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1、典型工作任務：先進焊接設備 子任務1：焊接機器人 什么是焊接機器人？l 具 有 三 個 或 三 個 以 上 可 自 由 編 程 的 軸 ， 并 能 將焊 接 工 具 按 要 求 送 到 預 定 空 間 位 置 ， 按 要 求 軌跡 及 速 度 移 動 焊 接 工 具 的 機 器 。 l 包 括 ： 弧 焊 機 器 人 、 激 光 焊 接 機 器 人 、 點 焊 機器 人 等 。 l 焊 接 機 器 人 主 要 包 括 機 器 人 和 焊 接 設 備 兩 部 分 。機 器 人 由 機 器 人 本 體 和 控 制 柜 （ 硬 件 及 軟 件 ）組 成 。 而 焊 接 裝 備 ， 以 弧 焊 及 點

2、 焊 為 例 ， 則 由焊 接 電 源 ， （ 包 括 其 控 制 系 統(tǒng) ） 、 送 絲 機 （ 弧焊 ） 、 焊 槍 （ 鉗 ） 等 部 分 組 成 。 對 于 智 能 機 器人 還 應 有 傳 感 系 統(tǒng) ， 如 激 光 或 攝 像 傳 感 器 及 其控 制 裝 置 等 。 圖 1a、 b表 示 弧 焊 機 器 人 和 點 焊機 器 人 的 基 本 組 成 。 焊接用機器人的主要結(jié)構(gòu)形式及性能 焊 接 機 器 人有 什 么 優(yōu) 點 呢 ？ l1） 穩(wěn) 定 和 提 高 焊 接 質(zhì) 量 ； l 2） 提 高 勞 動 生 產(chǎn) 率 ； l 3） 改 善 工 人 勞 動 強 度 ， 可 在 有 害

3、 環(huán) 境 下 工 作 ； l 4） 降 低 了 對 工 人 操 作 技 術(shù) 的 要 求 ； l 5） 縮 短 了 產(chǎn) 品 改 型 換 代 的 準 備 周 期 ， 減 少 相 應 的設 備 投 資 。 點焊機器人l點焊機器人由機器人本體、計算機控制系統(tǒng)、示教盒和點焊焊接系統(tǒng)幾部分組成，由于為了適應靈活動作的工作要求，通常電焊機器人選用關(guān)節(jié)式工業(yè)機器人的基本設計，一般具有六個自由度：腰轉(zhuǎn)、大臂轉(zhuǎn)、小臂轉(zhuǎn)、腕轉(zhuǎn)、腕擺及腕捻。其驅(qū)動方式有液壓驅(qū)動和電氣驅(qū)動兩種。其中電氣驅(qū)動具有保養(yǎng)維修簡便、能耗低、速度高、精度高、安全性好等優(yōu)點，因此應用較為廣泛。點焊機器人按照示教程序規(guī)定的動作、順序和參數(shù)進行點焊作

4、業(yè)，其過程是完全自動化的，并且具有與外點焊機器人專用的點焊鉗部設備通信的接口，可以通過這一接口接受上一級主控與管理計算機的控制命令進行工 作 弧焊機器人l 弧焊機器人的組成和原理與點焊機器人基本相同，中國在20世紀80年代中期研制出華宇-型弧焊機器人。一般的弧焊機器人是由示教盒、控制盤、機器人本體及自動送絲裝置、焊接電源等部分組成?？梢栽谟嬎銠C的控制下實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制和點位控制。還可以利用直線插補和圓弧插補功能焊接由直線及圓弧所組成的空間焊縫?；『笝C器人主要有熔化極焊接作業(yè)和非熔化極焊接作業(yè)兩種類型，具有可長期進行焊接作業(yè)、保證焊接作業(yè)的高生產(chǎn)率、高質(zhì)量和高穩(wěn)定性等特點。隨著技術(shù)的發(fā)展，弧焊機

