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博清科技CEO冯消冰:爬行焊接机器人发展面临的挑战

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  为展示北大青年创业校友风采,北大青年CEO俱乐部推出“未名创星论坛”系列活动,邀请三名左右北大青年创业校友及投资人分别就行业热点进行深度分享和解读,为创业路上的校友照亮前进的道路。

  博清科技CEO冯消冰在“未名创星论坛第八期——智能制造的发展趋势”活动中发表演讲,以下为演讲内容,已经作者确认,略有删减:

  

  大家下午好,我是博清科技的冯消冰,下面由我为大家做一个汇报。我报告的题目是“焊接机器人的挑战”,由于我们现在做的细分领域是爬行式的焊接机器人,所以我报告的题目临时改成“爬行式的焊接机器人面临的挑战”。

  工业机器人

  1、工业机器人的应用领域

  目前的焊接机器人主要指的工业焊接机器人,工业机器人现在应用领域主要是在焊接和搬运,焊接和搬运占了工业机器人领域大概70%以上。现在工业机器人的领域在我们国内也是热销,每年工业机器人大概销售量达到了15万台以上。

  焊接机器人,包括其他工业机器人,它在行业方面主要是应用在汽车、电子电器。汽车方面大家会在电视里面看很多镜头,都是机械手在一个流水线上的焊接。电子电器也是做一些激光焊接,然后分布式装卸一些工作。

  一般工业机器人它大概有5到6个轴,这个会有个变位机,它的工件会变位,它的机械手通过5到6轴可以操控,或者自由焊接。它们的缺点在于,它的工作范围是在0.5米到4米之间,一般的话都在1米到2米之间,而且价格比较昂贵。目前工业焊接机器人基本被国外的四大家族垄断,国内也会做,但是国内的机器人成本比较高一点。

  桥式或者门式焊机机器人是在焊接机器人上面又做了个延伸,它为了扩大它的工作范围半径,它会加个龙门架,龙门架看到这个视频里面它会前后移动,这个机械手在楼门架上面会左右移动。它又多了两个自由度,所以它的工作范围半径可以扩大到10米,或者10米以上。

  但是扩大10米以后,它的造价是比较高的,这也导致它初期的投资比较大,初期一般都是几百万以上的投入。

  2、工业机器人的应用短板

  机器人焊接它是必不可少的,必须要替代人工,它不是个选择,是势在必行的工程。但是目前这些场景,目前还没法自动化焊接,就类似于球罐,这个是1万立方的球罐,它的直径达到26米,它的壁厚是34毫米以上,目前它都是人工在焊接。一个球罐的重量就大概在几百吨以上,几百吨的工程量它需要里面焊、外面焊,双面都需要焊。

  这是一个球罐的焊接场景,大家看到第一幅图是在球罐,一帮工人在外面焊,一般一个几千立方米的球罐需要40个工人焊几个月,才能把这个球罐焊接完成,全部是手工电条来焊接。球罐从外面焊完以后,它是双面都得焊,他里面是工人在球罐里面进行焊接。焊接又涉及到个全位置焊接,有立焊、有仰焊。

  按焊接的话一般分为四个方位,横平立仰。平焊是最简单的,仰焊是最复杂的。很多工人在球罐里面作业,因为高温他会中暑或者休克,这种现象是时常发生的。

  其它案例

  储油罐焊接:10万立方的储油罐,直径就有80米,基本上是几个足球场大小,现在也全部人工在做。小型储油罐人工在做,大型储油罐有半自动化设备。

  船舶焊接:航母的夹板和它的船上格栅,也都需要人工来焊,基本都是最优秀的焊工,这个焊接量是非常大的。尤其是造船,焊接占到总投入50%以上。民用造船需要一段一段焊,最后焊接需要拼焊,所以它需要车间内把每一段焊完,在线上把所有这段再合拢焊缝,都是人工在做。

