淺談焊接機(jī)器人的應(yīng)用與發(fā)展

王濤

【摘 要】焊接生產(chǎn)線機(jī)械自動化技術(shù)的應(yīng)用經(jīng)歷了仿制、自行研制、穩(wěn)步發(fā)展三個階段。焊接制造行業(yè)的焊接專機(jī)將得到普遍應(yīng)用，焊接生產(chǎn)過程中，機(jī)械化與自動化程度將提高15%左右，焊接自動化程度將達(dá)到40～50%，為了發(fā)展焊接自動化技術(shù)，中國在“九五”計劃中已將圍繞計算機(jī)技術(shù)的CIMS技術(shù)、CAD/CAM、CAPP、CAPM等技術(shù)列為重點(diǎn)推廣項(xiàng)目。本文主要介紹焊接機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展歷程及應(yīng)用現(xiàn)狀。對焊接技術(shù)的種類及其特點(diǎn)做了簡要介紹。并且將焊接機(jī)器人的視覺控制技術(shù)、智能控制技術(shù)及嵌入式控制技術(shù)等作為焊接機(jī)器人智能化技術(shù)的發(fā)展方向。

【關(guān)鍵詞】焊接機(jī)器人；智能機(jī)器人；焊接技術(shù)；應(yīng)用現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢

1.焊接機(jī)器人的發(fā)展歷程及現(xiàn)狀

1.1焊接機(jī)器人的發(fā)展歷程

1959年，美國誕生了世界上第一臺工業(yè)機(jī)器人UNIMATE。此后，機(jī)器人的應(yīng)用和技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了以下三個階段：

第一階段：示教再現(xiàn)型機(jī)器人。

這類機(jī)器人沒有反饋外界信息的能力，不能夠適應(yīng)工作環(huán)境的變化。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中受到了很大限制。

第二階段：可感知機(jī)器人。

這類機(jī)器人可感知到外界環(huán)境。工作時，外界信息可通過傳感器獲得，從而，可以靈活調(diào)整工作狀態(tài)，保證在適應(yīng)環(huán)境的情況下完成工作。

第三階段：智能型機(jī)器人。

這類機(jī)器人具有感覺能力，同時還具有獨(dú)立判斷、推理和決策的能力。不僅能夠在不同的外部環(huán)境中工作，而且還能夠完成更加復(fù)雜的動作。因此，這類機(jī)器人在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。

1.2焊接機(jī)器人的應(yīng)用現(xiàn)狀

在工業(yè)生產(chǎn)中，焊接機(jī)器人具有焊接質(zhì)量穩(wěn)定、適應(yīng)工作環(huán)境、提高生產(chǎn)效率等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于汽車制造、工程機(jī)械和金屬結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域。

上個世紀(jì)80年代初，我國就對工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用展開了深入研究。經(jīng)過二十多年的努力，在技術(shù)和應(yīng)用方面均取得了可喜的成績。并且，在制造業(yè)的發(fā)展中，發(fā)揮了重要的推動作用。近年來，我國在焊接機(jī)器人領(lǐng)域呈現(xiàn)出快速增長的勢頭，增長率超過了60%。2005年我國新增機(jī)器人數(shù)量超過了5000臺，但僅占亞洲新增數(shù)量的6%。這樣的增長速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的速度。這說明我國制造業(yè)的自動化程度以及工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用程度都有待于進(jìn)一步提高。

2.焊接技術(shù)基礎(chǔ)知識

2.1焊接的種類及特點(diǎn)

根據(jù)焊接過程的特點(diǎn)可將其分為熔焊、壓焊和釬焊三大類。

（1）熔焊。熔焊是指，將待焊處的母材金屬熔化，以形成焊縫的焊接方法。

（2）壓焊。壓焊是指，在焊接過程中，必須對焊件施加壓力來完成焊接的方法。

（3）釬焊。釬焊是指，用比母材熔點(diǎn)低的金屬材料作釬料，將釬料和焊件加熱到一定的溫度（即高于釬料熔點(diǎn)，低于母材熔點(diǎn)），液態(tài)的釬料填充于接頭間隙，并與母材相互擴(kuò)散來實(shí)現(xiàn)連接焊件的焊接方法。

