王濤

【摘 要】焊接生產(chǎn)線(xiàn)機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用經(jīng)歷了仿制、自行研制、穩(wěn)步發(fā)展三個(gè)階段。焊接制造行業(yè)的焊接專(zhuān)機(jī)將得到普遍應(yīng)用，焊接生產(chǎn)過(guò)程中，機(jī)械化與自動(dòng)化程度將提高15%左右，焊接自動(dòng)化程度將達(dá)到40～50%，為了發(fā)展焊接自動(dòng)化技術(shù)，中國(guó)在“九五”計(jì)劃中已將圍繞計(jì)算機(jī)技術(shù)的CIMS技術(shù)、CAD/CAM、CAPP、CAPM等技術(shù)列為重點(diǎn)推廣項(xiàng)目。本文主要介紹焊接機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展歷程及應(yīng)用現(xiàn)狀。對(duì)焊接技術(shù)的種類(lèi)及其特點(diǎn)做了簡(jiǎn)要介紹。并且將焊接機(jī)器人的視覺(jué)控制技術(shù)、智能控制技術(shù)及嵌入式控制技術(shù)等作為焊接機(jī)器人智能化技術(shù)的發(fā)展方向。

【關(guān)鍵詞】焊接機(jī)器人；智能機(jī)器人；焊接技術(shù)；應(yīng)用現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢(shì)

1.焊接機(jī)器人的發(fā)展歷程及現(xiàn)狀

1.1焊接機(jī)器人的發(fā)展歷程

1959年，美國(guó)誕生了世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人UNIMATE。此后，機(jī)器人的應(yīng)用和技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了以下三個(gè)階段：

第一階段：示教再現(xiàn)型機(jī)器人。

這類(lèi)機(jī)器人沒(méi)有反饋外界信息的能力，不能夠適應(yīng)工作環(huán)境的變化。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中受到了很大限制。

第二階段：可感知機(jī)器人。

這類(lèi)機(jī)器人可感知到外界環(huán)境。工作時(shí)，外界信息可通過(guò)傳感器獲得，從而，可以靈活調(diào)整工作狀態(tài)，保證在適應(yīng)環(huán)境的情況下完成工作。

第三階段：智能型機(jī)器人。

這類(lèi)機(jī)器人具有感覺(jué)能力，同時(shí)還具有獨(dú)立判斷、推理和決策的能力。不僅能夠在不同的外部環(huán)境中工作，而且還能夠完成更加復(fù)雜的動(dòng)作。因此，這類(lèi)機(jī)器人在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。

1.2焊接機(jī)器人的應(yīng)用現(xiàn)狀

在工業(yè)生產(chǎn)中，焊接機(jī)器人具有焊接質(zhì)量穩(wěn)定、適應(yīng)工作環(huán)境、提高生產(chǎn)效率等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)制造、工程機(jī)械和金屬結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域。

上個(gè)世紀(jì)80年代初，我國(guó)就對(duì)工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用展開(kāi)了深入研究。經(jīng)過(guò)二十多年的努力，在技術(shù)和應(yīng)用方面均取得了可喜的成績(jī)。并且，在制造業(yè)的發(fā)展中，發(fā)揮了重要的推動(dòng)作用。近年來(lái)，我國(guó)在焊接機(jī)器人領(lǐng)域呈現(xiàn)出快速增長(zhǎng)的勢(shì)頭，增長(zhǎng)率超過(guò)了60%。2005年我國(guó)新增機(jī)器人數(shù)量超過(guò)了5000臺(tái)，但僅占亞洲新增數(shù)量的6%。這樣的增長(zhǎng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的速度。這說(shuō)明我國(guó)制造業(yè)的自動(dòng)化程度以及工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用程度都有待于進(jìn)一步提高。

2.焊接技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)

2.1焊接的種類(lèi)及特點(diǎn)

根據(jù)焊接過(guò)程的特點(diǎn)可將其分為熔焊、壓焊和釬焊三大類(lèi)。

（1）熔焊。熔焊是指，將待焊處的母材金屬熔化，以形成焊縫的焊接方法。

（2）壓焊。壓焊是指，在焊接過(guò)程中，必須對(duì)焊件施加壓力來(lái)完成焊接的方法。

（3）釬焊。釬焊是指，用比母材熔點(diǎn)低的金屬材料作釬料，將釬料和焊件加熱到一定的溫度（即高于釬料熔點(diǎn)，低于母材熔點(diǎn)），液態(tài)的釬料填充于接頭間隙，并與母材相互擴(kuò)散來(lái)實(shí)現(xiàn)連接焊件的焊接方法。

