視覺機器人焊接技術的研究綜述與展望

覃永

摘 要：焊接作為現代制造工業(yè)的基礎生產工藝之一，是制造業(yè)極為重要的加工手段。目前由于焊接作業(yè)的特殊性導致一線焊接工人數量呈現急劇減少的趨勢，為此將焊接作業(yè)機器人化是焊接產業(yè)發(fā)展的必然趨勢，但與發(fā)達國家相比，我國焊接機器人的平均使用密度較小，其重要原因在于機器人的示教編程難度大、效率低下而且還存在機器人應對坡口類型、接頭類型等多規(guī)格的焊接件焊接時不具備合適的焊接路徑規(guī)劃，無法發(fā)揮機器人的靈活性和穩(wěn)定性導致焊接適應性不足。

關鍵詞：弧焊機器人 擺弧路徑 焊接性

Abstract：Welding， as one of the basic production techniques of modern manufacturing industry， is a very important means of processing in manufacturing industry. At present， due to the particularity of welding operations， the number of front-line welding workers shows a trend of sharp reduction. Therefore， roboticizing welding operations is an inevitable trend of the development of welding industry. However， compared with developed countries， the average use density of welding robots in China is smaller. The main reason lies in the difficulty and low efficiency of the teaching programming of the robot. Moreover， the robot does not have appropriate welding path planning when welding the welding parts with multiple specifications， such as groove type and joint type， so that the flexibility and stability of the robot cannot be brought into play， leading to inadequate welding adaptability.

Key words：arc welding robot， swing arc path， weldability

1 引言

工業(yè)機器人是結合多種學科技術且面向工業(yè)生產方向的多自由度機械手，在焊接、噴涂、碼垛、產品以及搬運領域應用十分廣泛[1]。伴隨科學技術的發(fā)展，同時我國社會老齡化不斷加劇，勞動力成本逐年增加，同時存在著進行傳統(tǒng)加工制造業(yè)的一線工人逐年減少的問題，在這樣的背景下，工業(yè)機器人的快速發(fā)展對于提高工作效率、降低勞動力成本都有著極其重要的意義，特別是在高危場合，使用機器人代替人工去執(zhí)行危險任務更能凸顯發(fā)展工業(yè)機器人的必要性[2]。根據國際機器人聯盟IFR[3]（International Federation of Robotics）2019年發(fā)布的關于世界各地機器人使用情況的報告，據報告顯示：在中國每萬名操作員工的機器人使用數量為187，與世界發(fā)達國家相比還有一定的差距。但隨著對工業(yè)自動化的需求與日俱增，中國機器人使用密度增長迅速，尤其自我國提出了“中國制造2025”發(fā)展戰(zhàn)略[4]，工業(yè)機器人產業(yè)朝著密集化、自動化和智能化方向發(fā)展。

雖然中國機器人產業(yè)發(fā)展迅速，但在機器人使用密度上，中國仍低于世界制造業(yè)領先國家的水平，其原因在于機器人的易用性和適應性得不到重視，使得國內工業(yè)機器人設計、生產、研究與企業(yè)需求脫節(jié)，嚴重阻礙了國內機器人產業(yè)的發(fā)展[5]。

由于機器人在使用上具有技術人員培訓時間長、操作難度高等特點，同時工業(yè)機器人的易用性和示教效率低下使得工業(yè)機器人難以適應多品種、多規(guī)格的生產需求也使得中小企業(yè)難以保持機器人能夠連續(xù)可靠的工作，由于以上因素使得企業(yè)難以發(fā)揮機器人高效、穩(wěn)定作業(yè)的特點，故提高機器人的易用性和適應性，降低用戶的使用難度成為發(fā)展工業(yè)機器人產業(yè)的核心和關鍵。