5、器人人正向著智能化的方向發(fā)展。 l 焊 接 機 器 人 在 高 質(zhì) 量 、 高 效 率 的 焊 接 生 產(chǎn) 中 ， 發(fā) 揮 了 極 其重 要 的 作 用 。 工 業(yè) 機 器 人 技 術(shù) 的 研 究 、 發(fā) 展 與 應 用 ， 有 力地 推 動 了 世 界 工 業(yè) 技 術(shù) 的 進 步 。 近 年 來 ， 焊 接 機 器 人 技 術(shù)的 研 究 與 應 用 在 焊 縫 跟 蹤 、 信 息 傳 感 、 離 線 編 程 與 路 徑 規(guī)劃 、 智 能 控 制 、 電 源 技 術(shù) 、 仿 真 技 術(shù) 、 焊 接 工 藝 方 法 、 遙控 焊 接 技 術(shù) 等 方 面 取 得 了 許 多 突 出 的 成 果 。

6、 隨 著 計 算 機 技術(shù) 、 網(wǎng) 絡 技 術(shù) 、 智 能 控 制 技 術(shù) 、 人 工 智 能 理 論 以 及 工 業(yè) 生產(chǎn) 系 統(tǒng) 的 不 斷 發(fā) 展 ， 焊 接 機 器 人 技 術(shù) 領 域 還 有 很 多 亟 待 我們 去 研 究 的 問 題 ， 特 別 是 焊 接 機 器 人 的 視 覺 控 制 技 術(shù) 、 模糊 控 制 技 術(shù) 、 智 能 化 控 制 技 術(shù) 、 嵌 入 式 控 制 技 術(shù) 、 虛 擬 現(xiàn)實 技 術(shù) 、 網(wǎng) 絡 控 制 技 術(shù) 等 將 是 未 來 研 究 的 主 要 方 向 。焊 接 機 器 人 的 應 用 我 國 應 用 的 焊 接 機 器 人 主要 分 為 日 系

7、、 歐 系 、 國 產(chǎn) 。 應 用 主 要 集 中 在 汽 車 、 摩托 車 、 工 程 機 械 、 鐵 路 機械 等 幾 個 主 要 行 業(yè) 。 其 中 汽 車 生 產(chǎn) 是 最 大 的 用戶 子 任 務 2 激 光 焊 接 技 術(shù) 激 光 設 備 l 由 光 學 震 蕩 器 及 放 在 震 蕩 器 空 穴 兩 端 鏡 間 的 介 質(zhì) 所 組 成 。介 質(zhì) 受 到 激 發(fā) 至 高 能 量 狀 態(tài) 時 ， 開 始 產(chǎn) 生 同 相 位 光 波 且 在兩 端 鏡 間 來 回 反 射 ， 形 成 光 電 的 串 結(jié) 效 應 ， 將 光 波 放 大 ，并 獲 得 足 夠 能 量 而 開 始 發(fā) 射 出

8、激 光 。 l 激 光 亦 可 解 釋 成 將 電 能 、 化 學 能 、 熱 能 、 光 能 或 核 能 等 原始 能 源 轉(zhuǎn) 換 成 某 些 特 定 光 頻 （ 紫 外 光 、 可 見 光 或 紅 外 光 的 電 磁 輻 射 束 的 一 種 設 備 。 轉(zhuǎn) 換 形 態(tài) 在 某 些 固 態(tài) 、 液 態(tài) 或氣 態(tài) 介 質(zhì) 中 很 容 易 進 行 。 當 這 些 介 質(zhì) 以 原 子 或 分 子 形 態(tài) 被激 發(fā) ， 便 產(chǎn) 生 相 位 幾 乎 相 同 且 近 乎 單 一 波 長 的 光 束 -激 光 。 由 于 具 同 相 位 及 單 一 波 長 ， 差 異 角 均 非 常 小 ， 在 被高 度

9、 集 中 以 提 供 焊 接 、 切 割 及 熱 處 理 等 功 能 前 可 傳 送 的 距離 相 當 長 。 激 光 焊 接 設 備 簡 介 焊 接 特 性 l 屬 于 熔 融 焊 接 ， 以 激 光 束 為 能 源 ， 沖 擊 在 焊 件 接 頭 上 。 l 激 光 束 可 由 平 面 光 學 元 件 （ 如 鏡 子 ） 導 引 ， 隨 后 再 以 反 射聚 焦 元 件 或 鏡 片 將 光 束 投 射 在 焊 縫 上 l 激 光 焊 接 屬 非 接 觸 式 焊 接 ， 作 業(yè) 過 程 不 需 加 壓 ， 但 需 使 用惰 性 氣 體 以 防 熔 池 氧 化 ， 填 料 金 屬 偶 有 使

