我國焊接機器人應用現狀與技術發展趨勢

霍厚志，張 號，杜啟恒，黃勝利，仇一晨

（山東省智能機器人應用技術研究院，山東 鄒城273500）

我國焊接機器人應用現狀與技術發展趨勢

霍厚志，張 號，杜啟恒，黃勝利，仇一晨

（山東省智能機器人應用技術研究院，山東 鄒城273500）

為了促進我國焊接機器人在焊接領域真正實現優質、高效、成本低廉的自動化、柔性化及智能化焊接，綜述了國內外焊接機器人技術發展概況以及我國焊接機器人的應用現狀。針對焊接機器人價格昂貴、編程復雜、尋位及清槍時間過長等問題，提出了我國焊接機器人技術的研究重點及發展趨勢，即焊接機器人用弧焊電源技術、傳感技術、焊縫自動識別與跟蹤技術、焊縫成形質量控制技術、遙控焊接技術、離線編程與仿真技術以及多臺焊接機器人及外圍設備的協調控制技術。

焊接機器人；智能化焊接；傳感技術

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

焊接是一項工作環境惡劣、工作強度大、對工作熟練程度要求高且對操作人員會產生潛在危害的工作[1-2]。進入21世紀20年代，伴隨國家經濟的發展，人民生活水平不斷提升，同時我國社會老齡化不斷加劇，一線焊接工人數量呈現減少趨勢[3]。而根據國家統計局公布的我國焊接材料的產量數據顯示，從2006年到2014年我國焊材產量在逐年增加，這就意味著焊接工作量在逐年增加。焊接機器人的出現有效解決了這種供需矛盾，并且可以使更多人把工作時間投入到更具創造力的工作上[4]。同時焊接機器人的使用可以提高焊接生產效率，改善工作人員的勞動條件，穩定和保證產品質量，易于實現產品的差異化生產，并能夠推動相關產業自動化升級改造[5]。

焊接機器人技術發展幾乎和典型關節機器人技術發展同步[6]。各種機器人技術的開發、研究及應用推動著我國工業的快速發展。尤其是焊接機器人在各類機器人中占據非常重要的地位，約占工業機器人的1/3，對我國經濟發展轉型發揮了至關重要的作用[7-8]。

1 焊接機器人的組成及分類

1.1 焊接機器人的組成

完整的焊接機器人系統一般由以下幾個部分組成[3，9-13]：①機器人系統， 包括機器人本體、控制柜、示教器；②焊接系統，包括焊接電源、焊槍焊鉗、送絲機構、供氣機構等；③焊接輔助系統，包括焊接變位移動裝置、焊接工裝夾具及擴展設備等；④焊接外部傳感系統，包括采集焊接環境信息的視覺傳感器、采集焊縫和焊接熔池信息的視覺傳感器以及反饋焊接電壓波動的電弧傳感器等；⑤焊接綜合處理與控制系統，主要包括焊接工藝數據庫、焊接任務自主規劃、編程仿真系統、傳感器信息處理系統及機器人焊接運行的協調控制系統。

1.2 焊接機器人的分類

焊接機器人的分類形式多樣，可根據實際應用需求從技術層次、工藝方法、結構形式、受控方式、驅動方式等多個角度對焊接機器人進行分類。

從技術層次角度，焊接機器人可分為以下3代：

（1）第一代“示教再現”型焊接機器人[5]。示教也稱引導，此類機器人由用戶引導機器人，按照實際任務逐步引導機器人執行整個任務過程，焊接機器人在被引導的過程中記憶示教過程中的每個動作指令（位置、姿態、運動參數、焊接參數等），并生成一個連續執行全部任務的程序。完成示教后給焊接機器人一個啟動命令，機器人將按照示教動作精確地完成每一步操作，這就是示教再現型焊接機器人[14]。

（2）第二代基于傳感技術的離線編程焊接機器人。此類機器人借助視覺、電弧、力矩等相關傳感器獲取焊接環境的相關信息，并根據傳感器獲取的相關信息進行自身運行軌跡的優化，以改善示教再現型機器人對焊接環境的適應能力。

