焊接機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀

孫 靜

（天津城市建設(shè)管理職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300134）

目前，隨著智能技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，市場上對于焊接產(chǎn)品的要求逐漸的提高，所以，想要保證焊接產(chǎn)品的質(zhì)量和效率，在焊接工作中可以應(yīng)用到焊接機(jī)器人，目前，焊接機(jī)器人已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用在焊接領(lǐng)域中。通過使用焊接機(jī)器人，可以在一定程度上提高焊接生產(chǎn)的質(zhì)量和效率，也有效地改善了操作人員的工作條件，也可以有效地保證了產(chǎn)品質(zhì)量，從而保證了產(chǎn)品質(zhì)量。差異化制造，在促進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)代化和轉(zhuǎn)型方面也發(fā)揮了作用。焊接機(jī)器人使用機(jī)器人代替人工操作，這涉及使用焊接機(jī)器人來完成焊接工作。根據(jù)焊接機(jī)器人使用的不同焊接方法，焊接機(jī)器人可分為焊接機(jī)器人，弧焊機(jī)器人，激光焊接機(jī)器人和摩擦機(jī)器人。焊接機(jī)器人及其其他類型，隨著自動化技術(shù)的發(fā)展，焊接機(jī)器人可分為智能機(jī)器人和教學(xué)繁殖機(jī)器人。

1 焊接機(jī)器人應(yīng)用的重要意義

隨著工業(yè)生產(chǎn)水平的提高焊接機(jī)器人逐步發(fā)展起來的，在焊接生產(chǎn)過程中，應(yīng)用焊接機(jī)器人有著重要的意義，主要是能夠體現(xiàn)在以下的幾個方面：第一、可以有效地提高焊接生產(chǎn)的質(zhì)量，在焊接生產(chǎn)的過程中，焊接的電壓和焊接速度等因素，要與人工操作對焊接生產(chǎn)的質(zhì)量起到重要的作用，隨著焊接機(jī)器人的應(yīng)用，對于因?yàn)槿藶橐蛩氐挠绊懙玫搅擞行У慕档?，并且還可以更好地控制焊接的電壓和電流等，能夠始終保持著一致，這樣能夠保證焊接的質(zhì)量。第二、可以有效地提高焊接產(chǎn)品的效率，焊接機(jī)器人的工作速度比人工的工作速度要快很多，焊接機(jī)器人可以二十四小時不間斷地工作，著極大地提高了工作的效率。第三、有效地改善了勞動的條件，當(dāng)人工在焊接的過程中，會面臨著惡劣的焊接環(huán)境，這對于工作人員的身體產(chǎn)生一定的危害性，但是隨著焊接機(jī)器人的運(yùn)用，人工只需要完成工件裝卸的工作就可以，這對于工作的環(huán)境有了顯著的改善，并且避免了高強(qiáng)度的體力勞動。除此以外，隨著焊接機(jī)器人的應(yīng)用，可以有效地縮短了工業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)時間，對于產(chǎn)品的更新?lián)Q代起到了促進(jìn)的作用。

2 焊接機(jī)器人的發(fā)展歷程

焊接機(jī)器人結(jié)合了多種技術(shù)，例如電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、智能技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)等，其歷史可以追溯到1960 年初期。在經(jīng)過三個主要的開發(fā)過程，第一代焊接機(jī)器人仍處于技術(shù)研究和智能化的過程中。應(yīng)用率低，并且不可能從外部信息反饋，這導(dǎo)致了很大的應(yīng)用限制。與第一代焊接機(jī)器人相比，第二代焊接機(jī)器人的技術(shù)顯然已經(jīng)成熟。這一時期的機(jī)器已經(jīng)具有感知能力和更強(qiáng)大的功能，就像人類的視力和聽覺一樣，傳感器技術(shù)已應(yīng)用于機(jī)器人。在實(shí)際工作當(dāng)中，他使用傳感器技術(shù)來接收外部信息并將其傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)。收到反饋后，他會相應(yīng)地調(diào)整條件，以確保性能和適應(yīng)環(huán)境的能力，并將其廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)。第三代焊接機(jī)器人是智能的，具有非常強(qiáng)大的功能，除了像人類一樣的感知能力外，他還可以判斷和行動。他可以在工作時獨(dú)立完成推理，然后做出科學(xué)決策。故障還可以進(jìn)行自我診斷，并具有自我糾正的能力，適用于各種挑戰(zhàn)性的工作環(huán)境。

