工業(yè)機(jī)器人焊接關(guān)鍵技術(shù)分析及應(yīng)用分析

西安思源學(xué)院 楊宏偉 呂建新 王 娜 張 偉

近年來，隨著機(jī)器人技術(shù)的日益成熟和發(fā)展，促進(jìn)了焊接制造領(lǐng)域的技術(shù)更替。本文主要介紹了焊接機(jī)器人近年來的發(fā)展?fàn)顩r、關(guān)鍵性技術(shù)研究和應(yīng)用，同時(shí)對(duì)焊接機(jī)器人市場(chǎng)應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

機(jī)器人作為智能制造的前沿裝備，應(yīng)用日趨廣泛。國(guó)內(nèi)機(jī)器人的應(yīng)用從之初的數(shù)萬臺(tái)在短短幾年內(nèi)突漲到20萬臺(tái)，且還會(huì)繼續(xù)有大增的空間，增長(zhǎng)速度之快令人瞠目。在整個(gè)工業(yè)機(jī)器人當(dāng)中，焊接機(jī)器人幾乎占據(jù)半壁江山，它作為近代工業(yè)前沿的先行者，在傳統(tǒng)焊接制造基礎(chǔ)上的改型應(yīng)用已經(jīng)深入工業(yè)領(lǐng)域的方方面面，成為現(xiàn)代制造技術(shù)無可替代的重要角色。尤其在焊接領(lǐng)域工作環(huán)境非常復(fù)雜的情況下，諸如焊接過程中出現(xiàn)的煙氣、粉沫、塵粒、弧光害、金液濺射，焊接場(chǎng)景非常惡劣，產(chǎn)能計(jì)量配比偏低、招工十分困難、利薄耗大已經(jīng)成為焊接行業(yè)發(fā)展的瓶頸。將傳統(tǒng)焊接形式與智能機(jī)器人相結(jié)合、促成機(jī)器人柔性焊接已經(jīng)成為機(jī)械制造焊接加工的當(dāng)務(wù)之急。

1 機(jī)器人焊接的關(guān)鍵技術(shù)

在機(jī)器人焊接過程的若干個(gè)環(huán)節(jié)中，當(dāng)以開始進(jìn)行焊接時(shí)的位置確定及引導(dǎo)、焊接縫隙識(shí)別和跟蹤、金屬高溫熔化形成熔池的監(jiān)測(cè)、焊縫熔透情況控制及焊接缺陷鑒定識(shí)別幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，機(jī)器人焊接系統(tǒng)可通過傳感器感知系統(tǒng)、傳感器電弧焊接系統(tǒng)、傳感器聲學(xué)系統(tǒng)等諸多傳感形式，使機(jī)器人焊接過程能夠感知到焊接狀態(tài)的變化情況，進(jìn)行判斷和決策，達(dá)到焊接過程質(zhì)量控制之目的。

1.1 傳感技術(shù)在焊接過程的應(yīng)用

傳感器是感知物理量變化的重要裝置，它在機(jī)器人智能焊接過程中發(fā)揮了很大作用，諸如傳感器視覺感知、傳感器聲音感知、傳感電弧感知、傳感器光譜強(qiáng)度感知、傳感器溫度場(chǎng)感知等感知技術(shù)，這些感知傳感在焊接監(jiān)控中發(fā)揮著很重要作用。不同的傳感器在傳感過程中作用機(jī)理也不相同。

（1）以電弧焊接過程的聲音作為參照進(jìn)行傳感，此類型傳感器傳感正是利用了焊接過程中電弧電流電壓大小的變化情況，從而感知到熔池瞬時(shí)狀態(tài)的變化情況及焊接質(zhì)量隨之變化情況，此方法可用于監(jiān)控焊接過程中電弧的波動(dòng)情況、較準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和判斷高溫熔滴形成的類型。

