霍厚志，張 號(hào)，杜啟恒，黃勝利，仇一晨

（山東省智能機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)研究院，山東 鄒城273500）

我國(guó)焊接機(jī)器人應(yīng)用現(xiàn)狀與技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

霍厚志，張 號(hào)，杜啟恒，黃勝利，仇一晨

（山東省智能機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)研究院，山東 鄒城273500）

為了促進(jìn)我國(guó)焊接機(jī)器人在焊接領(lǐng)域真正實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高效、成本低廉的自動(dòng)化、柔性化及智能化焊接，綜述了國(guó)內(nèi)外焊接機(jī)器人技術(shù)發(fā)展概況以及我國(guó)焊接機(jī)器人的應(yīng)用現(xiàn)狀。針對(duì)焊接機(jī)器人價(jià)格昂貴、編程復(fù)雜、尋位及清槍時(shí)間過(guò)長(zhǎng)等問(wèn)題，提出了我國(guó)焊接機(jī)器人技術(shù)的研究重點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)，即焊接機(jī)器人用弧焊電源技術(shù)、傳感技術(shù)、焊縫自動(dòng)識(shí)別與跟蹤技術(shù)、焊縫成形質(zhì)量控制技術(shù)、遙控焊接技術(shù)、離線編程與仿真技術(shù)以及多臺(tái)焊接機(jī)器人及外圍設(shè)備的協(xié)調(diào)控制技術(shù)。

焊接機(jī)器人；智能化焊接；傳感技術(shù)

Abstract:In order to promote domestic welding robot really realize high quality,high efficiency,low cost,flexible and intelligent welding,it summarized the development of welding robot technology at home and abroad,as well as application status in China.Aim at some problems of welding robot,such as expensive price,complicated programming,long time locating and cleaning welding gun and so on,put forward the research emphasis and development trend of welding robot technology in China,including arc welding power supply technology,sensor technology,weld automatic identification and tracking technology,weld forming quality control technology,remote welding technology,off-line programming and simulation technology,and coordinated control technology of welding robot and peripheral equipment.

Key words:welding robot;intelligent welding;sensor technology

焊接是一項(xiàng)工作環(huán)境惡劣、工作強(qiáng)度大、對(duì)工作熟練程度要求高且對(duì)操作人員會(huì)產(chǎn)生潛在危害的工作[1-2]。進(jìn)入21世紀(jì)20年代，伴隨國(guó)家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人民生活水平不斷提升，同時(shí)我國(guó)社會(huì)老齡化不斷加劇，一線焊接工人數(shù)量呈現(xiàn)減少趨勢(shì)[3]。而根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局公布的我國(guó)焊接材料的產(chǎn)量數(shù)據(jù)顯示，從2006年到2014年我國(guó)焊材產(chǎn)量在逐年增加，這就意味著焊接工作量在逐年增加。焊接機(jī)器人的出現(xiàn)有效解決了這種供需矛盾，并且可以使更多人把工作時(shí)間投入到更具創(chuàng)造力的工作上[4]。同時(shí)焊接機(jī)器人的使用可以提高焊接生產(chǎn)效率，改善工作人員的勞動(dòng)條件，穩(wěn)定和保證產(chǎn)品質(zhì)量，易于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的差異化生產(chǎn)，并能夠推動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)自動(dòng)化升級(jí)改造[5]。

焊接機(jī)器人技術(shù)發(fā)展幾乎和典型關(guān)節(jié)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展同步[6]。各種機(jī)器人技術(shù)的開(kāi)發(fā)、研究及應(yīng)用推動(dòng)著我國(guó)工業(yè)的快速發(fā)展。尤其是焊接機(jī)器人在各類機(jī)器人中占據(jù)非常重要的地位，約占工業(yè)機(jī)器人的1/3，對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展轉(zhuǎn)型發(fā)揮了至關(guān)重要的作用[7-8]。

1 焊接機(jī)器人的組成及分類

1.1 焊接機(jī)器人的組成

完整的焊接機(jī)器人系統(tǒng)一般由以下幾個(gè)部分組成[3，9-13]：①機(jī)器人系統(tǒng)， 包括機(jī)器人本體、控制柜、示教器；②焊接系統(tǒng)，包括焊接電源、焊槍焊鉗、送絲機(jī)構(gòu)、供氣機(jī)構(gòu)等；③焊接輔助系統(tǒng)，包括焊接變位移動(dòng)裝置、焊接工裝夾具及擴(kuò)展設(shè)備等；④焊接外部傳感系統(tǒng)，包括采集焊接環(huán)境信息的視覺(jué)傳感器、采集焊縫和焊接熔池信息的視覺(jué)傳感器以及反饋焊接電壓波動(dòng)的電弧傳感器等；⑤焊接綜合處理與控制系統(tǒng)，主要包括焊接工藝數(shù)據(jù)庫(kù)、焊接任務(wù)自主規(guī)劃、編程仿真系統(tǒng)、傳感器信息處理系統(tǒng)及機(jī)器人焊接運(yùn)行的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。

