焊接智能化與智能化焊接機器人技術研究

張曉晨 林程英

摘要：機器人焊接是焊接行業的突破性進步。它相對于傳統的焊接剛性自動化方式而言，是一種柔性的自動化新方式。

關鍵詞：焊接智能化;智能化焊接機器人;技術研究

引言

機器人制造是一種新興的現代制造技術，對高技術產業各領域以及人們的生活產生了重要影響。焊接機器人是應用最廣泛的一類工業機器人，在全世界的工業機器人比例中大約占總數的60%以上。我國目前大約有700臺以上的焊接機器人用于點焊和弧焊。機器人焊接是焊接行業的突破性進步。它相對于傳統的焊接剛性自動化方式而言，是一種柔性的自動化新方式。這樣柔性主要表現在，想要讓焊接機器人完成一項焊接任務，只需焊工給它做一次示范，它就可以模仿人的每一步動作。若要機器人去做另一項任務，不需要改變硬件，對它再作一次示范就可以了。機器人的這種性能，讓小批量不同產品的自動化焊接成為了可能。而剛性自動化焊接設備一般都是專用的，只能完成一種焊接任務，通常用于中、大批量焊接產品的自動化生產。

1.焊接機器人系統的組成部分

1.1 機械手臂。別名操作機，是焊接機器人的操作部分，由它直接帶動末端焊槍飛點焊鉗實現各種操作，它的結構形式多種多樣，根據實際需要，其追求的目標是高質量、高靈活性。

（1）關節式手臂是通用焊接機器人的最常見結構，通常有六個或更多的運動軸。關節式手臂的優勢在于它的靈活性高，而且能夠到達手工焊接難以到達的區域。

（2）直角坐標式手臂是另外一種結構，它可以用于一些小型的高精度加工和一些需要大型的操作范圍的場合。

（3）機床式手臂這種機械手結構類似機床。這種形式的機械手優點是精度高，缺點是機構笨重，占地面積大。簡易焊接機器人常采用這種形式

1.2 焊接部件。（1）對于電阻焊來說，機器人的末端執行機構需要一個便攜式的電阻焊槍。對于電阻焊槍，有兩方面的要求。因為焊槍需要重復操作，保證它的堅固性是很重要的。不過，焊槍也必須是緊湊且可靈活操縱的。

（2）對于電弧焊接來說，輸出穩定的弧焊電源是必不可少的。

（3）對于激光焊接來說，一系列傳輸激光的鏡片是必要的。激光束沿著機器人手臂傳輸到工作臺，二氧化碳激光通過一系列鏡片傳輸。而一些特別的激光束，如光纖激光，需要利用柔韌的光纖光纜傳輸。

1.3 機器人控制系統

控制系統有3個部分組成。

（1）操作界面。焊接機器人系統最起碼需要有生產操作界面與示教編程界面。前者用于選擇一個特定的已編程作業，后者用于允許示范和檢查焊接操作。

（2）位置控制部分。通過驅動三個或更多的執行器，機器人手臂的末端可以在三維環境中跟隨任意路徑。

（3）功能控制部分。這部分以一種可控的方式來協調控制機械手臂的運動和所要求焊接的功能。

2.點焊機器人具體分析

（1）點焊機器人的應用領域

點焊機器人的典型應用領域是汽車工業。一般裝配每臺汽車車體大約需要完成3000―4000個焊點，而其中絕大部分是由機器人完成的。

（2）點焊機器人的分類、特征以及用途

1）垂直多關節落地式，工作空間/安裝面積之比大，持重多數為1000N左右，有時還可以附加整機移動自由度，主要用于增強焊點作業。

2）垂直多關節懸掛式，工作空間均在機器人的下方，主要用于車體的拼接作業。

3）直角坐標型，多數為4、5軸，適合于連續直線焊縫，價格便宜。

4）定位焊接用機器人，可以承受1000KG加壓反力的高剛度機器人。有些機器人本身帶加壓功能，主要用于車身底板的定位。

（3）點焊機器人的組成部分

點焊機器人雖然有多種結構形式，但大體上都可以分為3大組成部分，即機器人本體、點焊焊接系統及控制系統。目前應用較廣的點焊機器人，其本體形式為直角坐標簡易型及全關節型。前者可具有1～3個自由度，焊件及焊點位置受到限制;后者具有5～6個自由度，分DC伺服和AC伺服兩種形式，能在可到達的工作區間內任意調整焊鉗姿態，以適應多種形式結構的焊接。

3.激光焊接機器人具體分析

激光焊接機器人的應用領域由于現在的電子裝置、數碼產品向著微型化發展，集成電路元件的引腳間距變得越來越小，部件之間的空間也越來越小。激光焊接機器人系統就被應用于手機，筆記本電腦，數字相機的微小部件焊接。而且，在航空航天軍工制造，高端汽車部件制造領域，激光焊接機器人也有應用。

4.焊接機器人的二次開發（智能化）

一般工業現場應用的焊接機器人大都是示教再現型的，這種焊接機器人對示教條件以外的焊接過程動態變化和隨機因素干擾等不具有適應能力。這就需要對本體機器人焊接系統進行二次開發。通常包括給焊接機器人配置適當的傳感器，柔性周邊設備以及相應軟件功能。這些功能大大擴展了基本示教再現焊接機器人的功能，從某種意義上講，這樣的焊接機器人系統已具有一定的智能行為。目前，這種焊接機器人智能化系統已成發展趨勢，現行機器人焊接智能化系統由以下幾部分組成（1）任務規劃技術;（2）焊接環境等的傳感技術;（3）協調控制技術;（4）人機交互界面：（5）機器人控制技術。

5.焊接機器人與人工焊接比較

在西方發達國家，隨著技術的發展，焊接機器人的價格指數在不斷地降低，而相反的是，勞動力成本的持續提高為企業帶來了很大的壓力。雖然焊接機器人的價格依舊高于勞動力，但它只是一次性投資比較大，而工人在焊接中可能遇到事故，這都需要企業來賠償，高質量的焊接機器人發生事故，造成損失的概率非常之效。所以采用焊接機器人帶來的利潤比采用人力才來的利潤大。而且，焊接機器人的焊接接頭質量遠遠不是人工焊接所能夠比擬的，采用焊接機器人，無疑能夠提高企業的產品質量。

結論

焊接機器人在追求高質量、高效率的焊接生產中，發揮了不可替代的作用。近年來，焊接機器人技術的研究與應用在焊縫跟蹤、信息傳感、離線編程與路徑規劃、智能控制、電源技術、仿真技術、焊接工藝方法、遙控焊接技術等方面取得了許多突出的成果。隨著計算機技術、智能控制技術以及工業生產系統的不斷發展，焊接機器人的視覺控制技術、模糊控制技術、虛擬現實技術等將是未來研究的主要方向。

參考文獻

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