焊接機器人關鍵技術及應用發(fā)展現狀

肖潤泉，許燕玲＊，陳善本，楊乘東

1.上海交通大學材料科學與工程學院機器人焊接智能化實驗室 上海 200240

2.上海電氣核電集團有限公司 上海 201306

1 序言

機器人被譽為“制造業(yè)皇冠頂端的明珠”，是衡量一個國家創(chuàng)新能力和產業(yè)競爭力的重要標志，已經成為全球新一輪科技和產業(yè)革命的重要切入點。針對中國工業(yè)機器人產業(yè)發(fā)展，我國相繼出臺了工業(yè)4.0及《機器人產業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2016—2020年）》等政策，從宏觀、戰(zhàn)略角度構建產業(yè)頂層設計，大力支持機器人產品智能化發(fā)展，并凸顯出機器人技術對產業(yè)轉型升級的驅動作用，為機器人的發(fā)展和應用推廣帶來了新的機遇[1]。我國目前使用的機器人主要有日系、歐系和國產三種。日系主要有安川、FANUC、OTC、松下、不二越、川崎等公司的產品；歐系中主要有德國KUKA、CLOOS，瑞典ABB，意大利COMAU及奧地利IGM等公司的產品；國產機器人主要有新松、新時達、節(jié)卡、埃夫特、圖靈、埃斯頓及杰瑞機器人等公司的產品。

隨著中國制造產業(yè)規(guī)劃的不斷推進，機器人作為智能制造的關鍵設備應用越來越廣泛。目前，中國已成為全球最大工業(yè)機器人市場，機器人擁有量占全球三分之一以上份額。過去的10年，工業(yè)機器人迎來了爆發(fā)式的增長。據相關數據統(tǒng)計，我國工業(yè)機器人銷量由2012年的不到2.5萬臺增長到2019年的18萬臺，2020年更是預計將超過20萬臺，如圖1所示。其中焊接機器人占據整個工業(yè)機器人總量的40%以上，焊接作為工業(yè)“裁縫”是工業(yè)生產中非常重要的加工手段，是智能制造技術的關鍵環(huán)節(jié)。由于焊接行業(yè)的特殊性，焊接過程存在大量煙塵、弧光、金屬飛濺，焊接環(huán)境非常惡劣，產能低、招工難、利潤低成為焊接領域發(fā)展的痛點，而將傳統(tǒng)的焊接與機器人結合起來，能夠更好地解決這些痛點，機器人智能化焊接將成為未來中國焊接制造發(fā)展的必然趨勢。

圖1 2012—2020E年中國新增機器人數量

焊接機器人分為三代[2]，如圖2所示。第一代示教-再現型機器人，焊接機器人根據編好的程序進行指定的工作，焊縫一致性良好，但對多變的外部環(huán)境適應性不足。第二代機器人依托傳感技術，獲得了一定的環(huán)境感知能力，可以根據既定規(guī)則對環(huán)境變化做出響應。但對超出規(guī)則外的工況變化仍缺乏適應性，因此被稱為低智能機器人。第三代智能機器人可以根據學習算法，主動感知周圍變化，并自主推理做出決策?？梢灶A見，第三代機器人可以完全脫離人獨立完成焊接作業(yè)，從而實現真正的機器換人。隨著現代制造技術的發(fā)展，對機器人智能化焊接技術的深入研究和應用領域的推廣，是未來焊接智造的必然趨勢。

圖2 焊接機器人的發(fā)展歷程

2 焊接機器人智能化關鍵技術

機器人智能化焊接是通過視覺傳感、電弧傳感、聲學傳感等多種傳感手段，使機器人能夠感知焊接過程變化，并進行推理和決策，實現焊接質量的控制[3]。目前智能化焊接技術的研究重點主要集中在焊接初始位置引導、焊縫跟蹤、熔池監(jiān)測、熔透控制及缺陷識別等各個環(huán)節(jié)，如圖3所示。

2.1 機器人焊接中的傳感技術

傳感技術在機器人智能化焊接中發(fā)揮著重要的作用，目前，視覺傳感、聲音傳感、電弧傳感、光譜傳感及溫度場傳感等傳感手段正被用于焊接過程實時監(jiān)控中，圖4為一個典型的多傳感器智能化焊接監(jiān)控系統(tǒng)。

在這些傳感器中，電弧聲音傳感器利用焊接電弧的能量變化，可以靈敏地感知熔池狀態(tài)和焊接質量變化，常用于監(jiān)控電弧變化、預測熔滴過渡類型等[5]。由于電弧傳感器采集到的焊接電流與電壓電弧信號直接影響著焊縫成形質量，因此這些電信號普遍用于預測焊接熔透，分析焊接缺陷等[6]；此外，機器人TIG焊中電弧電壓與弧長的對應關系，可用于實時焊縫跟蹤控制[7]。溫度傳感器可以直接獲取焊接過程中的溫度分布狀態(tài)，獲取的熔池信息不易受弧光影響，在熔透狀態(tài)預測、焊接質量監(jiān)控等方面都具有較大的應用前景[8]。電弧光譜具有信息豐富、與電弧不接觸的優(yōu)良特性，是焊縫缺陷分析最具前景的新方法[9]。

