在焊接自動(dòng)化中什么是系統(tǒng)的觀點(diǎn)

2020-03-23 19:54:51

隨著制造業(yè)的高速發(fā)展，傳統(tǒng)的手工焊已不能滿足現(xiàn)代高科技產(chǎn)品制造的質(zhì)量、數(shù)量要求、現(xiàn)代焊接加工正在向著機(jī)械化、自動(dòng)化的方向發(fā)展。電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，為焊接自動(dòng)化提供了十分有利的基礎(chǔ)。近年來(lái)，焊接自動(dòng)化在實(shí)際工程中的應(yīng)用取得了迅速發(fā)展，已成為先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分。本文主要介紹自動(dòng)化焊接技術(shù)及其發(fā)展的概況與前景。 1.自動(dòng)化焊接技術(shù) 1.1自動(dòng)化焊接的概念 自動(dòng)化焊接主要指焊接生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化。它是一個(gè)綜合性的焊接與工藝問(wèn)題，其主要任務(wù)是：在采用先進(jìn)的焊接、檢驗(yàn)和裝配工藝過(guò)程的基礎(chǔ)上，建立不需要人直接參與焊接過(guò)程的焊接加工方法和工藝法案，以及焊接機(jī)械設(shè)備和焊接系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與配置。焊接自動(dòng)化的核心是實(shí)現(xiàn)沒(méi)有人直接參與的自動(dòng)焊接過(guò)程。 自動(dòng)化焊接有兩方面的含義：一是焊接工序的自動(dòng)化，二是焊接生產(chǎn)的自動(dòng)化。焊接生產(chǎn)的自動(dòng)化是指焊接產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程，包括從備料、切割、裝配、焊接、檢驗(yàn)等工序組成的焊接生產(chǎn)全過(guò)程的自動(dòng)化。只有實(shí)現(xiàn)了焊接生產(chǎn)全過(guò)程的自動(dòng)化，才能得到穩(wěn)定的焊接質(zhì)量和均衡的焊接生產(chǎn)節(jié)奏以及較高的焊接生產(chǎn)率。而單一焊接工序的自動(dòng)化是焊接生產(chǎn)自動(dòng)化的基礎(chǔ)。 1.2自動(dòng)化焊接的主要設(shè)備及特點(diǎn) 焊接生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化和機(jī)械化的關(guān)鍵工序:第一,全部使用自動(dòng)控制裝置和機(jī)械裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)來(lái)替代焊接作業(yè)的手工操作;第二,物流、機(jī)械手及變位機(jī)械來(lái)完成將焊件的搬運(yùn)和位移采用;第三,完成焊接作業(yè)將會(huì)采用較高的生產(chǎn)節(jié)拍和高效的焊接方法進(jìn)行;第四,通過(guò)精確的自動(dòng)控制和準(zhǔn)確的機(jī)械動(dòng)作,進(jìn)而來(lái)確保持持續(xù)的穩(wěn)定的焊接質(zhì)量。按照目前世界發(fā)達(dá)國(guó)家的焊接裝備水平,可將其概括為如下幾個(gè)特點(diǎn): 1)標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、系列化 對(duì)于大批量生產(chǎn)的典型常用接頭形式,如板材接縫、筒體環(huán)縫、圓筒環(huán)縫、管對(duì)接和管子管板接頭等,現(xiàn)在已經(jīng)開(kāi)發(fā)出相對(duì)應(yīng)的的標(biāo)準(zhǔn)型自動(dòng)化焊接專機(jī),這種焊接機(jī)械具有焊接效率高、質(zhì)量穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。在經(jīng)過(guò)多年產(chǎn)品研發(fā)積累,固得公司終于開(kāi)發(fā)出了300~3000mm的縱縫焊、工件回轉(zhuǎn)環(huán)形焊機(jī)、臥式單槍(雙槍)環(huán)縫焊、三軸數(shù)控焊接機(jī)床和焊槍回轉(zhuǎn)環(huán)形焊機(jī)等等。 2)多功能化 其為充分發(fā)揮大型自動(dòng)化焊接設(shè)備的效率創(chuàng)造了有利條件已將其設(shè)計(jì)成適用于多種焊接方法和焊接工藝。如單絲、雙絲、MIG/MAG-TIG等離子弧焊、多絲埋弧焊。 3)智能化控制和自適應(yīng) 焊接過(guò)程的全自動(dòng)控制比傳統(tǒng)的金屬切削加工要復(fù)雜得多。全自動(dòng)控制必須考慮焊件接縫裝配間隙誤差,幾何形狀的偏差以及焊件在焊接過(guò)程中的熱變形。所以我們需要采用各種自適應(yīng)控制系統(tǒng)和傳感器技術(shù)。 4)組合化和大型化 對(duì)于大型、中型焊接結(jié)構(gòu)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化,已研制成功各種大型自動(dòng)化焊接設(shè)備。