1.2 焊接機(jī)器人的分類

焊接機(jī)器人的分類形式多樣，可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求從技術(shù)層次、工藝方法、結(jié)構(gòu)形式、受控方式、驅(qū)動(dòng)方式等多個(gè)角度對(duì)焊接機(jī)器人進(jìn)行分類。

從技術(shù)層次角度，焊接機(jī)器人可分為以下3代：

（1）第一代“示教再現(xiàn)”型焊接機(jī)器人[5]。示教也稱引導(dǎo)，此類機(jī)器人由用戶引導(dǎo)機(jī)器人，按照實(shí)際任務(wù)逐步引導(dǎo)機(jī)器人執(zhí)行整個(gè)任務(wù)過(guò)程，焊接機(jī)器人在被引導(dǎo)的過(guò)程中記憶示教過(guò)程中的每個(gè)動(dòng)作指令（位置、姿態(tài)、運(yùn)動(dòng)參數(shù)、焊接參數(shù)等），并生成一個(gè)連續(xù)執(zhí)行全部任務(wù)的程序。完成示教后給焊接機(jī)器人一個(gè)啟動(dòng)命令，機(jī)器人將按照示教動(dòng)作精確地完成每一步操作，這就是示教再現(xiàn)型焊接機(jī)器人[14]。

（2）第二代基于傳感技術(shù)的離線編程焊接機(jī)器人。此類機(jī)器人借助視覺(jué)、電弧、力矩等相關(guān)傳感器獲取焊接環(huán)境的相關(guān)信息，并根據(jù)傳感器獲取的相關(guān)信息進(jìn)行自身運(yùn)行軌跡的優(yōu)化，以改善示教再現(xiàn)型機(jī)器人對(duì)焊接環(huán)境的適應(yīng)能力。

（3）第三代智能焊接機(jī)器人。智能焊接機(jī)器人是基于機(jī)器人焊接任務(wù)智能化規(guī)劃技術(shù)、機(jī)器人焊接傳感與動(dòng)態(tài)過(guò)程智能化控制技術(shù)、焊接機(jī)器人系統(tǒng)用電源配套設(shè)備技術(shù)、焊接機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡控制技術(shù)、機(jī)器人焊接復(fù)雜系統(tǒng)的智能控制與優(yōu)化管理技術(shù)、機(jī)器人遙控焊接技術(shù)等眾多先進(jìn)技術(shù)的具有自主決策和靈活運(yùn)動(dòng)的類人思維與動(dòng)作的高級(jí)焊接機(jī)器人。

另外，從工藝方法角度，焊接機(jī)器人可分為點(diǎn)焊機(jī)器人、弧焊機(jī)器人、攪拌摩擦焊機(jī)器人、激光焊機(jī)器人、等離子焊機(jī)器人等；從結(jié)構(gòu)形式角度，可將焊接機(jī)器人分為直角坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型、球坐標(biāo)型、全關(guān)節(jié)型4類；從受控運(yùn)動(dòng)方式角度，焊接機(jī)器人可分為點(diǎn)位控制型、連續(xù)軌跡控制型2種；從驅(qū)動(dòng)方式角度，焊接機(jī)器人可分為氣壓驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)、電氣驅(qū)動(dòng)3種。

2 國(guó)內(nèi)外焊接機(jī)器人技術(shù)發(fā)展回顧

由于焊接機(jī)器人是工業(yè)機(jī)器人的一個(gè)重要分支，焊接機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展幾乎與工業(yè)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展同步，自1959年美國(guó)人George Devol與Joseph Engelberger共同研制世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人Unimate開(kāi)始，工業(yè)機(jī)器人便迅速在焊接領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

1969年，美國(guó)通用汽車公司在組裝生產(chǎn)線上裝配了首臺(tái)點(diǎn)焊機(jī)器人，極大地提高了生產(chǎn)效率，使得90%的車身焊接任務(wù)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，改變了傳統(tǒng)生產(chǎn)中自動(dòng)化程度低、焊接作業(yè)條件惡劣、危險(xiǎn)性高、需依賴工裝夾具的生產(chǎn)方式。

1973年，德國(guó)KUKA公司在Unimate的基礎(chǔ)上研發(fā)出全球首臺(tái)全電機(jī)驅(qū)動(dòng)的六軸機(jī)器人Famulus[15]。