10、用 。 l 激 光 焊 可 以 與 MIG焊 組 成 激 光 MIG復 合 焊 ， 實 現(xiàn) 大 熔 深 焊 接 ，同 時 熱 輸 入 量 比 MIG焊 大 為 減 小 。 激 光 焊 接 的 主 要 優(yōu) 點l 1） 可 將 入 熱 量 降 到 最 低 的 需 要 量 ， 熱 影 響 區(qū) 金 相 變 化 范 圍 小 ， 且 因 熱 傳 導 所 導 致 的 變形 亦 最 低 。 l 2） 32mm板 厚 單 道 焊 接 的 焊 接 工 藝 參 數(shù) 業(yè) 經(jīng) 檢 定 合 格 ， 可 降 低 厚 板 焊 接 所 需 的 時 間 甚 至可 省 掉 填 料 金 屬 的 使 用 。 l 3） 不 需 使 用

11、電 極 ， 沒 有 電 極 污 染 或 受 損 的 顧 慮 。 且 因 不 屬 于 接 觸 式 焊 接 制 程 ， 機 具 的耗 損 及 變 形 接 可 降 至 最 低 。 l 4） 激 光 束 易 于 聚 焦 、 對 準 及 受 光 學 儀 器 所 導 引 ， 可 放 置 在 離 工 件 適 當 之 距 離 ， 且 可 在工 件 周 圍 的 機 具 或 障 礙 間 再 導 引 ， 其 他 焊 接 法 則 因 受 到 上 述 的 空 間 限 制 而 無 法 發(fā) 揮 。l 5） 工 件 可 放 置 在 封 閉 的 空 間 （ 經(jīng) 抽 真 空 或 內(nèi) 部 氣 體 環(huán) 境 在 控 制 下 ） 。 l

12、 6） 激 光 束 可 聚 焦 在 很 小 的 區(qū) 域 ， 可 焊 接 小 型 且 間 隔 相 近 的 部 件 ， l 7） 可 焊 材 質(zhì) 種 類 范 圍 大 ， 亦 可 相 互 接 合 各 種 異 質(zhì) 材 料 。 l 8） 易 于 以 自 動 化 進 行 高 速 焊 接 ， 亦 可 以 數(shù) 位 或 電 腦 控 制 。 l 9） 焊 接 薄 材 或 細 徑 線 材 時 ， 不 會 像 電 弧 焊 接 般 易 有 回 熔 的 困 擾 。 l 10） 不 受 磁 場 所 影 響 （ 電 弧 焊 接 及 電 子 束 焊 接 則 容 易 ） ， 能 精 確 的 對 準 焊 件 。 l 11） 可 焊

13、 接 不 同 物 性 （ 如 不 同 電 阻 ） 的 兩 種 金 屬 l 12） 不 需 真 空 ， 亦 不 需 做 X射 線 防 護 。 l 13） 若 以 穿 孔 式 焊 接 ， 焊 道 深 一 寬 比 可 達 10:1 l 14） 可 以 切 換 裝 置 將 激 光 束 傳 送 至 多 個 工 作 站 。 激 光 焊 接 的 工 藝 參 數(shù)激光焊接的工藝參數(shù)功 率 密 度激 光 脈 沖 波 形 激光脈沖寬度 離焦量 制造業(yè)應用粉末冶金領域汽車工業(yè)電子工業(yè)生物醫(yī)學其他領域 制 造 業(yè) 應 用l 激 光 拼 焊 (TailoredBlandLaserWelding)技 術(shù) 在 國 外 轎 車