3 焊接機(jī)器人的技術(shù)現(xiàn)狀

3.1 電弧焊電源技術(shù)

電弧焊是焊接中的一項(xiàng)非常重要的技術(shù)，近些年來，隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)和電子技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，機(jī)器人弧焊技術(shù)已經(jīng)得到了高速的發(fā)展，使用微處理器和閉環(huán)控制系統(tǒng)可以對電源的靜態(tài)特性提供無機(jī)控制，并且還可以有效地控制電弧焊電流和脈沖焊接電流，以確保機(jī)器人電弧焊操作的穩(wěn)定性。遠(yuǎn)程焊接技術(shù)主要用于手動控制焊接機(jī)器人的一些危險行為，與特殊條件下，以此來保證焊接工作能夠有效地完成。

3.2 焊縫跟蹤技術(shù)

焊縫跟蹤技術(shù)主要是研究焊接機(jī)器人可以依照實(shí)際焊接條件的變化對焊縫進(jìn)行實(shí)時的跟蹤和檢測，并且根據(jù)實(shí)際的焊縫和設(shè)計(jì)之間的偏差，有效調(diào)整焊接路徑和焊接參數(shù)，確保焊接質(zhì)量。在這一階段的發(fā)展中，縫合跟蹤技術(shù)應(yīng)以傳感器技術(shù)和控制理論為研究對象，其中傳感技術(shù)主要是以研究電弧傳感器和光傳感器這兩類只能的傳感器為主要，電弧傳感器主要是從焊接電弧獲取焊縫偏差的信息，光傳感器則是依靠視覺傳感器和計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)焊縫偏差的分析，可顯著提高焊接機(jī)器人的適應(yīng)能力。焊縫跟蹤控制理論則是運(yùn)用現(xiàn)代先進(jìn)的控制理論支持焊縫跟蹤技術(shù)，提高焊縫跟蹤技術(shù)的可靠性，現(xiàn)在常用的理論主要有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制等理論。

3.3 多人機(jī)器人的協(xié)調(diào)控制技術(shù)

多機(jī)器人協(xié)調(diào)控制主要研究的內(nèi)容是通過控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多個焊接機(jī)器人之間的協(xié)調(diào)工作，使其可以完成某一項(xiàng)任務(wù)。多機(jī)器人協(xié)調(diào)控制技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)多個機(jī)器人之間的合作、協(xié)調(diào)，不但能夠器人完成相應(yīng)的焊接操作，還可以其他機(jī)器人相聯(lián)合完成一系列的焊接要求，這就需要建立一個合理的多智能控制系統(tǒng)。此外如何使機(jī)器人與外周設(shè)備進(jìn)行有效的合作也是協(xié)調(diào)控制技術(shù)的研究方向。

3.4 技術(shù)

仿真技術(shù)主要研究的是在焊接機(jī)器人設(shè)計(jì)的過程中通過采用機(jī)器人學(xué)理論、計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、CAD 技術(shù)等在計(jì)算機(jī)中形成幾何圖形，將機(jī)器人工作構(gòu)件的運(yùn)動、運(yùn)動學(xué)分解、碰撞干涉等通過動畫的形式顯示、模擬，以更好的解決機(jī)器人設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的技術(shù)問題。

3.5 人用焊接工藝方法

目前世界上應(yīng)用較多的焊接技術(shù)主要是氣體保護(hù)焊，主要包括富氬混合氣體保護(hù)焊和融化極氬弧焊等兩組類型，此外還有應(yīng)用較為廣泛的鎢極氬氣保護(hù)焊。部分科技比較先進(jìn)的國家則采用熱絲TIG 焊、熱絲等離子以及TIME 焊等方法，這些工方法不僅能夠保證優(yōu)良的焊接接頭，還大幅度提高了焊接的速度和熔敷效率。