1974年， Bj?rn Weichbrodt為瑞典通用電氣開(kāi)發(fā)了首臺(tái)全電氣微處理器控制的工業(yè)機(jī)器人。同年，日本川崎公司在引進(jìn)美國(guó)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)7年后[16]，在Unimate的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出了全球首臺(tái)弧焊機(jī)器人Hi-T-Hand，該機(jī)器人還具備接觸傳感和力覺(jué)傳感功能。

1979年，日本那智不二越株式會(huì)社研制出首臺(tái)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的點(diǎn)焊機(jī)器人。

1985年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制出我國(guó)首臺(tái)弧焊機(jī)器人華宇-Ⅰ型。該機(jī)器人重復(fù)定位精度、動(dòng)作范圍、焊接參數(shù)數(shù)據(jù)控制精度、負(fù)載等主要參數(shù)，已接近或達(dá)到當(dāng)時(shí)國(guó)際同類產(chǎn)品水平。

1998年，瑞典ABB公司推出機(jī)器人路徑離線編程與仿真軟件RobotStudio，此軟件的推出極大地提高了機(jī)器人應(yīng)用方案的設(shè)計(jì)及程序編寫效率。

2004年，日本的Motoman公司推出了機(jī)器人控制系統(tǒng)NX，可實(shí)現(xiàn)4臺(tái)機(jī)器人多達(dá)38軸的同步控制。

2005年，丹麥的IWA Ltd研制出離線焊接機(jī)器人系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成了離線編程技術(shù)、冗余機(jī)器人控制技術(shù)、路徑自主規(guī)劃技術(shù)以及傳感器控制技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的焊接[17]。

2006年，意大利柯馬公司推出無(wú)線示教器WiTP。

2007年，日本Motoman公司推出了當(dāng)時(shí)速度最快的弧焊機(jī)器人Super Speed Arc SSA2000和Super Speed Flexible SSF2000。

3 我國(guó)焊接機(jī)器人應(yīng)用和發(fā)展現(xiàn)狀

3.1 焊接機(jī)器人的應(yīng)用

焊接機(jī)器人在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域表現(xiàn)出的高效益、 高可靠性、高靈活性的特點(diǎn)為世人矚目，從第一臺(tái)焊接機(jī)器人的誕生迄今50多年的發(fā)展中，焊接機(jī)器人已從最初的點(diǎn)焊機(jī)器人擴(kuò)展到熔化極氣體保護(hù)焊、鎢極氬弧焊、埋弧焊、攪拌摩擦焊、激光焊、等離子焊、氣焊等十多種焊接領(lǐng)域，作業(yè)范圍已從室內(nèi)延伸到野外、水下、太空、核環(huán)境等[18-21]。焊接機(jī)器人正逐步將焊接工人從高疲勞、高危險(xiǎn)的勞動(dòng)環(huán)境中解放出來(lái)。

3.2 焊接機(jī)器人及工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用情況

截止2015年底，我國(guó)焊接機(jī)器人保有量約83 081臺(tái)，比2014年增加了18%，占工業(yè)機(jī)器人保有量的32.4%。近10年我國(guó)焊接機(jī)器人及工業(yè)機(jī)器人的相關(guān)銷售信息見(jiàn)表1[22-26]。

通過(guò)表1可知，近10年我國(guó)焊接機(jī)器人的銷量呈現(xiàn)波浪式增長(zhǎng)，焊接機(jī)器人在工業(yè)機(jī)器人中所占的比重在2012年達(dá)到頂峰，近幾年焊接機(jī)器人在工業(yè)機(jī)器人中所占比重呈下降趨勢(shì)。這與焊接機(jī)器人在萬(wàn)名焊工中的擁有量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于我國(guó)工業(yè)機(jī)器人的平均密度（即制造業(yè)萬(wàn)名工人中工業(yè)機(jī)器人擁有量）有關(guān)[27]。根據(jù)行業(yè)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)2014年焊接材料產(chǎn)量為568萬(wàn)t，扣除出口部分，按照國(guó)內(nèi)自身消耗焊材數(shù)量，保守估算2014年我國(guó)焊接工人數(shù)200萬(wàn)人左右[28]。參照此數(shù)據(jù)，2014年我國(guó)焊接機(jī)器人的行業(yè)密度約為352臺(tái)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于同期我國(guó)工業(yè)機(jī)器人的密度36臺(tái)。而同期全球工業(yè)機(jī)器人密度最大的國(guó)家韓國(guó)，其工業(yè)機(jī)器人密度為478臺(tái)[29-30]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，服務(wù)于焊接加工領(lǐng)域的焊機(jī)機(jī)器人占全球在役工業(yè)機(jī)器人的一半左右[31]，通過(guò)以上數(shù)據(jù)可以預(yù)測(cè)焊接機(jī)器人在我國(guó)還有很大的發(fā)展空間。

