淺談焊接機器人現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

張文明　王新宇

摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，焊接自動化技術(shù)越來越多地應(yīng)用到現(xiàn)代工業(yè)的各行各業(yè)中。本文結(jié)合我國焊接機器人技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，對焊接機器人技術(shù)的發(fā)展趨勢和方向進(jìn)行分析和闡釋。

關(guān)鍵詞：焊接機器人；研究現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.04.203

0 引言

有著“工業(yè)裁縫”之稱的焊接在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域起著舉足輕重的作用。近些年來，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，高質(zhì)量產(chǎn)品的需求量大大地增加了，同時也對焊接技術(shù)提出了更高的要求。傳統(tǒng)的手工焊接技術(shù)在質(zhì)量和效率上已經(jīng)無法滿足當(dāng)今產(chǎn)品生產(chǎn)的需要了，所以焊接的自動化逐漸為世人所重視起來。焊接機器人近些年來已經(jīng)發(fā)展了三代，由最初的示教再現(xiàn)式的第一代機器人發(fā)展到攜帶有傳感器并且可進(jìn)行離線編程的第二代機器人，再到多傳感器自動編程的高度自動化的第三代焊接機器人[1]，焊接機器人已經(jīng)成為焊接自動化的標(biāo)志。

1 焊接機器人技術(shù)研究現(xiàn)狀

1.1 焊縫跟蹤技術(shù)

焊接機器人在執(zhí)行焊接操作時，要想得到高質(zhì)量的焊縫，周圍穩(wěn)定的焊接環(huán)境是其中的一個重要因素。可是對于焊接來說，整個焊接過程必然受到許多不確定的、時變的因素干擾。例如焊接產(chǎn)生的強烈的弧光，飛濺，煙塵以及工件表面狀況，焊接熱效應(yīng)使工件發(fā)生變形等因素，上述這些因素的干擾，會破壞焊接過程的穩(wěn)定性，可能會使焊炬偏離焊縫，影響焊接質(zhì)量。因此就要對焊縫進(jìn)行實時地跟蹤，根據(jù)焊接條件的不斷變化，對焊接參數(shù)，焊接路徑不斷進(jìn)行實時地調(diào)整，及時地糾正產(chǎn)生的偏差，滿足焊接質(zhì)量要求。焊縫跟蹤技術(shù)主要通過電弧傳感器感知電弧的實時變化，采用電弧電壓反饋調(diào)節(jié)機制[2]，對焊炬進(jìn)行上下左右地調(diào)整，尋找焊縫，實現(xiàn)焊炬跟隨焊縫的自適應(yīng)控制，再通過調(diào)整焊接工藝參數(shù)，最終實現(xiàn)對焊接質(zhì)量的控制。另外視覺傳感器結(jié)合計算機視覺圖像處理技術(shù)獲得了大量信息，增強了焊接機器人外部適應(yīng)能力。另一方面，隨著模糊數(shù)學(xué)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[2]應(yīng)用到焊縫跟蹤系統(tǒng)，使焊縫跟蹤更加智能化。

1.2 焊接機器人用弧焊電源的研究[3]

在研究焊接機器人的過程中，對弧焊電源的研究決不可忽略。焊接機器人作為一種電器，可見作為其動力支持的弧焊電源能夠起到多么大的作用。專用弧焊電源電器性能的優(yōu)良對焊接機器人的使用性能會產(chǎn)生很大的影響，電器性能良好的專用弧焊電源才能體現(xiàn)出焊接機器人高質(zhì)高效的特點。近些年弧焊電源技術(shù)日趨成熟，多數(shù)通過單片機對晶體管式弧焊逆變器進(jìn)行控制來充當(dāng)機器人專用弧焊逆變電源，能夠得到優(yōu)良的焊接動特性，保證焊接質(zhì)量和效率。目前出現(xiàn)了一種采用模糊控制的方式控制焊接電源的模糊控制電源，該種方法有較強的適應(yīng)性，能夠滿足所焊工件表面不平整，以及有較大變形的工況下的焊接，并且能夠焊縫熔寬、熔深的一致性，焊縫成型好，缺陷少。弧焊電源正在向著數(shù)字化的方向發(fā)展，焊接過程將更加穩(wěn)定，所受到的影響將進(jìn)一步減小，焊接質(zhì)量也更加能夠得到保證，數(shù)字化焊接電源將成為一種發(fā)展方向。

1.3 多臺焊接機器人與外圍設(shè)備的協(xié)調(diào)控制技術(shù)

