焊接機器人應用與發展趨勢研究

林森 厚俊辰 金子旭 岳宗言 霍紅 史麗翠

摘 ?要：隨著機器人技術在各行業中的迅猛發展，以及人工費用的逐年提高，機器替換人類工作已成為促進社會高速發展的必然趨勢。為促進焊接機器人在焊接領域實現優質、高效、成本低廉的自動化、柔性化及智能化焊接發展，同時適應未來發展需求。本文結合最前沿科技，綜述了國內外焊接機器人技術應用概況以及焊接機器人的未來發展方向，以供參考。

關鍵詞：焊接機器人;技術;智能;發展方向

中圖分類號：TP242 ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? 文章編號：2096-6903（2021）03-0000-00

0前言

焊接工作是一項工作環境惡劣、工作強度大、專業技能要求嚴格且對操作人員會產生潛在危害，但在制造領域又不可或缺的工作[1，2]。在此背景下焊接機器人應運而生，其出現有效解決了這種供需矛盾，并且可以節省大量人力、物力，使操作者投入到更具創造力的工作[3]。從上世紀60年代研發并逐漸投入使用開始，其關鍵技術也得到不斷提升，使其具備工作穩定性能、加工精度高、生產效率高等優點。可代替工人在情況復雜和未知的環境下工作，基于此特點，焊接機器人在工業生產中得到推廣和應用。

1焊接機器人需求分析

目前世界擁有80余萬臺工業機器人，焊接機器人占比可達40%以上。焊接工藝被作為工業生產的“裁縫”，是工業生產中非常重要的手段，根據CRIA公布的2019年中國機器人的市場數據顯示，2019年國產焊接機器人的銷量約3765臺，焊接和釬焊機器人是國產機器人應用的第二大領域，銷量同比增24.5%，約占總銷量的16.9%。另外70%以上的市場份額依然被國外品牌占據。

目前中國投入使用的焊接機器人主要產自日本、歐洲和國內。日本機器人企業主要有安川、OTC、FANUC、那智不二越、川崎重工等;歐洲有德國庫卡、CLOOS、雷姆，瑞士的ABB以及奧地利的IGM等，這些公司的產品技術領先，智能化程度高，價格適中，是工業機器人行業的代表。我國自主品牌有廣州數控、南京埃斯頓、昆山華恒等，在國際上影響力較大的機器人廠商為“沈陽新松機器人”[4]，然而國產焊接機器人由于發展起步較晚，技術水平相對落后，關鍵的核心部件還要依賴進口，使得國產焊接機器人市場競爭力較差，因此在工業機器人自主化上還有很長的路要走。

2焊接機器人結構及應用

2.1焊接機器人的組成結構

目前工業生產的主流機器人基本屬于六自由度關節機器人。焊接機器人主要由機器人主體和外接焊接設備兩部分構成。主體由機械臂和控制單元（電氣元件及系統軟件）組成;而焊接設備由控制電柜（包括控制系統）、送絲裝置（送絲機）、焊接裝置（焊槍、焊鉗）等組成。對于智能機器人還配備傳感裝置，如紅外、激光、超聲波或其他傳感器及反饋系統等，如圖1焊接機器人的基本組成。

2.2機器人單元工作站

通常人們所說的機器人焊接工作站是指焊接工藝相對簡單，有固定焊接點，只需要將焊接機器人固定在工作臺上來完成作業。其可以單獨進行焊接加工，也可應用于生產線，作為工序中一個加工部分，完成特定部分的一個加工環節。既然是單元工作站，當然會是生產線中不可或缺的組成部分，這個部分依存于生產線主系統控制，因為其不僅是生產流程中統一協調性，統一管理的需要;又是一個相對獨立自主的控制系統，因為機器人的所有操作或動作均由焊接機器人本身的控制系統來獨立完成。主控系統和各工作站之間通過信號連接、信息交換、數據傳輸來完成生產線的協調工作。

工作站的分類：

（1）水下焊接機器人工作站：目前我國在水下焊接工作量巨大，許多管道設備和機械部件都需要在水下現場焊接組裝。由于水下情況復雜多變，技術要求高等因素，焊接機器人工作站就成為最佳選擇，經過反復操作實驗和方案調整，加之防水材料和水下焊接技術，可在焊接工人不能勝任的環境中進行工作。焊接機器人作為水下工程裝備中重要的組成單元，已逐步為海洋開發和海洋工程提供技術基礎和支撐。