表1 近10年我國(guó)焊接機(jī)器人及工業(yè)機(jī)器人銷售情況

3.3 各類型焊接機(jī)器人的應(yīng)用情況

目前，我國(guó)工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用最多的焊接機(jī)器人是弧焊機(jī)器人，其主要應(yīng)用于汽車、工程機(jī)械、摩托車、鐵路、船舶、航空航天、軍工、自行車、家電等行業(yè)；其次是點(diǎn)焊機(jī)器人，點(diǎn)焊機(jī)器人主要應(yīng)用于汽車行業(yè)，包括汽車車身、零部件的焊接；然后就是激光焊接機(jī)器人，由于激光焊接具有功率密度高、焊縫深寬比大、熱影響區(qū)小，且容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等特點(diǎn)[32]，近幾年發(fā)展迅速，在汽車車身制造領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。在其他焊接機(jī)器人領(lǐng)域，摩擦攪拌焊機(jī)器人在鋁及鋁合金焊接領(lǐng)域發(fā)展迅速。目前ESAB研制的空間曲線RosioTM摩擦攪拌焊機(jī)器人系統(tǒng)可對(duì)不大于5 mm的鋁合金進(jìn)行優(yōu)質(zhì)高效焊接[33]，圖1為截止到2013年我國(guó)各類焊接機(jī)器人累計(jì)裝機(jī)情況[22]。

圖1 截止到2013年我國(guó)各類型焊接機(jī)器人累計(jì)裝機(jī)情況

目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的焊接機(jī)器人主要分為日系、歐系和國(guó)產(chǎn)3種。日系機(jī)器人主要來(lái)自安川MOTOMAN、OTC、松下、FANUC、神鋼 ARCMAN、不二越、川崎等公司；歐系的有德國(guó)KUKA、CLOOS、瑞士的 ABB以及奧地利的IGM等公司產(chǎn)品；國(guó)產(chǎn)焊接機(jī)器人有沈陽(yáng)新松、廣州數(shù)控、上海新時(shí)達(dá)、安徽埃夫特、南京埃斯頓等品牌產(chǎn)品。根據(jù)CRIA公布的2015年中國(guó)機(jī)器人的市場(chǎng)數(shù)據(jù)顯示，2015年國(guó)產(chǎn)焊接機(jī)器人的銷量約3 784臺(tái)，占中國(guó)焊接機(jī)器人市場(chǎng)的29.9%，另外70%以上的焊接機(jī)器人市場(chǎng)被外國(guó)品牌占據(jù)。

3.4 焊接機(jī)器人應(yīng)用過(guò)程中存在的問(wèn)題

雖然焊接機(jī)器人在我國(guó)焊接生產(chǎn)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，使得相關(guān)企業(yè)的焊接質(zhì)量及焊接效率均有了大幅度的提升，但是焊接機(jī)器人在應(yīng)用過(guò)程中仍然存在一些問(wèn)題，有待去研究改善，主要問(wèn)題有以下4個(gè)方面。

（1）焊接機(jī)器人零部件價(jià)格昂貴。受我國(guó)工業(yè)機(jī)器人關(guān)鍵核心零部件技術(shù)水平的制約，焊接機(jī)器人的主要零部件均依賴進(jìn)口，這就導(dǎo)致國(guó)內(nèi)焊接機(jī)器人的零部件價(jià)格昂貴，工業(yè)機(jī)器人的四大核心部件（減速器、伺服電機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)和控制器）一旦損壞動(dòng)輒就幾萬(wàn)甚至十幾萬(wàn)的更換費(fèi)用。以機(jī)器人用精密減速機(jī)為例，據(jù)中國(guó)機(jī)器人網(wǎng)報(bào)道：“2015年我國(guó)75%的精密減速機(jī)由日本進(jìn)口，主要供應(yīng)商為日本的哈默納科、納博特斯克和住友，通常這三家公司賣給機(jī)器人四大國(guó)際巨頭的價(jià)格為3～5萬(wàn)，賣給國(guó)內(nèi)關(guān)系好的客戶約7萬(wàn)元，對(duì)于大多數(shù)普通用戶需要以10萬(wàn)元以上的價(jià)格才能購(gòu)買到一臺(tái)精密減速機(jī)，而且供貨周期較長(zhǎng)，這嚴(yán)重影響焊接生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)計(jì)劃?！毕駬p壞率比較高的焊槍、槍纜、送絲機(jī)價(jià)格也在1萬(wàn)左右，這致使很多企業(yè)買得起焊接機(jī)器人卻用不起，這嚴(yán)重阻礙了國(guó)內(nèi)“機(jī)器換人”的腳步，阻礙了中國(guó)智能制造的發(fā)展。