2.2焊接技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中的地位

在工業(yè)制造中，金屬是一種最為常見的重要材料。汽車、飛機(jī)、輪船等制造領(lǐng)域都會使用大量的金屬材料。在這些工業(yè)產(chǎn)品的制造過程中，焊接就是把各種各樣加工好的零件，按相應(yīng)的設(shè)計要求連接起來制成產(chǎn)品的一種加工方法。

據(jù)不完全統(tǒng)計，目前整個制造業(yè)有將近一半的金屬產(chǎn)品都是通過焊接加工的方法制作的?，F(xiàn)如今，隨著焊接技術(shù)的發(fā)展，焊接技術(shù)幾乎遍及所有制造領(lǐng)域。并且，成為制造領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一。因此，焊接技術(shù)水平的高低，是衡量一個國家科學(xué)技術(shù)先進(jìn)程度的重要標(biāo)志之一。沒有現(xiàn)代焊接技術(shù)的發(fā)展，就不會有現(xiàn)代工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的今天。

隨著國際化先進(jìn)工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，對焊接技術(shù)提出了多樣化的要求。具體體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）在焊接產(chǎn)品的使用方面，提出了動載、強(qiáng)韌、高壓、高溫等多項(xiàng)要求。

（2）從焊接產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形式上，提出了焊接厚壁零件到精密零件的要求。

（3）從焊接材料的選擇上，提出了焊接各種黑色金屬和有色金屬的要求。

這就使得我國在焊接技術(shù)領(lǐng)域不得不投入大量的高新技術(shù)人才，來深入的研究具有更高技術(shù)含量的焊接技術(shù)。

3.焊接機(jī)器人的發(fā)展及趨勢

據(jù)不完全統(tǒng)計，服務(wù)于焊接加工領(lǐng)域的焊接機(jī)器人占全世界在役的工業(yè)機(jī)器人中的一半左右。其實(shí)，焊接機(jī)器人就是在焊接生產(chǎn)過程中，代替焊工從事焊接任務(wù)的工業(yè)機(jī)器人。這些焊接機(jī)器人中，只有少數(shù)是專為某種焊接方式設(shè)計的，而大多數(shù)的焊接機(jī)器人就是在通用的工業(yè)機(jī)器人裝上某種焊接工具而構(gòu)成的。在多任務(wù)環(huán)境中，一臺機(jī)器人并不僅僅完成焊接作業(yè)，甚至還可以完成包括焊接在內(nèi)的取物、搬運(yùn)及安裝等多種任務(wù)。編程人員可以向機(jī)器人輸入相應(yīng)的程序指令。機(jī)器人可以根據(jù)程序指令自動更換機(jī)械手上的工具來完成相應(yīng)的任務(wù)。因此，從某種意義上來說，工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展歷史就是焊接機(jī)器人的發(fā)展歷史。

在發(fā)達(dá)國家，焊接機(jī)器人自動化生產(chǎn)線成套設(shè)備已成為自動化裝備的主流及未來的發(fā)展方向。國外汽車行業(yè)、電子電器行業(yè)、工程機(jī)械等行業(yè)的生產(chǎn)線都是以大量使用工業(yè)機(jī)器人代替人工來完成作業(yè)的。從而使產(chǎn)品的質(zhì)量更加得以保障，生產(chǎn)效率得到了大大的提高。許多國家通過長期使用工業(yè)機(jī)器人的實(shí)踐表明，工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)水平及其普及程度是體現(xiàn)該國家工業(yè)發(fā)展水平重要因素之一，也是實(shí)現(xiàn)自動化生產(chǎn)、提高生產(chǎn)效率、推動企業(yè)和社會生產(chǎn)力發(fā)展的有效手段。

3.1焊接機(jī)器人在焊接生產(chǎn)中的應(yīng)用

眾所周知，在制造業(yè)中，焊接加工是一種生產(chǎn)環(huán)境差、危險性高的職業(yè)之一。而且，焊接加工對焊工技術(shù)水平的要求也是比較高的。它要求焊工必須具有熟練的操作技能、豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和穩(wěn)定的焊接水平。焊接機(jī)器人的出現(xiàn)，使人們能夠從極為惡劣的工作環(huán)境中解脫出來，減輕焊工的勞動強(qiáng)度，同時也可以提高焊接的質(zhì)量和效率。

