淺談焊接機(jī)器人現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

張文明　王新宇

摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，焊接自動(dòng)化技術(shù)越來(lái)越多地應(yīng)用到現(xiàn)代工業(yè)的各行各業(yè)中。本文結(jié)合我國(guó)焊接機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)焊接機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和方向進(jìn)行分析和闡釋。

關(guān)鍵詞：焊接機(jī)器人；研究現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢(shì)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.04.203

0 引言

有著“工業(yè)裁縫”之稱(chēng)的焊接在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域起著舉足輕重的作用。近些年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，高質(zhì)量產(chǎn)品的需求量大大地增加了，同時(shí)也對(duì)焊接技術(shù)提出了更高的要求。傳統(tǒng)的手工焊接技術(shù)在質(zhì)量和效率上已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足當(dāng)今產(chǎn)品生產(chǎn)的需要了，所以焊接的自動(dòng)化逐漸為世人所重視起來(lái)。焊接機(jī)器人近些年來(lái)已經(jīng)發(fā)展了三代，由最初的示教再現(xiàn)式的第一代機(jī)器人發(fā)展到攜帶有傳感器并且可進(jìn)行離線(xiàn)編程的第二代機(jī)器人，再到多傳感器自動(dòng)編程的高度自動(dòng)化的第三代焊接機(jī)器人[1]，焊接機(jī)器人已經(jīng)成為焊接自動(dòng)化的標(biāo)志。

1 焊接機(jī)器人技術(shù)研究現(xiàn)狀

1.1 焊縫跟蹤技術(shù)

焊接機(jī)器人在執(zhí)行焊接操作時(shí)，要想得到高質(zhì)量的焊縫，周?chē)€(wěn)定的焊接環(huán)境是其中的一個(gè)重要因素?？墒菍?duì)于焊接來(lái)說(shuō)，整個(gè)焊接過(guò)程必然受到許多不確定的、時(shí)變的因素干擾。例如焊接產(chǎn)生的強(qiáng)烈的弧光，飛濺，煙塵以及工件表面狀況，焊接熱效應(yīng)使工件發(fā)生變形等因素，上述這些因素的干擾，會(huì)破壞焊接過(guò)程的穩(wěn)定性，可能會(huì)使焊炬偏離焊縫，影響焊接質(zhì)量。因此就要對(duì)焊縫進(jìn)行實(shí)時(shí)地跟蹤，根據(jù)焊接條件的不斷變化，對(duì)焊接參數(shù)，焊接路徑不斷進(jìn)行實(shí)時(shí)地調(diào)整，及時(shí)地糾正產(chǎn)生的偏差，滿(mǎn)足焊接質(zhì)量要求。焊縫跟蹤技術(shù)主要通過(guò)電弧傳感器感知電弧的實(shí)時(shí)變化，采用電弧電壓反饋調(diào)節(jié)機(jī)制[2]，對(duì)焊炬進(jìn)行上下左右地調(diào)整，尋找焊縫，實(shí)現(xiàn)焊炬跟隨焊縫的自適應(yīng)控制，再通過(guò)調(diào)整焊接工藝參數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接質(zhì)量的控制。另外視覺(jué)傳感器結(jié)合計(jì)算機(jī)視覺(jué)圖像處理技術(shù)獲得了大量信息，增強(qiáng)了焊接機(jī)器人外部適應(yīng)能力。另一方面，隨著模糊數(shù)學(xué)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[2]應(yīng)用到焊縫跟蹤系統(tǒng)，使焊縫跟蹤更加智能化。

1.2 焊接機(jī)器人用弧焊電源的研究[3]