（2）復(fù)雜焊件的焊接編程問(wèn)題。機(jī)器人焊接編程一般包括示教編程和焊接工藝參數(shù)編寫兩部分。對(duì)于復(fù)雜焊件的機(jī)器人焊接，其焊縫一般較多，這就需要耗費(fèi)大量的時(shí)間對(duì)其進(jìn)行示教編程。對(duì)于存在變角度坡口的焊縫一般需要進(jìn)行多重多道焊接，焊接工藝參數(shù)的調(diào)試及確定也需耗費(fèi)大量時(shí)間，多數(shù)復(fù)雜焊接需要編寫調(diào)試多個(gè)焊接參數(shù)，需要更長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)確定相應(yīng)的工藝參數(shù)。這就大大延長(zhǎng)了企業(yè)新產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，從而降低了企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力[34]。

（3）機(jī)器人與焊件的相對(duì)位置發(fā)生變化后重新示教問(wèn)題。機(jī)器人焊接編程主要是通過(guò)示教器控制機(jī)器手的行走路徑，當(dāng)焊槍末端到達(dá)指定點(diǎn)時(shí)，加上相應(yīng)的動(dòng)作命令（調(diào)用程序、停留時(shí)間、送氣、送絲、收絲、引弧、熄弧、旋轉(zhuǎn)等），該指定點(diǎn)一般是參照變位機(jī)或焊接工裝上的焊接工件確定。一旦焊接工件與機(jī)器人的相對(duì)位置發(fā)生變化，焊接程序就得重新示教，這個(gè)工作需要耗費(fèi)大量的時(shí)間，該問(wèn)題是焊接機(jī)器人應(yīng)用過(guò)程中經(jīng)常遇到且比較棘手的問(wèn)題。

（4）尋位和清槍輔助時(shí)間過(guò)長(zhǎng)問(wèn)題。由于焊接組對(duì)的一致性普遍達(dá)不到機(jī)器人直接焊接的要求，機(jī)器人在進(jìn)行焊接之前，一般需要對(duì)相應(yīng)焊件進(jìn)行尋位（焊縫檢測(cè)），焊接尋位是根據(jù)焊件的形狀特征在示教位置的基礎(chǔ)上，通過(guò)焊絲與工件的接觸來(lái)確定焊縫的實(shí)際位置，并在示教位置的基礎(chǔ)上加以矯正 （此功能要求工件的實(shí)際位置與示教位置不能偏差太大，超過(guò)極限變差尋位功能將無(wú)法使用）。通常一條焊縫至少需要4個(gè)尋位點(diǎn)。對(duì)于復(fù)雜焊件相應(yīng)的尋位時(shí)間太長(zhǎng)，這嚴(yán)重影響到了機(jī)器人焊接的整體速度。對(duì)于弧焊機(jī)器人而言，焊接一定時(shí)間后要對(duì)焊槍噴嘴進(jìn)行清理。目前國(guó)內(nèi)的焊接機(jī)器人系統(tǒng)一般采用清槍站對(duì)噴嘴進(jìn)行清理，而清槍站均放在遠(yuǎn)離工件的安全位置。焊接時(shí)機(jī)器人需頻繁地由焊件位置運(yùn)行到清槍站，再由清槍站運(yùn)回到焊件位置，這一過(guò)程也嚴(yán)重影響機(jī)器人的焊接效率。

4 焊接機(jī)器人技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)

實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)、高效的焊接是應(yīng)用焊接機(jī)器人的意義所在[35]，也是機(jī)器人焊接領(lǐng)域研究的重要課題。由于焊接是一個(gè)高度非線性、多變量、多種不確定因素作用的過(guò)程[36]，使得控制焊縫成形質(zhì)量極為困難。為了克服上述因素對(duì)焊接質(zhì)量的影響，機(jī)器人焊接領(lǐng)域迫切需要采用計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、信息和傳感技術(shù)、人工智能等多學(xué)科知識(shí)[37]，實(shí)現(xiàn)焊接電源靜動(dòng)特性的無(wú)級(jí)控制、焊接初始位置的自主識(shí)別、焊縫實(shí)時(shí)跟蹤、焊接熔池動(dòng)態(tài)特征信息獲取、焊接參數(shù)自適應(yīng)調(diào)節(jié)等，以確保焊接質(zhì)量和提高焊接效率[38]。為了能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人優(yōu)質(zhì)、高效焊接，目前我國(guó)焊接機(jī)器人技術(shù)研究主要集中在以下幾個(gè)方面。