4 焊接機(jī)器人的發(fā)展趨勢

4.1 多智能系統(tǒng)的融合發(fā)展趨勢

由于能機(jī)器人的多智能焊接機(jī)器人通過多機(jī)器人的協(xié)同工作完成特定的焊接任務(wù)。在實(shí)際的設(shè)計(jì)中，多個獨(dú)立且經(jīng)濟(jì)的智能單元的分離主要基于邏輯，功能和物理原理，它們彼此交互并相互作用以執(zhí)行一些復(fù)雜而特殊的焊接操作。當(dāng)使用多個機(jī)器人完成相同的焊接任務(wù)時，必須對焊接機(jī)器人進(jìn)行靈活的集成處理，明確每個機(jī)器人的分工，確保它們協(xié)同工作并進(jìn)行信息交換，確保焊接效率和焊接質(zhì)量。

4.2 焊接機(jī)器人與周邊焊接設(shè)備的柔性集成

在焊接過程中，焊接機(jī)器人的靈活行，在外圍設(shè)備的協(xié)調(diào)控制有，助于減少非生產(chǎn)時間，同時可以提高工作效率。為了在焊接過程中保持整個熔池的水平或略低，焊接定位器必須不斷改變工件的位置和位置。定位裝置在焊接過程中不鎖定，為了提高整個系統(tǒng)的效率，保證整個系統(tǒng)工作質(zhì)量的提高，需要對弧焊電源和夾具進(jìn)行適當(dāng)?shù)膮f(xié)調(diào)。

4.3 智能傳感器與機(jī)器人的多傳感器信息融合技術(shù)

由于基本傳感器僅具有一個信號轉(zhuǎn)換元件，因此隨著智能技術(shù)的發(fā)展和智能傳感器的出現(xiàn)，其處理設(shè)備已高度集成。由于來自單個傳感器的信息無法為智能機(jī)器人提供準(zhǔn)確而可靠的信息，因此有必要綜合來自多個傳感器的信息，以充分利用傳感器信息并做出準(zhǔn)確的判斷。多傳感器技術(shù)在焊接機(jī)器人中的應(yīng)用，可以有效地推動焊接機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，有效地調(diào)整其運(yùn)行狀態(tài)，提高其智能化、高效化水平。在焊接機(jī)器人的實(shí)際操作中，當(dāng)使用單個傳感器時，會受到多種因素的干擾，無法準(zhǔn)確判斷周圍環(huán)境，從而使多傳感器信息融合，采用柔性集成的過程，操作更加完整，有效地分析了焊接機(jī)器人的具體工作狀態(tài)，提高了焊接機(jī)器人的工作效率。

4.4 焊接機(jī)器人系統(tǒng)的智能化

焊接機(jī)器人的整個焊接過程相對復(fù)雜，實(shí)際焊接過程涉及很多因素，例如電、磁、熱、光等。由于這些因素的非線性特性，無法建立精確的數(shù)學(xué)模型。由于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有自學(xué)習(xí)能力和適應(yīng)能力，因此其信息容量很大，并且可以執(zhí)行快速計(jì)算，因此，其在焊接機(jī)器人系統(tǒng)中的應(yīng)用可以有效地促進(jìn)焊接機(jī)器人智能化的發(fā)展。

4.5 移動操作發(fā)展

目前，大多數(shù)焊接機(jī)器人是用一只手固定和操作的，這使其操作與實(shí)際生產(chǎn)要求非常不兼容，這增加了焊接生產(chǎn)的復(fù)雜性并帶來許多不便。 這種固定操作限制了焊接機(jī)器人的半徑和范圍。如果機(jī)械手在使用過程中伸得太遠(yuǎn)，在焊接負(fù)載自動焊槍時會降低機(jī)械手的剛度，導(dǎo)致末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)抖動，對焊接質(zhì)量影響很大，使焊接電弧穩(wěn)定性受到威脅，氣體保護(hù)效果降低。因此，工業(yè)焊接機(jī)器人還需要不斷向移動工作發(fā)展，并不斷提高運(yùn)動精度，通信效率等，從而可以有效地提高焊接效率。

