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【技术】用机器人技术克隆超级焊工

全球智造2018-12-28 05:39:32


      

机器人将取代人类的说法不绝于耳,但事实上,二者之间仍是相互依存的关系。没有人类,机器人绝不可能单独存在。在焊接领域,人们期望焊接机器人能拥有精度、稳定性、控制力等种种品质,甚至超过了对顶尖焊接大师的要求。然而现实却恰恰相反,焊接工数量锐减,随之带来的是精湛技艺的失传。

2010年,美国焊接学会(AWS)的报告显示,美国有超过200000个的焊工职位短缺。这种趋势还在不断扩大,到2026年,这个数字估计将达到372000。当越来越多的焊工被自动化生产取代,我们是否还需要他们?将来会有新的技术代替焊接吗?答案不得而知。

唯一明确的是真正掌握这门技术的大师们永远值得怀念。专家们说,“最好的焊工才能成就最棒的机器人程序。”没有大师们的指导,下一代的焊工们如何过活?机器人又如何进化呢?

Zane Michael,CWI / CWE,是机器人制造商安川 Motoman在俄亥俄州的迈阿密斯堡的热业务发展总监,Michael他是一位有近40年的经验的AWS注册焊接检验师(CWI)和注册焊接教师(CWE)。他在凯特琳大学(原通用汽车学院)获得机械电气工程本科学位和制造与运营管理硕士学位,并于1979年在霍巴特研究所(现在称为霍巴特焊接技术研究所)开始了他的教学生涯。

备注:1989年,为占领北美自动焊接市场,安川电机和霍巴特兄弟公司合资组建了Motoman机器人公司。90年代,霍巴特将其拥有的一半股份卖给了安川,此后Motoman成为一家安川电机旗下的独资企业。

Michael的客户包括Bobcat, Manitowoc, and John Deere和其他建筑、农业和采矿设备业界的巨头,他每天都在亲眼见证这些制造商们面对的各种挑战。

“去拜访客户时,我问他们为什么对机器人感兴趣,想要解决什么问题。十有八九的人要么抱怨焊工不合格,要么留不住好的焊工。”

这种现象遍布全国——人们总觉得自动化更好,“克隆”便应运而生。

最佳焊工成就最强机器人

懂行的人会告诉你,教出一个焊工比教出一个给机器人编程的程序员要难得多。

“花不了两个星期,你就能学会给机器人编程了。但如果我扔给你一个焊接件,然后让你编程,要让机器人把零件焊得像图纸上一样。如果你不了解焊接的全过程,做不了手工活的话,是不可能让机器人做圆满的。”

想要成为一流的焊工,必须去到最好的焊接学校,在俄亥俄州特洛伊城的霍巴特焊接技术研究所花上整整九个月的时间,然后成为一名胜任多个工序多个岗位的焊工。

Michael在戴顿大学教授焊接工艺课程,他说:

“我告诉学生们,焊接就像做苹果派。首先得按照食谱来,所有的苹果和方糖都要在同一个温度下烤制,才能保证每个苹果派口感一致。焊接并无二致,只是变数更多,比如牵引角度、电流强度和悬臂等等。所有关键变量都必须和预期的质量结果相匹配,这就是焊接过程规范。”

对于熔化极气体保护焊(GMAW),即我们通常所说的MIG来说,下面五个变量最为关键:

  • 电极尺寸

  • 电流

  • 弧长或电压

  • 牵引速度

  • 电极角度

“手工焊工可以看到熔池” Michael说,“他们可以据此调整悬臂。比如,增大或减小焊接的电流来帮助控制熔池,提高焊接质量。”

“这些都是机器人的编程者必须了解的。我告诉我的客户,假如他们送一个毫无焊接经验的机械电子工程师到我这儿来,还想让他们给焊接机器人编程,简直异想天开。”

