淺析焊接機(jī)器人技術(shù)及發(fā)展方向

劉超超（中煤北京煤礦機(jī)械有限責(zé)任公司，北京 102400）

淺析焊接機(jī)器人技術(shù)及發(fā)展方向

劉超超
（中煤北京煤礦機(jī)械有限責(zé)任公司，北京 102400）

隨著我國工業(yè)現(xiàn)代化程度的日益加強(qiáng)，高效節(jié)能的焊接機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用于各類行業(yè)，并且焊接機(jī)器人技術(shù)也在日益研究改進(jìn)中。本文首先介紹了焊接機(jī)器人的分類，其次著重闡述了焊接機(jī)器人的先進(jìn)技術(shù)以及發(fā)展方向。

焊接速度；驅(qū)動(dòng)；跟蹤；智能

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.16.002

1　焊接機(jī)器人的分類

（1）弧焊機(jī)器人。弧焊機(jī)器人不只是一個(gè)簡(jiǎn)單的操作運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，是包括各種電弧焊附屬裝置在內(nèi)的柔性焊接系統(tǒng)，因此，它的性能有特殊要求。在電弧焊接中，火炬尖端應(yīng)珠沿預(yù)定軌跡，并且連續(xù)地形成焊縫填充金屬。

（2）點(diǎn)焊機(jī)器人。汽車工業(yè)是一個(gè)重大的點(diǎn)焊機(jī)器人系統(tǒng)的應(yīng)用，在該組件中的每個(gè)車體，當(dāng)身體中，焊料接頭的約60%是由機(jī)器人完成。點(diǎn)焊機(jī)器人逐漸需要有更好的工作性能，主要有：1）與點(diǎn)焊機(jī)的接口通訊功能；2）工作空間大；3）點(diǎn)焊速度與生產(chǎn)線速度相匹配，快速完成小節(jié)距的多點(diǎn)定位（大約每0.3—0.4s移動(dòng)30—50mm且準(zhǔn)確定位）；4）持重大（50—100kg），以便攜帶內(nèi)裝變壓器的焊鉗；5）定位準(zhǔn)確，精度約±0.25mm，以確保焊接質(zhì)量。

（3）焊接機(jī)器人是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，你可以按下電源驅(qū)動(dòng)器，使用其分類方法的不同軌跡。按下電源驅(qū)動(dòng)方法的不同點(diǎn)，每個(gè)焊接機(jī)器人以下幾類：1）氣壓驅(qū)動(dòng)。壓力0.4-1.0MPa。其主要優(yōu)點(diǎn)是氣動(dòng)氣方便，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有圓筒型，氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，維護(hù)方便的緩沖作用；主要的缺點(diǎn)是該裝置的尺寸大，定位精度不高；2）液壓驅(qū)動(dòng)。電能質(zhì)量液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，既快又好，而且速度液壓驅(qū)動(dòng)的大，傳動(dòng)平穩(wěn)，高效率的內(nèi)在比較簡(jiǎn)單，通過閥門無級(jí)變速在很寬的范圍內(nèi)流動(dòng)；其主要缺點(diǎn)是我們需要泵液壓站，易漏油，這不僅影響穩(wěn)定性和定位精度，而且還污染環(huán)境；3）電氣驅(qū)動(dòng)。電驅(qū)動(dòng)是利用由馬達(dá)或多種轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的力，無論是直接或通過減速機(jī)構(gòu)來驅(qū)動(dòng)負(fù)載，以獲得所需的機(jī)器人動(dòng)作。由于電驅(qū)動(dòng)器是容易控制的精度高的運(yùn)動(dòng)，使用方便，成本低，效率高的車程，不污染環(huán)境等諸多優(yōu)點(diǎn)，是最常見的，大部分應(yīng)用為導(dǎo)向的方法。目前生產(chǎn)的機(jī)器人大都采用交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

2　焊接機(jī)器人技術(shù)研究現(xiàn)狀

隨著我國的現(xiàn)代化建設(shè)，越來越注重智能化的建設(shè)。焊接機(jī)器人技術(shù)主要是以機(jī)器人焊接智能化為核心來進(jìn)行的。

2.1焊縫跟蹤技術(shù)

由于現(xiàn)代數(shù)學(xué)和模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及其應(yīng)用復(fù)雜的非線性系統(tǒng)的不確定性，焊接軌道焊接成一個(gè)新的時(shí)代---智能焊縫跟蹤時(shí)代的出現(xiàn)。其中，研究清華電弧跟蹤系統(tǒng)，傳感器和控制系統(tǒng)，它詳細(xì)地討論了焊縫跟蹤系統(tǒng)的各種傳感器，并提出了基于焊縫模式的CCD圖像提供了新的算法，軌跡識(shí)別。接近人類視覺等方面的優(yōu)勢(shì)視覺傳感器信息來檢測(cè)焊縫和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并應(yīng)用到焊縫跟蹤系統(tǒng)模糊控制焊縫跟蹤應(yīng)用，中國南方大學(xué)提出了基于自適應(yīng)共振理論（AdaptiveResonanceThe2ory）接縫跟蹤神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，即分類為若干空間模式分布的灰縫截面方向，使記憶ART神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與匹配檢查的程度獲得的，實(shí)際的焊接方式的圖像空間，根據(jù)確定的焊槍和焊接中心的偏離的分布的方式，該偏差是模糊變量設(shè)計(jì)自整定PID模糊控制器。

