王奕瓊 馬玉婷 朱俊儒 陸正萍

摘要：目前，焊接技術(shù)應(yīng)用十分廣泛，常用于船舶、機械焊接、航空航天等制造行業(yè)。但由于焊接過程中易產(chǎn)生的有害氣體和焊槍使用中產(chǎn)生的刺眼弧光，焊工們的安全受到了威脅。為了避免這種安全隱患且提升焊接環(huán)境，有些工廠會選擇采用焊接機器人去代替一部分工人。隨著電子制造技術(shù)和計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，焊接機器人在制造行業(yè)發(fā)展迅速。機器人對衡量一個國家創(chuàng)新能力和產(chǎn)業(yè)競爭力具有十分重要的意義。本文基于焊接機器人的基本知識，對焊接機器人的技術(shù)研究及未來前景進行深入研究。

關(guān)鍵詞：焊接機器人;研究現(xiàn)狀;應(yīng)用發(fā)展趨勢;焊接技術(shù)

1.前言

焊接技術(shù)在人類的早期工具制造中就可看到雛形，其焊接方法主要是釬焊、鑄焊和鍛焊。但古代的焊接技術(shù)并不發(fā)達，雖給當時的人們帶來便利，但同時具有許多缺點。如熱源單一、溫度較低、能源不集中等，只能進行一些簡單工具的制造。隨著時代的發(fā)展，我們進行了一次次的工業(yè)革命，焊接技術(shù)也在一次次的革命中不斷更新。由于焊接的工作環(huán)境較為惡劣，工人們在進行焊接操作時可能會造成燒傷、觸電、吸入有毒氣體、視力損害等傷害。因此，伴隨著制造業(yè)的發(fā)展，應(yīng)盡可能減少工人在惡劣工作環(huán)境下的工作，工業(yè)智能化已成為必然趨勢。焊接機器人的出現(xiàn)使我們擺脫了傳統(tǒng)的人工焊接，在焊接領(lǐng)域的作用越來越突出。目前，焊接機器人的研究成為當代制造業(yè)的熱點，對焊接工藝的發(fā)展有著積極的推動作用。不僅是國家的創(chuàng)新能力和產(chǎn)業(yè)競爭力的衡量標準，而且為開啟新一輪科技革命打下基礎(chǔ)。 [1]

2.焊接機器人

2.1焊接機器人組成

焊接機器人有生產(chǎn)效率高、穩(wěn)定、靈活度高等特點，在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域表現(xiàn)尤為突出。 它主要由以下幾方面構(gòu)成：第一，手腕，這是進行各種焊接工作的主要部位，就像人類的手腕一樣，十分靈活，可以完成各項復(fù)雜精密的焊接工作;第二，臂部，它是手腕和機身的重要連接部位，臂部長度可以靈活調(diào)整以應(yīng)對不同的操作空間;第三，機座，具有支撐作用，并保證機器人工作時的穩(wěn)定性，在制造工業(yè)中，有固定型機器人也有移動型機器人，其分別主要在于前者機座固定在地面后者的機座可隨意移動。[2-3]

2.2焊接機器人特點

焊接機器人與人工相比具有工作狀態(tài)穩(wěn)定、工作效率高、工作環(huán)境要求較低等優(yōu)點。由于機器人的工作狀態(tài)較為穩(wěn)定，焊接質(zhì)量可以得到有效保障，在運行焊接機器人之前，只要規(guī)劃好工作的內(nèi)容和焊縫軌跡，就可以保證其在不斷電的狀態(tài)下能穩(wěn)定工作[4]。其次，機器人代替工人，可以減少工人在較差工作條件下工作，也可以保證在工人無法正常工作的條件下仍然保持穩(wěn)定的工作狀態(tài)。最后，機器人不同于工人每天有限度的工作時間，它可以24小時都在運行，使生產(chǎn)率大大提高。焊接機器人在具有以上幾個方面優(yōu)點的同時也有一些缺點和挑戰(zhàn)：第一，焊接機器人在運行之前，若焊接參數(shù)選擇不當，焊件可能會出現(xiàn)缺陷，造成焊件廢品率增加。第二，投資較大，回收周期較長。