4.1 焊接機(jī)器人用弧焊電源的研究

伴隨焊接機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，與之配套的弧焊電源正朝高效、高性能和數(shù)字化方向發(fā)展[39]。由于數(shù)字化弧焊電源具有焊接參數(shù)輸出穩(wěn)定、焊接重復(fù)性高、焊接質(zhì)量良好且穩(wěn)定、DSP響應(yīng)速度快、并且可以滿足多種焊接方法對(duì)電源的要求等特點(diǎn)，采用全數(shù)字化弧焊電源是未來(lái)焊接機(jī)器人的發(fā)展方向[40]。目前機(jī)器人用數(shù)字化弧焊電源主要是國(guó)外產(chǎn)品，像奧地利Fronius公司的TPS系列產(chǎn)品、德國(guó)EWM公司生產(chǎn)的INTEGRAL系列數(shù)字化弧焊電源、法國(guó)沙福DIGI@WAVE系列產(chǎn)品、日本松下推出的多系列數(shù)字化弧焊電源等。國(guó)內(nèi)在這方面的研究已經(jīng)開(kāi)展，并有一些產(chǎn)品推向市場(chǎng)，可在焊接穩(wěn)定性、控制精準(zhǔn)性等多方面性能參數(shù)上與國(guó)外產(chǎn)品還有一定的差距[41]。

4.2 焊接機(jī)器人傳感技術(shù)

焊接自動(dòng)化與智能化是焊接發(fā)展的趨勢(shì)，而傳感技術(shù)是實(shí)現(xiàn)焊接自動(dòng)化與智能化的關(guān)鍵技術(shù)。焊接機(jī)器人傳感技術(shù)是涉及機(jī)器人焊接過(guò)程中相關(guān)信息的獲取、信息轉(zhuǎn)換、信息處理的一門技術(shù)。其中焊接過(guò)程中相關(guān)信息的獲取是制約該項(xiàng)技術(shù)發(fā)展的短板。只有穩(wěn)定可靠的傳感器才能檢測(cè)焊接過(guò)程的狀態(tài)，為過(guò)程質(zhì)量控制提供過(guò)程特征信息。由于焊接傳感器所處的應(yīng)用環(huán)境極其惡劣，受到弧光、高溫、煙塵、飛濺、振動(dòng)和電磁場(chǎng)的干擾，其中大部分干擾無(wú)法去除，這對(duì)焊接傳感器提出了較高的要求。目前弧焊機(jī)器人常用的傳感器主要有觸桿接觸式傳感器、電極接觸式傳感器、溫度傳感器、電磁傳感器、聲學(xué)傳感器、光學(xué)傳感器、電弧傳感器。焊接傳感器是否穩(wěn)定可靠，直接關(guān)系到焊接過(guò)程特征信息的提取準(zhǔn)確與否，對(duì)實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控至關(guān)重要。在眾多焊接傳感器中，接觸式傳感器、激光視覺(jué)傳感器和電弧傳感器以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)廣泛應(yīng)用于弧焊機(jī)器人焊接過(guò)程中[42]。

4.3 焊縫自動(dòng)識(shí)別與跟蹤技術(shù)

對(duì)焊接機(jī)器人進(jìn)行視覺(jué)傳感的初始焊位識(shí)別及焊接過(guò)程中的焊縫跟蹤研究，是焊接機(jī)器人實(shí)現(xiàn)高效優(yōu)質(zhì)焊接的關(guān)鍵技術(shù)之一。焊縫的自動(dòng)識(shí)別是實(shí)施焊接動(dòng)作的第一步，并且對(duì)于提高焊接機(jī)器人的智能化程度，實(shí)現(xiàn)焊接機(jī)器人的智能化自主焊接是十分必要的。由于加工和裝配上的誤差，以及焊接過(guò)程中產(chǎn)生的不均勻溫度場(chǎng)導(dǎo)致的焊接變形等會(huì)造成焊縫形狀及位置的變化，因此在焊接過(guò)程中采用焊縫跟蹤技術(shù)實(shí)時(shí)檢測(cè)焊縫狀態(tài)，以調(diào)整焊接路徑，對(duì)保證焊接質(zhì)量至關(guān)重要。目前焊縫自動(dòng)識(shí)別與跟蹤技術(shù)主要是基于傳感器技術(shù)及控制技術(shù)進(jìn)行的相關(guān)研究。在傳感器方面，CCD傳感器以其優(yōu)異的信息獲取能力、可靠的穩(wěn)定性、清晰直觀的圖像性能得到了廣泛應(yīng)用[43]，在機(jī)器人焊接領(lǐng)域傳感器的應(yīng)用正由單一傳感器向多傳感器智能信息融合方向發(fā)展[44]；在控制方面，模糊控制方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法、焊接專家系統(tǒng)方法、混合控制方法均在焊縫自動(dòng)識(shí)別與跟蹤技術(shù)的研究上得到很好的應(yīng)用，他們的結(jié)合應(yīng)用使得焊縫自動(dòng)識(shí)別與跟蹤技術(shù)具有更好的自適應(yīng)性、自學(xué)習(xí)性、自組織性等優(yōu)良的控制特點(diǎn)。

