上可教育：机器人激光焊接系统浅析

  激光焊接成为一种成熟的无接触的焊接方式已经多年，极高的单位体积内的包含的能量使得高速加工和低热输入量成为可能，焊接强度高，焊缝窄，热影响区小，并且工件变形量小。一直在变化的客户的真实需求和高度的国际竞争造成了钣金加工领域的向个性化需求转变的趋势。对于用户来说，这在某种程度上预示着产品线的细分程度加大。因此，生产大量相同部件的需求减少，而对于各个产品的准备时间慢慢的变多，二整个工艺流程特别是焊接过程，必须适应这个趋势，而最合适满足这个需求的设备就是机器人激光焊接系统。

  我国工业机器人的市场大多分布在在汽车、汽车零部件、摩托车、电器、工程机械、石油化学工业等行业。中国作为亚洲第三大的工业机器人需求国，市场发展稳定，汽车及其零部件制造仍然是工业机器人的主要应用领域，随着我们国家产业体系调整升级不断深入和国际制造业中心向中国的转移，我国的机器人市场会促进加大，市场扩展的速度也会促进提高。

  机器人控制管理系统是机器人的大脑，是决定机器人功能和性能的重要的因素。工业机器人控制技术的主要任务就是控制工业机器人在工作空间中的运动位置、姿态和轨迹、操作顺序及动作的时间等。具有编程简单、软件菜单操作、友好的人机交互界面、在线操作提示和使用起来更便捷等特点。

  (1)开放性模块化的控制管理系统体系结构：采用分布式CPU计算机结构，分为机器人控制器(RC)，运动控制器(MC)，光电隔离I/O控制板、传感器处理板和编程示教盒等。机器人控制器(RC)和编程示教盒通过串口/CAN总线进行通讯。机器人控制器(RC)的主计算机完成机器人的运动规划、插补和位置伺服以及主控逻辑、数字I/O、传感器处理等功能，而编程示教盒完成信息的显示和按键的输入。

  (2)模块化层次化的控制器软件系统：软件系统建立在基于开源的实时多任务操作系统Linux上，采用分层和模块化结构设计，以实现软件系统的开放性。整个控制器软件系统分为三个层次：硬件驱动层、核心层和应用层。三个层次分别面对不同的功能需求，对应不一样的层次的开发，系统中各个层次内部由若干个功能相对对立的模块组成，这些功能模块相互协作共同实现该层次所提供的功能。

  (3)机器人的故障诊断与安全维护技术：通过种种信息，对机器人故障进行诊断，并进行相应维护，是保证机器人安全性的关键技术。

  (4)网络化机器人控制器技术：目前机器人的应用工程由单台机器人工作站向机器人生产线发展，机器人控制器的联网技术慢慢的变重要。控制器上具有串口、现场总线及以太网的联网功能。可用于机器人控制器之间和机器人控制器同上位机的通讯，便于对机器人生产线进行监控、诊断和管理。

  弧焊机器人主要使用在于各类汽车零部件的焊接生产。在该领域，国际大型工业机器人生产企业主要以向成套装备供应商提供单元产品为主。本企业主要从事弧焊机器人成套装备的生产，根据各类项目的不一样的需求，自行生产成套装备中的机器人单元产品，也可向大型工业机器人企业采购并组成各类弧焊机器人成套装备。在该领域，本公司与国际大型工业机器人生产企业既是竞争亦是合作关系。

  (1)弧焊机器人系统优化集成技术：弧焊机器人采用交流伺服驱动技术和高精度、高刚性的RV减速机和谐波减速器，拥有非常良好的低速稳定性和高速动态响应，并可实现免维护功能。

  (2)协调控制技术：控制多机器人及变位机协调运动，既能保持焊枪和工件的相对姿态以满足焊接工艺的要求，又能避免焊枪和工件的碰撞。

  (3)精确焊缝轨迹跟踪技术：结合激光传感器和视觉传感器离线工作方式的优点，采取了激光传感器实现焊接过程中的焊缝跟踪，提升焊接机器人对复杂工件进行焊接的柔性和适应性，结合视觉传感器离线观察获得焊缝跟踪的残余偏差，基于偏差统计获得补偿数据并进行机器人运动轨迹的修正，在各种工况下都能获得最佳的焊接质量。

  激光加工机器人是将机器人技术应用于激光加工中，通过高精度工业机器人实现更柔性的激光加工作业。本系统通过示教盒进行在线操作，也可通过离线方式来进行编程。该系统通过对加工工件的自动检验测试，产生加工件的模型，继而生成加工曲线，也可通过CAD数据直接加工。可用于工件的激光表面处理、打孔、焊接和模具修复等。

  (1)激光加工机器人结构优化设计技术：采用大范围框架式本体结构，在增大作业范围的同时，保证机器人精度；

  (2)机器人系统的误差补偿技术：针对一体化加工机器人工作空间大，精度高等要求，并结合其结构特点，采取非模型方法与基于模型方法相结合的混合机器人补偿方法，完成了几何参数误差和非几何参数误差的补偿。

  (3)高精度机器人检测技术：将三坐标测量技术和机器人技术相结合，实现了机器人高精度在线)激光加工机器人专用语言实现技术：根据激光加工及机器人作业特点，完成激光加工机器人专用语言。