焊接機器人、噴涂機器人、打磨機器人都屬于工業(yè)機器人。其中焊接機器人占工業(yè)機器人總數的比例較大，是目前應用最廣泛的工業(yè)機器人。焊接機器人的廣泛應用推動了焊接機器人技術的發(fā)展，同時也為焊接過程的自動化應用提供了有利的條件。對焊接機器人來說，需要依靠示教編程技術實現焊接作業(yè)，傳統(tǒng)示教編程方式主要分為兩大類：在線示教、離線編程。而離線編程因為其難以保證在建模尺寸理論與實際的一致性、焊接前建模準備時間過長、難以保證位置精度和合適的姿態(tài)等問題，所以不易完成高精度的焊接任務，因此一般采用示教器或PC控制機器人焊槍末端工具坐標中心點（TCP）到達指定位姿并進行記錄的方式進行焊接作業(yè)。而在目前焊接任務的復雜程度不斷增加，而用戶對焊縫質量和示教效率要求越來越高的形勢下，降低示教的難度和工作量，提高示教效率，實現示教的自適應性，從而提高生產效率顯得尤為重要。隨著圖像處理、機器視覺技術的快速發(fā)展，出現了多種應用于機器人焊接的傳感器。特別是激光傳感器具有可提供的信息量大、精度和穩(wěn)定性好等特點，成為應用于激光視覺輔助測量領域的理想選擇。人們研究以多類型結構件的測量信息為反饋，由上位機控制機器人進行焊接路徑規(guī)劃的激光視覺示教技術，通過激光視覺系統(tǒng)獲得焊縫相關信息，來提高示教精度和示教效率，進一步提高了焊接機器人系統(tǒng)的自動化水平。

弧焊是機器人焊接的主要應用領域之一，對于弧焊機器人而言，提升機器人對應多類型結構件時的焊接適應性和易用性具有重大意義。在焊接較寬焊縫或者普通角接焊縫等工件時，其核心是使用擺弧算法進行單道焊接作業(yè)。焊接機器人采用擺弧路徑進行焊接作業(yè)與非擺弧路徑焊接相比，可獲取較寬熔寬的焊縫、減少不必要的焊接道次、縮短總體作業(yè)時間進而提高焊接效率，且焊接表面成形效果更佳。而對于較厚結構件而言，為了提高焊接結構的加工質量與效率，需要在焊接工藝要求基礎上，采用多層多道焊接路徑規(guī)劃算法進行焊接作業(yè)，并考慮到焊槍行走角影響著焊縫成形效果，在多層多道焊接路徑規(guī)劃中引入焊槍行走角，通過改變厚板焊接時的焊槍姿態(tài)進而影響焊縫成形效果。為了提升機器人焊接系統(tǒng)的易用性和自動化水平，構建結合激光視覺示教模塊及焊接路徑規(guī)劃模塊的結合激光視覺示教的機器人路徑規(guī)劃系統(tǒng)，并將多種焊接路徑算法嵌入路徑規(guī)劃系統(tǒng)中，來實現多規(guī)格、多品種結構件的焊接，以提高焊接機器人的示教效率與易用性、適應性水平。

2 焊接機器人國內外研究現狀

傳統(tǒng)制造業(yè)嚴重依賴人工，隨著現代工業(yè)的發(fā)展，企業(yè)勞動力成本變高，同時人工操作精度不高，日復一日的操作難以保持同一水平，這無疑對制造業(yè)自動化是一個巨大的阻礙。人們對高質量高效率生產模式的需求日益強烈，工業(yè)機器人因此應運而生。由于其在某些領域可以代替人工操作，從嚴酷的工作環(huán)境中解放工人，許多的國家鼓勵發(fā)展工業(yè)機器人，也有大批的科研人員針對工業(yè)機器人的應用提出許多新穎的方案，并發(fā)表了大量的研究成果。焊接機器人是工業(yè)機器人的一個重要分支，在所有種類的工業(yè)機器人當中，焊接機器人是最早使用、應用最廣泛的工業(yè)機器人之一，涉及汽車、軌道交通裝備制造、工程機械和重型機械等行業(yè)，成為現代制造技術無可替代的重要角色。

