管道机器人焊接工作站研制

完成单位: 四川省创天成机电工程技术有限公司
参与研发人员: 黄斯俊、肖峰、姚翔、王浪、肖冬、雷有文
评价机构: 国家技术转移西南中心达州分中心
专家组成员: 孙波。张宗岱、欧江、吕沈红、胡家波
评价完成时间: 2020年12月18日
成果类别: 应用技术
所属区县: 达州市高新区
成果简介:
一、任务来源及项目简介
1、“管道机器人焊接工作站研制”(以下简称项目)是四川省创天成机电工程技术有限公司(以下简称公司)自选研究项目。
2、项目立项背景:
随着计算机技术、微电子技术、网络技术、大数据的快速发展,20世纪90年代机器人技术在飞速发展的同时,其制造成本和价格却不断下降。据了解,目前所有发达国家都把机器人技术放在科技发展战略中最优先的地位,尤其是日本、韩国等国的一些先进制造企业,如在船舶建造中发展、研制及应用焊接机器人方面取得了明显成效。近两年,我国东南沿海地区连续出现的“用工荒”,已严重蔓延到各类造制企业,中国的“人口红利”正在逐步消失。随着劳动用工成本的攀升、各类高级工的短缺,以及当前制造业生产模式向交期短、数量少、规格多、质量要求高等,也使各类制造业向智能化、柔性化生产模式变化。“机器人”具有高精度、高可靠性、应用灵活性等特点,再结合各类专业设备应用完全能满足当前制造业的绝大部分需求。因此,机器人+专业设备应用必将给制造加工业带来革命性变化,同时也是当前社会经济发展的必然方向。
随着制造业的高速发展,传统的手工焊接已不能满足现代高科技产品制造的质量、数量要求、现代焊接加工正在向着机械化、自动化的方向发展。电子技术、计算机技术以及机器人技术的发展,为焊接自动化提供了十分有利的基础。同时国内自动化焊接设备主要装备在汽车制造业,其它标准定型产品制造业也少量装备。管道类焊接加工作也是金属加工制造业的几大主要部分之一,而针对管道焊接的智能型自动化装备在行业还处于摸索状态。
3、总体思路
为了迎合市场需要和公司的生存与发展,根据焊接工作的使用特点,结合公司以掌握的相关技术,参考了管道机器人焊接工作站的实施方案,研发设计一款符合市场的需求的管道机器人焊接工作站研制。
1)由视觉系统定位当前工件精确位置,系统计算标准位置状态与当前状态偏差值。
2)由多关节机器人A更换末端夹持器,将部件搬运至工作区域,由工作台固定治具定工件
3)再由系统执行1.2项内容,将部件2搬运至工作区,依据系统预置条件进行工作定位组合
4)由系统进行3D焊接区域扫描,系统建立模型分析作业区域内作业面积、深度、缝隙等详细焊接作业内容,依据详细作业内容结合工艺方案库中数据进行筛选优化输出执行工艺参数方案,通过模型计算出最佳可执行焊接姿态,并规划各联机作业执行器的轨迹路径。
5)依据4项所述内容执行焊接作业,在作业过程中依据焊接参数反馈,再结合3D模型分析当前实际执行情况,作实时焊接工艺参数及机器人工作轨迹、姿态微调,以达到最佳工作模式及最优工作成果。
4、主要研究内容
通过平面视觉系统对部件进粗定位识别,主控系统运算综合执行内容,现进行3D视觉局部扫描作模型重构,根据作业具体内容及条件系统自动优化作业方案,根据实时系统反馈闭环控制作业质量.
