我國焊接機器人應用現狀及關鍵技術概述

霍厚志，楊 朔，劉龍飛，李登攀，黃 程

（1.山推工程機械股份有限公司，山東 濟寧 272073；2.山東建筑大學，濟南 250101）

0 前 言

國際標準化組織（ISO）將焊接機器人定義如下：焊接機器人是從事焊接（包括切割與熱噴涂）的工業機器人，為了適應不同的用途，工業機器人最后一個軸的機械接口，通常是一個連接法蘭，可安裝不同工具（末端執行器），裝接焊鉗或焊（割）槍，使之能進行焊接、切割或熱噴涂。工業機器人是一種面向工業領域的多用途、可重復編程、靠自身動力和控制能力執行工作的機器裝置[1]。伴隨先進制造技術的發展，焊接機器人應用技術也日趨成熟，在應對高效率、高質量、柔性化及惡劣工作環境需求方面其優越性不斷凸顯[2]。近5 年，在國內密集出臺的相關政策和不斷成熟的市場等多重因素驅動下，機器人焊接應用正由大型企業逐步向中小微企業普及，焊接機器人設備也由焊接機器人工作站向機器人自動化焊接線方向發展，焊接機器人應用技術在向自動化、柔性化、綠色化及智能化方向發展，焊接生產模式由“一人一工位”逐漸轉變為“一人一條線”的焊接生產模式。

進入2020 年，新冠肺炎疫情的蔓延促使焊接行業自動化、智能化轉型進程加快，焊接機器人作為焊接智能化實現的重要載體，其市場需求出現強勁反彈。在工業機器人應用的諸多領域中，焊接領域是機器人應用較早、普及面較廣、技術含量較高的領域，由于焊接作業環境惡劣，對焊接工人工作熟練程度要求較高[3-4]，焊接領域機器人使用密度也高于其他領域，近幾年受焊接機器人應用技術發展限制，其行業應用增長速度低于工業機器人的整體增長速度。目前的焊接機器人普遍缺乏“柔性”，對焊接對象和任務的變化適應能力較差、復雜形狀焊件編程效率及焊達率較低、難以實現戶外復雜變化環境自動化焊接需求[5]。

近幾年隨著焊接生產領域勞動力成本急劇增加，焊接一線工人逐年減少的趨勢在不斷加劇，焊接已經成為更多金屬加工及機械制造企業的瓶頸工序，同時各行各業市場競爭激烈，小批量、多品種、定制化的產品需求在逐年增加[6]，焊接生產領域迫切需要焊接機器人技術的突破，以適應小批量、多品種、定制化、復雜化產品的智能化焊接需求。同時對焊接機器人的多變環境的適應性也提出了更高要求。

1 焊接機器人技術發展現狀

在近現代全球市場中，制造行業面臨區域或國際競爭日趨激烈，以提高生產效率、生產質量及市場反應速度，降低生產成本為目標的制造業轉型升級越來越受重視[7]。在此背景下，使用靈活、可精準重復執行生產動作，能夠代替對人員操作熟練程度要求較高的焊接自動化設備成為越來越多的科研機構研究焦點[8-9]。1952 年全球首臺數控機床誕生[10]，應用于數控機床的多軸控制技術、伺服技術、精密減速機技術得到了長足發展，在數控技術的基礎上，George Charles Devol于1954 年申請了全球第一個工業機器人專利[11]。此后工業機器人不斷進化，在20 世紀60 年代，受控制技術、電機技術、傳感器技術、微電子與計算機技術和精密機械制造等技術發展推動，以及大規模生產需求、柔性化生產需求的影響，工程師們逐漸將研究焦點轉移到工業機器人上[12-16]。

