工業機器人在焊接技術的應用分析*

譚偉美，盧柱陽

（廣西玉林農業學校，廣西 玉林 537000）

進入21 世紀以來，我國的宏觀經濟水平取得了非常迅猛的進步，廣大民眾的生活品質持續提升，然而隨著國內人口結構老齡化的情況日益嚴重，出現了因為焊接工作現場環境惡劣，造成焊接行業的工人逐年流失的情況，這樣的情況與國內的宏觀經濟高速發展，焊接工作量顯著增加的實際狀況發生了較大的矛盾。為妥善應對此種情況，滿足國內各個領域對于焊接工作日益增加的需求。焊接機器人已經逐漸被各類企業大量采用。焊接機器人與普通的焊接操作的工人對比，該類設備的工作模式相對比較單一，焊接工人具有全方位的工作能力，能借助本身在實際工作中積累的經驗，對于待焊接的工件實施特定的加工操作及根據現場情況進行改造，進而取得預期的工作成果。不過和焊接工人相比，焊接機器人也具有比較大的優勢，能夠大幅度地提升焊接工作的效率，同時還能適應焊接相關工程技術人員所處的環境。各類企業目前已經在焊接操作的過程中普遍采用焊接機器人相關技術。伴隨著電子領域的加工技術及計算機技術的迅速發展，機器人焊接技術在加工制造領域內得到了顯著的發展。與此同時，對于焊接機器人的材料、結構及高效的焊接加工實際需求得到了相關人員的普遍重視。能夠完成安全穩定、高效率的焊接工作是目前焊接工作中機器人的價值所在，同時也是焊接機器人相關技術研究層面中需要面對的問題之一。焊接行業中的機器人相關技術現階段在國內處于比較重要的位置，對于宏觀經濟的轉型工作發揮著極其關鍵的作用。

1 焊接機器人技術的簡介

焊接機器人是一種用于焊接工作（包含切割工序和噴涂工序）的工業用機器人設備。依照ISO（國際標準化組織）對于工業用機器人歸類于標準化的焊接機器人的相關定義，工業機器人指的是一類用途非常廣泛、可以反復編寫程序的自動操控操作機械設備，通常情況下具備3 個或者更多數量可編程的軸結構，可以廣泛使用到工業自動化相關領域之中。為滿足各行各業的不同用途，機器人設備的一個軸的接口處通常是一個法蘭結構，可用于連接各種工具或者是末端的執行機構。焊接機器人指的是位于工業機器人末軸法蘭連接上焊鉗部件或者焊（割）槍部件，讓其具備焊接功能，切割功能或者熱噴涂的功能。焊接機器人如圖1 所示。

圖1 焊接機器人

2 焊接機器人相關技術的分析與研究

2.1 焊縫的自動捕捉和自動跟蹤相關技術

焊接機器人自動捕捉焊接工件位置及工件焊縫的跟蹤相關技術上的探索，是有效提升焊接工作品質的重要技術[1]。焊接機器人在焊接作業的進程中，因為加工過程及裝配過程中累積的各類誤差、焊接操作過程出現的弧光和輻射現象的影響、焊接火花飛濺及工件在施加焊接過程中的溫度分布不平衡，導致焊炬及焊縫出現了偏離的現象，使得焊接工作的最終品質有所下降。焊縫的捕捉技術的實質即為隨著焊接工況的改變而即時對于焊縫的情況進行校驗，捕捉并跟蹤焊縫的軌跡對焊縫實施準確的定位工作。借助傳感裝置實現操控電壓及電流的效果，來完成焊槍對于設定的待焊接位置的焊接作業。伴隨著現階段互聯網的進步及數字技術在焊接領域中的實際應用，焊接相關跟蹤技術已經步入了智慧化的階段。

2.2 遠距離遙控焊接、編程、規劃焊接路線相關技術

伴隨著宏觀經濟和科學技術的共同發展，焊接連接的使用領域正在朝著海洋、外層空間、高溫高壓、高寒等極限環境迅速延伸。在確保最終焊接品質的基礎上，最大限度提升了工作人員的舒適度，減少焊接作業過程中的意外事故。現階段，焊接技術的進步，在一定范圍內解決了焊接技術在遠距離操控上的限制。目前普遍采用的遙控焊接方案均為人機交互的模式，指的是相關焊接操作者控制焊接機器人在遠程條件下執行焊接工作的任務。因為在技術領域的研究力度有所欠缺，進行完全自動化遙控的機器人研究隊伍很少出現。不過在遠程遙控自動化焊接工作領域獲得了持續的進步，該類遙控焊接自動化技術未來的研究目的即為完全自動化的遙控焊接技術。比如20 世紀70 年代的某國一處核發電站曾經發生了比較嚴重的核廢料泄露的事故，在此次事故的搶險過程中就合理地利用了遙控的焊接技術針對核廢料泄漏的位置實施了遠距離的焊接操作，成功地修補了泄漏位置，保證了核電站安全運行。在其他領域的技術大幅度進步的背景下，遙控焊接相關技術的焊接品質、安全性及穩定性，焊接工作適用的范圍都在持續的進步和擴大。機器人設備的離線編程方案指的是機器人系統的編程語言的延伸，使用圖像及有關的計算機算法，設定機器人和工作現場環境間的數字模型。當機器人進行焊接工作的時候，依據具體的焊接要求、焊接工況參數實施焊槍軌跡的設計和校正，最終完成整個焊接過程，因此而發展起來焊接機器人相關的技術。該類編程模式的工作效率及智能化水平較高，目前正朝著全方位自動化的編程趨勢不斷發展。

