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機器人係統用於激光材料加工的挑戰和機遇

  • 發布時間:2014-5-4
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  • 作者: admin

     介紹 激光焊接成為一種成熟的無接觸的焊接方式已經多年,極高的能量密度使得高速加工和低熱輸入量成為可能,焊接強度高,焊縫窄,熱影響區小,並且工件變形量小。不斷變化的用戶需求和高度的國際競爭造成了鈑金加工領域的向個性化需求轉變的趨勢。對於用戶來說,這意味著產品線的細分程度加大。因此,生產大量相同部件的需求減少,而對於各個產品的準備時間越來越多,而整個加工過程特別是焊接過程,必須適應這個趨勢,最合適滿足這個需求的設備就是六軸機器人激光焊接係統。
        激光焊接
        激光的物理原理在20世紀初的時候已經由愛因斯坦闡述清楚,然而,第一台激光器直到1960年才由Hughes研究所在Malibu研製成功。
        四年之後,世界上第一台Nd:YAG固體激光器和CO2氣體激光器就被研製出來,直到今天,這兩種激光器還是全世界應用最廣泛的兩種工業激光器。而在最近幾年,新的激光技術比如光纖激光器和碟片激光器不斷湧現。全世界第一個用於大規模工業生產的激光焊接一直到20年後的1984年才出現。
        今天,激光焊接在各個工業行業已經得到廣泛應用。激光焊接以外,激光釺焊,激光冷/熱送絲焊接和激光複合焊接也大大拓展了激光的應用領域。
        由於其獨特的柔性和生產效率,激光加工已經成為各個生產環節中的獨特的工藝。
        通快的機器人激光焊接係統
        通快的機器人激光焊接係統型號為TruLaserRobot5020基於一個6軸機器人,具有非常高的靈活性,可以完成複雜工件的加工,而且能夠適應工件多變的情況。
        機器人焊接係統由以下幾個部分構成:KUKA機器人,工作台,吸塵器,激光光源和冷水機。對於激光光源而言,脈衝激光器,二極管激光器,光纖激光器和碟片激光器都可以與機器人係統相連。
        通快機器人激光焊接係統所用的機器人KukaKR30HA的重複精度為+/-0.05mm,名字中的HA代表“高精度”。激光係統可以使用焊接鏡頭,切割鏡頭,掃描焊接鏡頭甚至激光熔覆頭,由於采用的是磁力耦合的連接方式,所以不同鏡頭之間可以相互快速切換。機器人的負重能力是30kg,可以帶動鏡頭中2000×1000×700mm範圍內移動。對於掃描焊接而言,由於鏡頭重量更大,必須選用負重量100kg的機器人係統。
        該係統配置有CCD攝像頭,可以清楚的觀察到加工過程。
        同時,該係統可以配置”TeachLine”功能,通過光學傳感器來探測焊縫的實際位置,從而對工件的公差和定位誤差實現自動校準。通過“TeachLine”功能,可以大大減少重新示教所需要的大量時間。焊接輔助氣體通過可以更換的不同型號的氣體噴嘴,將焊接氣體送到工件表麵。同時,“Crossjet”側吹氣幕,通過水平方向上的高壓空氣從細縫吹出,形成一道氣體屏障,降低焊接飛濺弄髒鏡頭的保護玻璃的風險。該機器人係統的主要功能是實現無焊絲的激光焊接,從而實現激光高速焊接的優勢。當然,該係統也可以很好的使用冷送絲焊接功能,適用於在接頭縫隙過大的情況下,或者對於焊接區域金相微結構有特殊要求的情況。
        按照不同的應用要求,該係統可以配置工件變位器。典型的工件變位器由旋轉-翻轉軸構成,這兩個軸構成機器人的第七和第八個外部軸,可以實現與機器人的完全聯動,從而使得焊接複雜工件變得簡單,增大焊接區域的可達性。為了進一步提升焊接效率,該機器人係統還可以配置雙工作台的結構,使得激光焊接在內部的工作台進行的時候,工件的裝夾可以在外部工作台進行,在大批量焊接的情況下,這種雙工作台的方式尤其有利。而對於工件形狀比較複雜,數量較少的情況,則比較合適使用工件變位器配合加工。
        通快的TruLaserRobot5020係統還配置有CAD/CAM離線編程軟件TruTopsCell。通過導入工件的三維數模文件在軟件中自動生成焊接程序,而不是示教的方式,這樣就可以大大節省時間。這個離線的編程軟件可以與各種測量傳感器相互配合使用,可以自動識別不同的工件,適合用戶工件量小樣多的生產方式。
        激光安全防護艙配置子自動的滑動前門,可以方便的用於工件裝卸。同時,該安全防護艙配備有包括激光安全防護玻璃在內的各種安全防護措施,滿足CE安全標準,激光安全防護等級達到一級。
        全自動激光焊接的優勢
        現代金屬加工對焊接強度和外觀效果等質量的要求越來越高。而傳統的焊接手段,由於極大的熱量輸入,不可避免的會帶來工件扭曲變形等問題。為了彌補工件變形這個問題,需要大量的後續加工手段,從而導致費用的上升。而采用全自動的激光焊接方法,具有最小的熱輸入量,因此帶來的極小的熱影響區,顯著提高焊接產品的品質的同時,降低了後續工作量的時間。另外,由於焊接速度快和焊接深寬比大,能夠極大的提高焊接效率和穩定性。
        激光焊接的另外一個優勢是可以在深溶焊和熱傳導焊接之間,通過離焦量的控製而自由轉換。相對於深溶焊,熱傳導焊接需要較小的激光能量密度和較小的焊接速度,但是卻能夠得到非常美觀的焊接表麵效果。
        機器人激光焊接係統的應用
        機器人激光自動焊接係統的用途非常廣泛,包括鈑金加工,汽車,廚房設備以及電子工程,醫療或者是模具製造行業。
        得益於深溶焊和熱傳導焊接的各種優勢,激光焊接得以廣泛應用。在另外一方麵,高附加值的且對焊接質量要求極高的部件,得以無需後續加工或者極少後續加工的方式來完成。
        在一些全新的領域激光焊接也可以得到很好的應用。比如說多層結構的機械部件,通過激光切割將各個部件切割下來,然後將其組織成多層結構,利用激光焊接強度大,變形小的特點,將其焊接成一個整體,能夠達到與機械加工方式得到的部件同樣的功能,但是生產成本卻因此大大降低。
        由於激光焊接目前多采用固體激光作為光源,因此非常容易能夠實現多個光路多個工位加工的方式,大大提高了生產效率。與CO2激光機床相比,由於CO2激光難於實現多光路,因此機器人激光焊接係統相對於CO2激光機床的效率大大提高。目前在國內的OA(辦公自動化)行業,已經有多個機器人激光焊接係統取代CO2激光機床的案例,焊接效率提高30%以上。
        總結
        激光焊接應用於工業各領域已經多年,隨著近年控製技術和激光技術的不斷進步,激光焊接的使用也越來越簡單容易,這也促進了激光焊接技術的發展。同時,越來越多了激光焊接係統集成了離線編程軟件和焊縫探測傳感器等裝置,這些技術減少了焊接的準備時間,提高了工作效率。
        目前在金屬焊接中出現的一些挑戰,比如工件形狀越來越複雜,焊接質量要求越來越高,而且加工的個性化需求中的量小樣多的訂單越來越多,采用機器人激光焊接係統完全能夠應對。

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