3.焊接機器人技術(shù)研究現(xiàn)狀

3.1 TCP自動校零技術(shù)：

金屬碰撞造成的磨損，工具的更換等問題經(jīng)常出現(xiàn)在在機器人的使用過程中。機器人是高精確度，高效率的工具。當焊縫軌跡發(fā)生偏移時，能夠準確而迅速的進行校正。但問題是，對于安裝在末端的工具，機器人的校正系統(tǒng)往往是不湊效的。一旦出現(xiàn)這樣的情況，將會導致時間和人力資源的浪費。TCP自動校零技術(shù)組成分為固定支座和激光傳感器兩部分。傳感器會儲存焊槍以不同方式經(jīng)過TCP支座時產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，然后傳送給中央處理器，記錄到的數(shù)據(jù)會與設(shè)定值進行比較。若校零程序發(fā)現(xiàn)TCP偏離，則該程序?qū)⒈患せ?，會根?jù)設(shè)定參數(shù)自動調(diào)整每根軸的角度，完成 TCP復(fù)位工作。

3.2 ?焊接機器人的焊縫跟蹤技術(shù)

利用焊接過程中傳感器的初始信號，及時控制、修正機器人的運作，以此來應(yīng)對不斷變化的焊接環(huán)境和不必要的犧牲。我國和其他國家均在焊縫跟蹤技術(shù)方面有所研究。如瑞典公司研制出激光掃描，美國公司將結(jié)構(gòu)光視覺傳感器應(yīng)用于焊縫跟蹤系統(tǒng)。徐州博匯智能裝備有限公司的王波也對智能化機器人焊接技術(shù)的焊縫識別、引導、跟蹤技術(shù)進行的研究，得出電弧跟蹤多用于較厚材料，且需配合智能化焊接機器人的多重功能使用，在檢查焊縫情況的同時進行焊接，電弧焊接可以檢測到產(chǎn)品的任何位置;而激光跟蹤多用于薄板，是通過機器人自身的視覺系統(tǒng)和傳感器對產(chǎn)品焊縫的位置進行判斷，確定焊接作業(yè)方法，并完成焊接工作[5]。

3.3焊接機器人傳感技術(shù)

人類智慧的標志之一是感知外部世界并根據(jù)感知到的信息采取行動的能力。為了使焊接機器人系統(tǒng)智能化，需要深入了解并把握外部焊接環(huán)境、焊接方向和焊接位置的智能傳感技術(shù)。

如何保證焊接質(zhì)量最重要的一個過程就是焊接過程的傳感。機器人傳感器可以看作是機器人的“感覺器官”，它讓機器人可以像人類一樣擁有對外界的感知能力，通過所感知到的內(nèi)容進行信息處理，做出相應(yīng)的決策，引導機器人的行為。隨著智能機器人焊接技術(shù)的不斷研究和發(fā)展，傳感器技術(shù)的應(yīng)用變得十分必要。智能焊接機器人的視覺傳感器部分可以從外界獲取豐富的操作信息，有效提高機器人的操作靈敏度和焊接精度，直接保證焊接質(zhì)量[6]。

4.焊接機器人應(yīng)用研究現(xiàn)狀

4.1焊接機器人與船舶業(yè)

21世紀，船舶業(yè)已經(jīng)成為在水運和海洋資源開發(fā)領(lǐng)域向世界各國提供技術(shù)和裝備的現(xiàn)代化綜合產(chǎn)業(yè)。它不僅是高質(zhì)量設(shè)備制造業(yè)的重要組成部分，也是實施海洋能源戰(zhàn)略的重要基礎(chǔ)和支持。造船離不開焊接，焊接是整個造船過程中最關(guān)鍵、最昂貴、最耗時的過程。傳統(tǒng)造船業(yè)的焊接是依靠工人的勞動，工人們在車間中進行焊接、切割和涂裝等各種工作。造船仍然是一個手工加工的過程，許多船廠的設(shè)施優(yōu)化不佳，而且對于更復(fù)雜的制造技術(shù)不夠靈活。為了提供解決方案，造船業(yè)正在興起，其目的就是改善其研發(fā)環(huán)境，開發(fā)先進的工具，使該行業(yè)的技術(shù)發(fā)展更加容易。