隨著焊接機器人越來越多地投入到實際的焊接生產(chǎn)中，很大程度上提高了生產(chǎn)的質(zhì)量和效率。但是對于大量的焊接操作以及復(fù)雜的焊接結(jié)構(gòu)，單臺焊接機器人工作也會顯得效率低下，力不從心。一方面焊接機器人在工廠中主要是執(zhí)行批量生產(chǎn)的任務(wù)，這樣才能發(fā)揮出其高效的優(yōu)點，但是生產(chǎn)量過大，效率提高的也不明顯。另一方面，對于一些復(fù)雜的焊接結(jié)構(gòu)來說，單臺機器人無法單次完成焊接，會存在一些位置達(dá)到機器人的奇異點，機器人手臂無法到達(dá)所焊接的位置，預(yù)定焊接路徑中存在障礙物，或者遇到死點無法繼續(xù)焊接，只能采用變位機等外部輔助設(shè)施才能保證焊接繼續(xù)進(jìn)行下去，但這樣對工作效率也會產(chǎn)生極大的影響。這時就需要多臺焊接機器人共同完成焊接作業(yè)，例如在焊接一個大型的焊接結(jié)構(gòu)件時，單臺焊接機器人所能焊接的范圍較小無法一次焊接，一次焊接結(jié)束后還需要配合變位機等焊接輔助裝置再繼續(xù)施焊，這就要對經(jīng)過變位機變位后所焊工件的位置精度有較高的要求，否則還要對機器人重新進(jìn)行示教，這會浪費大量的工時，增加成本。但是在不同的方位上分別布置一臺機器人同時焊接，既避免了單臺機器人的行程限制，又省去了變位機等焊接輔助，很大程度上提高了效率。同時機器人不是單獨工作的，還有許多的外圍輔助設(shè)備，除了機器人本體外，還有控制柜、焊接電源、送絲機構(gòu)、變位機、夾具等。因此在焊接過程中就需要焊接機器人與周邊設(shè)備，機器人與機器人之間實現(xiàn)柔性化集成，能大大地減少輔助時間，很大程度上提高效率。

1.4 焊接機器人系統(tǒng)仿真技術(shù)

焊接機器人是一個多自由度、多連桿空間結(jié)構(gòu)，我們在研制、試驗、設(shè)計過程中經(jīng)常需要對其運動學(xué)、動力學(xué)性能進(jìn)行分析以及軌跡規(guī)劃設(shè)計。但是焊接機器人的運動學(xué)、動力學(xué)十分復(fù)雜，計算難度很大。我們以機械手作為仿真對象，結(jié)合計算機圖形學(xué)CAD技術(shù)以及機器人學(xué)理論，先在三維軟件中建立所焊工件的三維模型，載入到計算機中去，并且在計算機中生成焊接機器人機械臂，工作平臺等。并且能夠動畫演示機械臂的模擬行走軌跡，操作人員可以事先對行走軌跡進(jìn)行規(guī)劃，優(yōu)勢是有很強的直觀性。如果路徑規(guī)劃的不合理，機械臂存在奇異點無法到達(dá)，或者是在運動過程當(dāng)中遇到一些障礙物，發(fā)生碰撞等在計算機中會及時的反饋出來，工作人員會及時重新規(guī)劃路徑，提早解決問題，提高工作效率。

1.5 遙控焊接技術(shù)

焊接機器人的廣泛使用除了它的高質(zhì)量，高效率受到世人的青睞以外，它還能代替人類在一些復(fù)雜危險的環(huán)境下執(zhí)行焊接任務(wù)。操作人員在遠(yuǎn)離危險的安全位置上，對焊接機器人及相關(guān)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，來完成危險環(huán)境下的焊接任務(wù)。在航空航天，深海，核電等領(lǐng)域，都有了焊接機器人的身影。使焊接技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步開闊，但是這一項技術(shù)目前還并不是很成熟，世界多國都在進(jìn)行深入的研究。

2 焊接機器人發(fā)展趨勢

2.1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)

所謂虛擬現(xiàn)實技術(shù)[4]，就是對事件的現(xiàn)實性從事件和空間上進(jìn)行分解后重新組合的技術(shù)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)與焊接機器人技術(shù)相結(jié)合，用戶可以對焊接過程進(jìn)行模擬仿真，查看焊接操作的可行性。用戶可以在計算機上生成生產(chǎn)加工的仿真模型，將工藝過程轉(zhuǎn)化成數(shù)字化操作，再由數(shù)字化操作指導(dǎo)實際生產(chǎn)。用戶在計算機中就可以模擬機械手焊接的整個過程，包括機械手的行走軌跡，行走速度等，都清晰地展現(xiàn)在用戶面前。焊接過程中遇到的問題都會展現(xiàn)出來，用戶可以隨時對機械手的姿態(tài)，軌跡進(jìn)行調(diào)整，并且可以對多個焊接工藝進(jìn)行比較，選擇出最適合的工藝。