（3）第三代智能焊接機器人。智能焊接機器人是基于機器人焊接任務智能化規劃技術、機器人焊接傳感與動態過程智能化控制技術、焊接機器人系統用電源配套設備技術、焊接機器人運動軌跡控制技術、機器人焊接復雜系統的智能控制與優化管理技術、機器人遙控焊接技術等眾多先進技術的具有自主決策和靈活運動的類人思維與動作的高級焊接機器人。

另外，從工藝方法角度，焊接機器人可分為點焊機器人、弧焊機器人、攪拌摩擦焊機器人、激光焊機器人、等離子焊機器人等；從結構形式角度，可將焊接機器人分為直角坐標型、圓柱坐標型、球坐標型、全關節型4類；從受控運動方式角度，焊接機器人可分為點位控制型、連續軌跡控制型2種；從驅動方式角度，焊接機器人可分為氣壓驅動、液壓驅動、電氣驅動3種。

2 國內外焊接機器人技術發展回顧

由于焊接機器人是工業機器人的一個重要分支，焊接機器人技術的發展幾乎與工業機器人技術發展同步，自1959年美國人George Devol與Joseph Engelberger共同研制世界上第一臺工業機器人Unimate開始，工業機器人便迅速在焊接領域得到廣泛應用。

1969年，美國通用汽車公司在組裝生產線上裝配了首臺點焊機器人，極大地提高了生產效率，使得90%的車身焊接任務實現了自動化，改變了傳統生產中自動化程度低、焊接作業條件惡劣、危險性高、需依賴工裝夾具的生產方式。

1973年，德國KUKA公司在Unimate的基礎上研發出全球首臺全電機驅動的六軸機器人Famulus[15]。

1974年， Bj?rn Weichbrodt為瑞典通用電氣開發了首臺全電氣微處理器控制的工業機器人。同年，日本川崎公司在引進美國工業機器人技術7年后[16]，在Unimate的基礎上開發出了全球首臺弧焊機器人Hi-T-Hand，該機器人還具備接觸傳感和力覺傳感功能。

1979年，日本那智不二越株式會社研制出首臺電動機驅動的點焊機器人。

1985年，哈爾濱工業大學研制出我國首臺弧焊機器人華宇-Ⅰ型。該機器人重復定位精度、動作范圍、焊接參數數據控制精度、負載等主要參數，已接近或達到當時國際同類產品水平。

1998年，瑞典ABB公司推出機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器人應用方案的設計及程序編寫效率。

2004年，日本的Motoman公司推出了機器人控制系統NX，可實現4臺機器人多達38軸的同步控制。

2005年，丹麥的IWA Ltd研制出離線焊接機器人系統，該系統集成了離線編程技術、冗余機器人控制技術、路徑自主規劃技術以及傳感器控制技術，從而實現復雜結構的焊接[17]。

2006年，意大利柯馬公司推出無線示教器WiTP。

2007年，日本Motoman公司推出了當時速度最快的弧焊機器人Super Speed Arc SSA2000和Super Speed Flexible SSF2000。

3 我國焊接機器人應用和發展現狀

3.1 焊接機器人的應用

焊接機器人在工業生產領域表現出的高效益、 高可靠性、高靈活性的特點為世人矚目，從第一臺焊接機器人的誕生迄今50多年的發展中，焊接機器人已從最初的點焊機器人擴展到熔化極氣體保護焊、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域，作業范圍已從室內延伸到野外、水下、太空、核環境等[18-21]。焊接機器人正逐步將焊接工人從高疲勞、高危險的勞動環境中解放出來。

3.2 焊接機器人及工業機器人的應用情況

截止2015年底，我國焊接機器人保有量約83 081臺，比2014年增加了18%，占工業機器人保有量的32.4%。近10年我國焊接機器人及工業機器人的相關銷售信息見表1[22-26]。