14、 制 造 中 得 到廣 泛 的 應 用 ， 據(jù) 統(tǒng) 計 ， 2000年 全 球 范 圍 內(nèi) 剪 裁 坯 板 激 光 拼 焊 生 產(chǎn) 線 超過 100條 ， 年 產(chǎn) 轎 車 構(gòu) 件 拼 焊 坯 板 7000萬 件 ， 并 繼 續(xù) 以 較 高 速 度 增 長 。國 內(nèi) 生 產(chǎn) 的 引 進 車 型 Passat， Buick， Audi等 也 采 用 了 一 些 剪 裁 坯 板結(jié) 構(gòu) 。 日 本 以 CO2激 光 焊 代 替 了 閃 光 對 焊 進 行 制 鋼 業(yè) 軋 鋼 卷 材 的 連 接 ，在 超 薄 板 焊 接 的 研 究 ， 如 板 厚 100微 米 以 下 的 箔 片 ， 無 法 熔 焊

15、， 但 通過 有 特 殊 輸 出 功 率 波 形 的 YAG激 光 焊 得 以 成 功 ， 顯 示 了 激 光 焊 的 廣 闊前 途 。 日 本 還 在 世 界 上 首 次 成 功 開 發(fā) 了 將 YAG激 光 焊 用 于 核 反 應 堆 中蒸 氣 發(fā) 生 器 細 管 的 維 修 等 ， 在 國 內(nèi) 蘇 寶 蓉 等 還 進 行 了 齒 輪 的 激 光 焊 接技 術(shù) 。 粉 末 冶 金 領 域 l 隨 著 科 學 技 術(shù) 的 不 斷 發(fā) 展 ， 許 多 工 業(yè) 技 術(shù) 上 對 材 料 特 殊 要 求 ， 應 用 冶鑄 方 法 制 造 的 材 料 已 不 能 滿 足 需 要 。 由 于 粉 末 冶

16、 金 材 料 具 有 特 殊 的 性能 和 制 造 優(yōu) 點 ， 在 某 些 領 域 如 汽 車 、 飛 機 、 工 具 刃 具 制 造 業(yè) 中 正 在 取代 傳 統(tǒng) 的 冶 鑄 材 料 ， 隨 著 粉 末 冶 金 材 料 的 日 益 發(fā) 展 ， 它 與 其 它 零 件 的連 接 問 題 顯 得 日 益 突 出 ， 使 粉 末 冶 金 材 料 的 應 用 受 到 限 制 。 在 八 十 年代 初 期 ， 激 光 焊 以 其 獨 特 的 優(yōu) 點 進 入 粉 末 冶 金 材 料 加 工 領 域 ， 為 粉 末冶 金 材 料 的 應 用 開 辟 了 新 的 前 景 ， 如 采 用 粉 末 冶 金 材

17、料 連 接 中 常 用 的釬 焊 的 方 法 焊 接 金 剛 石 ， 由 于 結(jié) 合 強 度 低 ， 熱 影 響 區(qū) 寬 特 別 是 不 能 適應 高 溫 及 強 度 要 求 高 而 引 起 釬 料 熔 化 脫 落 ， 采 用 激 光 焊 接 可 以 提 高 焊接 強 度 以 及 耐 高 溫 性 能 。 汽 車 工 業(yè) l 20世 紀 80年 代 后 期 ， 千 瓦 級 激 光 成 功 應 用 于 工 業(yè) 生 產(chǎn) ， 而 今 激 光 焊 接 生 產(chǎn) 線已 大 規(guī) 模 出 現(xiàn) 在 汽 車 制 造 業(yè) ， 成 為 汽 車 制 造 業(yè) 突 出 的 成 就 之 一 。 德 國 奧 迪 、奔 馳 、 大

18、 眾 、 瑞 典 的 沃 爾 沃 等 歐 洲 的 汽 車 制 造 廠 早 在 20世 紀 80年 代 就 率 先 采用 激 光 焊 接 車 頂 、 車 身 、 側(cè) 框 等 鈑 金 焊 接 ， 90年 代 美 國 通 用 、 福 特 和 克 萊 斯勒 公 司 竟 相 將 激 光 焊 接 引 入 汽 車 制 造 ， 盡 管 起 步 較 晚 ， 但 發(fā) 展 很 快 。 意 大 利菲 亞 特 在 大 多 數(shù) 鋼 板 組 件 的 焊 接 裝 配 中 采 用 了 激 光 焊 接 ， 日 本 的 日 產(chǎn) 、 本 田和 豐 田 汽 車 公 司 在 制 造 車 身 覆 蓋 件 中 都 使 用 了 激 光 焊 接