过程决定一切

无论是手动焊还是自动焊,都是基于特定工艺的。要克隆大师,必先理解整个工艺。

过程至关重要。只有亲身体验才能获得最专业的知识。

“当我们开始一个新的过程,进入一个新的阶段时,一般都是从手动做起。”来自爱荷华LLC虚拟解决方案工程师Brendan Brown说道,“经验丰富的的手工焊工们是我们最重要的支持者。焊接顺序如何?合适的焊接角度是多少?推拉和牵引的速度又是多少?这些我们一直在收集的信息,没有人比他们更了解了。”

Genesis 是北美最大的自动化解决方案提供商之一,也是RIA认证的机器人整合商。Brown是一个程序员,他有着近20年的机器人焊接经验。

“你必须关注整个过程,”Brown的强调与Michael不谋而合,“我们发现,第一次使用机器人的客户大多把整个过程全自动化了。这其实并不好,你必须亲眼观察这些零件是如何加工的,还得如何跟踪剩下过程才行。因为最好的焊工也得关注整个过程才能造出良好的焊接件。”

Genesis的总部在Daveport拥有一间培训实验室和两间私人教室,Brown在此教授基础和进阶训练课程,他说:“我们的大部分学生都有焊接的经验,然而不管是要实现全自动化的,还是仅仅单纯学习焊接技术的,都需要掌握整个操作流程,了解如何手工处理零件。课上我会直接开始传授机器人的知识,而不会讲基础的焊工方面的推拉和角度问题。”

有一个普遍误解:“机器人的焊接速度快得多。”事实并非如此。

机器人一天生产的零件总数会增加,但不可能直接使焊接速度变快。当一个手工焊工戴上头盔,拿起电弧焊时,假设他焊接的完成距离是每分钟20英寸,其实机器人的速度与他基本相同。这就像妈妈做苹果派时食谱上写的那样,在450度时烘烤30分钟,你不能企图用900度烤15分钟来烤苹果派。要生产高质量的焊接件,最重要的参数之一就是速度,假如某个部分热量过高,就会产生问题。

虽然焊接机器人不一定更快,但效率更高。

手工焊的效率大约是20%,这意味着,在8小时的上班时间内,使用电弧焊的时间只占20%。焊工戴上头盔,重新调整他的椅子,又或是清理焊缝断,这些过程在他制造下一个焊接件以前消耗了大量时间。相比之下,机器人的效率高达85%,从一个焊缝到另一个焊缝,焊工要花15分钟,机器人只需不到4分钟就能完成。机器人并没有取代焊工的工作,反而使它们的工作因为更高的技巧性而变得更加高大上了。”

自适应控制

以Onken公司的研究——伊利诺伊大宗油脂收集系统和储油罐制造商为例,几十年来,公司依靠一只经验丰富的焊工队伍装成了一个防漏罐。但随着焊工缺乏的加剧,高素质的焊工越来越难找,因此不得不引进机器人。

使用双工作区的拓展型Motoman MH50 II-20机器人,Onken能用三个焊工完成五个焊工的工作量,节省20小时的生产时间,空出来的两个焊工可以在其他项目上工作,从而减少对合同焊工的需求,进一步节约成本。

与Onken的水箱配套的MIG焊接站是拥有两个工作区的专用工作站。操作员在一个工作区装载和卸载水箱,机器人在另一个区域焊接水箱。安川的焊接机器人具有内置的自适应控制器,可以根据需要调整牵引速度,悬臂的远近和焊枪的工作角度。先进的焊缝寻找和追踪工具能在120加仑到500加仑的水箱中精确定位和追踪各种类型的焊接口。

机器人善于重复。设定好由A到B的程序以后,机器人就能整天走这条路径,而且只会出现五千分之一英寸上下的偏差。为了生产高质量的焊接件,焊接头必须定位在焊丝直径一半的范围之内。假如我用的是.045直径的MIG焊丝,则二万分之一英寸上左右才能满足重复工作的要求。”

焊接往往会导致变形。

加热金属时,它会朝操作者的方向移动。在较大的焊件上,变形会更明显。如果焊接头的重复性不好,就必须使用机器人的传感器,使它改变程序路径,以匹配焊接部位在焊接时的位置。