4.4 焊縫成形質(zhì)量控制方法研究

焊接機(jī)器人焊接質(zhì)量的好壞直接決定了其在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用水平的高低，在機(jī)器人焊接中影響焊縫成形質(zhì)量的因素主要有起收弧穩(wěn)定性、起收弧位置、焊接電流電壓、焊接速度、焊槍傾斜角、焊槍擺動(dòng)幅度及頻率、焊槍擺動(dòng)左右停留時(shí)間、干伸長(zhǎng)、弧長(zhǎng)、熔滴過(guò)渡形式、保護(hù)氣體流量等，這些因素的控制得當(dāng)與否直接決定了焊縫成形質(zhì)量的好壞。上述因素對(duì)焊縫成形質(zhì)量的影響主要有焊縫的熔深、熔寬、余高、熱影響區(qū)、氣孔等。這是一個(gè)典型的多輸入、多輸出的非線性時(shí)變系統(tǒng)，控制難度極大。目前將焊接專家系統(tǒng)作為自適應(yīng)單元，模糊計(jì)算作為決策單元，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為補(bǔ)償單元是焊縫成形質(zhì)量控制發(fā)展最有潛力的方法。機(jī)器人系統(tǒng)、焊接系統(tǒng)、焊接輔助系統(tǒng)、焊接外部傳感系統(tǒng)、焊接專家系統(tǒng)及綜合處理與控制系統(tǒng)要在統(tǒng)一的中央控制器下實(shí)現(xiàn)良好的協(xié)調(diào)和配合，完成焊接工藝和焊接動(dòng)作的有機(jī)組合。通過(guò)傳感器反饋的信息能夠精確控制焊接機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡、焊槍姿態(tài)和焊接參數(shù)，可以有效控制焊縫的成形質(zhì)量[45]。

4.5 遙控焊接技術(shù)

伴隨經(jīng)濟(jì)與科技的發(fā)展，焊接作業(yè)的范圍正在向核環(huán)境、地下、太空、深水、高溫、極寒等極限環(huán)境延伸，在保證焊接質(zhì)量的情況下，最大限度地提高人類活動(dòng)的舒適度，降低人類活動(dòng)的危險(xiǎn)性，成為如今焊接發(fā)展的趨勢(shì)之一，遙控焊接技術(shù)的出現(xiàn)有效解決了上述問(wèn)題。如今遙控焊接機(jī)器人發(fā)展的熱點(diǎn)是人機(jī)互交控制[19]，即操作者遠(yuǎn)程遙控焊接機(jī)器人完成焊接任務(wù)。由于受技術(shù)水平的限制，目前全自動(dòng)遙控焊接機(jī)器人鮮有研究，但是遙控焊接技術(shù)的自動(dòng)化水平正在不斷提高，其發(fā)展方向是全自動(dòng)化遙控焊接機(jī)器人。早在20世紀(jì)70年代，在加拿大Douglus Point核電站核泄漏事故中，已成功使用遙控焊接機(jī)器人對(duì)核反應(yīng)堆的泄漏位置進(jìn)行了修復(fù)[46]。在視覺(jué)傳感、計(jì)算機(jī)輔助編程等技術(shù)的推動(dòng)下，遙控焊接技術(shù)越來(lái)越高效、優(yōu)質(zhì)、穩(wěn)定，其應(yīng)用范圍在不斷擴(kuò)大。

4.6 離線編程與仿真技術(shù)