圖3 基于傳感技術的機器人智能化焊接技術

圖4 典型多傳感器焊接系統(tǒng)[4]

視覺傳感器以非接觸特性、信息豐富、精度高、檢測速度快及適應性強等優(yōu)點，成為最受重視的傳感技術，被廣泛用于焊接導引、焊縫跟蹤、焊接過程監(jiān)控中。根據是否使用輔助光源，可以將視覺傳感器分為主動視覺傳感和被動視覺傳感[2]。被動視覺直接使用電弧作為光源，具有圖像信息豐富，傳感器結構簡單等優(yōu)點，主要在焊接環(huán)境識別、熔池監(jiān)控中應用。而主動視覺是利用結構光等作為輔助光源，其受焊接過程影響較小，具有圖像質量穩(wěn)定、精度高、焊縫特征明顯等優(yōu)點，常用于焊接尋位和焊縫跟蹤控制中。

2.2 焊接導引與尋位

焊接導引技術是根據傳感器恢復的空間坐標引導機器人到焊接初始點。楊雪君等人基于被動視覺傳感器，采用一目多位的方式恢復特征點空間坐標[10]，如圖5a所示。 Liu等人[11]根據主動視覺傳感器的測量模型獲取特征點的三維坐標，如圖5b、圖5c所示。視覺導引技術為機器人提供了應對加工、裝配誤差等導致的起弧點偏離的問題。

圖5 焊接導引

近年來，視覺導引技術也常用于解決焊接示教復雜的問題。Lei等人[12]利用主動視覺控制器獲取工件點云，并自動生成焊接路徑，實現了一定程度上的自主焊接，如圖6所示。

圖6 視覺導引技術

2.3 焊縫跟蹤技術

焊縫跟蹤技術是在焊接過程中實時調整機器人軌跡，使機器人能適應熱變形等導致的軌跡偏差，可以有效地保證焊接質量，已逐漸用于各焊接生產線中。許燕玲等人[7]采用被動視覺傳感器提取焊縫邊緣及熔池區(qū)域圖像的特征，實現了過程中的焊接軌跡自動糾正，其焊接系統(tǒng)及典型圖像如圖7所示。張綸昭等人[13]通過處理主動視覺傳感器采集到的激光條紋圖像，獲得焊縫特征點三維坐標實現焊縫跟蹤，如圖8所示。這些傳感器在保持較高精度的同時，對焊接過程中的弧光、飛濺、煙塵等抗干擾性能強。

目前，市面上的焊縫跟蹤產品越來越多，如加拿大賽融、英國meta，國內英萊、創(chuàng)想、睿牛等，另外一些高校也推出了自己的視覺傳感焊縫跟蹤系統(tǒng)，如圖9為上海交通大學陳善本教授團隊自主開發(fā)的視覺傳感系統(tǒng)。

圖7 焊接系統(tǒng)及典型圖像

圖8 三坐標焊縫跟蹤

圖9 上海交大自主開發(fā)的焊縫跟蹤系統(tǒng)

2.4 熔池監(jiān)控技術

焊接熔池是焊工焊接時最直接的信息來源，可以反應焊接過程的重要信息。焊接熔池形貌特征直接反映了焊接工藝參數的優(yōu)劣，并與焊縫成形質量，如熔寬、熔深等直接關聯。因此，通過監(jiān)控焊接過程中的熔池動態(tài)變化，可以實時調整焊接工藝，抑制焊接缺陷，以保證焊接質量。

被動視覺傳感器擁有更豐富的圖像信息，在熔池狀態(tài)監(jiān)控方面具有天然的優(yōu)勢。吳頔等人[14]根據VPPAW中熔池圖像特征，建立了熔透狀態(tài)預測模型，如圖10a、圖10b所示；樊重建等人設計了三光路視覺傳感系統(tǒng)，同時了采集熔池正前方、斜后方、斜下方清晰的熔池圖像，如圖10c所示，用于分析 GTAW 焊接熔池動態(tài)變化及成形規(guī)律[15]。