如中重型厚壁容器焊接中心、機(jī)床車廂總裝焊接中心、集裝箱外殼整體焊接中心等等。 5)高質(zhì)量、高精度、高可靠性 焊接機(jī)器人和精密焊接操作向高精度、高質(zhì)量發(fā)展,行走機(jī)構(gòu)的定位精度為0.1,移動(dòng)速度的控制精度為0.1,與焊接機(jī)器人配套的焊接變位機(jī)的最高的重復(fù)走位精度為0.05。固得公司已經(jīng)研發(fā)出來(lái)的摩托車的車架機(jī)器人工作站,以高質(zhì)量的、高水平廣泛應(yīng)用于江門大長(zhǎng)江、重慶建設(shè)中。 1.3自動(dòng)化焊接系統(tǒng) 自動(dòng)化焊接就是用焊接機(jī)械裝置來(lái)代替人進(jìn)行焊接。典型的機(jī)器人自動(dòng)化焊接系統(tǒng)主要由如下部分構(gòu)成：機(jī)器人、變位機(jī)、各種傳感器、控制器、自動(dòng)焊機(jī)（包括焊接電源、焊槍等）等。其基本構(gòu)成單元是：機(jī)械裝置、執(zhí)行裝置、能源、傳感器、控制器和自動(dòng)焊機(jī)。 1）機(jī)械裝置 機(jī)械裝置是能夠?qū)崿F(xiàn)某種運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，配合自動(dòng)焊機(jī)進(jìn)行焊接加工裝置，如機(jī)器人、變位機(jī)、懸臂操作機(jī)等。 2）執(zhí)行裝置 執(zhí)行裝置是驅(qū)動(dòng)機(jī)械裝置運(yùn)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)或液壓、氣動(dòng)裝置等。 3)能源 能源是驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的電源等。 4）傳感器 傳感器是檢測(cè)機(jī)械運(yùn)動(dòng)、焊接參數(shù)、焊接質(zhì)量的傳感器。 5）控制器 控制器主要是用于機(jī)械運(yùn)動(dòng)控制的計(jì)算機(jī)、單片機(jī)、可編程控制器以及電子控制系統(tǒng)。 6）自動(dòng)焊機(jī) 自動(dòng)焊機(jī)包括焊接電源、送絲機(jī)、焊槍等。它是一個(gè)獨(dú)立的焊接系統(tǒng) 。 1.4 自動(dòng)化焊接的關(guān)鍵技術(shù) 自動(dòng)化焊接技術(shù)是將電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)引入到焊接機(jī)械運(yùn)動(dòng)的控制中，也就是利用傳感器檢測(cè)焊接過(guò)程的焊接運(yùn)動(dòng)，將監(jiān)測(cè)信息輸入控制器，通過(guò)信號(hào)處理，得到能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期運(yùn)動(dòng)的控制信號(hào)，由此來(lái)控制執(zhí)行裝置，實(shí)現(xiàn)焊接自動(dòng)化。焊接自動(dòng)化的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：機(jī)械技術(shù)、傳感技術(shù)、伺服傳動(dòng)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和系統(tǒng)技術(shù)等。 1） 機(jī)械技術(shù) 機(jī)械技術(shù)就是關(guān)于焊接機(jī)械的機(jī)構(gòu)以及利用這些機(jī)構(gòu)傳遞運(yùn)動(dòng)的技術(shù)。在焊接自動(dòng)化中，焊接機(jī)械裝置主要由焊接工裝夾具、焊接變位機(jī)、焊接操作機(jī)、焊接工件輸送裝置以及焊接機(jī)器人等。焊接機(jī)械技術(shù)就是根據(jù)焊接工件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、焊接工藝過(guò)程的要求應(yīng)用經(jīng)典的機(jī)械理論與工藝，借助于計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)，設(shè)計(jì)并制造出先進(jìn)、合理的焊接裝置，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)焊接過(guò)程中的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。 2）傳感技術(shù) 傳感技術(shù)是自動(dòng)化系統(tǒng)的感受器官。傳感與檢測(cè)是實(shí)現(xiàn)閉環(huán)自動(dòng)控制、自動(dòng)調(diào)節(jié)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。傳感器的功能越強(qiáng)，系統(tǒng)的自動(dòng)化程度就越高。焊接自動(dòng)化中的傳感器有很多種，有關(guān)機(jī)械運(yùn)動(dòng)量的傳感器主要有位移、位置、速度、角度等傳感器。 