在研究焊接機(jī)器人的過(guò)程中，對(duì)弧焊電源的研究決不可忽略。焊接機(jī)器人作為一種電器，可見(jiàn)作為其動(dòng)力支持的弧焊電源能夠起到多么大的作用。專(zhuān)用弧焊電源電器性能的優(yōu)良對(duì)焊接機(jī)器人的使用性能會(huì)產(chǎn)生很大的影響，電器性能良好的專(zhuān)用弧焊電源才能體現(xiàn)出焊接機(jī)器人高質(zhì)高效的特點(diǎn)。近些年弧焊電源技術(shù)日趨成熟，多數(shù)通過(guò)單片機(jī)對(duì)晶體管式弧焊逆變器進(jìn)行控制來(lái)充當(dāng)機(jī)器人專(zhuān)用弧焊逆變電源，能夠得到優(yōu)良的焊接動(dòng)特性，保證焊接質(zhì)量和效率。目前出現(xiàn)了一種采用模糊控制的方式控制焊接電源的模糊控制電源，該種方法有較強(qiáng)的適應(yīng)性，能夠滿(mǎn)足所焊工件表面不平整，以及有較大變形的工況下的焊接，并且能夠焊縫熔寬、熔深的一致性，焊縫成型好，缺陷少?；『鸽娫凑谙蛑鴶?shù)字化的方向發(fā)展，焊接過(guò)程將更加穩(wěn)定，所受到的影響將進(jìn)一步減小，焊接質(zhì)量也更加能夠得到保證，數(shù)字化焊接電源將成為一種發(fā)展方向。

1.3 多臺(tái)焊接機(jī)器人與外圍設(shè)備的協(xié)調(diào)控制技術(shù)

隨著焊接機(jī)器人越來(lái)越多地投入到實(shí)際的焊接生產(chǎn)中，很大程度上提高了生產(chǎn)的質(zhì)量和效率。但是對(duì)于大量的焊接操作以及復(fù)雜的焊接結(jié)構(gòu)，單臺(tái)焊接機(jī)器人工作也會(huì)顯得效率低下，力不從心。一方面焊接機(jī)器人在工廠中主要是執(zhí)行批量生產(chǎn)的任務(wù)，這樣才能發(fā)揮出其高效的優(yōu)點(diǎn)，但是生產(chǎn)量過(guò)大，效率提高的也不明顯。另一方面，對(duì)于一些復(fù)雜的焊接結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，單臺(tái)機(jī)器人無(wú)法單次完成焊接，會(huì)存在一些位置達(dá)到機(jī)器人的奇異點(diǎn)，機(jī)器人手臂無(wú)法到達(dá)所焊接的位置，預(yù)定焊接路徑中存在障礙物，或者遇到死點(diǎn)無(wú)法繼續(xù)焊接，只能采用變位機(jī)等外部輔助設(shè)施才能保證焊接繼續(xù)進(jìn)行下去，但這樣對(duì)工作效率也會(huì)產(chǎn)生極大的影響。這時(shí)就需要多臺(tái)焊接機(jī)器人共同完成焊接作業(yè)，例如在焊接一個(gè)大型的焊接結(jié)構(gòu)件時(shí)，單臺(tái)焊接機(jī)器人所能焊接的范圍較小無(wú)法一次焊接，一次焊接結(jié)束后還需要配合變位機(jī)等焊接輔助裝置再繼續(xù)施焊，這就要對(duì)經(jīng)過(guò)變位機(jī)變位后所焊工件的位置精度有較高的要求，否則還要對(duì)機(jī)器人重新進(jìn)行示教，這會(huì)浪費(fèi)大量的工時(shí)，增加成本。但是在不同的方位上分別布置一臺(tái)機(jī)器人同時(shí)焊接，既避免了單臺(tái)機(jī)器人的行程限制，又省去了變位機(jī)等焊接輔助，很大程度上提高了效率。同時(shí)機(jī)器人不是單獨(dú)工作的，還有許多的外圍輔助設(shè)備，除了機(jī)器人本體外，還有控制柜、焊接電源、送絲機(jī)構(gòu)、變位機(jī)、夾具等。因此在焊接過(guò)程中就需要焊接機(jī)器人與周邊設(shè)備，機(jī)器人與機(jī)器人之間實(shí)現(xiàn)柔性化集成，能大大地減少輔助時(shí)間，很大程度上提高效率。

1.4 焊接機(jī)器人系統(tǒng)仿真技術(shù)