從20 世紀60 年代焊接機器人誕生到現在，焊接機器人的研究經歷了示教再現型、低智能型、智能型三個階段[17]。其中示教再現型機器人執行示教程序進行呆板的重復性工作，該類型機器人對焊接工件的一致性要求較高，對多變的外部環境適應性較差，對于結構不穩定易變形工件一般要求在組對工裝上進行焊接。低智能型焊接機器人在示教再現型機器人的基礎上集成各種傳感技術，如電弧傳感、激光傳感、視覺傳感等，可獲得一定的環境感知能力，在示教程序的基礎上，可根據工件焊縫位置偏差及焊接尺寸偏差做出焊接路徑及焊接工藝參數的實時調整，從而保證焊接質量。該類型機器人一般對焊接工件尺寸偏差有要求，對超出技術要求的工件變化難以保證焊接質量，因此被稱為低智能機器人，值得關注的是該類型機器人的編程方式也有了較大突破，對于一些簡單工件可實現離線編程或自主編程[18-19]。智能型焊接機器人是在以數據和信息處理為核心的數字制造系統的基礎上，融合智能感知、智能規劃、智能控制等技術，構成以知識和推理為核心的智能焊接系統[20-21]。該系統通過與智能技術、工藝數字化技術等先進技術融合，實現了面向不同作業場景、作業任務、作業工藝，實現工件智能化掃描、三維建模、焊縫識別、焊縫提取、焊接工藝自主生成、焊接路徑自主規劃、焊接過程焊縫實時跟蹤、焊接熔池狀態實時監控等智能化焊接功能[22]。

當前示教再現型與低智能型焊接機器人技術已日趨成熟，已成為標準設備被焊接領域廣泛采用[23]。在低端的示教再現型焊接機器人領域，自主品牌發展迅速，形成了以埃斯頓、埃夫特、卡諾普、新時達、匯川技術為代表的國產一線機器人品牌，這些公司多數已成為其所在地區的支柱產業。低智能型焊接機器人技術門檻相對較高，該類型機器人以進口品牌為主，包括日本的KOBELCO、FANUC、YASKAWA、OTC、Kawasaki、Panasonic，韓國的HYUNDAI，德國的CLOOS（已被南京埃斯頓收購）、KUKA（已被美的收購），奧地利的IGM，瑞典的ABB 以及意大利的COMAU，上述機器人在接觸傳感、電弧傳感、激光傳感及視覺傳感方面均有成熟的技術應用。其中KOBELCO、CLOOS、IGM 具有強大的電弧傳感功能，其電弧傳感功能在電弧較穩定的射滴過渡（以富氬焊工藝為代表）及電弧極不穩定的短路過渡（以二氧化碳氣體保護焊為代表）均能穩定應用；其他品牌焊接機器人電弧傳感功能主要應用在以射滴過渡為主的富氬焊工藝，在二氧化碳氣體保護焊中的應用不夠穩定。近幾年隨著激光傳感、視覺傳感技術等傳感技術的快速發展，通信功能強大，系統開放性較好的FANUC、KUKA、ABB、YASKAWA 技術優勢不斷凸顯。智能型焊接機器人系統還處在搖籃期，該類型焊接機器人的推廣應用存在兩個問題：一是技術不夠成熟，應用場景及應用領域較窄，技術穩定性較差，應用案例的推廣性不強；二是產品造價較昂貴，普通用戶難以接受。值得注意的是智能型焊接機器人是實現焊接產品制造自動化、柔性化、智能化的核心設備，是解決現有焊接生產領域瓶頸問題的關鍵技術，是未來焊接智造的必然趨勢。

2 我國焊接機器人應用現狀

焊接機器人成套設備已經成為高端裝備的重要組成部分及未來焊接行業發展的趨勢，目前焊接機器人已廣泛應用于汽車、機械制造、鋼結構制造、電力設備制造等行業，伴隨焊接機器人技術的發展，其應用領域在逐年擴展，對外部環境的適應能力也在逐漸增強。但是對小批量、多品種、焊件組對一致性較差、狹小空間焊達性等問題一直沒有性價比較高的解決方案，以上領域對人工焊接的依賴度較高，焊接機器人技術層面還需在上述領域進行持續攻關，研發更容易被市場接受的技術產品。

2.1 我國焊接機器人市場發展現狀

自2015 年以來，受技術創新、政策紅利、經濟轉型、焊接工人短缺、貿易戰、疫情等多重因素影響，我國焊接機器人市場需求呈現波浪式發展趨勢。國產焊接機器人市場占有率逐年提高。焊接機器人設備由機器人焊接工作站向機器人焊接生產線發展的進程在逐年加快，向焊接輔助工序（如組對點焊、補焊修磨等工序）延伸的勢頭明顯。