触觉传感用于固定水箱顶部大的圆形法兰和几个小的螺纹的连接。每个组件都定位完毕后,程序路径会使其自动转移到已匹配的位置。安川的机器可读合作编目电弧焊缝跟踪(ComArc thru-arc seam)使机器人能够改变原线路经,将焊接熔池保持在焊接接头的范围之内。

机器人在焊接接头,包括轮廓的卷脚时,SERVO-ROBOT POWER-TRAC™激光传感器能在焊枪之工作之前提供实时焊缝寻找和追踪。焊枪开始工作后,激光便自动消失。机器人得以改变路径来适应任何装配部分的变动。有了准确定位和跟踪焊接接头,复杂昂贵的生产模具便也不再需要了。

“我们最近邀请了一位客户来参观工厂”业务经理J.R.Onken说,“他说他只有10中的时间参观。可是一看到我们的机器人焊接的场景,他就整整研究了20分钟。他是个老焊工了,我们自动化生产的高质量简直令他难以置信。”

“自动化焊接工艺使我们在两三年内能够依旧保持领先,它给了我们未来。”

3D模拟焊接

对Genesis公司来说,未来属于数字化。模拟功能使复杂的大规模机器人生产过程可视化,他们的虚拟方案解决中心拥有庞大的3D模拟环境。

Genesis的3DG环境利用虚拟现实和沉浸式三维可视化使他们的客户乃至潜在客户在概念和设计阶段就能获得机器人的可视化体验。通过3DG技术,Genesis采用了符合人体工学的方式评估一些参数:比如焊枪的接入和机器人的到达与访问。

该系统由16个面板的视听墙组成,能显示2D和3D画面。可移动性也是其能够轻松设置在展览会的现场。通过3DG 环境,客户能身临其境地感受到系统为他们带去的好处,还能看到厂商为了给出正确解决方案,做的所有前期工作和以及在应急措施方面的努力。”此外,3DG系统还能对公司内部的设计和工具组进行审查,以实现真正的协作过程。

你只需像电影院里那样戴上一副普通的3D眼镜,然后用操纵杆来驾驶模型,就能前后左右、里里外外地对它进行细致的观察。

在如图所示的模型中,三轴龙门架上的松下焊接机器人位于采矿用的MIG焊接的大型自卸车车架的位置,这部分由多种颜色组成。

“有一些长度达40英尺,”Brown说,“它需要多道厚钢板焊接。焊接一块的周期需要48小时,在热量和引力(变形)的作用下,会增加2到3英寸。”

Brown还提到:“模拟环境使我们能够向客户展示他们无法想象的先进流程。汽车和家电行业正密切关注着激光焊接这一领域,它花费的热量和产生的变形更少。这为我们赢得了一些客户订单。模拟演示时,一位同事严格控制了焊接变形并分析了热量数据,还为客户展示了传统MIG焊接中的5毫米的偏差是如何用激光焊接缩减到1毫米的。”

激光焊接

Genesis的自动化解决方案中心中能够测试远程激光焊接和激光焊接步进机等技术。

他们正在使用机器人激光步进机(Robotic laser seam stepper)(如图)来测试客户的传统焊点部件。

激光焊缝步进机是伺服驱动的独立激光头。优点之一就在于不需要大多数激光焊接工艺中常见的大型激光安全柜。机器人将在零件上方移动,然后将激光头向下驱动,基本上是在顶部施加压力,易于将两种材料压在一起。运行40 mm长的焊道时,无需巨大透光罩,也少了许多固定器具的要求。这使得焊件表面比传统点焊更加光洁,整个过程也更稳定。

先进的焊接技术,如远程激光焊接和激光焊缝步进器,仍需关注与传统焊接工艺相同的零件装配及其他关键变量的焊接问题。因此实现自动化,仍必须了解整个过程。此外,装有激光焊缝跟踪传感器的MIG机器人在焊接储油罐时还能帮助进行可变零件的装配。