焊接機(jī)器人是一個(gè)多自由度、多連桿空間結(jié)構(gòu)，我們?cè)谘兄啤⒃囼?yàn)、設(shè)計(jì)過(guò)程中經(jīng)常需要對(duì)其運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行分析以及軌跡規(guī)劃設(shè)計(jì)。但是焊接機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)十分復(fù)雜，計(jì)算難度很大。我們以機(jī)械手作為仿真對(duì)象，結(jié)合計(jì)算機(jī)圖形學(xué)CAD技術(shù)以及機(jī)器人學(xué)理論，先在三維軟件中建立所焊工件的三維模型，載入到計(jì)算機(jī)中去，并且在計(jì)算機(jī)中生成焊接機(jī)器人機(jī)械臂，工作平臺(tái)等。并且能夠動(dòng)畫(huà)演示機(jī)械臂的模擬行走軌跡，操作人員可以事先對(duì)行走軌跡進(jìn)行規(guī)劃，優(yōu)勢(shì)是有很強(qiáng)的直觀性。如果路徑規(guī)劃的不合理，機(jī)械臂存在奇異點(diǎn)無(wú)法到達(dá)，或者是在運(yùn)動(dòng)過(guò)程當(dāng)中遇到一些障礙物，發(fā)生碰撞等在計(jì)算機(jī)中會(huì)及時(shí)的反饋出來(lái)，工作人員會(huì)及時(shí)重新規(guī)劃路徑，提早解決問(wèn)題，提高工作效率。

1.5 遙控焊接技術(shù)

焊接機(jī)器人的廣泛使用除了它的高質(zhì)量，高效率受到世人的青睞以外，它還能代替人類(lèi)在一些復(fù)雜危險(xiǎn)的環(huán)境下執(zhí)行焊接任務(wù)。操作人員在遠(yuǎn)離危險(xiǎn)的安全位置上，對(duì)焊接機(jī)器人及相關(guān)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，來(lái)完成危險(xiǎn)環(huán)境下的焊接任務(wù)。在航空航天，深海，核電等領(lǐng)域，都有了焊接機(jī)器人的身影。使焊接技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步開(kāi)闊，但是這一項(xiàng)技術(shù)目前還并不是很成熟，世界多國(guó)都在進(jìn)行深入的研究。

2 焊接機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì)

2.1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

所謂虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)[4]，就是對(duì)事件的現(xiàn)實(shí)性從事件和空間上進(jìn)行分解后重新組合的技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與焊接機(jī)器人技術(shù)相結(jié)合，用戶(hù)可以對(duì)焊接過(guò)程進(jìn)行模擬仿真，查看焊接操作的可行性。用戶(hù)可以在計(jì)算機(jī)上生成生產(chǎn)加工的仿真模型，將工藝過(guò)程轉(zhuǎn)化成數(shù)字化操作，再由數(shù)字化操作指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。用戶(hù)在計(jì)算機(jī)中就可以模擬機(jī)械手焊接的整個(gè)過(guò)程，包括機(jī)械手的行走軌跡，行走速度等，都清晰地展現(xiàn)在用戶(hù)面前。焊接過(guò)程中遇到的問(wèn)題都會(huì)展現(xiàn)出來(lái)，用戶(hù)可以隨時(shí)對(duì)機(jī)械手的姿態(tài)，軌跡進(jìn)行調(diào)整，并且可以對(duì)多個(gè)焊接工藝進(jìn)行比較，選擇出最適合的工藝。

2.2 多傳感器信息融合技術(shù)