  核电焊接:这是一个核电现场,我上个月刚去了华龙一号的核电站,核电站里边也存在了大量的焊接焊缝。不锈钢水槽的核电现场里边是一圈的小房间,有各式各样的横焊缝、立焊缝。当所有工期都已经结束了,焊接才完成了四分之一,还有四分之三的工程量没有做,所以这个也需要实现自动化。

  目前看到这个焊接工况都是非常恶劣的。

  第一个是效率低下。

  第二个人工焊质量不稳定,出现不合格的焊缝是非常高的

  第三个是工作环境恶劣,各种职业病都会有

  第四个是人工成本高、用工难。

  目前的一些解决方案,有大家说的各种轨道焊,储罐上铺轨道,平面上铺轨道,管道上铺轨道,但基本是一个半自动化的操作设备。

  博清科技

  1、博清科技的创新团队

  博清科技是国内第一家从事这个智能焊接机器人的公司,也是我们国家自然科学基金成果转化项目,做过三个“863”的课题,在2017年1月份,到转化成我们博清科技。

  目前市面上有一些有导轨小车,还有一些平面焊接小车,这些都是非智能的小车装备,做智能化全国只有我们一家。

  

  这个是我们团队,潘际銮潘院士是我在清华博士生的导师,也是我们中国国内焊接第一人。刚才我们说的钢轨焊接,第一条京津高铁钢轨焊接就是潘院士带队解决的。还有秦山核电站的焊接,也是潘院士带队解决的,包括我们哈工大的焊接专业、清华的焊接专业,都是潘院士筹备的。

  我是潘院士的博士生,清华机械系博士,以前在航天科工,在西门子有过任职经历。

  高力生教授是潘院士的学生,是在五九届,今年还参加了他们毕业60周年的聚会,聚会上都是一些老教授,80多岁的都参与了。所以基本的核心团队是潘院士、高老师,他们在前面做了20多年,我和其他的团队成员在2017年把这个项目成果接手过来,然后进行产业化的转化。

  目前公司已经申请了大概专利80余项,在日本、欧洲、新加坡也做了专利布局。包括以前的美国专利,也转到了公司。国家自然科学基金相关的成果转化,也转到了公司。

  2、博清科技的优势产品

  目前我们这个产品有几个核心技术点,我简单介绍一下。

  首先是爬行机构,它现在已经做到了第四代机,结构比较小巧,控制性能比较好。其次是自主研发10余年的激光跟踪传感器,可以自主识别焊缝、自动跟踪。它的一个优势主要是可以在强烈的弧光下,可以抗弧光干扰、看电磁干扰能力比较强一点。

  所以我们机器人的核心点是三大步:

  第一个,爬行机。

  第二个,跟踪传感器,自主研发的。

  第三个,焊接工艺和控制算法。

  

  这个是爬行机的简单介绍,在清华拿到第一代机,现在通过三年时间已经做到第四代机。第四代机打算在今年上海埃森展一个世界性的展会去展出。二代机是在实验室做一些验证为主,三代机已经在国家多个项目上,在中石化,中科炼化一体化项目上做一些成功的经验。

  当时三代机重量还是33公斤,搬运不太方便,再到了四代机,爬行机重量已经是16公斤,所有负载加起来是25公斤,已经是比较轻便了。

  它对于曲面适应能力更强,一般爬行机它有障碍物、有焊缝、有坡口,包括它的曲力半径也不一样,在球罐上、在储罐上、在管道上,直径大于一定的程度上,我们现在大于3.5米以上,都可以在3.5米以上工件上来自己爬行,来自己跟踪焊缝。

  这个也是进行了模块的设计,目前我们是通过对工件表面进行吸附永磁,所以我们现在做碳钢多一些,后续的话可能会做一些真空吸附对不锈钢的解决方案,都会做起来。

  这块是焊接方面稍微比较专业的,我们通过多个自由度的一个控制,可以达到不同的焊枪的姿态。因为大家想工人操作焊枪也是各种姿态可以做出来,我们机器人也可以各种姿态都可以做出来。