機(jī)器人焊接時(shí)，通過前沿傳感系統(tǒng)，連續(xù)采集機(jī)器人焊接的過程電流和過程電壓，實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)器人焊質(zhì)量及焊縫變化情況，因此該傳感系統(tǒng)主要應(yīng)用于機(jī)器人焊接熔透情況的預(yù)測(cè)、機(jī)器人焊接過程中缺陷形成原因分析等，尋找機(jī)器人電弧電流電壓與焊接弧長(zhǎng)的規(guī)律，從而進(jìn)行有效的機(jī)器人焊接焊縫跟蹤感知。

（2）以溫度變化作為參照，傳感焊接過程中溫度分布情況，可以獲得高溫金液熔池變化數(shù)據(jù)，不會(huì)輕易受弧光影響，對(duì)熔透狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)，使焊接質(zhì)量有較大的提升。電弧光譜特點(diǎn)是信息比較豐富、與電弧不接觸，該方法是對(duì)焊縫缺陷進(jìn)行分析的佳選擇。

（3）在幾個(gè)主要焊接傳感系統(tǒng)中，以視覺為物理量的傳感系統(tǒng)，在檢測(cè)焊接狀態(tài)過程中，始終沒有和檢測(cè)對(duì)象接觸，采用的非接觸傳感，檢測(cè)的信息量大、檢測(cè)的精度較高、并且能夠快速做出響應(yīng)，常常被用于焊接過程的導(dǎo)入和導(dǎo)出、焊接縫隙的隨機(jī)跟蹤、機(jī)器人焊接過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

以視覺為物理量的傳感器，按照輔助光源的有無，分為主動(dòng)式為主的視覺傳感器和被動(dòng)式為主的視覺傳感器。常常把被動(dòng)式視覺傳感系統(tǒng)應(yīng)用在對(duì)焊接環(huán)境的識(shí)別、熔池狀況的監(jiān)控。而主動(dòng)式視覺傳感器一般用在機(jī)器人焊接過程中位置確認(rèn)和焊接縫隙的跟蹤和控制。

1.2 機(jī)器人焊接位置導(dǎo)引及焊縫確定

機(jī)器人焊接過程中的路徑導(dǎo)引是在傳感系統(tǒng)建立的機(jī)器人坐標(biāo)系基礎(chǔ)上通過關(guān)節(jié)軸移動(dòng)到達(dá)焊接起始點(diǎn)。

（1）可采用一目多位的方式恢復(fù)特征點(diǎn)空間坐標(biāo)位置。

（2）基于主動(dòng)視覺傳感系統(tǒng)測(cè)量模型參數(shù)獲取特征點(diǎn)的空間坐標(biāo)。

1.3 焊縫跟蹤技術(shù)

焊接機(jī)器人在焊接時(shí)，為保證焊縫軌跡的準(zhǔn)確性，需要進(jìn)行焊接縫隙實(shí)時(shí)跟蹤，機(jī)器人焊接時(shí)要能夠及時(shí)改變調(diào)整機(jī)器人焊接姿態(tài)情形，向著縮小焊接熱變形、減小軌跡偏差的方向補(bǔ)償，這樣能夠確保焊接質(zhì)量，該技術(shù)目前已經(jīng)普遍用于機(jī)器人焊接的生產(chǎn)環(huán)節(jié)。

（1）被動(dòng)式為主的視覺傳感器，能夠及時(shí)提取焊接縫隙邊緣區(qū)域和金液熔池區(qū)域的圖像信息，從而使機(jī)器人焊接過程中的軌跡能夠隨著關(guān)節(jié)移動(dòng)而糾偏。

（2）主動(dòng)式視覺傳感器處理后的激光條紋圖像，機(jī)器人焊接視覺傳感器所采集的圖像信息都是關(guān)于焊縫特征的變化情況，通過觀測(cè)和分析可以得到焊接空間坐標(biāo)的焊縫軌跡路徑。

1.4 熔池監(jiān)控技術(shù)

