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    机器人焊接系统设计:自动化焊接需要知道的指南

    2020年4月16日下午3:23:38 /贡献者马克米勒

    为了有效地实现焊接自动化并最大化ROI,您需要将其作为一个系统来处理,而不仅仅是一个手持焊枪的机械手臂代替人类焊工。考虑零件进入焊接单元的流程,它们是如何固定和焊接的,以及它们下一步转移到哪里,这可能会带来提高效率、节省空间或打开生产瓶颈的机会。

    如果你想在你的工厂增加自动化焊接,有很多事情需要考虑,从设备和系统设计到安全,再到它将如何影响你当前的焊工员工。继续读下去,看看这个受欢迎的机器人应用程序是否适合你。

    自动焊接的快照

    自动化焊接是最重要的工业机器人应用之一。组装杂志引用国际机器人联合会的发现,世界上50%的机器人用于焊接:33%用于点焊,16%用于弧焊,1%用于其他类型的焊接操作。

    我们可以期待它在不久的将来会扩大。2018年至2023年,焊接自动化市场预计将以8.91%的复合年增长率增长,尤其是在汽车和运输领域。

    现在已经过去了近60年通用汽车首先使用了他们的UNIMATE1962年工业点焊机器人。这种方法最初是为了保护工人免受最危险、最不受欢迎的工作,到20世纪80年代,它在汽车和其他行业越来越受欢迎。如今的制造商已经接受了机器人焊接,现在许多制造商正在寻找方法将其集成到更大的自动化系统中,以节省时间,弥补工人短缺,并提高质量和生产。

    大多数机器人焊接分为三种类型:电弧焊(通常是MIG或TIG)、点焊和激光焊接。到目前为止,钣金是最常见的材料,通常由铝、软钢或不锈钢制成,但螺母、帽和管子等部件也可以用机器焊接。由于多轴臂的灵活性和夹具和传感器的周到设计,应用几乎是无限的。

    机器人焊接系统中的部件

    乍一看,机器人手臂和焊炬似乎是自动化焊接过程所需的全部。实际上,要实现最佳性能,甚至更重要的是,人身安全,需要几个组件。

    将自动焊接视为一个包括整个工作周期的系统更为准确:零件进入单元或工作区域,用夹具定位,焊接完成,零件弹出或移除,然后运出工作区域。

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    机器人焊接系统设计——自动化焊接需要知道的指南

    根据应用和生产目标,整个焊接过程的大部分都可以实现自动化,而不仅仅是实际的焊接。有经验的自动化集成商可以帮助您决定哪种设备和配置最适合您的应用程序。

    • 焊机电源
      • 产生能量,为焊接产生热量
      • 许多选择取决于焊接类型和应用要求
      • 保护气体用电缆和供电线路
    • 机械手臂
      • 多轴臂或线性(如笛卡尔或龙门)运动方式
      • 可焊距离和有效载荷影响到它可以焊接的物品的大小(即,它可以移动的距离和在这个距离上它可以支撑的重量),
      • “关节”的旋转增加了灵活性和活动范围;但是,必须考虑零件几何形状、夹具和工件位置等限制因素
    • 手电筒
      • 用于MIG和部分TIG弧焊的大焊条供丝架和送丝器
      • 电阻点焊用焊条
      • 激光焊接用激光器
      • 高效运行的外围设备,如修剪多余电线的切割机、喷嘴清洁站/铰刀、焊炬更换站、保护电缆、工具和零件免受多余飞溅的涂层和盖子
    • 焊接设备
      • 定位和保持零件到位或旋转它们以便更好地接近
        • 大型零件可能需要伺服控制转台或龙门架
      • 设计必须使其快速而容易地排出零件,特别是如果零件处理是自动化的
      • 更换夹具的能力增加了灵活性,以适应部件系列或完全不同的部件。这可以通过手动或自动运动来完成。
    • 传感器
      • 可选项包括碰撞传感,以避免接触手电筒或其他危险设备,焊缝寻找传感器,以确保焊接质量和位置,工具中心点(TCP)传感器,以适当的焊接位置,传感器和视觉摄像机,以验证夹具和部件位置
    • 安全设备
      • 压敏安全垫和个人防护设备
      • 联锁开关,防止机器工作或启动新循环,除非关闭
      • 保护装置锁定,以防止安全装置被打开或拆卸
      • 传感器、红外光束、可卷起的安全门和光幕
    • 电子控制和人机界面(HMI)
      • HMI可以是简单的,也可以是复杂的,取决于应用程序。例如,一个按钮或一组开/关开关,或一个多屏幕电脑应用程序,控制工作的所有方面(如定位零件、监测传感器、零件放电和运送到下一站)。
      • 重要的是要考虑使用设备的不同人员的访问级别。例如,哪些功能应该由操作员调整,哪些功能应该仅限于程序员和/或维护技术人员?
      • 教学吊坠允许在制造过程中进行动态调整和灵活性。在某些应用中,手持设备允许操作员轻松编程机器人的动作,并将其存储为运行程序。其他应用程序,尤其是高速运行或周期短的应用程序,需要更多的编程经验。