  “Z”字型的、“T”型的、“V”型的,包括怎么摆动,上下摆动,怎么停留、怎么行进,各种焊枪模拟人体的状态都可以实现。

  其它介绍

  激光跟踪与熔池观察:另外一块比较核心的,是激光跟踪和熔池观察的关系。红点那块的地方是个激光跟踪点,我们一支激光会打到这个地方,然后进行图像处理、进行识别,然后机器就会跟着走。

  集中控制、自主认缝和对中:这个是我们一支支激光打上去工件表面一个效果,中间这个地方就是焊道,焊接的话可能有人不太了解,焊接需要先在工件上开坡口,开完坡口的话,再通过金属焊丝进行填充、进行焊接。

  我们的工艺比较先进一点,就是单面焊双面成形。刚才说到球罐,它的里面都得焊,我们只需要单面焊,里面它可以成形,而且成形效果非常好,这样的话质量也比较稳定,效率也大大提升。

  焊炬高度跟踪:这是一个焊炬高度,刚才说的跟踪是前后跟踪,跟着焊缝走,左右跟踪需要对到焊缝上,但是如果有忽高忽低,他这个上下,焊炬也需要跟踪,所以我们焊炬高度还有一个上下高度的跟踪,也是基于霍尔传感器,有一个控制理论,所以达到了前后、左右、上下,让焊接的电弧在熔值方面是非常稳定。

  防风:现场也会有其它的一些因素,比如说我们现在做的气保焊,他对风速的要求是有一定的限定条件,我们也做了一些防风的事情,这可能是偏重于技术了,我过的快一点,工控机和我们电路板相结合的一种控制方式。

  激光视觉传感技术:这块也是我们的一个核心技术,也是图像处理及跟踪传感技术,这块刚才也讲到,后面也有一个专家的鉴定意见,我会详细讲一下。

  多传感器融合控制技术:我们现在除了自主研发的眼光跟踪传感器,还有电弧跟踪传感器,还有超声传感器、姿态传感器,我们是多种传感器都放到我们的机器人上,做一个多传感器融合的技术,目前这几个传感器在一些大型场景上都得到了成功的验证。

  产品的工程应用

  这是之前清华做这个项目20余年,在各个地方做的一个应用,有造船厂、球罐厂、机械厂,但都是做单件、小批量的一个应用,当时也是质量和效率方面比较高。

  专家鉴定意见:当时对项目做了一个鉴定意见,我们中国做焊接就以潘院士为首,中国有四大院士,还有徐滨士院士、关桥院士、林尚扬院士,当时潘院士把其他三个院士邀请过来,做了一个鉴定意见。

  第一个鉴定意见就是我们的爬行机结构小巧,负载能力强,爬行机立面和仰面都可以负载120公斤以上。

  第二个鉴定意见是就是针对于激光跟踪和复合控制,我们不用向工业机器人那种还需要事先编程、示教,我们可以自主跟踪焊缝,跟踪精度可以达到正负0.5mm,这是完全满足我们焊接的要求。

  湛江东海岛:这是我们现在目前参与的一个项目,广东湛江,第一期投入360亿,后面还有追加投第二期、第三期,总投资将近1000亿人民币。

  有的人可能对湛江岛不太了解,他也是我们中国的第五大岛,现在主要做一个工业化应用的岛,包括国外的巴斯夫项目,也是投了100多亿美元,现在已经开工了,然后还有其它的公司,所以湛江这个岛上面,我们机器人面临的市场容量就达到一个几千亿的市场容量。

  中石化湛江项目(在建):这是我们参与的第一批项目,是储罐和球罐的焊接,焊缝如果按长度统计大概是8公里多一点。

  项目人员、机具配套情况:这是我们在项目上的一个能源配套措施,胡总说那个项目,就是回款各方面我们也是深有感触,我们开始一直做项目也是因为这个模式都在提,当时项目都已经做完了,但是钱还没有到账。后面也是通过一些设备租赁,包括我们现在后半年在泰州搭建的自动化生产线,到时候销售设备可能就为主了,包括我们激光传感器可以卖,我们机器人可以卖,销售设备为主,后面可能工程服务会占一定的比例,但不是绝对的比例。

