焊接智能化與智能化焊接機(jī)器人技術(shù)研究

張曉晨 林程英

摘要：機(jī)器人焊接是焊接行業(yè)的突破性進(jìn)步。它相對(duì)于傳統(tǒng)的焊接剛性自動(dòng)化方式而言，是一種柔性的自動(dòng)化新方式。

關(guān)鍵詞：焊接智能化;智能化焊接機(jī)器人;技術(shù)研究

引言

機(jī)器人制造是一種新興的現(xiàn)代制造技術(shù)，對(duì)高技術(shù)產(chǎn)業(yè)各領(lǐng)域以及人們的生活產(chǎn)生了重要影響。焊接機(jī)器人是應(yīng)用最廣泛的一類(lèi)工業(yè)機(jī)器人，在全世界的工業(yè)機(jī)器人比例中大約占總數(shù)的60%以上。我國(guó)目前大約有700臺(tái)以上的焊接機(jī)器人用于點(diǎn)焊和弧焊。機(jī)器人焊接是焊接行業(yè)的突破性進(jìn)步。它相對(duì)于傳統(tǒng)的焊接剛性自動(dòng)化方式而言，是一種柔性的自動(dòng)化新方式。這樣柔性主要表現(xiàn)在，想要讓焊接機(jī)器人完成一項(xiàng)焊接任務(wù)，只需焊工給它做一次示范，它就可以模仿人的每一步動(dòng)作。若要機(jī)器人去做另一項(xiàng)任務(wù)，不需要改變硬件，對(duì)它再作一次示范就可以了。機(jī)器人的這種性能，讓小批量不同產(chǎn)品的自動(dòng)化焊接成為了可能。而剛性自動(dòng)化焊接設(shè)備一般都是專(zhuān)用的，只能完成一種焊接任務(wù)，通常用于中、大批量焊接產(chǎn)品的自動(dòng)化生產(chǎn)。

1.焊接機(jī)器人系統(tǒng)的組成部分

1.1 機(jī)械手臂。別名操作機(jī)，是焊接機(jī)器人的操作部分，由它直接帶動(dòng)末端焊槍飛點(diǎn)焊鉗實(shí)現(xiàn)各種操作，它的結(jié)構(gòu)形式多種多樣，根據(jù)實(shí)際需要，其追求的目標(biāo)是高質(zhì)量、高靈活性。

（1）關(guān)節(jié)式手臂是通用焊接機(jī)器人的最常見(jiàn)結(jié)構(gòu)，通常有六個(gè)或更多的運(yùn)動(dòng)軸。關(guān)節(jié)式手臂的優(yōu)勢(shì)在于它的靈活性高，而且能夠到達(dá)手工焊接難以到達(dá)的區(qū)域。

（2）直角坐標(biāo)式手臂是另外一種結(jié)構(gòu)，它可以用于一些小型的高精度加工和一些需要大型的操作范圍的場(chǎng)合。

（3）機(jī)床式手臂這種機(jī)械手結(jié)構(gòu)類(lèi)似機(jī)床。這種形式的機(jī)械手優(yōu)點(diǎn)是精度高，缺點(diǎn)是機(jī)構(gòu)笨重，占地面積大。簡(jiǎn)易焊接機(jī)器人常采用這種形式

1.2 焊接部件。（1）對(duì)于電阻焊來(lái)說(shuō)，機(jī)器人的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要一個(gè)便攜式的電阻焊槍。對(duì)于電阻焊槍?zhuān)袃煞矫娴囊?。因?yàn)楹笜屝枰貜?fù)操作，保證它的堅(jiān)固性是很重要的。不過(guò)，焊槍也必須是緊湊且可靈活操縱的。

（2）對(duì)于電弧焊接來(lái)說(shuō)，輸出穩(wěn)定的弧焊電源是必不可少的。

（3）對(duì)于激光焊接來(lái)說(shuō)，一系列傳輸激光的鏡片是必要的。激光束沿著機(jī)器人手臂傳輸?shù)焦ぷ髋_(tái)，二氧化碳激光通過(guò)一系列鏡片傳輸。而一些特別的激光束，如光纖激光，需要利用柔韌的光纖光纜傳輸。

1.3 機(jī)器人控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)有3個(gè)部分組成。

（1）操作界面。焊接機(jī)器人系統(tǒng)最起碼需要有生產(chǎn)操作界面與示教編程界面。前者用于選擇一個(gè)特定的已編程作業(yè)，后者用于允許示范和檢查焊接操作。

（2）位置控制部分。通過(guò)驅(qū)動(dòng)三個(gè)或更多的執(zhí)行器，機(jī)器人手臂的末端可以在三維環(huán)境中跟隨任意路徑。

（3）功能控制部分。這部分以一種可控的方式來(lái)協(xié)調(diào)控制機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)和所要求焊接的功能。

2.點(diǎn)焊機(jī)器人具體分析

（1）點(diǎn)焊機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域

點(diǎn)焊機(jī)器人的典型應(yīng)用領(lǐng)域是汽車(chē)工業(yè)。一般裝配每臺(tái)汽車(chē)車(chē)體大約需要完成3000―4000個(gè)焊點(diǎn)，而其中絕大部分是由機(jī)器人完成的。