    除了这些机器人焊接系统的组成部分,你可以设计一个焊接单元和其他生产区域之间更完整的集成系统。像输送机、镐和放置臂、机器照管机器人和检查设备等设备可以简化操作。

    预制或自定义?机器人焊接系统的选择

    自动化焊接应用的方法不止一种。首先要做的决定之一是在商用现货(COTS)和定制系统之间进行选择。

    COTS设备有时被称为“预制”,因为组件是作为一揽子交易出售的,通常是机器人、手电筒、焊接电源和安全防护装置。这些系统通常被设计为独立的,一个尺寸适合大多数单元,通常对布局或上下游流程很少需要更改。一些供应商提供电源或其他设备的选择以定制电池,其他附件或外围设备(如传感器或喷嘴清洁工具/铰刀)可能包含在包装中,也可能不包含在包装中。

    即使是一个基本的系统,如果没有一些配置和设置时间,也不会准备好“开箱即用”。特别是如果您的设施是自动化或机器人技术的新手,故障排除和优化工作流可能会带来挑战,因此验证单元包含哪些支持和培训是至关重要的。

    例如,你可能需要夹具来固定要焊接的部件。COTS设备供应商可以提供夹具,但是自动化集成商也可以设计定制的夹具。集成商还可以设置电池,为机器人编程,并与焊机一起工作,以实现您想要的焊接质量和规格。

    虽然它们可能在一开始就具有成本效益,因为它们有时只提供有限的组件选择,但预先设计的电池可能不适合复杂的焊接任务,或无法无缝地融入生产线。重要的是要考虑COTS单元是否适合您的上下行现有流程,或者它是否会破坏工作流或造成低效。

    定制设备通常由自动化集成商设计和安装。因为没有两个制造商有相同的流程,定制系统可以让您根据您的情况定制系统。与集成商合作的第一步是密切分析您的独特需求和生产目标,以及您的生产设施的一般流程。

    只有这样,特定的设备才能纳入设计。前期的时间和费用通常更高,但最终的结果是一个焊接系统可以完全满足您的需要,而无需额外的设备。许多定制系统也可以根据您的需要进行扩展或与其他工作站或流程集成。

    工厂的规模、产量和产品组合也会影响COTS与定制决策。空间和预算有限的小型设施用于大型专用系统,如果采用紧凑的定制焊接系统,可以更好地安装在其他工作单元之间。

    较大的操作或低混合和高容量的操作可能会发现预先设计的焊接站很容易满足他们的所有需求。或者,为了使高混合、小批量的操作更高效,集成商可以将单个组件组合在一起,以协调材料处理、设备之间的通信、夹具和实际的焊接机。

    集成自动化焊接与其他制造工艺

    除了焊接之外,你是使用一台独立的焊接机更好,还是使用多台机器来管理组件的流程?没有一种适合所有人的解决方案:它取决于零件数量、焊接的复杂性和可用的资源(包括资金、更改所需的时间、工人的可用性和技能)。伟德国际娱乐赌场

    自动化并不一定是全有或全无。例如,制造商可以在某些领域拥有“自动化孤岛”,如切割、焊接、检验,而组装、机器照管和材料处理仍然是手工操作。

    集成系统通常使用计算机软件和连接设备来协调各部件。一个强大的工具是可编程自动化控制器(政治行动委员会),使设备与人机界面(HMI)和示教器同步,收集速度和运动数据,甚至根据连接到的其他设备的数据调整操作。

    集成焊接系统的示例包括:

    • 采用MIG机器人、螺母焊机和材料搬运机器人的自动焊接单元。其设计可容纳53种不同型号的焊接部件,并可在无人看管的情况下运行一小时。它还具有输送机、自动转换功能(在扫描零件条形码时夹具自动调整)和视觉摄像头。
    • 一种MIG机器人焊接单元汽车制造焊接铝保险杠的设备。这是一个两工位焊接过程,在两个焊接工位之间自动转换。操作员将零件装载到每个工位,然后在每个周期结束时移除已完成的焊接件。
    • 特别是当工件很大或工作发生在一个小区域时,协调机器人运动的能力允许多个机器人在同一时间在同一空间进行工作。

    机器人还可以与人类操作员协调,完成更大任务的部分工作。例如,当操作员在焊接元件的前部装载下一个部件时,一个带有夹持器的机器人手臂可以从焊接夹具的后部取出一个完成的组件,然后将其放在传送带上。一个任务/过程的自动化可能会对上下级产生影响。

    例如,机器人焊接的高精确度意味着,一个熟练的人类焊工可以轻松调整的切割角度或焊缝对齐变化的空间更小。切割/成型必须保持严格的公差,以便零件装配达到机器人焊工可以操作的水平。

    另一个需要考虑的问题是,由于自动化焊接可能带来的高速度,可能会导致吞吐量的增加——你需要确保上下游的操作能够适应这种变化,并且你有一个快速转移更多部件的计划。

    自动化集成商训练有素的眼光能够找到方法,在实现生产目标的同时做出改变,甚至提高效率、安全性和工人可用性。

    焊接夹具设计

    根据组装杂志在美国,不合适的夹具造成了40%的不合格零件,所以重要的是要认识到,如果没有正确的夹具将零件固定在正确的地方,机器人就不能进行准确的焊接。

    换句话说,由于机器人在每个周期中精确地重复相同的焊接路径,为了实现可重复、精确的焊接自动化,需要焊接的部件也必须在每个周期中保持在相同的正确位置。而且由于机器人以相对较快的速度重复相同的动作,有缺陷的部件会很快堆积起来。

    在最低限度上,夹具需要接受,定位和保持组件和放电焊接快速和重复。固定装置也必须是耐用的,不干扰电力,气体或光纤线路(即机器人的“服装包”)。

    此外,许多制造商希望在自动化设备上保持灵活性——为什么要花钱购买只能配置单个部件的焊接机器人呢?零件族,即带有微小变化的类似零件的集合,在汽车和其他类型的制造中很常见,并且是一个通过灵活夹具实现更大自动化的领域。内置夹具转换以适应部件的所有变体,甚至完全不同的部件,这经常影响吞吐量和ROI。

    自动化过程(如焊接)的好处之一是有机会检查它,以改变或改进工作流程或物理设置。当fixture转换开始起作用时,将它看作更大系统的一个方面会有所帮助。例如,当自动更换末端执行器时,需要几个步骤,而不仅仅是更换一个工具。

    工具必须重新居中,移除并存储销和夹具(可能由另一个机械臂),然后必须取回并安装新工具。为了实现焊接自动化的最佳效率,设计人员还需要一个在不使用夹具时存储和检索夹具的计划。合并多个臂、输送机,甚至移动式自动车辆来帮助完成转换任务,可以使转换过程更加高效。

    这里有一系列从简单到复杂的固定选择,就像大多数事情一样,最好的选择是完成你当前的产品,符合你的预算,并解决任何未来扩展的计划。在频谱的一端是夹具安装和手动拆除与扳手或手动曲柄。

    其他选择包括全自动化、伺服或气动驱动转换,机器根据条形码或在触摸屏人机界面上轻按几下即可自动更换工具。传感器和视觉摄像机还可以验证板和部件的对齐,传感器可以定位焊缝或验证定位。

    例如,一个汽车座椅调节机制可能有四种变体中的三种,这取决于它的型号。可以设计自动装夹切换,扫描零件上的条码,将正确的装夹移到合适的位置,验证焊接正确的零件,然后完成焊接。

    在某些应用中,视觉引导无固定装置焊接是一种经济高效的解决方案。多臂控制技术的进步允许对一组臂进行编程,以协调一个过程或任务,从而减少专用工具和夹具。

    例如,装备了视觉摄像机的材料处理机器人可以抓取和抬起几种类型的框架、支架或部件,当它们在传送带上移动时,将它们放置给焊接机器人,作为焊接夹具本身。这种灵活性节省了专用夹具和工装所需的时间和空间。

    监视和故障排除提示

    质量问题和焊接缺陷,如热/冷/坑裂纹,裂纹,气孔,咬边,不完全融合或渗透,飞溅发生在自动焊接,需要识别和固定。以下是一些获得最佳质量的建议:

    • 考虑问题是否是由于最近对流程、消耗品或机器人编程的更改造成的。
    • 进行例行维护和设备检查,以识别消耗品(如喷嘴、电线)、电源线磨损、送丝、过量飞溅、喷嘴对准偏心或焊接错位或气体泄漏等问题。
    • 注意输入质量和一致性是如何影响输出质量的。例如,用数控机床加工的输入零件可能比用手工加工的零件具有更高的质量和一致性。
    • 结合外围设备,如开关和传感器,以检测零件的存在和位置或焊缝跟踪和对中传感器,以正确放置焊枪和工具。
    • 配备机器人焊接系统和经验丰富的焊工。熟悉焊接作业中常见的缺陷和可能出现的问题,能在生产现场快速评估焊接质量,并在需要调整时予以注意。
    • 提供有关机器人和外围设备的培训,以提高操作员的技能和舒适度,包括机器故障排除、编程(通常为手动或带示教器),以及向离线程序员/集成商传达复杂或反复出现的问题的能力。
    • 包括基本的系统维护培训,如喷嘴清洗和检查送丝,以迅速发现问题并延长系统的使用寿命。
    • 大多数自动化焊接设备包括软件和连接,从焊接机和任何传感器或摄像头收集数据。这对于发现趋势、发现低效和确定缺陷的来源非常有用。收集的电压、电流、焊丝速度和焊接速度、焊缝长度和深度、耗材使用速率等数据也可以随时间进行分析和跟踪。

    焊工的另一种工作

    专家们就自动化在多大程度上取代了人类工人展开了争论,但大多数人同意自动化改变了焊接和工业工作的本质。

    机器人焊接系统将夹具中零件的对齐、焊缝的焊接以及将焊件从一个工位移到另一个工位的手工工作从一个人移到机器上。现在焊工的主要作用是维持零件的流动,保持机器运转,装卸托盘或托盘,并监督整个焊接系统。作品的范围更广,包含多种动态因素。

    尽管有了这种转变,操作人员仍然需要了解焊接,发现和排除缺陷,并应用焊接技能,即使他们是在监督机器人,而不是手里拿着枪。

    焊接自动化也使雇主受益:

    • 降低技术工人工资、休假、病假和保险的人事成本
    • 提高效率和吞吐量
    • 减少对焊丝和保护气体等消耗品的花费
    • 到2024年解决预计的40万名焊工短缺问题
    • 由于自动化焊接的物理要求较低,使得老焊工可以继续工作到60多岁

    优先考虑安全

    手工焊接的大部分危险存在于自动化系统中。此外,机器人、传送带和自动化物料处理设备也存在额外的安全风险。随着越来越多的公司转向预先设计和定制的机器人焊接系统,工人安全永远是头等大事.保证和加强安全的方法有很多,例如:

    • 操作人员的安全装置和策略,包括电弧闪光防护,眼睛保护,激光或光幕,在焊接区域周围设计足够的空间和屏障/门,和烟雾提取/屏蔽,识别和明确标记危险区域
    • 联锁开关,要么停止焊接机或防止下一个循环启动,除非开关在正确的位置,防止工人意外接触机器。例如门、设备上的门/盖、杠杆和铰链。他们还可以防止部分或设备损坏的偏离运动或飞溅。
      • 可选项包括机电防护和铰链以及非接触式光纤开关(特别是在EMI/RFI水平高的地区)。
      • 联锁装置必须在以下方面与环境相适应:温度、湿度、灰尘/磨料暴露、化学暴露、机械冲击和振动暴露。”在焊接过程中,暴露在高温和飞溅下尤其令人担忧。
    • 防护装置锁定,防止安全防护装置被打开或从危险的工作区域或设备上移除
    • 进行全面的风险评估,考虑机器人焊接设备、焊接夹具和外围设备带来的所有潜在危险。
      • 考虑潜在伤害的严重程度和可能性以及工人暴露于危险中的频率。
      • 即使有车载传感器和紧急关闭控制,工具和部件也会带来危险。例子包括烟雾暴露增加,接近其他危险,进出细胞的频率,手电筒和机器人的接触范围。

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    主题:焊接机器人焊接单元生产流程自动化设备

    马克米勒

    贡献了马克米勒

    拥有超过20年的行业经验,Mark热衷于推广卓越的工程技术。他能够通过管理Force Design的实习项目和作为我们的项目优化者的角色来实现这伟德国际手机客一点。

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