（2）箱體焊接機器人工作站：此設備集中應用于箱柜類加工中，如檔案柜、保險箱及集裝箱等。由于其產量大，對焊縫平整度及焊接尺寸有較高技術要求，普通設備很難達到其標準，進而研發的一類專用設備。工作時，采用模塊化多工位集成，當一個工位加工時，其他工位則進行換件，或使用兼容式裝夾，對多品種，多規格的箱體同時焊接，從而實現生產效率提升。

（3）不銹鋼氣室焊接機器人工作站：由于焊接過程中會產生局部高溫，造成不銹鋼類材質出現形變，嚴重影響其焊接質量和整體密封性，因此需有針對性的選用柔性機器人激光焊接設備對此類材質工件進行焊接。該加工設備是由機器人、激光發生器、循環冷卻系統、跟蹤檢測系統、位移裝置、工裝夾具、安全防護、換氣裝置和智能系統等組成。通過合理設置系統參數數據和行走軌跡，更換合適的裝夾工具，可對多個不銹鋼氣室類工件同時進行焊接。

（4）螺柱焊接工作站：針對具有大量相同或不同規格螺柱特殊設計的工件，采用人工焊接，就需要使用特定的模具逐一確定焊點，因此導致效率低、焊接準確性差、增加勞動強度等問題。使用螺柱焊接工作站，可以有效解決此類問題，螺柱由送釘機輸送到焊槍里面，不同規格的螺柱通過系統控制、計算示教、路徑分析，有序的焊接到指定位置。

2.3智能焊接生產線

焊接機器人生產線的組成，是把多臺簡單的焊接機器人、工作站（單元）用工件傳送線連接起來形成一條高集成、高效率及高自由度的流水線。這種工業生產線仍然具有工作站獨立運行的特點，各焊接機器人工作站需用選定的工件夾具及特定的焊接程序來完成預定工序，在各焊接工位之間合理增設傳送裝置將待加工的材料精準轉送到下一個機器人，從而實現無停頓連續工作。每條生產線只能完成特定工件，在更改夾具及程序之前，是不能焊接其他工件的。

這種由多個焊接工作站依次排列來完成焊接工作的方式可以最大化地降低生產中普通工人的數量，同時由于機器人具有較高的重復定位精度可使其長時間而穩定的工作。目前只在汽車制造等高密度、高集成生產中焊接機器人得到大規模使用，由于其運行成本低且效率高等特點幾乎取代了普通焊接工。人工智能的發展進步，生產工藝的不斷改進，使各汽車制造業都有符合自己的生產線，主要在車身框架及底盤連接等高密度焊接的工作崗位。其中最具代表性的有日本豐田汽車，其采用焊接機器人多點互換的技術，增強了整體靈活性-多達八種車型可在同一生產線完成，最大程度的提高了生產效率，降低了生產及研發成本，推動了焊接機器人的又一次革命性進步。

2.4機器人焊接優勢

（1）提高產品生產效率;（2）提高工件焊接質量;（3）可在人工無法適應的特殊環境下工作;（4）縮小占地面積;（5）縮短生產時間，提高研發周期;（6）降低對工人技術要求;（7）降低生產成本;（8）提高產品競爭力。

3焊接機器人未來發展

隨著計算機云平臺技術、智能操控技術的不斷發展進步，焊接機器人從單一的依靠人工示教再現型向多傳感器、智能化、便捷化、柔性化方向發展必將是一個趨勢。最近幾十年來，隨著相關學科技術、理念的不斷替代更新，并與焊接技術高度融合，出現了激光、電子束、等離子及氣體保護焊等多種新的焊接方式、方法以及高質量、高性能焊接材料的不斷研發和完善，使得幾乎所有的工程材料都能進行焊接加工。

3.1融合虛擬現實技術

虛擬現實技術是仿真技術的一項重要領域。運用計算機圖形學、人機接口技術、多媒體技術、傳感技術、網絡技術等與焊接機器人技術相融合，模擬仿真焊接過程，并通過計算機將工藝過程轉化成數字化操作[5]。在焊接操作之前，進行模擬仿真實驗，根據不同的工作狀況，對各種焊接工藝方案進行比較，然后通過分析，選取出最優化的方案讓機器人來進行焊接[6]。與真實焊接相比，虛擬技術的最大優勢在于可以方便的模擬任何訓練科目，借助虛擬現實技術，可以仿真各種復雜、突發情況，從而有針對性訓練，提高自身的應變能力與處理相關問題的技能。