（2）點(diǎn)焊機(jī)器人的分類(lèi)、特征以及用途

1）垂直多關(guān)節(jié)落地式，工作空間/安裝面積之比大，持重多數(shù)為1000N左右，有時(shí)還可以附加整機(jī)移動(dòng)自由度，主要用于增強(qiáng)焊點(diǎn)作業(yè)。

2）垂直多關(guān)節(jié)懸掛式，工作空間均在機(jī)器人的下方，主要用于車(chē)體的拼接作業(yè)。

3）直角坐標(biāo)型，多數(shù)為4、5軸，適合于連續(xù)直線焊縫，價(jià)格便宜。

4）定位焊接用機(jī)器人，可以承受1000KG加壓反力的高剛度機(jī)器人。有些機(jī)器人本身帶加壓功能，主要用于車(chē)身底板的定位。

（3）點(diǎn)焊機(jī)器人的組成部分

點(diǎn)焊機(jī)器人雖然有多種結(jié)構(gòu)形式，但大體上都可以分為3大組成部分，即機(jī)器人本體、點(diǎn)焊焊接系統(tǒng)及控制系統(tǒng)。目前應(yīng)用較廣的點(diǎn)焊機(jī)器人，其本體形式為直角坐標(biāo)簡(jiǎn)易型及全關(guān)節(jié)型。前者可具有1～3個(gè)自由度，焊件及焊點(diǎn)位置受到限制;后者具有5～6個(gè)自由度，分DC伺服和AC伺服兩種形式，能在可到達(dá)的工作區(qū)間內(nèi)任意調(diào)整焊鉗姿態(tài)，以適應(yīng)多種形式結(jié)構(gòu)的焊接。

3.激光焊接機(jī)器人具體分析

激光焊接機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域由于現(xiàn)在的電子裝置、數(shù)碼產(chǎn)品向著微型化發(fā)展，集成電路元件的引腳間距變得越來(lái)越小，部件之間的空間也越來(lái)越小。激光焊接機(jī)器人系統(tǒng)就被應(yīng)用于手機(jī)，筆記本電腦，數(shù)字相機(jī)的微小部件焊接。而且，在航空航天軍工制造，高端汽車(chē)部件制造領(lǐng)域，激光焊接機(jī)器人也有應(yīng)用。

4.焊接機(jī)器人的二次開(kāi)發(fā)（智能化）

一般工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的焊接機(jī)器人大都是示教再現(xiàn)型的，這種焊接機(jī)器人對(duì)示教條件以外的焊接過(guò)程動(dòng)態(tài)變化和隨機(jī)因素干擾等不具有適應(yīng)能力。這就需要對(duì)本體機(jī)器人焊接系統(tǒng)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。通常包括給焊接機(jī)器人配置適當(dāng)?shù)膫鞲衅鳎嵝灾苓呍O(shè)備以及相應(yīng)軟件功能。這些功能大大擴(kuò)展了基本示教再現(xiàn)焊接機(jī)器人的功能，從某種意義上講，這樣的焊接機(jī)器人系統(tǒng)已具有一定的智能行為。目前，這種焊接機(jī)器人智能化系統(tǒng)已成發(fā)展趨勢(shì)，現(xiàn)行機(jī)器人焊接智能化系統(tǒng)由以下幾部分組成（1）任務(wù)規(guī)劃技術(shù);（2）焊接環(huán)境等的傳感技術(shù);（3）協(xié)調(diào)控制技術(shù);（4）人機(jī)交互界面：（5）機(jī)器人控制技術(shù)。

5.焊接機(jī)器人與人工焊接比較

在西方發(fā)達(dá)國(guó)家，隨著技術(shù)的發(fā)展，焊接機(jī)器人的價(jià)格指數(shù)在不斷地降低，而相反的是，勞動(dòng)力成本的持續(xù)提高為企業(yè)帶來(lái)了很大的壓力。雖然焊接機(jī)器人的價(jià)格依舊高于勞動(dòng)力，但它只是一次性投資比較大，而工人在焊接中可能遇到事故，這都需要企業(yè)來(lái)賠償，高質(zhì)量的焊接機(jī)器人發(fā)生事故，造成損失的概率非常之效。所以采用焊接機(jī)器人帶來(lái)的利潤(rùn)比采用人力才來(lái)的利潤(rùn)大。而且，焊接機(jī)器人的焊接接頭質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不是人工焊接所能夠比擬的，采用焊接機(jī)器人，無(wú)疑能夠提高企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量。

結(jié)論

焊接機(jī)器人在追求高質(zhì)量、高效率的焊接生產(chǎn)中，發(fā)揮了不可替代的作用。近年來(lái)，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、離線編程與路徑規(guī)劃、智能控制、電源技術(shù)、仿真技術(shù)、焊接工藝方法、遙控焊接技術(shù)等方面取得了許多突出的成果。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、智能控制技術(shù)以及工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的不斷發(fā)展，焊接機(jī)器人的視覺(jué)控制技術(shù)、模糊控制技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等將是未來(lái)研究的主要方向。

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