2.2 多傳感器信息融合技術(shù)

傳感器技術(shù)應(yīng)用到焊接機器人技術(shù)，是焊接機器人技術(shù)發(fā)生了一個質(zhì)的飛躍。擁有了傳感器技術(shù)的焊接機器人就像有了一雙眼睛，能夠?qū)崟r感知外界環(huán)境，及時進(jìn)行調(diào)整。相比于早期的焊接機器人，裝配有傳感器的機器人更加智能化，更有效率。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，僅僅擁有單一傳感器的焊接機器人已經(jīng)越來越無法滿足實際生產(chǎn)的需要，就如同人類擁有視覺、聽覺、觸覺、嗅覺等將外界信息綜合處理，做出最終的判斷。焊接機器人也是一樣，由于實際焊接過程中的干擾因素是多方面的，單一的傳感器并不能準(zhǔn)確的對周圍環(huán)境做出判斷，需要多種不同的傳感器同時進(jìn)行工作，對各自的信息進(jìn)行綜合，才能對實際環(huán)境做出最準(zhǔn)確的判斷。將多個傳感器的信息進(jìn)行柔性化的集成，并且將集成后的信息指導(dǎo)焊接機器人工作，該項技術(shù)的不斷趨于完善和成熟，將使焊接機器人的智能化更進(jìn)一步。

2.3 多智能焊接機器人系統(tǒng)

對于一些復(fù)雜的焊接件，需要多臺焊接機器人相互配合，共同完成相互關(guān)聯(lián)的焊接任務(wù)，最終完成焊接操作。多臺焊接機器人工作很容易實現(xiàn)，但是多臺機器人同時完成一個焊接任務(wù)時，需要焊接機器人柔性化地集成起來，每臺機器人分工明確，協(xié)調(diào)好各臺機器人的工作，各臺機器人的信息交互要流暢，避免在執(zhí)行焊接操作任務(wù)時發(fā)生碰撞等問題，反而使效率大打折扣，得不償失。

2.4 移動機器人

目前投入使用的焊接機器人大多數(shù)為固定式或者是單個機械臂，這在實際的焊接生產(chǎn)中會產(chǎn)生諸多不便。焊接機器人的可達(dá)范圍收到了很大程度上的制約，一方面機械臂如果伸出過遠(yuǎn)，會導(dǎo)致其剛度有些許的下降，加之其末端執(zhí)行器要負(fù)載自動焊槍，致使在焊接過程中會產(chǎn)生輕微的抖動，容易造成焊接電弧不穩(wěn)，保護(hù)氣體保護(hù)效果下降，這對焊接質(zhì)量的影響是很大的。另一方面采用多臺機器人焊接會增加成本，并且要保證各機器人之間能夠柔性地集成在一起，這都增加了工作量。移動機器人還有一些問題亟待解決，如噪音、震動、機器人通訊、運動精度等。如果移動機器人能夠得到廣泛應(yīng)用，將是焊接行業(yè)革命性的進(jìn)步，將是未來研究的重點與熱點。

3 結(jié)論

我國科技水平的迅速發(fā)展，極大地帶動了制造業(yè)的發(fā)展。焊接機器人作為制造業(yè)升級變型的重要標(biāo)志已經(jīng)得到了國家的高度重視，政府加大政策和資金支持促使焊接機器人得到飛速地發(fā)展。隨著計算機技術(shù)、傳感器技術(shù)、人工智能技術(shù)等的發(fā)展，引進(jìn)及吸收先進(jìn)技術(shù)和經(jīng)驗，焊接機器人技術(shù)會快速走向成熟，提升我國的制造業(yè)水平。

參考文獻(xiàn)：

[1]宋金虎.我國焊接機器人的應(yīng)用于研究現(xiàn)狀[J].電焊機.2009，39（04）：18-21.

[2]王恩浩.焊接機器人技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2014，（14）：3-4.

[3]杜舜堯，陳明和，吳詩語.焊接機器人技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].裝備制造技術(shù)，2015（08）：50-52.

[4]施春芳.焊接機器人技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢的研究[J].中國科技投資，2012，6（24）：161.

作者簡介： 張文明（1959-），男，遼寧沈陽人，學(xué)士，教授，研究方向：焊接技術(shù)及自動化。