通过平面视觉系统对部件进定位识别,主控系统计算分析部件搬运移动目标点及姿态,由执行机构或多关节机器人进行部件姿态调整、位置移动;再次扫描工作区间进行3D模型数据采集,主控系统分析当前作业具体内容如:缝隙大小、焊接类型、焊接面积、深度等,自动筛选原有数据、并优化部分工艺参数、运行轨迹等,并计算出最佳作业姿态(质量、效率),通过控制多轴机器人与外部轴联合运行。焊接过程中由焊接系统实时反馈作业过程中的各项参数,以供系统实时调整修正工艺参数、作业轨迹。
5、关键技术
依所托视觉传感技术为信息采集、焊接工艺技术为执行方案、机器人运动控制技术为输出执行,以实现管道焊接智能装备综合应用技术。其关键技术如下:
(1)视觉系统定位识别技术
DS1101检测成像系统相当于是由一排点激光测距仪组成,来获取被测物的截面数据;系统通过与运动系统编码器同步获取的一组截面数据重构整个被测物的三维信息。3D检测系统能构建真正的3D模型、真正的3D空间分析、并且仍然提供各种高性能的2D分析工具以及第三方分析软件接口,生成相关3D模型数据。
(2)焊接作业工艺筛选技术
选用苏州米加尼克公司生产高性能数字化焊接电源。型号为SIGMA 500双脉冲型。该电源与威达机器人专用送丝机和 TBI RM 80W水冷机器人焊枪组成的焊接系统。
   SIGMA-500数字式双脉冲IGBT逆变控制MIG/MAG自动焊接电源特点如下:
1)一机多用,可进行CO2/MAG、MIG焊。
2)SIGMA系列焊机,采用IGBT逆变和软开关控制技术,CANBUS通讯方式,DSP控制技术。能满足高质量的焊接要求。
3)可对碳钢、不锈钢、铝板等金属进行高质量焊接;
4)由于采用数字式控制,电弧稳定性超群,实现几乎没有飞溅的高质量焊接;
(3)机器人跟踪执行技术
发那科M-10IA机器人是一种增强型工业机器人即关节型手臂机器人。它的特点是所有轴都有一个极大的旋转范围,给焊接机器人带来极大的灵巧性能和工作范围。机器人的手臂具有细长而紧凑的设计,由于各个轴的动态性能高,保证了优良的焊接精度、速度和可重复性。
电机传动轴上安装有制动器,通过闭合电路原理动作,在失电的情况下自动抱闸,避免危险性的运动。六轴伺服防碰撞,避免误操作时各关节的损坏。
6、技术线路
1、利用3D设计技术,运用运动学分析工具,对系统各类零部件在运动过程中的运动关系进行分析,优化系统设计方案。
2、利用有限元分析及台架试验技术,对系统各类承载结构件进行零部件结构优化、可靠性预测。
3、以创天成技术中心为基础,利用虚拟仿真技术,进行系统优化、匹配、性能预测。
二、应用领域和技术原理
1、应用领域:本项目建成后将适用于汽车制造业、金属加工、其他标准定型产品制造业、建筑材料工行业的智能化等。能提升设备自动化水平,从而提高劳动生产率,同时又提升企业产品质量,增加效益,具有较大的社会经济效益。
2、技术原理:通过平面视觉系统对部件进粗定位识别,主控系统运算综合执行内容,现进行3D视觉局部扫描作模型重构,根据作业具体内容及条件系统自动优化作业方案,根据实时系统反馈闭环控制作业质量,是一种“高效、智能”的重要装置。
三、性能指标(写明计划书或合同书要求的主要性能指标和实际达到的性能指标,以检测报告中数据为准)
本项目确定的性能指标,主要是
(1)主要性能参数:焊接效率提升5倍,投入产出比提升30%,一次焊接合格率99%以上。
(2)现有指标:以1个熟练工为单位1来比较,一万元投入产出1.2万元,一次焊接合格率95%。
(3)项目完成时的预期达到指标:一台机器可替代5个熟练焊工,使用管道机器人焊接工作站1万元投入产出1.7万元,一次焊接合格率达99%以上。
后经过中国测试技术研究院测试,指标均达到标准。
、与国内外同类技术比较
1、国外研究现状。
