我國已經成為世界公認的制造業(yè)大國，但我國工業(yè)制造自動化水平卻不高，工業(yè)機器人應用有限。2013年12月30日，工信部正式發(fā)布了《關于推進工業(yè)機器人產業(yè)發(fā)展的指導意見》，確立了我國工業(yè)機器人產業(yè)發(fā)展目標，即開發(fā)滿足用戶需求的工業(yè)機器人系統(tǒng)集成技術、設計技術及關鍵零部件制造技術，在汽車、船舶、電子、民爆、國防軍工等重要工業(yè)制造領域推進工業(yè)機器人的規(guī)?；痉稇?。

 

　　全世界在役工業(yè)機器人大約有將近一半以上用于各種焊接生產。焊接機器人具有高效、質量穩(wěn)定且通用性強等優(yōu)點。焊接過程的柔性化、自動化、智能化已成為先進焊接裝備的重要發(fā)展趨勢。焊接機器人正經歷著由單機示教再現(xiàn)型向多傳感、智能化的柔性機器人工作站或多機器人工作群方向發(fā)展。

 

　　機器人攪拌摩擦焊技術優(yōu)勢

 

　　重載工業(yè)機器人與先進的焊接主軸裝備的系統(tǒng)集成實現(xiàn)攪拌摩擦焊，將極大提升焊接作業(yè)柔性，適用于空間復雜結構產品的批量化焊接制造，并進一步提升焊接自動化程度和生產效率。使用機器人攪拌摩擦焊焊接時，由于機器人柔性化程度高，焊接過程穩(wěn)定且無需人為干涉，因此，焊接質量可以得到顯著提升，且有利于降低焊接生產成本。據國外統(tǒng)計機器人攪拌摩擦焊單件焊接成本比機器人氬弧焊低20%，只有多軸攪拌摩擦焊設備焊接成本的一半。由此可見，采用機器人進行攪拌摩擦焊在大規(guī)模工業(yè)生產中具有顯著的成本優(yōu)勢。此外，機器人攪拌摩擦焊的主要技術優(yōu)勢有：綠色節(jié)能高效，焊接過程無污染；適用于復雜結構焊接，如平面二維、空間三維等結構；可匹配外部軸，自由擴展機器人工作空間；可實現(xiàn)多模式過程控制，如壓力控制、扭矩控制等；接頭質量良好，焊接過程穩(wěn)定性好。

　　機器人攪拌摩擦焊國內外發(fā)展現(xiàn)狀

 

　　自1997年開始，國外多家機構就開始研發(fā)機器人攪拌摩擦焊工藝技術及裝備系統(tǒng)。近年來國外商業(yè)化的機器人攪拌摩擦焊系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)，德國IGM公司、日本川崎重工及日本fanuc公司推出了自主研發(fā)的機器人攪拌摩擦焊系統(tǒng)，瑞典ESAB公司與美國FSL公司在abb機器人本體上成功集成了攪拌摩擦焊系統(tǒng)（圖1a），實現(xiàn)了空間曲面結構焊接，在國內外多家科研機構得到應用。德國kuka機器人集團與歐宇航（EADS）創(chuàng)新工作室歷經十年合作研發(fā)，于2012年推出商業(yè)化的KR500MT機器人攪拌摩擦焊系統(tǒng)（圖1b），成為近兩年國際焊接工業(yè)展的重要亮點，得到國內外航空、航天、汽車、電力、電子等行業(yè)領域焊接工作者的普遍關注，并很快在電子行業(yè)得到推廣應用。

 

　　我國在機器人攪拌摩擦焊系統(tǒng)集成研發(fā)及工程化推廣應用等方面一直遠遠落后于國外，近五年來國內才開始開展機器人攪拌摩擦焊工藝研發(fā)和系統(tǒng)集成研究。中航工業(yè)制造所作為國內首家從事攪拌摩擦焊技術研究的單位，于2013年從國外引進了一臺重載機器人攪拌摩擦焊系統(tǒng)（如圖2a所示）。在此基礎上，開展了機器人攪拌摩擦焊技術的探索性研究，對機器人攪拌摩擦焊系統(tǒng)及空間曲面結構焊接有了初步認識。

 

　　機器人攪拌摩擦焊市場需求分析

 