通過表1可知，近10年我國焊接機器人的銷量呈現波浪式增長，焊接機器人在工業機器人中所占的比重在2012年達到頂峰，近幾年焊接機器人在工業機器人中所占比重呈下降趨勢。這與焊接機器人在萬名焊工中的擁有量要遠遠高于我國工業機器人的平均密度（即制造業萬名工人中工業機器人擁有量）有關[27]。根據行業統計，我國2014年焊接材料產量為568萬t，扣除出口部分，按照國內自身消耗焊材數量，保守估算2014年我國焊接工人數200萬人左右[28]。參照此數據，2014年我國焊接機器人的行業密度約為352臺，遠遠高于同期我國工業機器人的密度36臺。而同期全球工業機器人密度最大的國家韓國，其工業機器人密度為478臺[29-30]。據不完全統計，服務于焊接加工領域的焊機機器人占全球在役工業機器人的一半左右[31]，通過以上數據可以預測焊接機器人在我國還有很大的發展空間。

表1 近10年我國焊接機器人及工業機器人銷售情況

3.3 各類型焊接機器人的應用情況

目前，我國工業領域應用最多的焊接機器人是弧焊機器人，其主要應用于汽車、工程機械、摩托車、鐵路、船舶、航空航天、軍工、自行車、家電等行業；其次是點焊機器人，點焊機器人主要應用于汽車行業，包括汽車車身、零部件的焊接；然后就是激光焊接機器人，由于激光焊接具有功率密度高、焊縫深寬比大、熱影響區小，且容易實現自動化等特點[32]，近幾年發展迅速，在汽車車身制造領域應用十分廣泛。在其他焊接機器人領域，摩擦攪拌焊機器人在鋁及鋁合金焊接領域發展迅速。目前ESAB研制的空間曲線RosioTM摩擦攪拌焊機器人系統可對不大于5 mm的鋁合金進行優質高效焊接[33]，圖1為截止到2013年我國各類焊接機器人累計裝機情況[22]。

圖1 截止到2013年我國各類型焊接機器人累計裝機情況

目前國內市場上的焊接機器人主要分為日系、歐系和國產3種。日系機器人主要來自安川MOTOMAN、OTC、松下、FANUC、神鋼 ARCMAN、不二越、川崎等公司；歐系的有德國KUKA、CLOOS、瑞士的 ABB以及奧地利的IGM等公司產品；國產焊接機器人有沈陽新松、廣州數控、上海新時達、安徽埃夫特、南京埃斯頓等品牌產品。根據CRIA公布的2015年中國機器人的市場數據顯示，2015年國產焊接機器人的銷量約3 784臺，占中國焊接機器人市場的29.9%，另外70%以上的焊接機器人市場被外國品牌占據。

3.4 焊接機器人應用過程中存在的問題

雖然焊接機器人在我國焊接生產領域得到了廣泛應用，使得相關企業的焊接質量及焊接效率均有了大幅度的提升，但是焊接機器人在應用過程中仍然存在一些問題，有待去研究改善，主要問題有以下4個方面。

（1）焊接機器人零部件價格昂貴。受我國工業機器人關鍵核心零部件技術水平的制約，焊接機器人的主要零部件均依賴進口，這就導致國內焊接機器人的零部件價格昂貴，工業機器人的四大核心部件（減速器、伺服電機、伺服驅動和控制器）一旦損壞動輒就幾萬甚至十幾萬的更換費用。以機器人用精密減速機為例，據中國機器人網報道：“2015年我國75%的精密減速機由日本進口，主要供應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器人四大國際巨頭的價格為3～5萬，賣給國內關系好的客戶約7萬元，對于大多數普通用戶需要以10萬元以上的價格才能購買到一臺精密減速機，而且供貨周期較長，這嚴重影響焊接生產企業的生產計劃。”像損壞率比較高的焊槍、槍纜、送絲機價格也在1萬左右，這致使很多企業買得起焊接機器人卻用不起，這嚴重阻礙了國內“機器換人”的腳步，阻礙了中國智能制造的發展。

