工業機器人焊接關鍵技術分析及應用分析

西安思源學院 楊宏偉 呂建新 王 娜 張 偉

近年來，隨著機器人技術的日益成熟和發展，促進了焊接制造領域的技術更替。本文主要介紹了焊接機器人近年來的發展狀況、關鍵性技術研究和應用，同時對焊接機器人市場應用前景進行了展望。

機器人作為智能制造的前沿裝備，應用日趨廣泛。國內機器人的應用從之初的數萬臺在短短幾年內突漲到20萬臺，且還會繼續有大增的空間，增長速度之快令人瞠目。在整個工業機器人當中，焊接機器人幾乎占據半壁江山，它作為近代工業前沿的先行者，在傳統焊接制造基礎上的改型應用已經深入工業領域的方方面面，成為現代制造技術無可替代的重要角色。尤其在焊接領域工作環境非常復雜的情況下，諸如焊接過程中出現的煙氣、粉沫、塵粒、弧光害、金液濺射，焊接場景非常惡劣，產能計量配比偏低、招工十分困難、利薄耗大已經成為焊接行業發展的瓶頸。將傳統焊接形式與智能機器人相結合、促成機器人柔性焊接已經成為機械制造焊接加工的當務之急。

1 機器人焊接的關鍵技術

在機器人焊接過程的若干個環節中，當以開始進行焊接時的位置確定及引導、焊接縫隙識別和跟蹤、金屬高溫熔化形成熔池的監測、焊縫熔透情況控制及焊接缺陷鑒定識別幾個關鍵點，機器人焊接系統可通過傳感器感知系統、傳感器電弧焊接系統、傳感器聲學系統等諸多傳感形式，使機器人焊接過程能夠感知到焊接狀態的變化情況，進行判斷和決策，達到焊接過程質量控制之目的。

1.1 傳感技術在焊接過程的應用

傳感器是感知物理量變化的重要裝置，它在機器人智能焊接過程中發揮了很大作用，諸如傳感器視覺感知、傳感器聲音感知、傳感電弧感知、傳感器光譜強度感知、傳感器溫度場感知等感知技術，這些感知傳感在焊接監控中發揮著很重要作用。不同的傳感器在傳感過程中作用機理也不相同。

（1）以電弧焊接過程的聲音作為參照進行傳感，此類型傳感器傳感正是利用了焊接過程中電弧電流電壓大小的變化情況，從而感知到熔池瞬時狀態的變化情況及焊接質量隨之變化情況，此方法可用于監控焊接過程中電弧的波動情況、較準確預測和判斷高溫熔滴形成的類型。

機器人焊接時，通過前沿傳感系統，連續采集機器人焊接的過程電流和過程電壓，實時監控機器人焊質量及焊縫變化情況，因此該傳感系統主要應用于機器人焊接熔透情況的預測、機器人焊接過程中缺陷形成原因分析等，尋找機器人電弧電流電壓與焊接弧長的規律，從而進行有效的機器人焊接焊縫跟蹤感知。

（2）以溫度變化作為參照，傳感焊接過程中溫度分布情況，可以獲得高溫金液熔池變化數據，不會輕易受弧光影響，對熔透狀態進行預測，使焊接質量有較大的提升。電弧光譜特點是信息比較豐富、與電弧不接觸，該方法是對焊縫缺陷進行分析的佳選擇。

（3）在幾個主要焊接傳感系統中，以視覺為物理量的傳感系統，在檢測焊接狀態過程中，始終沒有和檢測對象接觸，采用的非接觸傳感，檢測的信息量大、檢測的精度較高、并且能夠快速做出響應，常常被用于焊接過程的導入和導出、焊接縫隙的隨機跟蹤、機器人焊接過程的實時監控。

以視覺為物理量的傳感器，按照輔助光源的有無，分為主動式為主的視覺傳感器和被動式為主的視覺傳感器。常常把被動式視覺傳感系統應用在對焊接環境的識別、熔池狀況的監控。而主動式視覺傳感器一般用在機器人焊接過程中位置確認和焊接縫隙的跟蹤和控制。

1.2 機器人焊接位置導引及焊縫確定

機器人焊接過程中的路徑導引是在傳感系統建立的機器人坐標系基礎上通過關節軸移動到達焊接起始點。

（1）可采用一目多位的方式恢復特征點空間坐標位置。

（2）基于主動視覺傳感系統測量模型參數獲取特征點的空間坐標。

1.3 焊縫跟蹤技術

焊接機器人在焊接時，為保證焊縫軌跡的準確性，需要進行焊接縫隙實時跟蹤，機器人焊接時要能夠及時改變調整機器人焊接姿態情形，向著縮小焊接熱變形、減小軌跡偏差的方向補償，這樣能夠確保焊接質量，該技術目前已經普遍用于機器人焊接的生產環節。