4.6 其他發(fā)展趨勢

在產(chǎn)品制造過程中，經(jīng)常會遇到各種空間位置的焊縫，特別是異型結(jié)構(gòu)的焊接件。面對這種情況，不可能實(shí)現(xiàn)自動化、智能化焊接，只能依靠手工焊接。如果能夠開發(fā)出基于人工智能的視覺識別焊接技術(shù)，則可以智能地識別焊接位置信息，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與被識別信息的實(shí)時信息交換與通信，以及機(jī)器人與被識別信息之間的信息交互。通過控制系統(tǒng)的操作，將交換通信處理后反饋給焊接設(shè)備，實(shí)現(xiàn)任意位置焊縫的智能焊接。這也是未來智能制造焊接技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。因此，無論焊縫位于何處，基于人工智能的視覺識別焊接設(shè)備都能很好地識別各種結(jié)構(gòu)焊縫的焊接情況，實(shí)現(xiàn)真正意義上的智能焊接。

5 機(jī)器人焊接的應(yīng)用優(yōu)勢與挑戰(zhàn)

5.1 機(jī)器人焊接的優(yōu)勢表現(xiàn)

機(jī)器人焊接具有很多優(yōu)點(diǎn)，包括高穩(wěn)定性和良好的焊接質(zhì)量， 它可以提高勞動生產(chǎn)率， 改善工作條件并在危險環(huán)境中工作，降低工人的技術(shù)開發(fā)水平和勞動強(qiáng)度， 降低焊接質(zhì)量。 生產(chǎn)成本，高度的靈活性，能夠自動化小型產(chǎn)品的焊接，在各種極端條件下的焊接性能。機(jī)械手焊接可大致分為三個階段：準(zhǔn)備、焊接以及焊接后控制。準(zhǔn)備階段主要用于工件的組裝以及機(jī)器人的教學(xué)和編程。當(dāng)今普遍使用的教學(xué)和編程可以分為兩種類型：手動和自動，在線和離線。在線手動編程方法簡單、便宜、但耗時，同時取決于焊工的資格。離線自動編程是一項(xiàng)高級技術(shù)，如今已受到越來越多的關(guān)注。它具有高度的靈活性，可以生成復(fù)雜的刀具路徑，并且比手動在線編程要快。焊接過程通常使用自動焊接跟蹤技術(shù)來補(bǔ)償可能的學(xué)習(xí)偏差并確保焊槍和焊縫居中。

5.2 機(jī)器人焊接所面臨的挑戰(zhàn)

機(jī)器人焊接也帶來了諸多新的挑戰(zhàn)：

（1）工件制備質(zhì)量和焊件裝配精度要求高。

（2）設(shè)計(jì)工件的結(jié)構(gòu)及焊接工藝時，要考慮焊槍的可達(dá)性、變位機(jī)的翻轉(zhuǎn)次數(shù)等。

（3）投資額度高，回收周期長。

（4）電源必須滿足機(jī)器人自動焊接所需的高性能和穩(wěn)定性特征。另外，機(jī)器人焊接對操作人員提出了更高的要求，并要求更高的質(zhì)量。為了獲得高質(zhì)量的焊接，設(shè)計(jì)準(zhǔn)確和智能的機(jī)器人焊接工藝尤為重要。

6 結(jié)語

焊接機(jī)器人技術(shù)在許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，通過焊接機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用，有效提高焊接質(zhì)量，使焊接工作可以在某些特殊條件下進(jìn)行。焊接機(jī)器人的技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用過程中受到很多因素的影響。因此，有必要加強(qiáng)焊接機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域的研究，繼續(xù)尋求智能控制技術(shù)的突破，確保焊接機(jī)器人技術(shù)的有效提高，為國家現(xiàn)代化提供重要技術(shù)。