（2）復雜焊件的焊接編程問題。機器人焊接編程一般包括示教編程和焊接工藝參數編寫兩部分。對于復雜焊件的機器人焊接，其焊縫一般較多，這就需要耗費大量的時間對其進行示教編程。對于存在變角度坡口的焊縫一般需要進行多重多道焊接，焊接工藝參數的調試及確定也需耗費大量時間，多數復雜焊接需要編寫調試多個焊接參數，需要更長的時間來確定相應的工藝參數。這就大大延長了企業新產品的生產周期，從而降低了企業的競爭力[34]。

（3）機器人與焊件的相對位置發生變化后重新示教問題。機器人焊接編程主要是通過示教器控制機器手的行走路徑，當焊槍末端到達指定點時，加上相應的動作命令（調用程序、停留時間、送氣、送絲、收絲、引弧、熄弧、旋轉等），該指定點一般是參照變位機或焊接工裝上的焊接工件確定。一旦焊接工件與機器人的相對位置發生變化，焊接程序就得重新示教，這個工作需要耗費大量的時間，該問題是焊接機器人應用過程中經常遇到且比較棘手的問題。

（4）尋位和清槍輔助時間過長問題。由于焊接組對的一致性普遍達不到機器人直接焊接的要求，機器人在進行焊接之前，一般需要對相應焊件進行尋位（焊縫檢測），焊接尋位是根據焊件的形狀特征在示教位置的基礎上，通過焊絲與工件的接觸來確定焊縫的實際位置，并在示教位置的基礎上加以矯正 （此功能要求工件的實際位置與示教位置不能偏差太大，超過極限變差尋位功能將無法使用）。通常一條焊縫至少需要4個尋位點。對于復雜焊件相應的尋位時間太長，這嚴重影響到了機器人焊接的整體速度。對于弧焊機器人而言，焊接一定時間后要對焊槍噴嘴進行清理。目前國內的焊接機器人系統一般采用清槍站對噴嘴進行清理，而清槍站均放在遠離工件的安全位置。焊接時機器人需頻繁地由焊件位置運行到清槍站，再由清槍站運回到焊件位置，這一過程也嚴重影響機器人的焊接效率。

4 焊接機器人技術發展現狀與趨勢

實現穩定、優質、高效的焊接是應用焊接機器人的意義所在[35]，也是機器人焊接領域研究的重要課題。由于焊接是一個高度非線性、多變量、多種不確定因素作用的過程[36]，使得控制焊縫成形質量極為困難。為了克服上述因素對焊接質量的影響，機器人焊接領域迫切需要采用計算機技術、控制技術、信息和傳感技術、人工智能等多學科知識[37]，實現焊接電源靜動特性的無級控制、焊接初始位置的自主識別、焊縫實時跟蹤、焊接熔池動態特征信息獲取、焊接參數自適應調節等，以確保焊接質量和提高焊接效率[38]。為了能夠實現機器人優質、高效焊接，目前我國焊接機器人技術研究主要集中在以下幾個方面。

4.1 焊接機器人用弧焊電源的研究

伴隨焊接機器人技術的發展，與之配套的弧焊電源正朝高效、高性能和數字化方向發展[39]。由于數字化弧焊電源具有焊接參數輸出穩定、焊接重復性高、焊接質量良好且穩定、DSP響應速度快、并且可以滿足多種焊接方法對電源的要求等特點，采用全數字化弧焊電源是未來焊接機器人的發展方向[40]。目前機器人用數字化弧焊電源主要是國外產品，像奧地利Fronius公司的TPS系列產品、德國EWM公司生產的INTEGRAL系列數字化弧焊電源、法國沙福DIGI@WAVE系列產品、日本松下推出的多系列數字化弧焊電源等。國內在這方面的研究已經開展，并有一些產品推向市場，可在焊接穩定性、控制精準性等多方面性能參數上與國外產品還有一定的差距[41]。