2.2焊接技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中的地位

在工業(yè)制造中，金屬是一種最為常見(jiàn)的重要材料。汽車(chē)、飛機(jī)、輪船等制造領(lǐng)域都會(huì)使用大量的金屬材料。在這些工業(yè)產(chǎn)品的制造過(guò)程中，焊接就是把各種各樣加工好的零件，按相應(yīng)的設(shè)計(jì)要求連接起來(lái)制成產(chǎn)品的一種加工方法。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前整個(gè)制造業(yè)有將近一半的金屬產(chǎn)品都是通過(guò)焊接加工的方法制作的?，F(xiàn)如今，隨著焊接技術(shù)的發(fā)展，焊接技術(shù)幾乎遍及所有制造領(lǐng)域。并且，成為制造領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一。因此，焊接技術(shù)水平的高低，是衡量一個(gè)國(guó)家科學(xué)技術(shù)先進(jìn)程度的重要標(biāo)志之一。沒(méi)有現(xiàn)代焊接技術(shù)的發(fā)展，就不會(huì)有現(xiàn)代工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的今天。

隨著國(guó)際化先進(jìn)工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)焊接技術(shù)提出了多樣化的要求。具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）在焊接產(chǎn)品的使用方面，提出了動(dòng)載、強(qiáng)韌、高壓、高溫等多項(xiàng)要求。

（2）從焊接產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形式上，提出了焊接厚壁零件到精密零件的要求。

（3）從焊接材料的選擇上，提出了焊接各種黑色金屬和有色金屬的要求。

這就使得我國(guó)在焊接技術(shù)領(lǐng)域不得不投入大量的高新技術(shù)人才，來(lái)深入的研究具有更高技術(shù)含量的焊接技術(shù)。

3.焊接機(jī)器人的發(fā)展及趨勢(shì)

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，服務(wù)于焊接加工領(lǐng)域的焊接機(jī)器人占全世界在役的工業(yè)機(jī)器人中的一半左右。其實(shí)，焊接機(jī)器人就是在焊接生產(chǎn)過(guò)程中，代替焊工從事焊接任務(wù)的工業(yè)機(jī)器人。這些焊接機(jī)器人中，只有少數(shù)是專(zhuān)為某種焊接方式設(shè)計(jì)的，而大多數(shù)的焊接機(jī)器人就是在通用的工業(yè)機(jī)器人裝上某種焊接工具而構(gòu)成的。在多任務(wù)環(huán)境中，一臺(tái)機(jī)器人并不僅僅完成焊接作業(yè)，甚至還可以完成包括焊接在內(nèi)的取物、搬運(yùn)及安裝等多種任務(wù)。編程人員可以向機(jī)器人輸入相應(yīng)的程序指令。機(jī)器人可以根據(jù)程序指令自動(dòng)更換機(jī)械手上的工具來(lái)完成相應(yīng)的任務(wù)。因此，從某種意義上來(lái)說(shuō)，工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展歷史就是焊接機(jī)器人的發(fā)展歷史。

在發(fā)達(dá)國(guó)家，焊接機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)成套設(shè)備已成為自動(dòng)化裝備的主流及未來(lái)的發(fā)展方向。國(guó)外汽車(chē)行業(yè)、電子電器行業(yè)、工程機(jī)械等行業(yè)的生產(chǎn)線(xiàn)都是以大量使用工業(yè)機(jī)器人代替人工來(lái)完成作業(yè)的。從而使產(chǎn)品的質(zhì)量更加得以保障，生產(chǎn)效率得到了大大的提高。許多國(guó)家通過(guò)長(zhǎng)期使用工業(yè)機(jī)器人的實(shí)踐表明，工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)水平及其普及程度是體現(xiàn)該國(guó)家工業(yè)發(fā)展水平重要因素之一，也是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)、提高生產(chǎn)效率、推動(dòng)企業(yè)和社會(huì)生產(chǎn)力發(fā)展的有效手段。

3.1焊接機(jī)器人在焊接生產(chǎn)中的應(yīng)用

眾所周知，在制造業(yè)中，焊接加工是一種生產(chǎn)環(huán)境差、危險(xiǎn)性高的職業(yè)之一。而且，焊接加工對(duì)焊工技術(shù)水平的要求也是比較高的。它要求焊工必須具有熟練的操作技能、豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和穩(wěn)定的焊接水平。焊接機(jī)器人的出現(xiàn)，使人們能夠從極為惡劣的工作環(huán)境中解脫出來(lái)，減輕焊工的勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)也可以提高焊接的質(zhì)量和效率。