国外如欧美、日本等发达国家早在20世纪80年代便在石油、化工、造船、建筑、电力、汽车、机械等行业采用数字控制的小车式自动气保焊机,代替人工进行焊接生产。近年来,国内几家企业开发了几种类似的自动焊接小车,但在结构和功能上均属低端产品,在数字控制、焊接参数预置和专家系统自动调用等方面均为空白。成都焊研科技有限责任公司把开发适合和满足我国工业企业焊接生产要求的高端自动焊接设备作为己任,在吸收和借鉴国外先进、成熟技术基础之上,经过近两年的研制工作,代表自主知识产权的第一代数控小车式自动焊机样机在成都焊研科技有限责任公司问世。该焊机具有携带方便、安装简单、操控灵活、智能化程度高等特点,通过微机控制的多种焊接模式和专家程序,可在不同焊接位置满足多种焊接工艺要求焊缝的焊接。
2、国内研究现状
目前我国的焊接自动化率还不足30%,同发达工业国家的近80%相比差距甚远。可以预计在未来的10年内,国内自动化焊接技术的水平将以前所未有的速度发展。
随着数字化技术日益成熟,代表自动化焊接技术的数字焊机、数字化控制技术业已面世并已稳步地进入市场。三峡工程、西气东输工程、航天工程、船舶工程等国家大型基础工程,有力地促进了先进焊接工艺特别是焊接自动化技术的发展与进步。汽车及零部件的制造对焊接的自动化程度要求日新月异。我国焊接产业逐步走向“高效、自动化、智能化”。目前我国的焊接自动化率还不足30%,同发达工业国家的近80%差距甚远。从20世纪末国家逐渐在各个行业推广自动焊的基础焊接方式——气体保护焊,来取代传统的手工电弧焊,现已初见成效。可以预计在未来的10年,国内自动化焊接技术将以前所未有的速度发展。20世纪90年代以来,我国焊接界把实现焊接过程的机械化、自动化作为战略目标,已经在各行业的科技发展中付诸实施,在发展焊接生产自动化和过程控制智能化,研究和开发焊接生产线及柔性制造技术,发展应用计算机辅助设计与制造技术等方面,取得了长足的进步。高效、节能并能够自动调节焊接参数的智能型逆变焊机将逐渐取代手弧焊机和普通晶闸管焊机,而且焊机的操作趋向于简单化、智能化,以符合当今操作技能的趋势。
五、成果的创造性、先进性
1、成果的创造性
本课题研究的管道机器人焊接工作站,设备研发成功后拟在全省范围内推广,通过平面视觉系统对部件进行定位识别,主控系统运算综合执行内容,现进行3D视觉局部扫描作模型重构,根据作业具体内容及条件系统自动优化作业方案,根据实时系统反馈闭环控制作业质量,是一款智能、效率高的重要装备。
2、成果的先进性:2020年12月“科学技术部西南信息中心查新中心”查新报告表明,未见到与我公司主持的“管道机器人焊接工作站研制”内容相关的报道,所以本项技术应属国内领先水平。
六、作用意义
管道自动焊接机器人研制成功后,降低了该行业从业人员劳动强度及生产成本,提高了产品质量,增加了经济效益,节能也将是大的飞跃,同时给行业带来极大方便。
1、提高和稳定焊接质量,提高产品质量的一致性。2、可实现24小时的连续生产,提高生产效率。3、产品换型时,可通过重新编程方便地适应新产品的生产需要,减少再投资。4、改善工人的劳动强度和条件。5、可降低对操作工人技术水平的要求。
七、推广应用的范围、条件和前景
课题研究的是管道机器人焊接工作站,主要适用于制造技术和金属加工等方面。项目是公司在转型之后,根据焊接工作的优劣势及市场需求,通过公司以掌握的相关专利技术,而主要以其为研究和发展方向的。我国计划2025年制造强国梦。这些都离不开机器人的应用,据UNECE统计2014年全球销23万台,中国5.4万台,未来10年每年以10-20%速度递增,据麦肯锡发部报告到2020年全球有1.7-4.5万亿美元需求。又加之2013年底工信部出台<<关于推进工业机器人产业发展指导意见>>明确了2020年要形成较为完善机器人体系,100台/10000人基本满足国防建设和国民经济和社会发展需求,因此,管道机器人焊接工作站有广阔市场前景。