傳感器技術(shù)應(yīng)用到焊接機(jī)器人技術(shù)，是焊接機(jī)器人技術(shù)發(fā)生了一個(gè)質(zhì)的飛躍。擁有了傳感器技術(shù)的焊接機(jī)器人就像有了一雙眼睛，能夠?qū)崟r(shí)感知外界環(huán)境，及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。相比于早期的焊接機(jī)器人，裝配有傳感器的機(jī)器人更加智能化，更有效率。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，僅僅擁有單一傳感器的焊接機(jī)器人已經(jīng)越來(lái)越無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際生產(chǎn)的需要，就如同人類(lèi)擁有視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)、嗅覺(jué)等將外界信息綜合處理，做出最終的判斷。焊接機(jī)器人也是一樣，由于實(shí)際焊接過(guò)程中的干擾因素是多方面的，單一的傳感器并不能準(zhǔn)確的對(duì)周?chē)h(huán)境做出判斷，需要多種不同的傳感器同時(shí)進(jìn)行工作，對(duì)各自的信息進(jìn)行綜合，才能對(duì)實(shí)際環(huán)境做出最準(zhǔn)確的判斷。將多個(gè)傳感器的信息進(jìn)行柔性化的集成，并且將集成后的信息指導(dǎo)焊接機(jī)器人工作，該項(xiàng)技術(shù)的不斷趨于完善和成熟，將使焊接機(jī)器人的智能化更進(jìn)一步。

2.3 多智能焊接機(jī)器人系統(tǒng)

對(duì)于一些復(fù)雜的焊接件，需要多臺(tái)焊接機(jī)器人相互配合，共同完成相互關(guān)聯(lián)的焊接任務(wù)，最終完成焊接操作。多臺(tái)焊接機(jī)器人工作很容易實(shí)現(xiàn)，但是多臺(tái)機(jī)器人同時(shí)完成一個(gè)焊接任務(wù)時(shí)，需要焊接機(jī)器人柔性化地集成起來(lái)，每臺(tái)機(jī)器人分工明確，協(xié)調(diào)好各臺(tái)機(jī)器人的工作，各臺(tái)機(jī)器人的信息交互要流暢，避免在執(zhí)行焊接操作任務(wù)時(shí)發(fā)生碰撞等問(wèn)題，反而使效率大打折扣，得不償失。

2.4 移動(dòng)機(jī)器人

目前投入使用的焊接機(jī)器人大多數(shù)為固定式或者是單個(gè)機(jī)械臂，這在實(shí)際的焊接生產(chǎn)中會(huì)產(chǎn)生諸多不便。焊接機(jī)器人的可達(dá)范圍收到了很大程度上的制約，一方面機(jī)械臂如果伸出過(guò)遠(yuǎn)，會(huì)導(dǎo)致其剛度有些許的下降，加之其末端執(zhí)行器要負(fù)載自動(dòng)焊槍?zhuān)率乖诤附舆^(guò)程中會(huì)產(chǎn)生輕微的抖動(dòng)，容易造成焊接電弧不穩(wěn)，保護(hù)氣體保護(hù)效果下降，這對(duì)焊接質(zhì)量的影響是很大的。另一方面采用多臺(tái)機(jī)器人焊接會(huì)增加成本，并且要保證各機(jī)器人之間能夠柔性地集成在一起，這都增加了工作量。移動(dòng)機(jī)器人還有一些問(wèn)題亟待解決，如噪音、震動(dòng)、機(jī)器人通訊、運(yùn)動(dòng)精度等。如果移動(dòng)機(jī)器人能夠得到廣泛應(yīng)用，將是焊接行業(yè)革命性的進(jìn)步，將是未來(lái)研究的重點(diǎn)與熱點(diǎn)。

3 結(jié)論

我國(guó)科技水平的迅速發(fā)展，極大地帶動(dòng)了制造業(yè)的發(fā)展。焊接機(jī)器人作為制造業(yè)升級(jí)變型的重要標(biāo)志已經(jīng)得到了國(guó)家的高度重視，政府加大政策和資金支持促使焊接機(jī)器人得到飛速地發(fā)展。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、人工智能技術(shù)等的發(fā)展，引進(jìn)及吸收先進(jìn)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，焊接機(jī)器人技術(shù)會(huì)快速走向成熟，提升我國(guó)的制造業(yè)水平。

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作者簡(jiǎn)介： 張文明（1959-），男，遼寧沈陽(yáng)人，學(xué)士，教授，研究方向：焊接技術(shù)及自動(dòng)化。