3 焊接機器人國外研究現狀

如今國際上焊接機器人行業(yè)已經形成了以瑞典ABB、德國KUKA、日本的FANUC和安川四大家族為首，意大利的COMAU、美國的Adept Technology、日本川崎重工、松下和OTC等各具特色的廠家為輔的市場格局。

（1）瑞典ABB公司的核心技術是運動控制系統(tǒng)，可實現運動速度、周期時間等機器人性能控制，大幅度提高生產質量、效率和可靠性。以 IRB1410型機器人（圖1）為例，該機器人的重復定位精度可以得到正負0.05mm，工作范圍為1440mm，手腕負重5kg，且其上臂可以承受18kg的附加載荷，可適用于弧焊、物料搬運等領域。特別是針對弧焊領域，ABB提供焊接機器人ArcPack弧焊功能程序，其中包含大量專用弧焊功能，可根據具體焊接要求執(zhí)行對應的程序，具有較強的易用性。

（2）德國KUKA公司生產的新型焊接機器人結構修長緊湊，能夠以最小的干擾輪廓實現最高的性能，同時搭配中空機械手腕，以減少基軸運動，提升焊接作業(yè)效率。以KR 6 R1820 arc HW（圖2）為例，其額定載荷為6kg，最大運動范圍為1823.5mm，重復定位精度可達正負0.04mm。在軟件方面，通過數字化Motion Modes模式可在機器人控制器上調整速度等機器人性能參數。并通過在smartPADs示教器上快速創(chuàng)建運行可靠的焊接程序。

（3）日本安川公司從電機研發(fā)和生產做起，其主要生產的伺服電機和運動控制器都是制造機器人的關鍵部件，其核心的工業(yè)機器人產品包括：點焊、弧焊機器人、噴涂機器人等。該公司的MA2010機器人具有6個自由度，動態(tài)工作范圍為2010mm，其末端負載最大為10kg，重復定位精度為正負0.08mm，可應用于弧焊、激光加工、搬運等領域（圖3）。

（4）日本FANUC公司將數控系統(tǒng)的優(yōu)勢運用在焊接機器人上，使其具有極高的重復定位精度。FANUC公司專門為弧焊應用設計了ARC Mate機器人，以FANUC Arc Mate 120iD焊接機器人（圖4）為例，具有出色的軸速度，其機器人重復定位精度可以達到正負0.02mm。在軟件方面，FANUC專門為ARC Mate弧焊機器人定制的ARC Tool弧焊系統(tǒng)軟件，其中包含大量專用弧焊功能，包括焊縫跟蹤、多機器人控制、多層多道焊接等。

4 結語

目前國際上各機器人廠家都研發(fā)出了自己的焊接機器人產品，從機器人本體、運動控制系統(tǒng)、驅動器、傳感器等方面都有很成熟的技術積累，但是在焊接程序算法、提高焊接質量和焊接精度以及提高示教效率等方面的研究依然是焊接機器人領域的熱點。

參考文獻：

[1]機器人技術與應用編輯部.我國工業(yè)機器人現狀與發(fā)展[J].機器人技術與應用，2013，（02）：1-3.

[2]計時鳴，黃希歡.工業(yè)機器人技術的發(fā)展與應用綜述[J].機電工程，2015，32（01）：1-13.

[3]張琪，馮瑩.“中國制造2025”亟須解決的若干問題[J].改革與開放，2018，（03）：65-66.

[4]周濟.智能制造——“中國制造2025”的主攻方向[J].中國機械工程，2015，26（17）：2273-2284.

[5]張軻，謝妤，朱曉鵬.工業(yè)機器人編程技術及發(fā)展趨勢[J].金屬加工（熱加工），2015，（12）：16-19.