提取蝎子毒液的

机器人

蝎子虽有剧毒,但其中一些品种的蝎子毒液却可以用于医疗用途。比如以色列金蝎的毒液就可以用来标记脑瘤细胞。

但是提取毒液的过程并不简单。通常,人们要对蝎子施以轻微的电击刺激它产生毒液。但是蝎子可不会乖乖配合,它的攻击几乎是致命的,有时甚至需要两个人合作才能收集到极少量的毒液。

但现在,研究人员发明了一款机器人,可以让这一工作的安全性大大提高。

摩洛哥一所大学的研究人员发明的这款机器人名为VES-4,它可以将蝎子的尾巴固定住,然后对其施加电击,接着收集产生的毒液。电击的力度不会伤害蝎子,反而能救其一命,因为用传统方法有时会去除蝎子的毒腺,用机器操作则能避免这个步骤。

能用更安全的方法提取蝎毒可谓是医学领域的一大福音,除了以色列金蝎可以标记脑部肿瘤细胞外,另一种在墨西哥生长的蝎子毒液中含有免疫抑制剂,未来可用于治疗自身免疫性疾病,例如多发性硬化等。现在,科学家们可以专注于蝎毒的用途,不必再担心提取过程中的种种危险了。


十种运动控制总线形式 

发达国家总线控制方式已经发展了至少十几年,目前已经普及,也孕育出大量的比较成熟的总线产品和方案,因为国外的市场有限,这些总线方式纷纷涌向了中国市场,在他们的推动下,中国的锂电、3C、半导体等行业也开始大量使用总线产品,同时也把在欧美的多总线竞争带到了中国。

事实上,之所以出现总线控制“百家争鸣”的原因是因为不同的总线方式各有优劣,那么目前市场上主流的总线控制方式有哪些?他们各自的特点是什么?


PROFINET

PROFINET作为一个开放性的网络,可灵活地支持多种拓扑结构,可以允许多种技术协议(比如HTTP、SNMP、ARP、TCP/IP等)同时进行,还具有实时的无线通信能力。

 此外,由于PROFINET兼容性,几乎可以做到即插即用,不仅让工厂设备互联变得十分便利,还可以与外接设备相连、与因特网互通,同时工厂管理者、操作人员还可以通过电脑IE浏览器,甚至手机、iPad等移动设备进行网络在线控制。网络开放性给PROFINET带来了优越于其他总线的强大系统诊断能力,可覆盖每一个通道,这为工厂连续生产打下坚实基础。


EtherCAT

EtherCAT是一个以以太网为基础的开放架构的现场总线系统,最初由德国倍福研发。EtherCAT为系统的实时性能和拓扑的灵活性树立了新的标准,同时,它还符合甚至降低了现场总线的使用成本。

EtherCAT完全符合以太网标准,支持多种拓扑结构:线型、星型、树型,具有广泛的适用性、高效率、刷新周期短、能够压缩大量设备数据、同步性能很好、无须从属子网、多种应用层协议接口等特点此外,EtherCAT的特点还包括高精度设备同步,可选线缆冗余,和功能性安全协议(SIL3)。


Ethernet Powerlink

POWERLINK最初由B&R开发并于2001年使用, POWERLINK是一个完全免专利费的技术,独立于供应商,采用纯软件方式的协议,却可达到硬实时的性能。在2008年,EPSG提供了该技术的开源版本。

POWERLINK集成了完整的CANopen机制,并充分满足IEEE802.3以太网标准,即该协议提供了所有标准的以太网功能特点包括交叉通信和热插拔,允许网络以任意方式进行拓扑。POWERLINK使用时隙和轮询混合方式来实现数据的同步传输。


Ethernet/IP

EtherNet/IP 是一个更现代化的标准协议,是主推ControlNet现场总线的罗克韦尔自动化公司为以太网进入自动化领域所研究创造的以太网工业协议。

它建立在标准UDP/IP与TCP/IP协议之上,利用固定的以太网硬件和软件,为配置、访问和控制工业自动化设备定义了一个应用层协议。Ethernet/IP协议由IEEE802.3物理层、数据链路层标准协议和控制与信息协议CIP等3个部分组成。