4.2 焊接機器人傳感技術

焊接自動化與智能化是焊接發展的趨勢，而傳感技術是實現焊接自動化與智能化的關鍵技術。焊接機器人傳感技術是涉及機器人焊接過程中相關信息的獲取、信息轉換、信息處理的一門技術。其中焊接過程中相關信息的獲取是制約該項技術發展的短板。只有穩定可靠的傳感器才能檢測焊接過程的狀態，為過程質量控制提供過程特征信息。由于焊接傳感器所處的應用環境極其惡劣，受到弧光、高溫、煙塵、飛濺、振動和電磁場的干擾，其中大部分干擾無法去除，這對焊接傳感器提出了較高的要求。目前弧焊機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、聲學傳感器、光學傳感器、電弧傳感器。焊接傳感器是否穩定可靠，直接關系到焊接過程特征信息的提取準確與否，對實現焊接過程實時監控至關重要。在眾多焊接傳感器中，接觸式傳感器、激光視覺傳感器和電弧傳感器以其獨特的優勢廣泛應用于弧焊機器人焊接過程中[42]。

4.3 焊縫自動識別與跟蹤技術

對焊接機器人進行視覺傳感的初始焊位識別及焊接過程中的焊縫跟蹤研究，是焊接機器人實現高效優質焊接的關鍵技術之一。焊縫的自動識別是實施焊接動作的第一步，并且對于提高焊接機器人的智能化程度，實現焊接機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，以及焊接過程中產生的不均勻溫度場導致的焊接變形等會造成焊縫形狀及位置的變化，因此在焊接過程中采用焊縫跟蹤技術實時檢測焊縫狀態，以調整焊接路徑，對保證焊接質量至關重要。目前焊縫自動識別與跟蹤技術主要是基于傳感器技術及控制技術進行的相關研究。在傳感器方面，CCD傳感器以其優異的信息獲取能力、可靠的穩定性、清晰直觀的圖像性能得到了廣泛應用[43]，在機器人焊接領域傳感器的應用正由單一傳感器向多傳感器智能信息融合方向發展[44]；在控制方面，模糊控制方法、神經網絡控制方法、焊接專家系統方法、混合控制方法均在焊縫自動識別與跟蹤技術的研究上得到很好的應用，他們的結合應用使得焊縫自動識別與跟蹤技術具有更好的自適應性、自學習性、自組織性等優良的控制特點。

4.4 焊縫成形質量控制方法研究

焊接機器人焊接質量的好壞直接決定了其在工業生產中應用水平的高低，在機器人焊接中影響焊縫成形質量的因素主要有起收弧穩定性、起收弧位置、焊接電流電壓、焊接速度、焊槍傾斜角、焊槍擺動幅度及頻率、焊槍擺動左右停留時間、干伸長、弧長、熔滴過渡形式、保護氣體流量等，這些因素的控制得當與否直接決定了焊縫成形質量的好壞。上述因素對焊縫成形質量的影響主要有焊縫的熔深、熔寬、余高、熱影響區、氣孔等。這是一個典型的多輸入、多輸出的非線性時變系統，控制難度極大。目前將焊接專家系統作為自適應單元，模糊計算作為決策單元，神經網絡作為補償單元是焊縫成形質量控制發展最有潛力的方法。機器人系統、焊接系統、焊接輔助系統、焊接外部傳感系統、焊接專家系統及綜合處理與控制系統要在統一的中央控制器下實現良好的協調和配合，完成焊接工藝和焊接動作的有機組合。通過傳感器反饋的信息能夠精確控制焊接機器人的運動軌跡、焊槍姿態和焊接參數，可以有效控制焊縫的成形質量[45]。

