柔性多組全自動激光拼焊生產線研制

房靈申

一、概述

從20世紀80年代中期開始，激光拼焊板作為新技術在歐洲、美國和日本得到了廣泛的關注。拼焊板工藝主要是為汽車行業進行配套服務，尤其在車身零部件生產、制造和設計方面，拼焊板的使用有著巨大的優勢。目前，無論實驗室還是汽車制造廠的實踐經驗，均證明了拼焊板可以成功地應用于汽車車身的制造。

以大型激光拼焊為核心的激光加工已逐步發展成為21世紀裝備制造領域不可缺少和替代的先進加工手段和技術發展方向。近年來，激光在汽車工業的應用得到較快發展，汽車工業是激光加工應用最多的領域之一。統計表明，在歐美發達的國家中，有50%左右的零部件都是采用激光加工來完成的。而依據ULSAB（世界輕質鋼制車身協會）的最新研究結果：最新型的鋼制車身結構中50%采用了拼焊板制造。尤其是近年來發展很快，以美國通用汽車公司為例，1993~1994年間拼焊板應用為150萬件/a，1997~1998年間拼焊板應用就達到700萬件/a。而歐洲1994年拼焊件銷售額1.3億馬克，1997年銷售額達到2.0億馬克。全世界1997年汽車用拼焊板年生產能力為1 500萬件，2005年統計汽車用拼焊板年生產能力約7 000萬件。截止2006年，保守統計全球已有剪裁坯板激光拼焊生產線130余條（臺），汽車拼焊板的市場需求規模將以年均50%以上的高速度增長，每年需新建激光拼焊生產線20~30條。

除汽車工業將廣泛采用激光拼焊技術以外，激光在船舶工業的應用亦將逐步發展起來。進入21世紀以來，隨著國際船舶市場的復蘇，給我國船舶工業帶來了新的發展機遇，尤其是加入WTO以后，給我國船舶制造業帶來了更激烈的競爭和機遇，但我國船舶激光拼焊板技術還嚴重地制約著造船的產量、質量、成本和周期。我國的船舶激光拼焊板技術與國外同行業先進水平相比，差距不是縮小，而是在繼續拉大，目前激光拼焊板在船舶工業仍為空白。此外，激光拼焊技術在家電等行業的應用亦在發展之中。

二、激光拼焊技術的成功開發

激光拼焊項目涉及機器人技術、激光加工技術、自動化技術等多個學科領域。中國科學院沈陽自動化研究所的研發人員多年來從事工業自動化、智能機器、先進制造系統和光電技術等研究工作，不僅在機器人和自動化領域積累了豐富的技術及應用成果，而且在激光加工設備的本體設計、光路設計、激光加工工藝、激光器等方面亦具備了一定的研究工作基礎和設計開發經驗。自2002年開始，研制開發3自由度SCARA式飛行光路被動運動機器人手臂式激光加工實用樣機，用于平面切割或焊接，代替傳統懸臂式結構和龍門式結構，服務于加工領域。2005年1月開始對激光拼焊技術的發展現狀及拼焊裝備國產化的可行性進行調研和分析，并從技術攻關和市場開拓兩方面進行了卓有成效的工作。

2005年8月開始利用國際合作平臺同日本IHI公司在激光拼焊技術領域展開全面而具體的項目合作。通過力學性能分析與拼焊試驗，掌握了國外同類系統的設計原理與實現技術，具備了基于成熟技術并在有關方面指導下進行生產樣機開發的條件和能力，并自籌資金2 500萬元人民幣，面向汽車、鋼鐵行業重點研制板材激光拼焊成套裝備，2006年9月研制成功國內第一條全自動激光拼焊生產線樣機（見圖1），目前該全自動激光拼焊生產線已經在南京寶鋼投產，連續生產三年多，為奇瑞、江淮、華晨、長城等汽車企業提供500多萬張激光拼焊板（圖2為生產現場照片）。

中國科學院沈陽自動化研究所于2011年成立第六研究室——激光裝備實驗室，重點開展以機器人激光加工成套裝備為核心的大型成套制造裝備與系統的研發。目前，第六研究室已經建立了一支擁有相關專業背景、具備較高技術素質的研發、制造和質量管理的50多人的研究團隊，具有較強的技術服務和工程實施能力；項目組相關技術人員在多軸機床設計、大型運動仿真平臺研制、數控系統/控制系統等領域的工程設計與產品開發方面積累了豐富的實踐經驗，在激光器、激光傳輸、激光加工工藝參數等方面掌握了相關的基礎理論知識和并培養了幾十名激光加工方面的博士、碩士研究生。制訂了有效的項目過程與質量管理措施，順利完成了多個國家級、省級等相關項目研究工作，開發的多條激光加工生產線已經投入生產。