19、 和 切 割 工 藝 ， 高 強 鋼激 光 焊 接 裝 配 件 因 其 性 能 優(yōu) 良 在 汽 車 車 身 制 造 中 使 用 得 越 來 越 多 ， 根 據(jù) 美 國金 屬 市 場 統(tǒng) 計 ， 至 2002年 底 ， 激 光 焊 接 鋼 結(jié) 構(gòu) 的 消 耗 將 達 到 70000t比 1998年增 加 3倍 。 根 據(jù) 汽 車 工 業(yè) 批 量 大 、 自 動 化 程 度 高 的 特 點 ， 激 光 焊 接 設 備 向 大 功率 、 多 路 式 方 向 發(fā) 展 。 在 工 藝 方 面 美 國 Sandia國 家 實 驗 室 與 PrattWitney聯(lián) 合進 行 在 激 光 焊 接 過 程 中

20、添 加 粉 末 金 屬 和 金 屬 絲 的 研 究 ， 德 國 不 萊 梅 應 用 光 束技 術(shù) 研 究 所 在 使 用 激 光 焊 接 鋁 合 金 車 身 骨 架 方 面 進 行 了 大 量 的 研 究 ， 認 為 在焊 縫 中 添 加 填 充 余 屬 有 助 于 消 除 熱 裂 紋 ， 提 高 焊 接 速 度 ， 解 決 公 差 問 題 ， 開發(fā) 的 生 產(chǎn) 線 已 在 奔 馳 公 司 的 工 廠 投 入 生 產(chǎn) 生 物 醫(yī) 學 l 生 物 組 織 的 激 光 焊 接 始 于 20世 紀 70年 代 ， Klink等 及 jain13用 激 光焊 接 輸 卵 管 和 血 管 的 成 功 焊

21、 接 及 顯 示 出 來 的 優(yōu) 越 性 ， 使 更 多 研 究 者 嘗試 焊 接 各 種 生 物 組 織 ， 并 推 廣 到 其 他 組 織 的 焊 接 。 有 關(guān) 激 光 焊 接 神 經(jīng)方 面 目 前 國 內(nèi) 外 的 研 究 主 要 集 中 在 激 光 波 長 、 劑 量 及 其 對 功 能 恢 復 以及 激 光 焊 料 的 選 擇 等 方 面 的 研 究 ， 劉 銅 軍 進 行 了 激 光 焊 接 小 血 管 及 皮膚 等 基 礎 研 究 的 基 礎 上 又 對 大 白 鼠 膽 總 管 進 行 了 焊 接 研 究 。 激 光 焊 接方 法 與 傳 統(tǒng) 的 縫 合 方 法 比 較 ， 激

22、光 焊 接 具 有 吻 合 速 度 快 ， 愈 合 過 程 中沒 有 異 物 反 應 ， 保 持 焊 接 部 位 的 機 械 性 質(zhì) ， 被 修 復 組 織 按 其 原 生 物 力學 性 狀 生 長 等 優(yōu) 點 將 在 以 后 的 生 物 醫(yī) 學 中 得 到 更 廣 泛 的 應 用 。 電 子 工 業(yè) l 激 光 焊 接 在 電 子 工 業(yè) 中 ， 特 別 是 微 電 子 工 業(yè) 中 得 到 了 廣 泛的 應 用 。 由 于 激 光 焊 接 熱 影 響 區(qū) 小 加 熱 集 中 迅 速 、 熱 應 力低 ， 因 而 正 在 集 成 電 路 和 半 導 體 器 件 殼 體 的 封 裝 中 ， 顯

23、示出 獨 特 的 優(yōu) 越 性 ， 在 真 空 器 件 研 制 中 ， 激 光 焊 接 也 得 到 了應 用 ， 如 鉬 聚 焦 極 與 不 銹 鋼 支 持 環(huán) 、 快 熱 陰 極 燈 絲 組 件 等 。傳 感 器 或 溫 控 器 中 的 彈 性 薄 壁 波 紋 片 其 厚 度 在 0.05-0.1mm，采 用 傳 統(tǒng) 焊 接 方 法 難 以 解 決 ， TIG焊 容 易 焊 穿 ， 等 離 子 穩(wěn)定 性 差 ， 影 響 因 素 多 而 采 用 激 光 焊 接 效 果 很 好 ， 得 到 廣 泛的 應 用 。 其 他 領 域 l 在 其 他 行 業(yè) 中 ， 激 光 焊 接 也 逐 漸 增 加 特