目前，焊接機器人技術(shù)在造船業(yè)中的應(yīng)用在各國都被深入研究，廣西科技大學的郭正強同學[8]有以下觀點，他認為在各關(guān)節(jié)處安裝驅(qū)動電機會出現(xiàn)末端執(zhí)行器運動慣量大、累計誤差大、動力學性能不佳等問題。為改善上述問題，需要深入研究閉鏈式造船焊接機器人機構(gòu)，可以結(jié)合傳統(tǒng)再生運動鏈法和新型平面基礎(chǔ)閉環(huán)子結(jié)構(gòu)替換法，其單調(diào)的結(jié)構(gòu)形式會有所改變，同時造船焊接任務(wù)的工程機械構(gòu)型也會有極大豐富。

除了國內(nèi)的一些關(guān)于焊接機器人在造船業(yè)方面的研究，國外也有許多研究案例。Cadiz大學[7]為西班牙的Navantia公司關(guān)于機器人FASE Ⅱ項目中的兩個 FANUC ARCMate 100iC MIG 焊接機器人的生產(chǎn)率問題提供了解決方案，首先構(gòu)建一個包含每個焊接要件信息參數(shù)的數(shù)據(jù)庫，接著用坐標測量臂在現(xiàn)實世界中捕獲3D信息，然后使用模板和所捕獲到的3D信息自動生成優(yōu)化的焊接程序軟件，使模板可以適應(yīng)現(xiàn)實世界的坐標和方向，最后，F(xiàn)TP接口將優(yōu)化的焊接程序傳輸?shù)矫總€機器人，進行即使焊接操作。該方案極大縮短了焊接機器人的編程時間，從數(shù)個小時縮短到幾分鐘，顯著的提高了生產(chǎn)率。

4.2焊接機器人與汽車制造業(yè)

1885年德國人卡爾·本茨研制出了世界上第一輛內(nèi)燃機汽車，1914年福特汽車公司開始大批量生產(chǎn)汽車，通過裝配線把復(fù)雜的技術(shù)簡化、程序化。自1914年批量生產(chǎn)汽車至今已有一百多年，在這期間，汽車制造快速發(fā)展，汽車生產(chǎn)制造的自動化程度也越來越高，一直走在世界制造業(yè)發(fā)展的前列。經(jīng)過長期的生產(chǎn)使用，工業(yè)機器人在汽車制造領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。汽車的制造離不開焊接，如車身焊接就是汽車生產(chǎn)制造中極為重要的一環(huán)。汽車大批量生產(chǎn)會使焊接工程浩大，若只通過人力焊接，生產(chǎn)周期較長，此時焊接機器人就發(fā)揮了極好的作用，它可以優(yōu)化操作效率和產(chǎn)品質(zhì)量，減輕工人的勞動強度。除此之外，焊接機器人可以突破傳統(tǒng)的一條生產(chǎn)線主要生產(chǎn)同一種車型的限制，在一個工位可以焊接多款車型，具有很高的靈活性。

焊接裝配作為汽車制造極為重要的一道工序，芬蘭阿托爾大學的Valtteri Tuominen[8]專注于汽車行業(yè)對測量輔助焊接單元（MAWC）進行了理論研究，MAWC首次回答了工業(yè)4.0對于制造系統(tǒng)靈活性和可重構(gòu)性的需求，MAWC基于兩個處理機器人，一個焊接機器人和一個光學測量系統(tǒng)，全部集成在一個焊接單元。通過測量系統(tǒng)與焊接機器人之間的配合，將焊接基于實際的零件進行精準的焊接。在傳統(tǒng)的測量技術(shù)無法滿足復(fù)雜的焊接工藝時，MAWC采用多攝像機測量技術(shù)的新開發(fā)系統(tǒng)，滿足了靈活性的要求。同時，MAWC技術(shù)可以在一個制造系統(tǒng)中生產(chǎn)多個低批量生產(chǎn)產(chǎn)品，也提高了生產(chǎn)線的利用率。

4.3焊接機器人與管道焊接

管道因其自身獨特特點，廣泛應(yīng)用于多個行業(yè)，如煤炭行業(yè)的通風和瓦斯排放管線，石油化工行業(yè)的原油及廢渣輸送管線，公用事業(yè)中的生活供水及燃氣輸管線。對于金屬材料的管道，由于原材料的長度、形狀有限，在生產(chǎn)過程中難免需采用一些工藝方法如焊接，以便于產(chǎn)品可以投入使用。有些管道因用于輸送有毒流體、劇毒流體以及一些特殊介質(zhì)流體，故焊接質(zhì)量要有極大的保證。傳統(tǒng)的焊接手工方法通常取決于工人的操作水平，因而焊接質(zhì)量難以保證，但焊接機器人可以顯著提高焊接質(zhì)量，在管道焊接領(lǐng)域尤為重要。