目前機(jī)器人焊接生產(chǎn)領(lǐng)域采用的焊接編程方法主要是示教編程，此種編程方式對(duì)編程人員及焊接機(jī)器人均存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，焊接產(chǎn)品的制造正朝著多品種、小批量且復(fù)雜化的柔性制造方向發(fā)展，焊接編程的作業(yè)空間向太空、深水、核環(huán)境等極限環(huán)境延伸，這些因素均不利于示教編程的實(shí)施。離線編程與仿真技術(shù)的出現(xiàn)，可有效解決上述問(wèn)題。目前國(guó)外已經(jīng)有多款成熟離線編程與仿真系統(tǒng)，像德國(guó)的ROBEX；美 國(guó) 的 PLACE、Robot-SIM、WORKSPACE、ROBCAD；瑞士ABB的RobotStudio；日本安川的MotoSim、FUNAC的FunacWorks等多款產(chǎn)品均已推向市場(chǎng)。國(guó)內(nèi)在此領(lǐng)域的研究以高校為主，在離線編程與仿真的核心技術(shù)領(lǐng)域支持CAM的CAD技術(shù)、自動(dòng)編程技術(shù)、標(biāo)定及修正技術(shù)、機(jī)器人接口技術(shù)、焊縫起始點(diǎn)確定技術(shù)等方面均有相應(yīng)高校做了深入研究，不過(guò)國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)的焊接離線編程仿真系統(tǒng)仍處于仿真階段，距離成熟穩(wěn)定的商業(yè)化應(yīng)用還有一定的距離[47]。

4.7 多臺(tái)焊接機(jī)器人及外圍設(shè)備的協(xié)調(diào)控制技術(shù)

隨著焊接機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域不斷向更復(fù)雜的焊接環(huán)境拓寬，對(duì)焊接機(jī)器人能力的要求也不斷提高。由于單臺(tái)焊接機(jī)器人的魯棒性、效率、感知能力提升到一定的水平后很難再有突破，或是達(dá)到目標(biāo)要求所需要的成本非常昂貴，這就迫使某些焊接任務(wù)采用多臺(tái)焊接機(jī)器人協(xié)作完成，所以對(duì)多焊接機(jī)器人及外圍設(shè)備的協(xié)調(diào)控制技術(shù)的研究也就頗為重要。由于多臺(tái)焊接機(jī)器人及外圍設(shè)備的協(xié)調(diào)控制技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)多機(jī)器人焊接系統(tǒng)在時(shí)間、空間、信息、資源及功能的分布特性最優(yōu)。此技術(shù)的應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)單焊接機(jī)器人無(wú)法完成的一些功能，可使多機(jī)器人焊接系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造成本較單機(jī)器人復(fù)雜焊接系統(tǒng)更容易，且成本更低，可提升整個(gè)系統(tǒng)對(duì)任務(wù)及環(huán)境更強(qiáng)的適應(yīng)能力，也可大大提高多機(jī)器人焊接系統(tǒng)的焊接效率[43-50]。

5 結(jié) 論

綜上所述，隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式的轉(zhuǎn)換，人口紅利消失，之前依賴勞動(dòng)密集型的低端產(chǎn)業(yè)難以為繼，在制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的大背景下，實(shí)現(xiàn)焊接生產(chǎn)的自動(dòng)化、柔性化與智能化已是大勢(shì)所趨。焊接機(jī)器人技術(shù)在焊接生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用，大大提高了我國(guó)焊接制造行業(yè)的整體生產(chǎn)效率，改善了焊接工人的工作條件，提高了焊接生產(chǎn)的柔性化水平及焊接質(zhì)量，同時(shí)也推動(dòng)了焊接相關(guān)領(lǐng)域的自動(dòng)化升級(jí)。但是由于我國(guó)焊接機(jī)器人技術(shù)研究起步較晚，國(guó)產(chǎn)焊接機(jī)器人無(wú)論是控制水平還是可靠性方面均與國(guó)外機(jī)器人存在不小的差距，核心零部件嚴(yán)重依賴進(jìn)口，焊接機(jī)器人的使用成本偏高。雖然近幾年我國(guó)在焊接機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)方面的研究發(fā)展迅速，也取得了不少優(yōu)秀成果，但總體而言，我國(guó)焊接機(jī)器人產(chǎn)業(yè)自主創(chuàng)新能力偏弱，產(chǎn)品以中低端為主，自主品牌的認(rèn)可度較低。未來(lái)我國(guó)焊接領(lǐng)域要想真正實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高效、成本低廉的自動(dòng)化、柔性化及智能化焊接，在焊接機(jī)器人政策扶持體系的完善方面、焊接機(jī)器人相關(guān)技術(shù)研發(fā)領(lǐng)域還有很多工作要做。

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Application Status and Development Trend of Welding Robot in China

HUO Houzhi,ZHANG Hao,DU Qiheng,HUANG Shengli,QIU Yichen
（Shandong Institute of Intelligent Robot&Applied Technology,Zoucheng 273500,Shandong,China）

TG439.9

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.02.006

2016-10-08

編輯：李 超

霍厚志（1986—），男，山東臨沂人，工程師，碩士，主要研究方向?yàn)闄C(jī)器人焊接、焊接過(guò)程數(shù)值模擬與仿真。