2.2智能傳感器和機(jī)器人多傳感器信息融合技術(shù)

基本的傳感器只有一個(gè)信號(hào)轉(zhuǎn)換元件，隨著智能化技術(shù)的出現(xiàn)，也出現(xiàn)了具有某些特定的處理，即智能傳感器內(nèi)部的傳感器信號(hào)。有利于集成電子電路開發(fā)的智能傳感器，高度集成的處理器件上，使得該傳感器可以有一些信息處理能力感測(cè)系統(tǒng)的。在弧焊機(jī)器人的傳感技術(shù)，電弧傳感器的顯著位置的光學(xué)傳感器的研究。在研究中的各種特定的最引人注目的視覺傳感器的光學(xué)傳感器中，計(jì)算機(jī)視覺和圖像處理用最新的技術(shù)成果組合所獲得的信息的數(shù)量，可增強(qiáng)適應(yīng)外部焊接機(jī)器人的能力。

2.3焊接機(jī)器人與周邊焊接設(shè)備的柔性化集成

在焊接過程中，焊接機(jī)器人和靈活的外圍設(shè)備控制的協(xié)調(diào)，有利于減少輔助時(shí)間，它的關(guān)鍵生產(chǎn)效率之一。在徑向焊接工件球形或橢圓形，為了在焊接期間使整個(gè)熔池可以使水平或略低坡狀態(tài)下，焊接定位器必須不斷改變工件的位置和姿態(tài)。在焊接過程中該定位裝置是不固定的，而是做運(yùn)動(dòng)的適當(dāng)?shù)膮f(xié)調(diào)。弧焊電源和夾具，因此也做機(jī)器人的統(tǒng)一控制下運(yùn)動(dòng)的適當(dāng)?shù)膮f(xié)調(diào)，以保證高效率，高質(zhì)量的工作的整個(gè)系統(tǒng)。

3　焊接機(jī)器人的發(fā)展方向

隨著焊接機(jī)器人的深入應(yīng)用，焊接機(jī)器人已向多方向發(fā)展，目前焊接機(jī)器人的主要發(fā)展方向是：

（1）機(jī)器人控制的開放型體系結(jié)構(gòu)。開放意味著互用性，目前工業(yè)機(jī)器人控制器最大的擔(dān)心是它的功能專一、性能不完善。推廣基于PC的平臺(tái)，實(shí)際上是考慮用戶對(duì)性能和成本的要求，使機(jī)器人從專用的控制器向基于PC機(jī)的開放、通用的控制器過沮。

（2）焊接機(jī)器人的智能化。要真正將技術(shù)人員和熟練工人從繁重的勞動(dòng)中解脫出來，甚至能直接代替人在惡劣、危險(xiǎn)的環(huán)境中進(jìn)行自動(dòng)焊接作業(yè)，必須開發(fā)具有一定智能的智能機(jī)器人，焊接機(jī)器人的智能化主要表現(xiàn)為傳感器的智能化。

（3）機(jī)器人按制從單機(jī)向集散式、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。

從這個(gè)意義上，機(jī)器人的發(fā)展可分為三代：第一代是示教型機(jī)器人，目前在工廠廣泛使用，它的功能是示教再現(xiàn)。即示教時(shí)操作者通過示教盒編程記錄焊接路徑關(guān)鍵點(diǎn)，并設(shè)置焊接引弧點(diǎn)、熄弧點(diǎn)以及焊接工藝參數(shù)。并可以周爾復(fù)始，全自動(dòng)運(yùn)行。這種工作方式重復(fù)件好，但沒有視覺，缺少對(duì)環(huán)境變化的自適應(yīng)能力，例如當(dāng)實(shí)際行走軌跡與示數(shù)軌跡由于加工、安裝、焊接變形等原因存在位置偏差時(shí)，導(dǎo)致焊接質(zhì)量不好甚至失敗。第二紀(jì)弧焊機(jī)器人是具有一定傳感功能的示教機(jī)器人，如視覺、力覺、觸覺等傳感器，在示教的基礎(chǔ)上可以適應(yīng)環(huán)境的變化，目前在某些領(lǐng)域某些功能上已經(jīng)到生產(chǎn)應(yīng)用階段，并產(chǎn)生顯著經(jīng)濟(jì)效益。第三代是智能機(jī)器人。能理解人的命令，預(yù)知或感知外部環(huán)境，自行規(guī)劃操作順序、自動(dòng)制定運(yùn)動(dòng)軌跡、焊槍姿態(tài)和焊接參數(shù)，并實(shí)時(shí)修正，以完成特定的任務(wù)。融合CAX技術(shù)和視覺傳感技術(shù)的智能機(jī)器人是焊接機(jī)器人的重要研究和發(fā)展方向。

［1］余達(dá)太.工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用工程［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999.

［2］李曉輝，汪蘇，劉小輝，朱小波.焊接機(jī)器人智能化的發(fā)展［J］.電焊機(jī)，2005.