焊接機(jī)器人有直角坐標(biāo)式、柱面坐標(biāo)式、球面坐標(biāo)式、多關(guān)節(jié)坐標(biāo)式、伸縮式、爬行式等多種結(jié)構(gòu)形式。在實(shí)際使用中，可以根據(jù)不同的場(chǎng)合選用不同的結(jié)構(gòu)形式，來(lái)完成相應(yīng)的工作任務(wù)。模仿人手臂功能的多關(guān)節(jié)機(jī)器人，由于可以在空間自由度內(nèi)任意動(dòng)作，手臂靈活性最大，能夠使焊槍的空間位置和姿態(tài)調(diào)至任意狀態(tài)，來(lái)滿(mǎn)足焊接的需要，因此也是目前使用最為廣泛的一種。

由于焊接機(jī)器人技術(shù)的不斷提高，并且電弧傳感器技術(shù)在機(jī)器人焊接中得到廣泛應(yīng)用，在一定程度上，解決了機(jī)器人電弧焊的焊縫軌跡跟蹤和控制的問(wèn)題。在汽車(chē)制造業(yè)中，由于焊接機(jī)器人的廣泛應(yīng)用，也從原來(lái)比較單一的汽車(chē)裝配點(diǎn)焊很快發(fā)展為汽車(chē)零部件和裝配過(guò)程中的電弧焊。因?yàn)闄C(jī)器人電弧焊具有可通過(guò)程序隨時(shí)改變焊接軌跡和焊接順序的特點(diǎn)，因此最適用于工件品種變化大、焊縫短而多、形狀復(fù)雜的產(chǎn)品。而這種產(chǎn)品又大多出現(xiàn)在汽車(chē)車(chē)體上，正好又符合了汽車(chē)制造業(yè)的特點(diǎn)。再加上現(xiàn)在的汽車(chē)款式越來(lái)越多，更新速度也越來(lái)越快，采用帶有機(jī)器人裝備的汽車(chē)生產(chǎn)線(xiàn)更能夠滿(mǎn)足當(dāng)今社會(huì)汽車(chē)制造業(yè)的飛速發(fā)展。

3.2焊接機(jī)器人的最新進(jìn)展

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)也得到了飛速發(fā)展。制造成本不斷降低，而其質(zhì)量與性能卻在迅速提高。 具體體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：

（1）工業(yè)機(jī)器人。工業(yè)機(jī)器人已廣泛地應(yīng)用于各種自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)，由操作機(jī)、控制器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和檢測(cè)傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作、自動(dòng)控制，可重復(fù)編程，能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動(dòng)生產(chǎn)設(shè)備。

（2）先進(jìn)機(jī)器人。近年來(lái)，人類(lèi)活動(dòng)領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，機(jī)器人應(yīng)用也從制造領(lǐng)域向非制造領(lǐng)域發(fā)展。在宇宙探測(cè)、海洋開(kāi)發(fā)、建筑、采掘、醫(yī)療服務(wù)等行業(yè)都提出了自動(dòng)化和機(jī)器人化的要求，如太空機(jī)器人、核事故機(jī)器人、醫(yī)用機(jī)器人、仿生機(jī)器人等。

3.3焊接機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)

目前，國(guó)際機(jī)器人界內(nèi)人士都在對(duì)機(jī)器人的共性技術(shù)展開(kāi)更深入的研究。焊接機(jī)器人也在不斷的向智能化和多樣化的方向發(fā)展。

在當(dāng)今高質(zhì)量、高效率的焊接生產(chǎn)中，焊接機(jī)器人發(fā)揮了極其重要的作用。工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的研究、發(fā)展與應(yīng)用，有力地推動(dòng)了世界工業(yè)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步。近年來(lái)，焊接機(jī)器人技術(shù)的研究與應(yīng)用，在焊縫跟蹤、信息傳感、智能控制等方面都取得了突出的成果。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、智能控制技術(shù)和人工智能技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)的不斷發(fā)展，焊接機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域還有很多等待我們?nèi)フJ(rèn)真研究的問(wèn)題，特別是焊接機(jī)器人的視覺(jué)控制技術(shù)、智能化控制技術(shù)、嵌入式控制技術(shù)等方面將是未來(lái)研究的主要方向。

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