24、 別 是 在 特 種 材 料 焊 接 中 國 內(nèi) 進行 了 許 多 研 究 ， 如 對 BT20鈦 合 金 、 HEl30合 金 、 Li-ion電 池 等 激 光 焊接 ， 德 國 玻 璃 機 械 制 造 商 GlamacoCoswig公 司 與 IFW接 合 技 術(shù) 與 材 料 實驗 研 究 院 合 作 開 發(fā) 出 了 一 種 用 于 平 板 玻 璃 的 激 光 焊 接 新 技 術(shù)。 焊 接 的 主 要 缺 點l （ 1） 焊 件 位 置 需 非 常 精 確 ， 務 必 在 激 光 束 的 聚 焦 范 圍 內(nèi) 。 l （ 2） 焊 件 需 使 用 夾 治 具 時 ， 必 須 確 保 焊 件

25、 的 最 終 位 置 需 與 激 光 束 將沖 擊 的 焊 點 對 準 l （ 3） 最 大 可 焊 厚 度 受 到 限 制 滲 透 厚 度 遠 超 過 19mm的 工 件 ， 生 產(chǎn) 線 上不 適 合 使 用 激 光 焊 接 。 l （ 4） 高 反 射 性 及 高 導 熱 性 材 料 如 鋁 、 銅 及 其 合 金 等 ， 焊 接 性 會 受 激光 所 改 變 。 l （ 5） 當 進 行 中 能 量 至 高 能 量 的 激 光 束 焊 接 時 ， 需 使 用 等 離 子 控 制 器將 熔 池 周 圍 的 離 子 化 氣 體 驅(qū) 除 ， 以 確 保 焊 道 的 再 出 現(xiàn) 。 l 6） 能

26、 量 轉(zhuǎn) 換 效 率 太 低 ， 通 常 低 于 10%。 l （ 7） 焊 道 快 速 凝 固 ， 可 能 有 氣 孔 及 脆 化 的 顧 慮 。 l （ 8） 設 備 昂 貴 。 激 光 焊 國 內(nèi) 外 發(fā) 展 狀 況 l 20世 紀 80年 代 中 期 ， 激 光 焊 接 作 為 新 技 術(shù) 在 歐 洲 、 美 國 、 日 本 得 到 了廣 泛 的 關(guān) 注 。 1985年 德 國 蒂 森 鋼 鐵 公 司 與 德 國 大 眾 汽 車 公 司 合 作 ， 在Audi100車 身 上 成 功 采 用 了 全 球 第 一 塊 激 光 拼 焊 板 。 90年 代 歐 洲 、 北美 、 日 本 各

27、大 汽 車 生 產(chǎn) 廠 開 始 在 車 身 制 造 中 大 規(guī) 模 使 用 激 光 拼 焊 板 技術(shù) 。 目 前 ， 無 論 實 驗 室 還 是 汽 車 制 造 廠 的 實 踐 經(jīng) 驗 ， 均 證 明 了 拼 焊 板可 以 成 功 地 應 用 于 汽 車 車 身 的 制 造 。 l 中 國 的 激 光 拼 焊 板 技 術(shù) 應 用 剛 剛 起 步 ， 2002年 10月 25日 ， 中 國 第 一 條激 光 拼 焊 板 專 業(yè) 化 商 業(yè) 生 產(chǎn) 線 正 式 投 入 運 行 ， 由 武 漢 蒂 森 克 虜 伯 中 人激 光 拼 焊 從 德 國 蒂 森 克 虜 伯 集 團 TWB公 司 引 進 。 此 后 上 海 寶 鋼 阿 賽 洛激 光 拼 焊 公 司 、 一 汽 寶 友 激 光 拼 焊 有 限 公 司 等 相 繼 投 產(chǎn) 。