3.2自學習系統模式

人工智能的第一個方向，就是無監督的進行學習，不需要人工經驗，不需要人為干預。智能系統通過對固有程序以及外部環境的感知，在不需要任何人員示教的基礎上，機器人的智能系統能夠自主來判斷并完成人類化思考及學習，使人工編程、程序輸入的工作量大幅降低，且在工序復雜及工作量大的情況下實現準確、高效、自主焊接，可有效解決人工控制焊接機器人操作繁瑣、程序繁雜、定位困難、自主性差等問題。通過運用自學習體系，在特殊工況中，機器人能根據實際情況，進行數據整理、情況分析、數據處理、綜合計算，合理規劃出最佳焊接路徑和焊接方法，從而實現全智能自主化運行。

3.3多智能體系統

多智能體系統（multi-agent system，MAS）在智能體技術上具有劃時代的意義，是一種全新的、高效的、智能的分布式計算技術。已成為目前針對復雜系統分析與模擬仿真應用最廣泛的體系。智能體系的應用理念在于將復雜、單一的操控系統規劃成具有多元化、層次化、模塊化、獨立化、能互相傳遞數據資料與信息，彼此協調，易于管理的智能系統。將其理念充分融合于焊接工作中，適用于流水線式的焊接工作，以焊接工作站為基礎單元，系統通過統一管理，使多個智能機器人之間產生緊密群體合作，共同完成復雜的目標任務。彌補了傳統操作流水線時需要對每個機器人單獨控制，編程的弊端，多智能體技術的應用使系統解決綜合問題的能力大大提高，打破了人類對人工智能領域的固化思維，使得流水線焊接機器人技術得到飛速發展。

3.4多傳感器融合技術

伴隨傳感器技術的飛速發展，多種高靈敏度、高辨識度傳感器的綜合運用為焊接機器人的發展又開辟出另一片空間。焊接機器人多用于處理加工精度高、工作強度大、加工工藝難、環境復雜等問題，因此只通過操作者觀察和應用單一傳感器，對工況、焊接對象進行觀察、分析再做出相應的操作，無法全面對周圍環境和突發情況做出準確判斷，往往會出現較大的失誤，影響焊接效果和生產效率;也無法實現工業化快速發展的需求。因此焊接機器人需要多傳感信息融合技術對工作環境中的信息進行收集和分析來提高焊接系統的精確性、高效性、快速性和可靠性[7]。綜合運用全方位視覺傳感器、紅外傳感器、超聲波傳感器等先進技術對于焊接機器人感知外部環境、獲取數據信息都具有非常重要的作用，最大程度上使機器人在任何狀況下都能通過反饋數據、信息做出相應的調整，零誤差，精準的完成焊接，這也將大力推動未來焊接機器人向自主化、智能化的發展。

3.5全向移動式機器人

可移動焊接機器人的應用，在工業機器人領域有著不可替代的意義。在軍工業、造船業、航空航天、大型機械設備制造等領域發揮著越來越重要的作用[8，9]。其是以“智能化高效全方向移動平臺+柔性化焊接機器人+激光跟蹤與視頻監測系統”為核心的智能化柔性制造裝備。機器人的移動機構分為履帶式和全向輪式，全向輪式運動方式其能快速定位，然而越障能力不足，多適用于工廠車間當中;履帶式運動方式其越野能力強，可以應對復雜路況，但運動定位速度慢，多適用于路況復雜的戶外工作。

相比于傳統焊接機器人工作站，全方位移動機器人可以實現前后、左右和旋轉多個自由度的運動，運動靈活性高[10]，并能夠實現高精度的定位和運動軌跡控制，大大提高了工作范圍，節省工作時間。也可以將其分布于生產線中，以此提高整體靈活性，打破生產單一，工位調整困難等問題。