3）伺服傳動(dòng)技術(shù) 執(zhí)行裝置的控制技術(shù)稱為伺服傳動(dòng)技術(shù)。伺服傳動(dòng)技術(shù)對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能、控制質(zhì)量和功能具有決定性的影響。 4）自動(dòng)控制技術(shù) 焊接自動(dòng)化中的自動(dòng)控制技術(shù)主要指：基本控制理論；在控制理論指導(dǎo)下，根據(jù)焊接工藝和質(zhì)量的要求，對(duì)具體的控制裝置或系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)后的系統(tǒng)仿真、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試；最終使研制的系統(tǒng)可靠地投入焊接工程應(yīng)用。 5）系統(tǒng)技術(shù) 系統(tǒng)技術(shù)就是以整體的概念組織應(yīng)用各種相關(guān)技術(shù)。從系統(tǒng)的目標(biāo)出發(fā)將整個(gè)焊接自動(dòng)化系統(tǒng)分解成若干個(gè)相互關(guān)聯(lián)的功能單元。以功能單元為子系統(tǒng)進(jìn)一步分解，生成功能更為單一的子功能單元，逐層分解，直到最基本的功能單元。以基本功能單元為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)需要的各個(gè)功能設(shè)計(jì)。 2.自動(dòng)化焊接的發(fā)展現(xiàn)狀及前景展望 2.1自動(dòng)化焊接的發(fā)展現(xiàn)狀 目前我國(guó)的焊接自動(dòng)化率還不足30%，同發(fā)達(dá)工業(yè)國(guó)家的近80%相比差距甚遠(yuǎn)?？梢灶A(yù)計(jì)在未來(lái)的10年內(nèi)，國(guó)內(nèi)自動(dòng)化焊接技術(shù)的水平將以前所未有的速度發(fā)展。 隨著數(shù)字化技術(shù)日益成熟，代表自動(dòng)化焊接技術(shù)的數(shù)字焊機(jī)、數(shù)字化控制技術(shù)業(yè)已面世并已穩(wěn)步地進(jìn)入市場(chǎng)。三峽工程、西氣東輸工程、航天工程、船舶工程等國(guó)家大型基礎(chǔ)工程,有力地促進(jìn)了先進(jìn)焊接工藝特別是焊接自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步。汽車及零部件的制造對(duì)焊接的自動(dòng)化程度要求日新月異。我國(guó)焊接產(chǎn)業(yè)逐步走向“高效、自動(dòng)化、智能化”。目前我國(guó)的焊接自動(dòng)化率還不足30%，同發(fā)達(dá)工業(yè)國(guó)家的近80%差距甚遠(yuǎn)。從20世紀(jì)末國(guó)家逐漸在各個(gè)行業(yè)推廣自動(dòng)焊的基礎(chǔ)焊接方式——?dú)怏w保護(hù)焊，來(lái)取代傳統(tǒng)的手工電弧焊，現(xiàn)已初見(jiàn)成效?？梢灶A(yù)計(jì)在未來(lái)的10年，國(guó)內(nèi)自動(dòng)化焊接技術(shù)將以前所未有的速度發(fā)展。20世紀(jì)90年代以來(lái)，我國(guó)焊接界把實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程的機(jī)械化、自動(dòng)化作為戰(zhàn)略目標(biāo)，已經(jīng)在各行業(yè)的科技發(fā)展中付諸實(shí)施，在發(fā)展焊接生產(chǎn)自動(dòng)化和過(guò)程控制智能化，研究和開(kāi)發(fā)焊接生產(chǎn)線及柔性制造技術(shù)，發(fā)展應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造技術(shù)等方面，取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。高效、節(jié)能并能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)焊接參數(shù)的智能型逆變焊機(jī)將逐漸取代手弧焊機(jī)和普通晶閘管焊機(jī)，而且焊機(jī)的操作趨向于簡(jiǎn)單化、智能化，以符合當(dāng)今淡化操作技能的趨勢(shì)。在汽車、造船、工程機(jī)械和航空航天等領(lǐng)域，適用于不同場(chǎng)合的智能化焊接機(jī)器人較為廣泛的應(yīng)用，大幅度提高了焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率。在我國(guó)，目前汽車、船舶、管建、家電等行業(yè)焊接自動(dòng)化的發(fā)展相對(duì)來(lái)說(shuō)較好，到2005年，船廠的高效率焊接要達(dá)到80％以上，其中二氧化碳焊接應(yīng)用率達(dá)到55％，焊接機(jī)械化率、自動(dòng)化率要達(dá)到70％左右。 