  我们现场是25个人,焊工人员大部分都是硕士、博士,亲自在现场当焊工,然后焊接,当时湛江的温度也是30多度,大家都是挺辛苦的,也经历了那个过程。现在自己的工人队伍大概是10多个,也组建起来了,最后把那些工程师又替换回来了。

  3、 博清科技的产品拓展方向

  我们现在产线没有搭建起来,而且我们现在激光跟踪传感器也仅限于供我们的产品,所以没有做过多的对接,后面这个完全可以形成一个独立的产品。

  

  这是刚才介绍的拓展应用,就是爬行机,包括堆焊防腐,堆焊接防腐的话现在有大量的容量,相对来说比较小,大概每年几十亿的容量,很多公司,哈尔滨的、南方的都在做。然后铸件补焊,这个也可以做。焊缝探伤、结构件除锈,这个其实就涉及到我刚才说的提到的增量和存量的市场,我们焊接可能大部分在增量市场,但是存量市场通过爬行机也可以拓展。

  我下面举个例子,中石化现在和我们合作关系也比较紧密,我们和中石化集团的科技部包括信息化管理部都做了一个非常紧密的合作。包括是博清科技也是连续两年在中石化集团立项。

  检测机器人:包括激光跟踪传感器焊前检测、焊后检测、自适应控制和这些环节是怎么结合起来,都可以做个拓展应用。

  这块就说的比较重复了,就是专门各种专用的机器人,都可以后续研发出来。但是目前我们博清的定位还是比较明确的,就是要做一个爬行焊接,尤其是大中型结构件,做爬行焊接的一个领军者,争取达到国内顶级水平,后续的话会在两到三年以后拓展这些。

  这是刚才介绍检测的情况,大型结构件风力发电机的塔筒检测,前段时间有个老总还跟我聊这个业务。现在检测都是工人爬到几十米的高空,你看工人都在上面,大概那个距离地面已经是50米以上了,爬到上面做一些检测。但是检测的精度还不高,他们说前几个月刚检测完,没有过一个月,风力发电机叶片都穿了,就是从这边能看到那边,所以人工检测的局限性还是比较大的。

  还有一些大型构件的检测,现在都有问题。有一些复杂局面的,人工上去危险性是非常高的,我们机器人都可以替代。

  喷涂机器人:还有一些喷涂作业,喷涂这个是比焊接对人体的危害更大。但是很多一些大型结构件也都是人工在做,我们机器人也可以把这个做起来。

  清洗、除锈机器人:包括一些清洗和除锈,现在这些应用已经逐步有机器人在做了,包括北京的公司,深圳的公司,但是目前还是有一定受限。后续这个清洗除锈也可以通过爬行机做起来。

  公司资质

  最后介绍一下公司的一个资质,现在也是拿到了国高新、中关村高新,我们也是全北京第170多家院士专家工作站授权。去年拿到了中国第七届创新创业大赛全国的第二,北京赛区的第一。

  北京先进制造行业赛的第一,也是六个行业,加上互联网,加上总决赛的第一名。我们还在全国在洛阳的总决赛拿到了第二,这个比赛是全国3万多家相关的企业参赛,经历过半年,最后一层一层选拔,所以这个也是我们一些评委或者是对我们公司、对我们产品的认可。谢谢大家!

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  自驾路线:阜成门内大街往东,白塔寺药店正对面灰色大铁门即停车场入口。

  地铁路线:阜成门站B口出,沿阜内大街往东走,白塔寺十字路口西南角,中信银行对面即是。

  文字 | 冯消冰

  编辑 | 江缘

  摄影 | 崔龙成

  制图 | 崔龙成

  校对 | 王佳琪 赵楠 唐银

  终审 | 蔡润维

本文来自网络,不代表「佛山市高一亿不锈钢扁矩管厂家」立场,转载请注明出处。

作者: zhaosf

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