2.5 缺陷檢測

基于視覺傳感器的焊后缺陷檢測近年也取得了一定成果。相較于傳統(tǒng)的人工檢測方式，采用機器視覺進行缺陷檢測具有檢測效率高，評價標準一致等優(yōu)點。同時，隨著目標識別算法的發(fā)展，焊縫缺陷檢測的準確性和可靠性也逐步提升，促進了視覺檢測在實際生產中的應用。Sassi等人[16]開發(fā)了一套自動焊接缺陷自動檢測系統(tǒng)，已在生產線中投入使用，如圖11所示。孫志剛等人[17]采用Faster Rcnn算法實現了在管道機器人焊縫的缺陷檢測。

圖10 熔池監(jiān)控技術

圖11 焊接缺陷檢測系統(tǒng)

3 焊接機器人行業(yè)應用分析

隨著社會的發(fā)展，焊接的用工成本越來越高，加上社會對職業(yè)環(huán)境及健康狀況越來越關注，而傳統(tǒng)焊接生產方式中存在著大量粉塵污染，致使企業(yè)的勞動力不斷流失。企業(yè)迫切需要引進先進的自動化設備來取代人工操作，因此機器人智能化焊接成為未來發(fā)展主流。

3.1 汽車行業(yè)應用現狀

由于汽車制造的批量化、高效率和對產品質量一致性的要求，使機器人生產方式在汽車焊接中獲得了大量應用。2018年汽車行業(yè)機器人占全球工業(yè)機器人總安裝量的30%[18]。而我國作為汽車制造大國，國內約一半的工業(yè)機器人應用在了汽車制造業(yè)，汽車工業(yè)的機器人密度達到305臺/萬人，遠高于國內49臺/萬人的平均水平，已經達到了發(fā)達國家制造業(yè)的自動化水平[1]。

汽車焊接流水線中，點焊機器人、弧焊機器人、激光焊接機器人等已經被廣泛應用。機器人通過離線編程等方式相互協(xié)調配合，可在極短的時間內完成車身焊接，顯著提高了生產效率。在焊縫跟蹤、焊接過程監(jiān)控、焊接缺陷檢測等技術的幫助下，德國、韓國等國家甚至出現了完全無人的汽車生產線，如圖12a所示。而在國內，上汽通用金橋工廠車間內實現了100%焊接自動化，生產線上有380多臺機器人，而僅有幾十名工人，如圖12b所示，每小時可以完成40臺整車從焊接到裝配形成的一條龍流水線作業(yè)[19]。

但是，目前汽車行業(yè)所使用的機器人生產線幾乎所有的裝備都是從國外引進，國產機器人幾乎找不到表演的舞臺。我們應該承認，國產機器人無論從控制水平還是可靠性等方面與國外機器人還存在一定的差距。國外機器人經歷了30多年的高速發(fā)展已經日趨完善，而國內機器人生產廠家仍然處于幼兒期，尚處于小批量的生產狀態(tài)。焊接機器人是機電一體化的高技術產品，單靠企業(yè)的自身能力是不夠的，需要政府對機器人生產企業(yè)及使用國產機器人系統(tǒng)的企業(yè)給予一定的政策和資金支持，加速我國國產機器人的發(fā)展。

圖12 焊接機器人在汽車生產中的應用

3.2 海工裝備行業(yè)應用現狀

船舶制造業(yè)是典型的勞動密集型產業(yè)，在中國，船舶制造業(yè)90%以上的設備制造以人工為主體，自動化率僅為日韓的30%。目前國內船舶焊接中自動化程度較低，大部分焊接工作都是人工焊接完成，勞動環(huán)境惡劣，污染嚴重，產品質量不穩(wěn)定，生產效率低，工人勞動強度大，安全風險高，如圖13所示。由于海工裝備行業(yè)中的焊接工件存在著非標準化和定制化特點，第一代示教-再現型機器人很難直接應用于實際焊接生產中。

而隨著智能化機器人焊接技術研究的深入，焊接機器人開始擁有適應不同工況的能力。以大型船舶制造中占很大比重的小組立和中組立焊縫為例，國內外廠家做了大量的技術開發(fā)，但真正在我國船舶制造中實際應用的自主焊接機器人系統(tǒng)并不多，大部分仍然是采用國外進口系統(tǒng)裝備。例如丹麥Inrotech公司的船用焊接機器人系統(tǒng)，如圖14所示。該系統(tǒng)目前在國內多家船廠使用，但形成了技術壟斷，設備非常昂貴，不開放系統(tǒng)接口，無法進行技術升級和二次開發(fā)。

圖13 海工裝備焊接

圖14 丹麥Inrotech公司船用焊接機器人系統(tǒng)

中船重工716研究所在原有吊裝式艙室機器人焊接系統(tǒng)的基礎上，設計了一套優(yōu)化的導軌式艙室機器人焊接系統(tǒng)[20]，如圖15所示。采用該焊接系統(tǒng)可以高效地完成艙室多分段焊縫，尤其是對艙室眾多的典型T形焊縫的焊接。該成果雖然基本實現了艙室焊接的功能，達到了船舶焊接質量要求，取得了階段性成果，但離廣泛普及仍有一段距離。