國(guó)外如歐美、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家早在20世紀(jì)80年代便在石油、化工、造船、建筑、電力、汽車、機(jī)械等行業(yè)采用數(shù)字控制的小車式自動(dòng)氣保焊機(jī)，代替人工進(jìn)行焊接生產(chǎn)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)幾家企業(yè)開(kāi)發(fā)了幾種類似的自動(dòng)焊接小車，但在結(jié)構(gòu)和功能上均屬低端產(chǎn)品，在數(shù)字控制、焊接參數(shù)預(yù)置和專家系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)用等方面均為空白。成都焊研科技有限責(zé)任公司把開(kāi)發(fā)適合和滿足我國(guó)工業(yè)企業(yè)焊接生產(chǎn)要求的高端自動(dòng)焊接設(shè)備作為己任，在吸收和借鑒國(guó)外先進(jìn)、成熟技術(shù)基礎(chǔ)之上，經(jīng)過(guò)近兩年的研制工作，代表自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的第一代數(shù)控小車式自動(dòng)焊機(jī)樣機(jī)在成都焊研科技有限責(zé)任公司問(wèn)世。該焊機(jī)具有攜帶方便、安裝簡(jiǎn)單、操控靈活、智能化程度高等特點(diǎn)，通過(guò)微機(jī)控制的多種焊接模式和專家程序，可在不同焊接位置滿足多種焊接工藝要求焊縫的焊接。 2.2自動(dòng)化焊接的前景展望 電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)微電子信息和自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)了焊接自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展。特別是數(shù)控技術(shù)、柔性制造技術(shù)和信息處理技術(shù)等單元技術(shù)的引入，促進(jìn)了焊接自動(dòng)化技術(shù)革命性的發(fā)展。 (1)焊接過(guò)程控制系統(tǒng)的智能化是焊接自動(dòng)化的核心問(wèn)題之一，也是我們未來(lái)開(kāi)展研究的重要方向。我們應(yīng)開(kāi)展最佳控制方法方面的研究，包括線性和各種非線性控制。最具代表性的是焊接過(guò)程的模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，以及專家系統(tǒng)的研究。 (2)焊接柔性化技術(shù)也是我們著力研究的內(nèi)容。在未來(lái)的研究中，我們將各種光、機(jī)、電技術(shù)與焊接技術(shù)有機(jī)結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)焊接的精確化和柔性化。用微電子技術(shù)改造傳統(tǒng)焊接工藝裝備，是提高焊接自動(dòng)化水平的根本途徑。將數(shù)控技術(shù)配以各類焊接機(jī)械設(shè)備，以提高其柔性化水平和質(zhì)量控制水平，是我們當(dāng)前的一個(gè)研究方向；另外，焊接機(jī)器人與專家系統(tǒng)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)路徑規(guī)劃、自動(dòng)校正軌跡、自動(dòng)控制熔深等功能，是我們近期研究的重點(diǎn)。 (3)焊接控制系統(tǒng)的集成是人與技術(shù)的集成和焊接技術(shù)與信息技術(shù)的集成。集成系統(tǒng)中信息流和物質(zhì)流是其重要的組成部分，促進(jìn)其有機(jī)地結(jié)合，可大大降低信息量和實(shí)時(shí)控制的要求。注意發(fā)揮人在控制和臨機(jī)處理的響應(yīng)和判斷力，建立人機(jī)對(duì)話的友好界面，使人和自動(dòng)系統(tǒng)和諧統(tǒng)一，是集成系統(tǒng)的不可低估的因素。 (4)提高焊接電源的可靠性、質(zhì)量穩(wěn)定性和可控性，以及優(yōu)良的動(dòng)感特性，也是我們著重研究的課題。應(yīng)開(kāi)發(fā)研制具有調(diào)節(jié)電弧運(yùn)動(dòng)、送絲和焊槍姿態(tài)，能探測(cè)焊縫坡口形狀、溫度場(chǎng)、熔池狀態(tài)、熔透情況，適時(shí)提供焊接規(guī)范參數(shù)的高性能焊機(jī)，并應(yīng)積極開(kāi)發(fā)焊接過(guò)程的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)?？傊?，使焊接技術(shù)由“技藝”向“科學(xué)”演變，是實(shí)現(xiàn)焊接自動(dòng)化的一個(gè)重要方面。 本世紀(jì)的頭二十年，將是焊接行業(yè)飛速發(fā)展的有利時(shí)期。我們廣大焊接工作者任重而道遠(yuǎn)，務(wù)必樹(shù)立知難而上的決心，抓住機(jī)遇，為我國(guó)焊接自動(dòng)化水平的提高而努力奮斗。