2016—2021 年我國焊接機器人銷量及同比增長率如圖1 所示。數據顯示2016 年、2017 年我國焊接機器人銷量增長速度迅猛，但是增長勢頭開始回落，2018 年受中美貿易戰影響，外貿訂單疲軟，焊接機器人銷量增幅回落，但是依然保持正增長。2019 年貿易戰對焊接機器人銷售市場的影響進一步加深，該年焊接機器人銷量出現負增長。2020 年受疫情影響，我國外貿出口大幅提升、經濟轉型速度加快，該年焊接機器人銷量同比增長轉正，2021 年我國焊接機器人銷量達到歷史最高量4.16萬臺，是全球最大的焊接機器人市場。據統計“十三五”期間，我國焊接機器人的需求量快速增長，截止2021 年我國焊接機器人擁有量為28.721萬臺（數據來源：國際機器人聯合會IFR、中國機器人產業聯盟CRIA、高工機器人產業研究所）。

圖1 2016—2021年我國焊接機器人銷量及同比增長率

在焊接機器人應用方面，近幾年焊接機器人產品發展迅速，產品種類不斷豐富，應用場景不斷拓廣，焊接機器人的本體結構以多關節機器人為主，坐標機器人、SCARC 機器人、DELTA 機器人及特種機器人應用逐漸增多，焊接工藝從點焊、弧焊、釬焊拓展到激光焊接、鎢極氬弧焊、攪拌摩擦焊、等離子焊等十余種工藝，焊接作業環境從室內延伸到野外、水下、太空、核環境等[24]。

目前，國內市場的焊接機器人品牌主要分日系、歐系和國產三種。日系機器人普遍操作簡單、系統相對穩定、價格適中，源程序開放稍微遜于歐系機器人，機械臂自然剛性偏弱。歐系機器人源程序開放性好，有利于系統集成商的二次開發、手臂剛性好，壽命較長，但是系統報錯較多，環境適應能力偏差，價格昂貴。國產機器人價格低廉，但是系統穩定性差，重復定位精度差，機器人壽命較短，只能執行一些簡單的焊接任務。雖然我國工業機器人市場目前仍以外資品牌為主，但近年來，隨著我國在機器人領域的快速發展，我國自主品牌工業機器人市場份額也在逐步提升，與外資品牌機器人的差距逐步縮小。2021 年，自主品牌工業機器人在市場總銷量中的占比為33.9%，比2020年提升4個百分點[25]。

2.2 我國焊接機器人行業應用現狀

焊接機器人的應用是以工業機器人系統為核心進行集成開發，拓展外圍工作裝置如工作臺、變位機、機器人行走裝置、焊接電源、工件自動上下料系統（RGV、AGV）等設備，最終以焊接器人工作站或是焊接機器人生產線等成套設備的形式投入生產應用。我國焊接機器人大批量應用始于汽車制造行業。最近15 年，應用領域陸續擴展到機械制造、鋼結構制造、船舶制造、電力設備制造等領域[26]。

在汽車行業，點焊、弧焊、激光焊接、激光三維切割機器人已經廣泛應用，由于汽車行業的自動化程度較高，工件一致性普遍較好，焊接離線編程在該行業已經得到普遍應用，焊縫識別、焊縫跟蹤、焊接過程控制、焊接缺陷檢測等技術在該行業也得到很好的推廣，上述技術的應用極大地提高了汽車部件的焊接生產效率及焊接質量。該行業的焊接機器人需要適應流水線自動化生產，全生產工序自動銜接，生產節拍較快，對技術工藝成熟度要求苛刻，對機器人系統整體性能的穩定性、系統的開放性、多機器人協調控制性、機器人外部軸集成適應性、通信功能的適應性及可拓展性要求較高。由于國產焊接機器人上述性能與進口機器人存在較大差距，無法滿足汽車生產線快節拍、高穩定性、高自動化程度的要求，在大型汽車焊接生產線上幾乎很難得到應用。