焊接機(jī)器人有直角坐標(biāo)式、柱面坐標(biāo)式、球面坐標(biāo)式、多關(guān)節(jié)坐標(biāo)式、伸縮式、爬行式等多種結(jié)構(gòu)形式。在實(shí)際使用中，可以根據(jù)不同的場合選用不同的結(jié)構(gòu)形式，來完成相應(yīng)的工作任務(wù)。模仿人手臂功能的多關(guān)節(jié)機(jī)器人，由于可以在空間自由度內(nèi)任意動作，手臂靈活性最大，能夠使焊槍的空間位置和姿態(tài)調(diào)至任意狀態(tài)，來滿足焊接的需要，因此也是目前使用最為廣泛的一種。

由于焊接機(jī)器人技術(shù)的不斷提高，并且電弧傳感器技術(shù)在機(jī)器人焊接中得到廣泛應(yīng)用，在一定程度上，解決了機(jī)器人電弧焊的焊縫軌跡跟蹤和控制的問題。在汽車制造業(yè)中，由于焊接機(jī)器人的廣泛應(yīng)用，也從原來比較單一的汽車裝配點(diǎn)焊很快發(fā)展為汽車零部件和裝配過程中的電弧焊。因?yàn)闄C(jī)器人電弧焊具有可通過程序隨時改變焊接軌跡和焊接順序的特點(diǎn)，因此最適用于工件品種變化大、焊縫短而多、形狀復(fù)雜的產(chǎn)品。而這種產(chǎn)品又大多出現(xiàn)在汽車車體上，正好又符合了汽車制造業(yè)的特點(diǎn)。再加上現(xiàn)在的汽車款式越來越多，更新速度也越來越快，采用帶有機(jī)器人裝備的汽車生產(chǎn)線更能夠滿足當(dāng)今社會汽車制造業(yè)的飛速發(fā)展。

3.2焊接機(jī)器人的最新進(jìn)展

隨著計算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)也得到了飛速發(fā)展。制造成本不斷降低，而其質(zhì)量與性能卻在迅速提高。 具體體現(xiàn)在以下兩個方面：

（1）工業(yè)機(jī)器人。工業(yè)機(jī)器人已廣泛地應(yīng)用于各種自動化生產(chǎn)線，由操作機(jī)、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作、自動控制，可重復(fù)編程，能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動生產(chǎn)設(shè)備。

（2）先進(jìn)機(jī)器人。近年來，人類活動領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，機(jī)器人應(yīng)用也從制造領(lǐng)域向非制造領(lǐng)域發(fā)展。在宇宙探測、海洋開發(fā)、建筑、采掘、醫(yī)療服務(wù)等行業(yè)都提出了自動化和機(jī)器人化的要求，如太空機(jī)器人、核事故機(jī)器人、醫(yī)用機(jī)器人、仿生機(jī)器人等。

3.3焊接機(jī)器人的發(fā)展趨勢

目前，國際機(jī)器人界內(nèi)人士都在對機(jī)器人的共性技術(shù)展開更深入的研究。焊接機(jī)器人也在不斷的向智能化和多樣化的方向發(fā)展。

在當(dāng)今高質(zhì)量、高效率的焊接生產(chǎn)中，焊接機(jī)器人發(fā)揮了極其重要的作用。工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的研究、發(fā)展與應(yīng)用，有力地推動了世界工業(yè)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步。近年來，焊接機(jī)器人技術(shù)的研究與應(yīng)用，在焊縫跟蹤、信息傳感、智能控制等方面都取得了突出的成果。隨著計算機(jī)技術(shù)、智能控制技術(shù)和人工智能技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)的不斷發(fā)展，焊接機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域還有很多等待我們?nèi)フJ(rèn)真研究的問題，特別是焊接機(jī)器人的視覺控制技術(shù)、智能化控制技術(shù)、嵌入式控制技術(shù)等方面將是未來研究的主要方向。

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