  (5)网络通讯和离线编程技术：具有串口、CAN等网络通讯功能，实现对机器人生产线的监控和管理；并实现上位机对机器人的离线编程控制。

  现代金属加工对焊接强度和外观效果等质量的要求慢慢的升高。而传统的焊接手段，由于极大的热量输入，不可避免的会带来工件扭曲变形等问题。为了弥补工件变形这样的一个问题，需要大量的后续加工手段，因此导致费用的上升。

  而采用全自动的激光焊接方法，具有最小的热输入量，因此带来的极小的热影响区，明显提高焊接产品的品质的同时，降低了后续工作量的时间。另外，由于焊接速度快和焊接深宽比大，能够极大的提高焊接效率和稳定性。

  激光焊接的另外一个优势是可以在深溶焊和热传导焊接之间，通过离焦量的控制而自由转换。相对于深溶焊，热传导焊接需要较小的激光单位体积内的包含的能量和较小的焊接速度，但是却能获得非常美观的焊接表面效果。

  通快的机器人激光焊接系统型号为TruLaser Robot 5020基于一个6轴机器人，有很高的灵活性，能够实现复杂工件的加工，且能适应工件多变的情况。

  机器人焊接系统由一下几个部分构成：KUKA机器人，工作台，吸尘器，激光光源和冷水机。

  对于激光光源而言，脉冲激光器，二极管激光器，光纤激光器和碟片激光器都可以与机器人系统相连。

  通快机器人激光焊接系统所用的机器人Kuka KR30HA的重复精度为+/-0.05mm， 名字中的HA代表“高精度”。激光系统能使用焊接镜头，切割镜头，扫描焊接镜头甚至激光熔覆头，由于采用的是磁力耦合的连接方式，所以不同镜头之间可以相互快速切换。机器人的负重能力是30kg，可以带动镜头中2000×1000×700mm的范围内移动。对于扫描焊接而言，由于镜头重量更大，必须选用负重量100kg的机器人系统。

  同时，该系统能配置”TeachLine”功能，通过光学传感器来探测焊缝的实际位置，从而对工件的公差和定位误差实现自动校准。通过“TeachLine”功能，可以大幅度减少重新示教所需要的大量时间。焊接辅助气体通过可以更换的不相同的型号的气体喷嘴，将焊接气体送到工件表面。同时，“Crossjet”侧吹气幕，通过水平方向上的高压空气从细缝吹出，形成一道气体屏障，降低焊接飞溅弄脏镜头的保护玻璃的风险。该机器人系统的基本功能是实现无焊丝的激光焊接，以此来实现激光高速焊接的优势。当然，该系统也能很好的使用冷送丝焊接功能，适用于在接头缝隙过大的情况下，或者对于焊接区域金相微结构有特别的条件的情况。

  近日，华工科技表示，该公司研发成功国内跑得最快、焊接最灵活的光纤激光焊接机器人系统。一分钟能跑40米，再复杂的角度也能焊接。

  该系统为国内首套激光三维远程焊接系统。由华工科技旗下华工激光与德国方面联合研发三个月制成。

  与传统的激光焊接不同，它将高性能的光纤激光器、高速扫描镜片、灵活的机器人有效结合，通过计算机控制扫描镜片角度，实现激光束的任意偏转，从而作用于部件表面的不同位置。系统最快焊接速度可达40米/分，长度为20毫米的焊缝，传统激光焊需3秒左右，而采用该远程焊接系统仅需要1秒左右。目前，它已应用于一汽大众奥迪Q5等高端车型的部件加工。

  日前，ABB 开发了两套新的专用软件工具，可使机器人激光切割更加准确、灵活性更好、更易使用。相比传统的五轴激光切割机，使用机器人进行激光切割可产生巨大的成本效益。机器人占地空间较少，有利于生产布局优化，节约生产空间和成本。在很多情况下，机器人激光切割可减少一项或多项高成本的制造工序，进而提高生产效率。

  RobotStudio Cutting PowerPac 是 ABB 三维仿真工具 RobotStudio 的插件。该软件专为激光切割而设计，用户可使用该软件快速生成并修改基于零件CAD 模型的切割程序。同时，该软件还支持切割程序的仿真和优化以及切割过程数据的管理。

  ABB 产品经理 Andreas Eriksson 在评价新软件时说道，“使用高精度的 Cutting PowerPac 插件时，即使是编写复杂的路径和形状程序也变得简单且高效。用户都能够在办公的地方环境中创建并测试高级的激光切割程序，不占用正常生产时间，使资源利用率最大化。”

  激光焊接应用与工业个领域已经多年，随着近年控制技术和激光技术的慢慢的提升，激光焊接的使用也慢慢变得简单容易，这也促进了激光焊接技术的发展。同时，慢慢的变多了激光焊接系统集成了离线编程软件和焊缝探测传感器等装置，这些技术减少了焊接的准备时间，提高了工作效率。

  目前在金属焊接中出现的一些挑战，比如工件形状越来越复杂，焊接质量发展要求慢慢的升高，而且加工的个性化需求中的量小样多的订单慢慢的变多，采用机器人激光焊接系统完全能应对这些挑战。