淺談焊接機器人現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

張文明　王新宇

摘 要：隨著科學技術(shù)的飛速發(fā)展，焊接自動化技術(shù)越來越多地應用到現(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)領域起著舉足輕重的作用。近些年來，隨著科學技術(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能力。另一方面，隨著模糊數(shù)學與神經(jīng)網(wǎng)絡[2]應用到焊縫跟蹤系統(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行控制來充當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，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，會存在一些位置達到機器人的奇異點，機器人手臂無法到達所焊接的位置，預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施才能保證焊接繼續(xù)進行下去，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、設計過程中經(jīng)常需要對其運動學、動力學性能進行分析以及軌跡規(guī)劃設計。但是焊接機器人的運動學、動力學十分復雜，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CAD技術(shù)以及機器人學理論，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，或者是在運動過程當中遇到一些障礙物，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雜危險的環(huán)境下執(zhí)行焊接任務。操作人員在遠離危險的安全位置上，對焊接機器人及相關(guān)設備進行遠程控制，來完成危險環(huán)境下的焊接任務。在航空航天，深海，核電等領域，都有了焊接機器人的身影。使焊接技術(shù)的應用領域進一步開闊，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)，軌跡進行調(diào)整，并且可以對多個焊接工藝進行比較，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行工作，對各自的信息進行綜合，才能對實際環(huán)境做出最準確的判斷。將多個傳感器的信息進行柔性化的集成，并且將集成后的信息指導焊接機器人工作，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一步。

2.3 多智能焊接機器人系統(tǒng)

對于一些復雜的焊接件，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，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，會導致其剛度有些許的下降，加之其末端執(zhí)行器要負載自動焊槍，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)，保護氣體保護效果下降，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用，將是焊接行業(yè)革命性的進步，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，引進及吸收先進技術(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：

[1]宋金虎.我國焊接機器人的應用于研究現(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，學士，教授，研究方向：焊接技術(shù)及自動化。