圖15 中船重工716研究導軌式艙室機器人焊接系統(tǒng)

4 未來焊接機器人應用發(fā)展趨勢

總體而言，一方面，我國制造業(yè)中焊接機器人正在逐漸普及，自2013年以來，雖然我國就成為了世界工業(yè)機器人第一大市場，但我國機器人產業(yè)尚處于發(fā)展的初級階段，國產機器人產量低、市場競爭力小，核心技術仍多靠引進。另一方面，焊接機器人仍以示教-再現型機器人為主，由于傳感器價格及技術壟斷等原因的限制，第二代焊接機器人仍未廣泛普及，機器人操作仍嚴重依賴工人。因此，未來的焊接機器人在制造水平和智能化技術等方面具有廣闊的發(fā)展空間。

4.1 傳感技術的應用發(fā)展

由于焊接環(huán)境和空間的限制，現階段傳感器的功能單一，通信接口、格式等并沒有統(tǒng)一的標準。多種傳感器的復合使用會使系統(tǒng)變得極為復雜，大量數據的同步處理也為控制器的性能帶來了極大考驗。此外，高動態(tài)范圍的視覺傳感器和高速相機等高端產品由于其高昂的價格難在實際生產中普及。因此，未來焊接用的傳感器必將向小型化、低成本、高性能方向發(fā)展。

4.2 機器人核心關鍵部件開發(fā)

目前國產機器人廠商僅進行機器人本體的加工，不涉及機器人上游核心部件，如減速器、伺服電動機、運動控制器的研發(fā)。這些核心部件嚴重依賴進口，占據了機器人生產中70%以上的成本，使得國產機器人的價格也居高不下。對工業(yè)機器人核心部件的掌握程度，決定了機器人所能達到的高度。因此，核心部件的發(fā)展必須引起高度重視，只有提升了三大核心零部件的生產技術與質量，才能提高國產機器人的研發(fā)與制造水平。

4.3 人工智能技術的應用

近年來，人工智能技術的發(fā)展備受矚目，以深度學習為代表的多種機器學習算法已經被廣泛用于焊接生產中。例如，以卷積神經網絡（CNN）和循環(huán)神經網絡（RNN）為代表的特征提取模型在圖像信號和時序信號的特征提取方面展現了強大的能力；以xgboost為代表的推理模型也正成為解耦復雜焊接過程的有效工具。這些模型相較于傳統(tǒng)算法具有更高的魯棒性和環(huán)境適應能力，在智能化焊接發(fā)展中具有廣闊的應用前景。

4.4 焊接協(xié)作機器人

目前，焊接機器人仍處在低智能階段，離完全自主型機器人尚有很長的發(fā)展歷程。IFR2019年度報告分析指出，重量輕、易操作的協(xié)作機器人雖然數量仍很低，但增長率達到了34%，開始成為一個重要的工業(yè)機器人發(fā)展趨勢。協(xié)作機器人具有占地小、靈活性高、易于編程等特點，使其非常適用于高效率、低密度的生產模式。通過人機配合的模式，一定程度上提高了機器人對環(huán)境的適應性，在提高生產效率的同時降低了操作員的技術門檻。

4.5 焊接智能工廠

隨著互聯網、物聯網和云計算技術的逐漸成熟，基于智能云管理焊接系統(tǒng)的生產線也成為制造業(yè)中重要的發(fā)展方向。物聯網技術可以實現所有焊接設備、傳感器間數據實時共享，有助于促進多機器人的協(xié)調配合，提高生產效率；而利用大數據和云計算等信息技術，可以從焊接生產的海量數據中挖掘出潛藏的焊接規(guī)律，進而使用這些規(guī)律控制焊接過程，使機器人智能化水平進一步提升。生產過程數字化、網絡化、智能化成為未來加工制造過程的必然趨勢。

5 結束語

隨著智能化技術的發(fā)展和制造業(yè)用人成本的提高，機器換人已經成為工業(yè)發(fā)展的必然趨勢。目前，我國已經成為機器人使用量最多的國家，但國產機器人市場占比低，核心部件發(fā)展較慢。在實際生產中，焊接機器人在汽車和3C行業(yè)中已初具規(guī)模，而在海工裝備制造中仍有待發(fā)展，基于傳感技術的第二代機器人正逐步替代傳統(tǒng)示教-再現型機器人。同時，由于焊接對傳感系統(tǒng)的跟蹤精度、實時性和魯棒性高要求，以及價格等因素的限制，所以基于傳感信息技術的第二代機器人尚未普遍應用。近年來，隨著人工智能技術的發(fā)展，機器人智能化水平逐步提升，基于物聯網技術的智能焊接工廠將成為下一階段的發(fā)展重點。