3.6優化人機互動

人機互動的核心理念上是系統轉化輸入輸出信息的過程，操作者通過系統操作界面多方位傳達指令，系統對輸入的數據進行整合、處理、計算后把結果通過操作界面反饋給用戶。人和智能系統之間信息傳遞方式是多種形式的，因此互動的方式也是多元化、開放化、自由化。通過人機互動的多方面運用，操作者可更加便捷，靈活的對焊接機器人的運行情況和下一步的操作計劃等進行全方位掌握[11]。綜合運用先進的控制技術，信息采集技術、數據分析技術、信息反饋技術、有限元分析技術等，使焊接機器人、智能控制系統、操控者達到更高程度的融合，進而使焊接機器人的操作更簡潔，性能更強，精準度更高，可開發性也隨之增加。人機互動技術是近年來科技發展的有一個新方向，未來就應用于工業生產的焊接機器人而言，也是不可替代的重要部分。

3.7優化機械結構

在硬件結構上，通過力學分析、有限元分析、模態分析及運動仿真等計算方法的綜合運用，從而實現機器人整體機構的優化。由于焊接手臂是運動的，就需要具有良好的受控性，因此不能過于復雜、笨重，探索新的高強度輕質材料，使其“密度小、強度大、而且轉動慣量小”，進一步提高負載/自重比，有利于機械手臂的運動便捷性，降低驅使運動的能源消耗。如德國庫卡公司研發的機器人，創新的使用了復合輕型材料，更采用空間開鏈機構來取代平行四邊形機構，不僅增大了機器人的工作半徑，更提高了機器人的運動性能。

此外，更可將柔性加工理念運用于焊接手臂結構中，使其更加靈活，完成任意方位，任意角度的運動軌跡，真正實現無死角對工件進行焊接。動力方面，采用更加先進的RV減速電機及交流伺服電機，使機器人操作機成為免維護系統。

4 結語

工業機器人技術的運用推動了工業生產向智能化、自動化、多元化發展，提高了產品質量和生產效率，為世界范圍內工業化進程奠定了基礎。隨著互聯網技術、機器人技術及人工智能的不斷發展，結合傳統焊接工藝特點，使得機器人在焊接領域的發展與創新更具精準性、實用性、智能性。然而針對于焊接機器人的系統研究，特別是焊接機器人的智能技術選擇，功能擴展，虛擬仿真技術的優化等還有很多有待解決的問題，這些也是未來的研發方向。

參考文獻

[1]許友坤.焊接過程中焊工的安全防護[J].電焊機，2006（5）：25-27.

[2]中國焊接協會，中國機械工程學會焊接學會，環境健康與安全專業委員會.焊接職業安全與健康[M].北京：機械工業出版社，2016.

[3]RYUH B S，PENNOCK G R.Arc Welding Robot Automa-tion Systems[M].[s.n.]： Industrial Robotics，2006.

[4]陶靜宜，沈梅林.工業機器人的應用現狀及發展趨勢[J].農村經濟與科技，2017（8）：297.

[5]王恩浩.焊接機器人技術現狀與發展趨勢[J].中國高新技術企業，2014（17）：3-4.

[6]鄭現偉：基于焊接機器人應用現狀與研究發展趨勢[J].神州，2015（3）：263.

[7]張文明，王新宇.淺談焊接機器人現狀及發展趨勢[J].山東工業技術，2016（4）：218-219.

[8]陳麗，王越超，李斌.蛇形機器人研究現況與進展[J].機器人，2002，24（6）：559-563.

[9]李磊，葉濤，譚民，等.移動機器人技術研究現狀與未來[J].機器人，2002，24（5）：475-480.

[10]陳百超.月球車新型移動系統設計[D].吉林：吉林大學，2009.

[11]李紅濤，張麟.人機工程在煤礦中的應用現狀及展望[J].礦山機械，2013（5）：53.

收稿日期：2021-02-07

作者簡介：林森（1985—），男，黑龍江哈爾濱人，本科，工程師，研究方向：機械自動化、創新創業。

通訊作者：史麗翠，（1984—），女，黑龍江哈爾濱人，研究生，工程師，研究方向：砂型鑄造、精密鑄造以及輕質高熵合金。

Abstract：With the rapid development of robot technology in various industries and the increase of labor costs， replacing human work by machines has become an inevitable trend to promote the rapid development of society. In order to promote the welding robot to realize high quality， high efficiency and low cost automatic， flexible and intelligent welding in the welding field， so as to meet the needs of future development. Combined with the cutting-edge technology， this paper reviews the application of welding robot technology in China and abroad and the future development direction of welding robot.

Keywords：welding robot;technology;intelligence;Development direction