（1）被動式為主的視覺傳感器，能夠及時提取焊接縫隙邊緣區域和金液熔池區域的圖像信息，從而使機器人焊接過程中的軌跡能夠隨著關節移動而糾偏。

（2）主動式視覺傳感器處理后的激光條紋圖像，機器人焊接視覺傳感器所采集的圖像信息都是關于焊縫特征的變化情況，通過觀測和分析可以得到焊接空間坐標的焊縫軌跡路徑。

1.4 熔池監控技術

圖1 不同側向焊接融池監控圖示

在機器人焊接時所產生熔池的形態，能夠反映出機器人焊接過程中重要信息數據，這些重要參數是機器人焊接質量得以保證的前提。對機器人焊接過程所形成的熔池形態進行監控，從而為機器人焊接提供重要的技術參數。結合之前的分析，我們對焊接縫隙形成情況、金液熔池的熔寬、金液熔池深度等特征，在監控裝置監視下，注意到機器人焊接過程中的金液熔池動態波動情況，依次對焊接機器人焊接姿態進行調整，從而大大減少了機器人焊接過程的缺陷，促進了機器人焊接質量的提高。

本文以被動式視覺傳感系統作為研究對象，詳實地采集焊接縫隙邊緣區域和金液熔池區域圖像信息，在機器人焊接金液熔池狀態監控檢測方面優勢明顯。以所采集的金液熔池圖像信息為藍本，繪制焊接金液熔透狀態預測模型圖，如圖1a、1b圖示。對三光路形式的視覺傳感系統，分別采用了采集金液熔池正前方、斜后方、斜下方金液熔池圖像信息。而圖1c所示，在對GTAW機器人焊接金液熔池動態情況及焊縫成形規律分析方面有獨到之處。

2 機器人焊接實際應用

在機械制造領域，材料焊接工序和機加工工序同等重要，都屬于改變材料尺寸和形狀、保證安裝精度和使用性能的主要工作內容，但就目前焊接應用的內外情形來看，存在很大不協調因素。

其一普通焊接技術難度大、勞動力成本高、焊接工作環境惡劣，人們追求健康工作和快樂生活的目標越來越希望遠離焊接惡劣的工作環境，這樣就很容易導致焊接性質的企業勞動力流失嚴重，施工隊伍不穩定，此情此景就迫切需要替代勞動力生產的智能化設備的參與，機器人焊接正是在這樣背景下應運而生的。

其二就生產成本而言，機器人自動化焊接設備替代人工操作方式施焊，技術難度降低了，只要進行過專業培訓就可以勝任焊接操作，降低了生產過程的勞動力成本，減少了焊接所帶來的的健康危害等負面影響。在今后的焊接行業機器人智能化焊替代人工焊接已經成為不爭的事實。

2.1 機器人焊接在汽車制造業的應用

汽車是一個高精度、高強度、高安全性的動態設備，焊接作業占到制造工作量的三分之一，焊接效率的提高、焊接質量的優化是汽車制造業的不老話題，機器人焊接技術在汽車行業的滲透，大大加速了制造周期的前移，在保證制造質量的前提下，生產成本明顯降低，贏得了更多市場。尤其采用機器人施焊的鉚焊、氬弧焊、激光埋弧焊等已廣泛得以應用并且取得了較明顯的經濟效益。

2.2 機器人焊接在船舶制造業的應用

典型的勞動密集型產業如船舶制造業，目前自動化焊接程度還是較低，焊接的工作主要還是依賴人工實施，焊接的工作環境差，有煙塵氣毒等的污染，焊接質量主要依賴人工技能熟練程度，勞動強度大，迫切需要機器人焊接替代人工焊接。

3 未來機器人焊接趨勢

以ABB等知名機器人焊接為例，目前大多還依賴于示教器焊接再現，制約機器人焊接技術廣泛應用的兩大瓶頸：其一是機器人焊接技術的隱秘性；其二就是傳感器價格居高不下。對這些問題的研究是未來機器人功能進化、市場擴展的必要環節。

3.1 機器人傳感技術研究方向

傳感器在機器人焊接檢測方面舉足輕重，但目前市場化的傳感器在焊接惡劣的環境下，檢測功能大打折扣，同時在焊接頭狹小的空間安裝傳感器幾乎不可能，傳感器本身也存在功能單一、型號多樣化，不能很好的進行串口對接，因此未來焊接用的傳感器在小型化方面、縮減成本方面、智能化研究方面應該有所突破。

3.2 機器人焊接主要部件開發

就目前而言，大多數機器人制造廠家僅僅是對機器人本體進行改造和加工，技術研究比較成熟了。但對機器人核心部件的研究和開發尚屬空白，對機器人核心部件的獲取主要依賴進口，在技術不成熟的情況下只能高價買進，導致機器人市場售價居高不下，未來的工作重心，必然要轉向對機器人核心部件的開發研究上來，使我國盡早脫離依賴進口的尷尬。

結束語：目前智能技術的更新及制造業勞動力成本的提高，迫使機器人焊接走向前臺已經成為行業發展的必然。機器人在全球多個國家得到普及。在今后的機器人焊接作業中，有望傳感技術、傳感跟蹤技術、實時性和魯棒性技術能夠充分融入到智能焊接過程，通過技術更新和軟件技術開發使得機器人焊接質量更穩定、生產率更高、制作成本降低，成為支撐焊接工業的先行技術。