　　攪拌摩擦焊在我國已經歷了十余年的技術和裝備研發(fā)，市場認可度高。可以預期未來五年內，攪拌摩擦焊將迎來市場化推廣及工程化應用的高潮。中航工業(yè)制造所在攪拌摩擦焊技術研發(fā)基礎上，逐步形成起攪拌摩擦焊產品批量加工、系列化專機裝備生產能力，至今已研制成功多種系列攪拌摩擦焊設備，逐漸形成了大型寬幅帶筋壁板、液冷風冷散熱器、筒體結構件等多類別產品，攪拌摩擦焊產品的發(fā)展越來越呈現(xiàn)出規(guī)?；l(fā)展的趨勢，逐步形成了完善的產品體系（圖2）。

 

　　國家對節(jié)能減排的要求越來越高，汽車、船舶、軌道交通、民用航空、電力、冶金等行業(yè)對輕量化的要求也越來越高，先進的攪拌摩擦焊技術與高柔性自動化攪拌摩擦焊裝備將成為這些行業(yè)的關鍵零部件產品實現(xiàn)綠色輕量化、高效精益生產的關鍵。重載工業(yè)機器人攪拌摩擦焊裝備的出現(xiàn)，將極大提高攪拌摩擦焊的工作柔性，拓展作業(yè)空間和適用性。據IFR統(tǒng)計，2014年我國將成為全球最大的工業(yè)機器人應用市場。這種“井噴式”的市場需求將有力推動我國機器人攪拌摩擦焊技術和裝備產業(yè)的發(fā)展。

　　在飛機結構制造中，機器人攪拌摩擦焊系統(tǒng)有望應用于復雜曲面機身壁板焊接制造，實現(xiàn)長桁、隔板、框與蒙皮，以及機翼結構的焊接。歐宇航已將機器人靜軸肩攪拌摩擦焊用于空客A380翼肋、翼盒、機身窗體加強結構產品的試制。日本川崎重工將機器人攪拌摩擦點焊應用于直升機艙門的研制。在汽車結構制造中，機器人攪拌摩擦焊系統(tǒng)有望應用于復雜曲面車體結構制造，實現(xiàn)復雜車體結構及不等厚裁剪板的焊接，日本川崎重工已將機器人攪拌摩擦點焊應用于汽車車門結構件的批產，采用機器人攪拌摩擦焊也可以實現(xiàn)電動汽車（或混合動力汽車）電池托盤的焊接。在電力電子行業(yè)各類散熱產品的制造中，機器人攪拌摩擦焊優(yōu)勢更為突出，采用該項技術與裝備，可以實現(xiàn)各類散熱產品（如冷板、液冷風冷散熱器、電機電池殼體、IGBT、ECU散熱器）的高效率、高質量生產制造。在消費電子行業(yè)，機器人攪拌摩擦焊的工程化應用方面也取得了長足發(fā)展，德國kuka機器人集團與歐宇航（EADS）創(chuàng)新工作室合作研發(fā)的機器人攪拌摩擦焊系統(tǒng)，已用于蘋果公司iMac高端一體機產品殼體的焊接生產（見圖3）。

 

　　機器人攪拌摩擦焊技術發(fā)展趨勢淺析

 

　　機器人攪拌摩擦焊技術與裝備，是近年來攪拌摩擦焊技術與高端裝備的重要發(fā)展方向，已成為當前國際攪拌摩擦焊技術研發(fā)熱點，并得到了國內外焊接工程技術人員和工業(yè)用戶的廣泛關注。當前機器人攪拌摩擦焊技術，亟待解決以下幾方面關鍵技術：

 

　　適用于攪拌摩擦焊接的重載工業(yè)機器人本體設計與制造技術。

 

　　適用于機器人焊接的攪拌摩擦焊機頭設計與制造技術，尤其是新型攪拌摩擦焊工藝的運用，如攪拌摩擦點焊、靜軸肩攪拌摩擦焊、雙軸肩攪拌摩擦焊等。

 

　　機器人攪拌摩擦焊系統(tǒng)集成技術，尤其是與多種傳感控制系統(tǒng)的集成，以實現(xiàn)智能化自動化焊接。

 

　　冗余自由度機器人攪拌摩擦焊路徑規(guī)劃及協(xié)同控制技術。將機器人與外部軸、變位機或多臺機器人機器人系統(tǒng)集成實現(xiàn)高效作業(yè)，是智能焊接機器人發(fā)展的重要方向。

 

　　機器人攪拌摩擦焊路徑和工藝規(guī)劃技術。當前工業(yè)產品多具有小批量多品種特征，要求生產線具備柔性制造能力。采用工業(yè)機器人進行攪拌摩擦焊時，對焊接順序及作業(yè)路徑必須進行工藝規(guī)劃，并通過離線編程實現(xiàn)干涉檢驗和指令生成，而且必須結合前序生產過程實時信息，對后續(xù)加工過程進行同步調整。