三、核心技術成果

1. 宏微結合機構實現高精度自動化焊接

近年來一些先進工藝（如大功率精密激光加工）在汽車、機床、航空航天等工業中的大量應用，希望采用工作空間更大、運動速度更快、精度更高、柔性好的機器人化裝備。由于單獨的工業機器人絕對精度和重復定位精度無法達到激光加工的工藝精度要求，或者單獨的大幅面執行機構勢必做的既大又笨重，高速實現及其困難，故在激光加工執行器末端配置具有適宜精度和適宜行程，并具有高響應速度、高速度、小慣量、高精度等特征的微動機構，組成宏微結合的機器人化執行機構。

2. 機器人多組焊接工藝

詳細研究了激光加工參數，主要包括激光功率、焊接速度、焦點大小及焦點位置等因素對激光焊接質量的影響規律，得出了每種材料的最佳焊接工藝，建立了完善的焊接工藝規范，涵蓋了目前主要車型的絕大部分激光拼焊板，并且已經在實際生產中得到應用。創新性地采用了多組倍尺激光焊接技術，使現在的激光焊接效率提高了35%以上，提高了材料利用率，減少了浪費。

圖1 全自動激光拼焊生產線樣機布局

3. 系統控制與可靠性

開發了具有自主知識產權的板材激光拼焊成套裝備與系統，建立以激光拼焊成套裝備和機器人激光焊接加工技術為主體的光機電一體化技術支撐與服務平臺，提供激光拼焊成套裝備設計開發服務。掌握了大型拼焊線成套裝備中的多系統集成的系統功能需求分析、精度設計、機械系統和控制系統集成實現、系統調試等關鍵技術，完全滿足汽車行業生產需求，實現了連續24h生產，產品合格率在99.8%以上。

4. 焊縫預成形與實現技術

板材焊縫是由相鄰兩塊或多塊板材構成的相互結合線，按結合線的類型可分為單直線、多直線、折線、曲線和組合曲線結合線。為表達簡便起見，現將折線、曲線和組合曲線統稱為非線性結合線，從而對應的焊縫有單直線焊縫、多直線焊縫、非線性焊縫。由于激光焊接自身的特殊性，要求焊縫間隙≤0.08mm，這就要求單塊板材焊接邊界平直度最大0.05mm。根據生產條件和要求不同，單塊板材成形可采用精剪、切割和模具落料等工藝方法獲得，用不同工藝方法成形的板材具有不同的邊界物理特性。板材的邊界物理特性直接影響拼焊質量，不同邊界物理特性的板材對應著不同的焊縫預成形原理和實現技術。

5. 激光拼焊焊縫跟蹤技術

實時焊縫跟蹤是由視覺傳感器獲取待焊工件焊縫位置、形狀和方向的圖像信息，然后經特定設計的圖像處理算法提取焊縫形狀與方向特征，并根據焊縫位置確定焊槍的下一步接近或糾偏運動方向和位移量，再控制驅動機器人跟蹤焊縫。

實時焊縫跟蹤技術在弧焊中的應用已基本成熟，但是在激光拼焊中的應用仍需進一步推進。應用于激光拼焊中的焊縫跟蹤技術由于激光拼焊的特點具有其特殊性，激光拼焊的高亮度和對接焊縫的窄間隙對焊縫的圖像處理以及特征識別提出較高的要求；而激光拼焊的高速度、高精度也要求焊縫跟蹤過程中的跟蹤控制具有較高的實時性、精確性。

四、市場應用情況

1. 在南京寶鋼應用情況

全自動激光拼焊生產線已經在南京寶鋼投產，連續生產三年多，為奇瑞、江淮、華晨、長城等汽車企業提供500多萬張激光拼焊板，如圖2所示。

2. 在江蘇巧智鑫應用情況

全自動激光拼焊生產線已經在江蘇巧智鑫自動化設備有限公司安裝調試完畢，已經逐步開始為丹陽、寶應、高郵、馬自達、福特、東風日產及悅達起亞等多家汽車公司及零部件制造企業提供產品，如圖3、圖4所示。

圖2 全自動激光拼焊生產線南京寶鋼生產現場照片

圖3 全自動激光拼焊生產線揚州現場

圖4 基于機器人的曲折線激光拼焊機

五、激光裝備未來發展

目前，研究所與寶山鋼鐵集團、武漢鋼鐵集團、首都鋼鐵集團、鞍山鋼鐵集團等國內主要鋼鐵企業及奇瑞汽車公司、吉利汽車研究院等汽車制造企業已經建立了良好的關系，正在醞釀共建研發中心、開展合作研究、聯合申報國家科技計劃支持等相關事宜，相關研究已被列為“中國汽車制造裝備需求分析及發展戰略研究”的重要內容之一。沈陽自動化所將與上述相關企業密切合作，圍繞汽車快速制造技術、汽車激光加工自動化技術與裝備、板材激光加工技術、工藝與裝備等相關內容開展聯合研究與開發，以提高相關企業鋼鐵、汽車產品的市場競爭力。