焊接機器人技術現狀與發展趨勢的研究

呂超榮

（昆山市三一重機有限公司，江蘇 昆山 215334）

0引 言

焊接在制造工業中具有舉足輕重的作用，它已經越來越廣泛地應用于現代工業的各行各業中。自科技革命以來，科學技術正在日新月異地發展，而這自然離不開越來越多高質量的產品，這也就需要高效精準的焊接工作，而傳統手工焊接已然達不到要求，所以焊接的自動化必不可少。眾所周知，第一臺Unimate型機器人是在1959年被制造出來的，自那以后，越來越多的工業機器人出現在世界各地的各行各業中，其中一半左右的工業機器人為焊接機器人。從始至今，焊接機器人的發展經歷了3個階段：第一階段的焊接機器人是以示教再現方式運行的；第二階段為可以通過傳感器接收信息的離線編程焊接機器人；第三階段為智能機器人，具有多傳感器，且能夠自行編程以適應環境［1］。

1 焊接機器人技術研究現狀

1.1 焊接機器人用弧焊電源

電源之于電器相當于食物之于人類，所以說電源對任何一種電器來說都是至關重要的，作為一種智能電器，焊接機器人也不例外，它是否能夠保持高效率工作，有一個好的電源非常重要。因此，焊接機器人用弧焊電源的研究一直是焊接機器人研究的重中之重。逆變電源與晶閘管電源是當前的弧焊機器人通常使用的兩種電源。另外，由于全數字化焊機具有焊接參數波動小，不容易受溫度升高等因素的干擾，而且具有重復性較高的優點，所以它將是弧焊機器人焊接電源的一個重要的研究方向［2］。

1.2 焊縫跟蹤技術

想要保證焊接的質量和效率，焊接條件是否穩定是一個非常重要的因素。而絕對的穩定條件是不可能的，所以是否可以實時檢測出由于焊接條件波動引起的焊縫偏差會直接影響焊接的質量，因此也就離不開焊縫跟蹤技術的支持。焊縫跟蹤技術的研究主要以以下兩種技術為主［3］：首先是傳感器技術，目前研究的比較多的有光學傳感器和電弧傳感器兩種，其中前者又以視覺傳感器的研究比較密集，主要是因為它可以獲得非常多的信息并使用機器視覺等前沿技術進行分析處理，由此可以在很大程度上使得弧焊機器人更好地適應焊接環境。另外，后者中的旋轉電弧傳感器由于其在偏差檢測時比較靈敏而得到的關注度比較高。其次，焊縫跟蹤控制理論與方法。Fuzzy Mathematics技術和Neural Networks技術為焊縫跟蹤技術的研究取得突破打下了很好的基礎。當前使用的通用型焊接模糊控制器就是將由Fuzzy Mathematics中的一系列工具得到的模糊控制理論和實際焊接過程相結合發展而來的。模糊控制雖然擁有比較優質的控制規則，但是其綜合定量知識的能力還不夠好。我們都知道，由于神經網絡控制使用的是并行式的處理方式和分布式的信息存儲，所以它能夠儲存大量的信息，而且它的容錯性比較強，所以從自動化方面來看十分適合焊縫跟蹤中的跟蹤智能控制和視覺模式識別。

1.3 多臺焊接機器人和外圍設備的協調控制技術

眾所周知，焊接機器人并不是一個獨立的工作單元，而是包含變位機及控制柜等元件的工作站或者系統，所以想要提高焊接效率，必須使系統的各個元件協調工作［4］。很多工件焊縫處的橫焊等焊接位置能在很大程度上影響焊接品質和焊縫成形的效果，而僅僅依靠調節機器人位置和姿勢以達到恰當的焊接位點不僅在技術上很難實現，也會給相應操作帶來諸多不便。如果通過控制變位機做協調運動使得將要被焊接的位點一直處于水平的位置，并且工裝夾具和弧焊電源等其他元件也做相應的協調運動，焊接的質量和效率將會大大提升。

1.4 仿真技術

焊接機器人是一種多自由度、多連桿的復雜空間結構體，其復雜的空間結構導致其動力學和運動學問題非常復雜，很難進行計算。如果可以不使用整個機器人作為仿真對象，而使用焊接機械手替代，然后再使用電腦圖形等技術在電腦中形成幾何圖形，并進行演示，以此對可能遇到的一些問題進行模擬并加以解決，就可以避免很多無用功。

2 焊接機器人技術的發展趨勢

2.1 虛擬現實

虛擬現實技術是一種包括3D電腦圖形學技術、多功能傳感器的交互接口技術和高清顯示技術在內的，對事件的現實性從空間和時間上進行分解后重新組合的技術，它能夠被用在臨場感通訊和遙控機器人等方面［5］。另外，虛擬現實技術還能夠被用于焊接過程的模擬，這樣一來我們就可以在實際焊接之前先在電腦上完成“數字化”焊接過程，再用已經完成的數字化操作來指導實際的焊接工作。這一仿真過程可以讓用戶在還沒有進行后期焊接就可先了解未來產品的情況，進而達到有效預測評價生產系統性能的效果，而且實際操作前先進行仿真實驗，可以對各種工藝方案進行比較，進而選取和優化多機器人焊接軌跡。

2.2 焊接機器人控制系統

開放式、模塊化控制系統將是焊接機器人控制系統研究的重點方向。其他的研究熱點還有基于PC機網絡式控制器以及機器人控制器的標準化和網絡化。離線編程的實用化將是在線編程的可操作性之外的編程技術的研究重點［6］。

2.3 多傳感器信息智能融和技術

隨著傳感器種類和數量愈來愈多地使用在機器人系統中，諸如靜電電容式距離傳感器、超聲波觸覺傳感器、基于光纖陀螺慣性測量的3D運動傳感器等各種新型傳感器如雨后春筍般出現［7］。但是，單一傳感信號在輸入信息方面的可靠性不高，而智能機器人對這一條件的要求很高，為此便出現了多傳感器智能信息融合技術，它可以對各種信息進行綜合的處理，并通過這些信息正確理解環境，進而達到機器人系統可以準確而快速地處理所獲得的各種信息的目的。

3結 語

不可否認，焊接機器人技術在以前和當前的工業發展中均扮演中十分重要的角色，在未來肯定還會繼續甚至扮演越來越重要的角色。最近幾年，我國在機器人弧焊電源、仿真技術與離線編程、信息傳感、智能控制、焊縫跟蹤等方面進行了大量研究，并對多項技術進行了攻關。相信在不久的將來，焊接機器人將在越來越廣的領域提供更加優質高效的服務。

［1］ 許燕玲，林濤，陳善本.焊接機器人應用現狀與研究發展趨勢［ J］．金屬加工：熱加工，2010（ 8）：32-36.

［2］ 宋章軍．服務機器人技術研究現狀與發展趨勢［J］．集成技術，2012（ 3） ：1-9.

［3］ 哈恩晶．焊接機器人的應用現狀與發展趨勢［J］．機械工人：熱加工，2004（ 5）：16-18.

［4］ 解生冕．機器人雙絲共熔化池脈沖MAC高速焊及協同控制模式熔滴過渡行為研究［D］．廣州：華南理工大學，2012.

［5］ 梁明，王國榮，石永華，等.焊縫自動跟蹤系統中的智能控制［J］.電焊機，2008，30（ 8）：17-20.

［6］ 施春芳．焊接機器人技術現狀和發展趨勢的研究［J］．中國科技投資，2012，6（ 24）：161.

［7］ 朱萬輝．七自由度焊接機器人控制系統設計［D］．合肥：安徽工業大學，2012.