在中厚板焊接為主的機械制造行業如工程機械、煤礦機械、石油機械、港口機械等領域主要以弧焊機器人與坡口切割機器人應用為主，其中弧焊機器人應用占比較高，在該領域對機器人及外圍設備的定位精度與穩定性要求較高，對周邊技術如力矩傳觀、接觸傳感、電弧傳感、激光傳感、多層多道、外部軸協調、系統聯動、總線通信、焊接專家系統等均有較高要求。進口品牌機器人進入此領域較早，經過多年對周邊技術及工藝軟件的持續優化，進口品牌焊接機器人在中厚板焊接領域性能穩定，應用案例豐富，主導我國中厚板焊接機器人市場。

在以薄板焊接為主的農用機械、健身器械、五金家具等行業，由于工件結構及焊接工藝簡單，工件以薄壁件為主，為了防止工件變形，此類工件通常在焊接工裝上進行焊接，該類焊接機器人系統集成難度不高，外圍設備以焊接工作臺或是頭尾式變位機為主，對周邊技術要求不高，焊接機器人系統多以工作站的形式投入使用，此類設備技術密集度較低，行業需求較分散，產品附加值較低，國產機器人在該領域的市場占有率較高。

2.3 我國焊接機器人行業發展痛點問題

我國焊接機器人產業相關科研理論、制造工藝及核心部件研究相對于西方發達國家起步較晚，在相關配套設施的建設以及行業標準的制定方面與發達國家差距較大，主要存在以下幾個問題：

（1）核心零部件嚴重依賴進口。伺服電機、精密減速器、控制器以及一些機器人精密部件，嚴重依賴進口，成本、交貨周期不可控問題突出，嚴重威脅我國工業機器人產業鏈供應鏈的安全與穩定。

（2）基于焊接機器人的專用軟件開發能力薄弱。工業機器人平臺上基于不同應用場景開發的專用軟件包是實現焊接機器人智能化的重要支撐，國產工業機器人用軟件還處在初期階段，沒有形成自身的特色，在軟件的穩定性、響應速度、易用性及開放性等方面與國外先進產品也還存在較大差距。

（3）我國焊接機器人產業標準不健全、不規范現象亟待整頓。我國焊接機器人產業存在標準不健全、不規范等問題，難以匹配市場供需的矛盾，極易造成眾多入局企業的“野蠻生長”、產品質量參差不齊等不規范現象，這對我國焊接機器人行業的整體發展及參與全球競爭產生不良影響。

（4）機器人技術創新水平亟待提升。技術積累不足，原創性理論研究、系統設計能力欠缺是制約我國焊接機器人行業發展的瓶頸，主要體現在機器人本體低端產品過熱，高端產品供給嚴重不足。技術創新的問題歸根結底都是人才的問題，如何引進、培養適合焊接機器人行業發展的高、中、低端人才，建設人工智能、感知、識別、驅動和控制等下一代焊接機器人技術研發平臺是當下十分緊迫的問題。

3 焊接機器人關鍵技術

焊接是一種以加熱、高溫或者高壓的方式接合金屬或其他熱塑性材料的制造工藝及技術[27]。焊接過程是一個高度非線性、多變量、多不確定因素作用的過程[28]。基于以上因素，實現對焊縫成形質量精準控制十分困難，為了實現穩定、優質、高效的焊接，機器人焊接領域迫切需要采用計算機技術、控制技術、信息和傳感技術、人工智能等多學科知識[29]，實現機器人系統各軸動作協調控制、焊接電源靜動特性的無級控制、焊接熔池動態特征信息獲取、系統設備通信的快速可靠性、焊接初始位置的自主識別、焊縫實時跟蹤、焊接參數自適應調節等以確保焊接質量及提高焊接效率[30]。在弧焊領域一款成熟的焊接機器人產品離不開以下技術的支撐。

3.1 工業機器人本體技術

工業機器人本體技術是焊接機器人技術的基礎，該技術的核心主要體現在精密減速器技術、伺服驅動技術及機器人控制技術。工業機器人精密減速器包括RV 減速機和諧波減速機兩種，由于其制造技術難度大，對基礎材料的性能、軸承、齒輪加工裝配的精度要求極高，該部件的制造能力體現的是一個國家制造業的整體水平，國產減速機的精度、質量穩定性、使用壽命等關鍵技術指標與進口精密減速機差距較大。伺服驅動器在動態性能、單位體積扭矩、運動精度控制及功率密度上和進口品牌產品存在一定差距[31]。機器人控制器是決定機器人功能和性能的主要因素，在控制伺服軸的數量、運動軌跡的規劃能力、通信開放性、信號處理能力、主控邏輯二次開發能力等性能與國外早已成熟并不斷優化的產品相比存在一定差距。

