或热喷涂。
 

 激光焊接
 

     原理



  激光焊接是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密焊接方法。激光焊接是激光材料加工技术应用的重要方面之一。20世纪70年代主要用于焊接薄壁材料和低速焊接,焊接过程属热传导型,即激光辐射加热工件表面,表面热量通过热传导向内部扩散,通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰值功率和重复频率等参数,使工件熔化,形成特定的熔池。由于其独特的优点,已成功应用于微、小型零件的精密焊接中。
激光焊接

  中国的激光焊接处于世界先进水平,具备了使用激光成形超过12平方米的复杂钛合金构件的技术和能力,并投入多个国产航空科研项目的原型和产品制造中。 2013年10月,中国焊接专家获得了焊接领域最高学术奖--布鲁克奖,中国激光焊接水平得到了世界的肯定。

  1)激光功率。激光焊接中存在一个激光能量密度阈值,低于此值,熔深很浅,一旦达到或超过此值,熔深会大幅度提高。只有当工件上的激光功率密度超过阈值(与材料有关),等离子体才会产生,这标志着稳定深熔焊的进行。如果激光功率低于此阈值,工件仅发生表面熔化,也即焊接以稳定热传导型进行。而当激光功率密度处于小孔形成的临界条件附近时,深熔焊和传导焊交替进行,成为不稳定焊接过程,导致熔深波动很大。激光深熔焊时,激光功率同时控制熔透深度和焊接速度。焊接的熔深直接与光束功率密度有关,且是入射光束功率和光束焦斑的函数。一般来说,对一定直径的激光束,熔深随着光束功率提高而增加。

  2)光束焦斑。光束斑点大小是激光焊接的最重要变量之一,因为它决定功率密度。但对高功率激光来说,对它的测量是一个难题,尽管已经有很多间接测量技术。

  光束焦点衍射极限光斑尺寸可以根据光衍射理论计算,但由于聚焦透镜像差的存在,实际光斑要比计算值偏大。最简单的实测方法是等温度轮廓法,即用厚纸烧焦和穿透聚丙烯板后测量焦斑和穿孔直径。这种方法要通过测量实践,掌握好激光功率大小和光束作用的时间。 3)材料吸收值。材料对激光的吸收取决于材料的一些重要性能,如吸收率、反射率、热导率、熔化温度、蒸发温度等,其中最重要的是吸收率。

  优点

激光焊接设备

  激光加工具有很多优点,其中有:

  焊接设备不需要和被粘结的塑料零部件相接触。

  速度快



  设备自动化程度高,很方便的用于复杂塑料零部件加工。

  不会出现飞边。

  焊接牢固



  可以得到高精度的焊接件。

  无振动技术



  能产生气密性的或者真空密封结构。

  最小化热损坏和热变形。

  可以将不同组成或不同颜色的树脂粘结在一起。

  设备



  激光透射焊接技术主要使用两类激光设备:一个是掺钕钇铝石榴石合成晶体(Nd3+:YAG),另一个是半导体二极管。Nd3+:YAG激光的波长为1064纳米(nm),容易被含有特殊填料或颜料的塑料吸收。可以通过光导纤维将激光很方便的传送到激光头,尤其是在使用自动化装置的焊接技术。二极管激光器产生的波长范围在800-1000nm之间,这对焊接来说是效率最高的能量区域。它结构紧凑,可以很方便的安装在自动化设备上。二极管激光的吸收特征和Nd3+:YAG的吸收特征类似。塑料焊接有时也使用二氧化碳(CO2)激光器。它能产生10600nm的光波,这同Nd3+:YAG和二极管激光器产生激光相比,更容易被塑料吸收。但是二氧化碳激光的穿透性能没有其它两种激光器产生的激光。因此二氧化碳激光器主要用于薄膜材料焊接。激光类型 CO2 Nd3+:YAG 二极管波长 (um) 10.6 1.06 0.8-1.0最大能量 (W) 60,000 6,000 6,000效率 10% 3% 30%透射光束 镜面反射 光纤及镜面 光纤及镜面最小的光点大小(mm) 0.2-0.7(直径) 0.1-0.5(直径) 0.5x0.5表 1: 市场上常用的塑料激光加工技术对比使用Nd:YAG或二极管激光的透射焊接技术,可以以超过20米/分的线速度将1mm以上厚度的塑料件焊接在一起。二氧化碳激光器焊接薄膜的速度可以高达750米/分。
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