武漢理工大學機電工程學院的熊家浩、傅中濤等人[9]對于交叉管道的焊接提出了一種雙機器人焊接的新方法。該方法在焊縫數(shù)學模型的基礎(chǔ)上，通過有關(guān)的數(shù)學理論和MATLAB編程生成了交叉管道的相交曲線軌跡，然后對軌跡進行分解，分為焊接和協(xié)同兩條軌跡，最后將分解后的兩條軌跡導入機器人工作室仿真平臺，實現(xiàn)了雙機器人的協(xié)同焊接。

5.焊接機器人的發(fā)展前景

近年來，隨著自動化生產(chǎn)需求的不斷增加，工業(yè)機器人已走進了我國的許多制造行業(yè)。過去20年間，我國的各行各業(yè)發(fā)展迅速，在這其中工業(yè)機器人行業(yè)發(fā)展尤為迅速，我國的工業(yè)機器人市場已連續(xù)七年居于首位。中國作為全球機器人銷量第一大國，在世界范圍內(nèi)影響深遠，同時，與日本和韓國一樣，具有完整的機器人產(chǎn)業(yè)鏈。

工業(yè)機器人分類眾多，其中運用最為廣泛的屬焊接機器人，國際機器人聯(lián)合會曾表明當前世界超過半數(shù)的機器人都是焊接機器人，焊接機器人在工業(yè)制造有著極為重要的作用。我國是工業(yè)制造大國，中國制造已響徹全球，近年來伴隨著我國人口紅利的消失，機器人逐漸取代工人成為制造車間的“主力隊員”。我國雖擁有了完整的機器人生產(chǎn)鏈，但由于我國的企業(yè)起步晚，發(fā)展較為緩慢，在一些關(guān)鍵技術(shù)上，我國同國外的企業(yè)仍有很大差距，我國眾多企業(yè)所使用的焊接機器人大多還是從美日韓等國進口，國產(chǎn)產(chǎn)品使用率在市場中較低。我國雖然在焊接機器人制造上存在差距，但我們的國產(chǎn)焊接機器人正在一點一點的進步，根據(jù)海關(guān)總署的數(shù)據(jù)資料顯示，中國焊接機器人的出口數(shù)量正在逐年增加，焊接機器人進口逐步偏向高端化，出口主要為中低端產(chǎn)品。這種進出口情況從側(cè)面可以表明，國產(chǎn)焊接機器人在中低端市場上已漸漸代替進口焊接機器人，國產(chǎn)焊接機器人在行業(yè)競爭中優(yōu)勢突顯。我國的許多焊接機器人生產(chǎn)企業(yè)也投入了大量的資金和精力研發(fā)屬于自己的焊接機器人，如走在國產(chǎn)機器人前列的埃斯頓自動化集團關(guān)于2021年度非公開發(fā)行A股股票預(yù)案，如表2。

綜上可見，我國的焊接機器人研究將會不斷發(fā)展，當前時代是屬于工業(yè)4.0（第四次工業(yè)革命）的時代，在工業(yè)4.0時代智能化水平直線上升。焊接作為工業(yè)制造中的一種常見工藝方法，隨著人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，焊接機器人也在向著自動化邁進，面對日益增長的產(chǎn)品需求，自動化焊接機器人可以很好的應(yīng)對，用最短的時間去制造更高質(zhì)量的產(chǎn)品。由此可見，我國焊接機器人在自動化水平有著極大的發(fā)展空間。

6.結(jié)語

在工業(yè)制造技術(shù)不斷發(fā)展進步的情況下，焊接技術(shù)也有了極大的提升，焊接機器人憑借生產(chǎn)效率高、焊接質(zhì)量穩(wěn)定、焊接精度高的優(yōu)勢逐步取代了傳統(tǒng)的手工焊接。機器人取代人工已成必然趨勢，但隨著焊接需求的不斷變化增長，焊接機器人也需要呈現(xiàn)出多元化的特點，焊接機器人的研究仍要繼續(xù)。

（基金項目：2020年江蘇大學京江學院項目“焊接機器人臂選材研究”，項目編號：202013986020Y）

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