3.2 焊接電源技術

在人工智能技術、計算機視覺技術、數字化信息處理技術、機器人技術等現代高新技術驅動下，焊接電源技術正向焊接工藝高效化、焊接電源控制數字化、焊接質量控制智能化、焊接生產過程機器人化、焊接耗能綠色化方向發展[32-34]。超低飛濺焊接、高速焊接、聚能電弧／大熔深、恒熔深、冷弧焊／根焊、單雙脈沖電弧控制、智能化數字控制、人機交互和多電壓等焊接電源技術逐漸成熟并實現產品化。電源控制響應速度可達微秒級，輸出電流、電壓可根據實際需要自動調節[31]，機器人焊接電源之間的通信逐步向總線通信過渡，機器人與焊接電源間的集成配置向傻瓜式一鍵化方向發展，圍繞焊接機器人開發的多項焊接專用功能，如：焊接參數的漸變調節、焊絲接觸傳感、電弧傳感器及焊接實時監控功能逐漸標準化。焊接電源制造商開發新電源的能力、速度不斷提升，比如奧地利的Fronius，德國EWM、CLOOS，美國Lincoln、Miller，日本 松下、OTC，這些品牌針對不同焊接機器人應用場景推出系列化的焊接電源產品。

3.3 焊接機器人傳感技術

傳感技術是實現焊接自動化與智能化的關鍵技術。通過接觸傳感、溫度傳感、電磁傳感、聲學傳感、光學傳感、電弧傳感等多種傳感手段，判斷焊縫位置，感知焊接過程變化，并根據焊接任務對焊接路徑、焊接參數進行實時調整控制，實現對焊接質量的精準控制。在眾多焊接傳感技術中心，接觸傳感、電弧傳感、激光傳感以其各自獨特的優勢廣泛應用于機器人焊接領域[35]。接觸傳感分為低壓傳感和高壓傳感兩種，光潔度較高、導電性較好的工件一般采用低壓觸感，表面有氧化皮、銹蝕等異物、導電性較差的工件采用高壓接觸傳感更為可靠。通常接觸傳感采用焊絲接觸或噴嘴接觸兩種形式，該技術主要用于焊接初始位置識別和焊槍碰撞工件檢測，由于是借用焊材或是焊槍部件進行接觸導電，在機器人末端無需增加硬件，該技術產品適應性較好，但是工作效率較低；電弧傳感是利用焊絲與工件之間距離變化引起的焊接參數變化來探測焊絲高度和左右偏差，從而判定焊縫中心位置，實現焊接過程中焊縫實時跟蹤[36]。該技術所用硬件結構簡單、成本低、響應快，抗弧光、高溫、磁場等干擾能力強[37]，但是電弧傳感可靠性受焊槍擺動、電流大小、焊縫接頭形式、焊縫接頭一致性、電弧過渡形式等因素限制，這嚴重影響了電弧傳感技術在機器人焊接領域的應用范圍。激光傳感技術是基于三角測量原理獲取焊縫的三維坐標信息[38]，該技術圖像處理過程簡單，反應速度快，抗弧光、煙塵、飛濺等干擾能力較強，不僅可實現焊接初始位置識別、焊縫跟蹤還可以實現焊接質量檢測功能，但是該技術所需傳感器結構復雜，傳感器與焊槍相對位置要求嚴格，嚴重影響焊接機器人對復雜機構件焊接的焊達性已經對外部環境的適應性。機器人焊接領域傳感器的應用正由單一傳感器向多傳感器智能信息融合方向發展[39]。控制算法也在向多元化發展，更為先進的傳感技術與焊接機器人實現更好的融合，也促使焊接機器人向更加柔性、智能化方向發展。