4.5 遙控焊接技術

伴隨經濟與科技的發展，焊接作業的范圍正在向核環境、地下、太空、深水、高溫、極寒等極限環境延伸，在保證焊接質量的情況下，最大限度地提高人類活動的舒適度，降低人類活動的危險性，成為如今焊接發展的趨勢之一，遙控焊接技術的出現有效解決了上述問題。如今遙控焊接機器人發展的熱點是人機互交控制[19]，即操作者遠程遙控焊接機器人完成焊接任務。由于受技術水平的限制，目前全自動遙控焊接機器人鮮有研究，但是遙控焊接技術的自動化水平正在不斷提高，其發展方向是全自動化遙控焊接機器人。早在20世紀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器人對核反應堆的泄漏位置進行了修復[46]。在視覺傳感、計算機輔助編程等技術的推動下，遙控焊接技術越來越高效、優質、穩定，其應用范圍在不斷擴大。

4.6 離線編程與仿真技術

目前機器人焊接生產領域采用的焊接編程方法主要是示教編程，此種編程方式對編程人員及焊接機器人均存在一定的安全風險。同時，焊接產品的制造正朝著多品種、小批量且復雜化的柔性制造方向發展，焊接編程的作業空間向太空、深水、核環境等極限環境延伸，這些因素均不利于示教編程的實施。離線編程與仿真技術的出現，可有效解決上述問題。目前國外已經有多款成熟離線編程與仿真系統，像德國的ROBEX；美 國 的 PLACE、Robot-SIM、WORKSPACE、ROBCAD；瑞士ABB的RobotStudio；日本安川的MotoSim、FUNAC的FunacWorks等多款產品均已推向市場。國內在此領域的研究以高校為主，在離線編程與仿真的核心技術領域支持CAM的CAD技術、自動編程技術、標定及修正技術、機器人接口技術、焊縫起始點確定技術等方面均有相應高校做了深入研究，不過國內開發的焊接離線編程仿真系統仍處于仿真階段，距離成熟穩定的商業化應用還有一定的距離[47]。

4.7 多臺焊接機器人及外圍設備的協調控制技術

隨著焊接機器人應用領域不斷向更復雜的焊接環境拓寬，對焊接機器人能力的要求也不斷提高。由于單臺焊接機器人的魯棒性、效率、感知能力提升到一定的水平后很難再有突破，或是達到目標要求所需要的成本非常昂貴，這就迫使某些焊接任務采用多臺焊接機器人協作完成，所以對多焊接機器人及外圍設備的協調控制技術的研究也就頗為重要。由于多臺焊接機器人及外圍設備的協調控制技術能夠實現多機器人焊接系統在時間、空間、信息、資源及功能的分布特性最優。此技術的應用可實現單焊接機器人無法完成的一些功能，可使多機器人焊接系統的設計制造成本較單機器人復雜焊接系統更容易，且成本更低，可提升整個系統對任務及環境更強的適應能力，也可大大提高多機器人焊接系統的焊接效率[43-50]。

5 結 論

綜上所述，隨著國內經濟發展方式的轉換，人口紅利消失，之前依賴勞動密集型的低端產業難以為繼，在制造業轉型升級的大背景下，實現焊接生產的自動化、柔性化與智能化已是大勢所趨。焊接機器人技術在焊接生產中的廣泛應用，大大提高了我國焊接制造行業的整體生產效率，改善了焊接工人的工作條件，提高了焊接生產的柔性化水平及焊接質量，同時也推動了焊接相關領域的自動化升級。但是由于我國焊接機器人技術研究起步較晚，國產焊接機器人無論是控制水平還是可靠性方面均與國外機器人存在不小的差距，核心零部件嚴重依賴進口，焊接機器人的使用成本偏高。雖然近幾年我國在焊接機器人關鍵技術方面的研究發展迅速，也取得了不少優秀成果，但總體而言，我國焊接機器人產業自主創新能力偏弱，產品以中低端為主，自主品牌的認可度較低。未來我國焊接領域要想真正實現優質、高效、成本低廉的自動化、柔性化及智能化焊接，在焊接機器人政策扶持體系的完善方面、焊接機器人相關技術研發領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，主要研究方向為機器人焊接、焊接過程數值模擬與仿真。