CC-link

CCLINK是1996年三菱电机推出的一种现场总线,2005年7月CC-Link被中国国家标准委员会批准为中国国家标准指导性技术文件。

CC-Link其数据容量大,通信速度多级可选择 ,而且它是一个以设备层为主的网络,同时也可覆盖较高层次的控制层和较低层次的传感层。此外,其具有高速的数据传输速度, 最高可达 10 M b/ s 。 CC-Link 的底层通信协议遵循 RS 485 , 一般情况下, CC-Link 主要采用广播-轮询的方式进行通信 ,CC-Link 也支持主站与本地站 、智能设备站之间的瞬间通信 。


Modbus/TCP

早在1971年,Modicon公司首次推出了Modbus协议,ModbusRTU和Modbus ASCII诞生于此。后来施耐德电气(SchneiderElectric)收购了Modicon公司,并在1997年推出了ModbusTCP协议。2004年,中国国家标准委员会正式把Modbus作为了国家标准。

Modbus协议具有标准、开放,可以支持多种电气接口,数据帧格式简单紧凑,数据传输量大、实时性好等特点,在工业控制系统中得到了广泛的应用, ModbusRTU和ModbusASCII主要用于串行通信领域,而ModbusTCP则常用于以太网通信。


RTEX

被称为“小规模实时总线王者”的RTEX运动控制总线是松下于2004年推出的,RTEX具有开发简单、高性能、简单低成本、高可靠性。RTEX总线则属于硬实时总线。硬实时总线通过芯片来保证通信的实时性和稳定性,分担了CPU处理同步时钟的工作,所以和软实时比较,硬实时可省去大量软件开发的时间。

在强调柔性生产的今天,小型设备组成的流水线更具有快速应变的优势。这也是小规模实时总线的价值所在。RTEX正是适应于这种小系统的实时总线。具备32节点的RTEX总线不但应用于伺服马达、而且也支持直线伺服马达、IO、步进马达及变频器等从站设备中。


SERCOS III

SERCOS在1989年诞生,并在1995年成为国际标准。到目前为止,SERCOS己经经历了三代的发展:SERCOS I,SERCOS II,SERCOS III,其中SERCOSI和SERCOS II统称为SERCOS 。SERCO S III是SERCOS成熟的通信机制和工业以太网相结合的产物,它既具有 SERCOS的实时特性,又具有以太网的特性。

SERCOS III基于工业以太网,数据传输速率高达1OOMbit/s;能够实现标准的TCP/IP通信;能够使用CATSE 双绞铜缆和光纤通信;具有线型和环型的拓扑结构;支持从站与从站之间的交叉通信;支持从站的热插拔;支持与安全相关的数据传输;向下兼容以前的SERCO S总线协议。此外,SERCOSS III采用TDMA(时分多路复用)的通信机制实现以太网的实时性和确定性。它能够使用线型或环型的拓扑结构与驱动器、I/O设备、传感器相连接,但是不支持星形结构。


MetroLink

MetroLink- III是安川电机与2007年开发的基于EtherCAT物理层的运动控制现场总线协议,其通讯速率高达100Mbps,能够实现各种控制信息(位置、速度、力矩、IO等)实时通信。其主要支持厂商除安川外主要有PHOENIX、OMRON等公司。

MetroLink可连接从站数最多可达62个从站,站间传输距离最长可达100m,可支持级联、星形、点对点拓扑结构,支持周期通讯和事件驱动通讯方式。此外,MetroLink通过FCS帧序列校验机制、传输周期重发机制、双次传输机制、看门狗机制以及专用的电缆保证通讯的高可靠性。


EPA

EPA是浙江中控技术有限公司推出的基于以工业以太网的控制系统,2005年,EPA被正式列为IEC61158第14个类型。

EPA将大量成熟的IT技术应用于工业控制系统,利用高效、稳定、标准的以太网和UDP/IP协议的确定性通信调度策略,为适用于现场设备的实时工作建立了一种全新的标准,其特点是可靠性高、纠错能力强,通信效率高。


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