2.3 專門電弧焊相關的電源技術

焊接領域的主要技術包含點焊及弧焊等兩大類，焊接工作相關設備的主要組成部分指的是推進機構及電源設備，專門的電弧焊電源具備比較優良的電氣綜合性能，該電源對于焊接機器人的綜合性能表現非常重要。隨著計算機及電子信息技術的飛速進步，為現代機器人焊接的專門電弧焊接電源的發展提供了一條更新更快的通道。依靠反饋型的控制系統實施精準的控制操作，包含對于電弧焊電流的控制過程，能夠實現機器人焊接裝置在焊接進程中滿足高品質的焊接效果的目的。

3 焊接機器人現階段的實際應用情況

現階段，焊接機器人在各個領域的焊接工作中取得了非常普遍的實際應用，帶來了焊接工作品質及效率上的大幅度提高。然而焊接機器人在實際的焊接工作應用中依舊有某些問題需要解決，通常包含如下幾個層面的問題。

3.1 焊接機器人的替換零部件的成本非常高昂

因為國內對于機器人相關的零部件大批量制造的能力限制，焊接機器人的替換零部件絕大多數均為國外原裝進口，這種情況下造成了焊接機器人替換零部件的成本非常高昂。假如焊接機器人在使用過程中出現故障，僅僅購買替換零部件的花費就有可能高達幾十萬，并且相關零部件的供貨周期非常長，維修期間嚴重制約了相關企業正常生產計劃的順利開展。例如，故障率非常高的槍纜設備及焊槍等零部件的價格不菲，造成相關企業后期使用成本負擔過重，這種情況嚴重影響了我國智能制造領域的快速發展[2]。

3.2 復雜焊接零件焊接過程的編程問題

針對結構復雜零件的焊接過程，焊縫數量比較多。對于此類狀況，相關焊接機器人數控編程技術人員就必須在編程工作上耗費較長的時間。然而絕大多數情況的焊接過程需要調試及編寫很多相關數據參數，此過程將會耗費很多的人力資源及財力經濟成本。編寫程序及調成過程浪費過多的焊接作業時間，進而削弱了相關企業的市場競爭力。焊接機器人與待焊接零件的定位位置產生相對位移以后將會對焊縫質量造成不利影響（出現砂眼及氣孔等焊接缺陷）。焊接機器人的焊接過程中，編程工作一般借助自動控制單元對焊槍行進路線進行操控，當焊槍處于規定的焊接位置時，針對焊槍的定位時間、焊絲傳送、焊接保護氣體傳送、焊絲中斷、焊接保護氣體停止、引弧及息弧等，假如待焊接零件和焊接機器人相對位置產生改變，相關編程程序就會進行重新校準，這種情況就會大幅延長焊接作業過程。焊接機器人焊縫見圖2。

圖2 焊接機器人焊縫

3.3 焊接機器人與人工焊接的差異

焊接工人在對工件的焊接過程中，能夠感知電弧的沖擊作用及熔池內部金屬的流動狀況，根據上述信息評判焊接過程是否正常。焊接工人根據本身的工作經驗能夠自如地調整焊接參數，保證焊接工作符合相關技術要求。焊接機器人的相關技術參數需要事先設定，焊接機器人不會受到外界環境干擾而對焊縫質量產生不良影響。焊接機器人在焊接過程中執行的是一個預先設置的數控編程程序，其焊接參數與焊接工人的經驗是有巨大差別的[3]。

4 焊接機器人技術未來發展方向研究

4.1 焊接機器人自動化技術

焊接機器人自動化技術主要包含模糊控制技術、視覺控制技術及神經網絡控制技術，每一類控制技術在零件的焊接過程中都起到相應的作用[4]。視覺控制技術一般指的是借助視覺傳感裝置對于焊接機器人操作的區域進行深入處理，之后再把捕捉到的視頻影像和參數信息隨時記入電腦系統，為廣大相關焊接機器人數控編程技術人員提供進一步的技術支持，通過針對相關參數信息的研究精準定位焊接機器人的位置。神經網絡控制技術指的是計算機對人類思維進行模擬的一種方法，由于在焊接機器人的焊接過程中，經常會發生某些意外狀況，而借助神經網絡控制技術可以迅速應對焊接機器人工作過程中遇到的狀況，然而把神經網絡控制技術有機地應用在焊接機器人控制系統中，最后取得符合相關技術標準的焊接效果。

4.2 多傳感裝置信息結合技術和虛擬現實技術

多傳感裝置信息結合技術是焊接機器人領域比較多見的一類技術，該技術可以全方位符合相關企業的生產要求，也能夠把焊接機器人相關技術全方位普及和推廣。此外，焊接機器人中通常會配備超聲波傳感裝置，用來保證焊接機器人工作過程中的安全平穩性，讓其可以快速接收準確的數據信息。多傳感裝置信息結合技術原理見圖3。虛擬現實技術一般指的是借助電腦編程的方式，把相關的參數信息轉化成一種模擬現實環境的技術，從而為焊接機器人焊接過程提供相關技術支持。使用該項技術還能夠為相關焊接機器人數控編程技術人員提供真實的使用感受，最大程度上提升焊接零件的品質及焊接機器人的工作效率[5]。與此同時，相關技術人員還需要在電腦上實現對應的焊接機器人焊接操作步驟，用以提升整個焊接操作的實效性。

圖3 多傳感裝置信息結合技術原理圖

5 結束語

綜上所述，焊接機器人在將來智能制造技術領域中的作用相當重要，焊接機器人在相關企業生產制造過程中起到了至關重要的作用，相關焊接機器人數控編程技術人員在零件的焊接過程中可以大幅提升相關產品的質量及總體焊接制造效率。相關研發隊伍對于焊接機器人相關技術的開發研究最大限度地促進了工業制造業領域的發展。