3.4 協調運動控制技術

協調運動是一種運動控制方法。使用協調運動，可以使得兩個運動組的運動速度相對恒定。結合外部軸的協調功能，有利于持續回轉型焊縫（譬如環形焊縫）的示教編程和工藝實現，有利于復雜曲線焊縫（譬如馬鞍形焊縫）的示教編程和工藝實現。焊接機器人與外部軸從協調動作開始到結束以保持工件和焊槍之間的恒定相對速度，自動規劃軌跡同步定位的協調運動，根據焊縫的形狀及焊接工藝要求，外部軸自動調整工件的位置，機器人始終保持焊接的最佳姿勢進行焊接。外部軸一般是指機器人變位機軸或與主控機器人協作的外圍機器人的所屬軸。通過協調運動控制技術，可使焊接機器人系統具有更高的作業效率、更大的工作半徑、更強的作業能力、更廣的適用領域和更柔性的適應能力[40]。焊接機器人協作控制技術正由機器人單元與焊接變位機單元的協調控制技術向多機器人、多工作單元協調控制方向發展，協調控制單元數量由兩組向多組發展。

3.5 離線編程與仿真技術

焊接機器人的離線編程與示教編程存在本質區別，離線編程是通過對焊接機器人、周邊設備及焊接工件進行三維建模，將三維模型導入離線編程仿真軟件，建立機器人系統運動的數字模型，根據焊接工藝要求對焊接機器人運動的空間軌跡進行規劃仿真，通過仿真對運動軌跡中出現的奇異點、碰撞、干涉問題進行優化，然后對離線編程仿真軟件編制的程序進行后置處理，以便很好地移植到焊接機器人系統中[41]。焊接機器人離線編程仿真技術能在不影響機器人工作的情況下實現快速編程，同時大幅降低編程人員的勞動強度，是解決多品種、小批量、復雜化工件焊接編程及太空、深水、核環境等極限環境焊接編程的有效手段。焊接機器人離線編程與仿真涉及的關鍵技術包括機器人運動學技術、CAD圖形環境交互技術、碰撞檢測算法技術及后置處理技術。目前上述技術均十分成熟，已有大量的機器人離線編程仿真軟件投入商業化應用，國內外主要離線編程與仿真軟件及開發商見表1。然而，離線編程技術只能是實現焊接智能化生產的過渡技術，焊接自主編程技術才是智能化焊接的最終目標。

表1 國內外主要離線編程與仿真軟件及開發商一覽表

3.6 焊接機器人系統集成技術

焊接機器人系統集成技術是指以提升工業機器人任務重構實現自動化焊接功能，提高機器人人機交互性能及智能化控制水平為目標的機器人應用技術。該技術是實現工業機器人在焊接領域精細化及智能化應用的基礎，是客戶終端最終實現焊接機器人應用的關鍵。從行業應用角度看，焊接機器人系統集成技術是針對具體焊接應用場景提供的成套技術解決方案。該方案涉及焊接工藝優化、工藝設備布局、機器人及外圍標準設備選型、非標設備設計（機器人末端、焊接工裝夾具等）、整體方案虛擬仿真、工控軟件編程、工藝軟件開發、硬件設備通信、在線/離線編程仿真、傳感信號采集處理、焊接工藝集成應用、焊接周邊技術開發應用等技術。焊接機器人系統集成技術的應用目標是生產出個性化、定制化的成套機器人焊接設備，伴隨智能化領域多學科技術的綜合發展。及應用市場的快速增長，機器人系統集成技術在向模塊化、功能化、標準化、智能化方向發展。

4 結束語

自2013 年以來，我國已經連續多年成為全球最大焊接機器人市場，隨著中國制造業轉型步伐加快，對焊接機器人的需求量逐年增加，對焊接機器人的性能也提出更高要求。目前國產焊接機器人難以滿足我國制造業快速發展的要求，進口品牌焊接機器人主導我國高端焊接機器人市場。未來將持續圍繞終端用戶的轉型升級及智能化需求，突破關鍵核心技術，攻克復雜剛需難題，提升產品柔性和智能化水平，研發適應新市場、新需求的新產品，是我國焊接機器人產業發展的方向。只有持續創新，掌握核心技術，才能夠在激烈的市場競爭中獲得優勢，進一步推動我國焊接機器人產業向數字化、網絡化、智能化方向轉型，不斷孕育出新模式、新業態，助力我國制造業轉型升級實現高質量發展。