圖1 不同側(cè)向焊接融池監(jiān)控圖示

在機(jī)器人焊接時(shí)所產(chǎn)生熔池的形態(tài)，能夠反映出機(jī)器人焊接過程中重要信息數(shù)據(jù)，這些重要參數(shù)是機(jī)器人焊接質(zhì)量得以保證的前提。對(duì)機(jī)器人焊接過程所形成的熔池形態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，從而為機(jī)器人焊接提供重要的技術(shù)參數(shù)。結(jié)合之前的分析，我們對(duì)焊接縫隙形成情況、金液熔池的熔寬、金液熔池深度等特征，在監(jiān)控裝置監(jiān)視下，注意到機(jī)器人焊接過程中的金液熔池動(dòng)態(tài)波動(dòng)情況，依次對(duì)焊接機(jī)器人焊接姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整，從而大大減少了機(jī)器人焊接過程的缺陷，促進(jìn)了機(jī)器人焊接質(zhì)量的提高。

本文以被動(dòng)式視覺傳感系統(tǒng)作為研究對(duì)象，詳實(shí)地采集焊接縫隙邊緣區(qū)域和金液熔池區(qū)域圖像信息，在機(jī)器人焊接金液熔池狀態(tài)監(jiān)控檢測(cè)方面優(yōu)勢(shì)明顯。以所采集的金液熔池圖像信息為藍(lán)本，繪制焊接金液熔透狀態(tài)預(yù)測(cè)模型圖，如圖1a、1b圖示。對(duì)三光路形式的視覺傳感系統(tǒng)，分別采用了采集金液熔池正前方、斜后方、斜下方金液熔池圖像信息。而圖1c所示，在對(duì)GTAW機(jī)器人焊接金液熔池動(dòng)態(tài)情況及焊縫成形規(guī)律分析方面有獨(dú)到之處。

2 機(jī)器人焊接實(shí)際應(yīng)用

在機(jī)械制造領(lǐng)域，材料焊接工序和機(jī)加工工序同等重要，都屬于改變材料尺寸和形狀、保證安裝精度和使用性能的主要工作內(nèi)容，但就目前焊接應(yīng)用的內(nèi)外情形來看，存在很大不協(xié)調(diào)因素。

其一普通焊接技術(shù)難度大、勞動(dòng)力成本高、焊接工作環(huán)境惡劣，人們追求健康工作和快樂生活的目標(biāo)越來越希望遠(yuǎn)離焊接惡劣的工作環(huán)境，這樣就很容易導(dǎo)致焊接性質(zhì)的企業(yè)勞動(dòng)力流失嚴(yán)重，施工隊(duì)伍不穩(wěn)定，此情此景就迫切需要替代勞動(dòng)力生產(chǎn)的智能化設(shè)備的參與，機(jī)器人焊接正是在這樣背景下應(yīng)運(yùn)而生的。

其二就生產(chǎn)成本而言，機(jī)器人自動(dòng)化焊接設(shè)備替代人工操作方式施焊，技術(shù)難度降低了，只要進(jìn)行過專業(yè)培訓(xùn)就可以勝任焊接操作，降低了生產(chǎn)過程的勞動(dòng)力成本，減少了焊接所帶來的的健康危害等負(fù)面影響。在今后的焊接行業(yè)機(jī)器人智能化焊替代人工焊接已經(jīng)成為不爭(zhēng)的事實(shí)。

2.1 機(jī)器人焊接在汽車制造業(yè)的應(yīng)用

汽車是一個(gè)高精度、高強(qiáng)度、高安全性的動(dòng)態(tài)設(shè)備，焊接作業(yè)占到制造工作量的三分之一，焊接效率的提高、焊接質(zhì)量的優(yōu)化是汽車制造業(yè)的不老話題，機(jī)器人焊接技術(shù)在汽車行業(yè)的滲透，大大加速了制造周期的前移，在保證制造質(zhì)量的前提下，生產(chǎn)成本明顯降低，贏得了更多市場(chǎng)。尤其采用機(jī)器人施焊的鉚焊、氬弧焊、激光埋弧焊等已廣泛得以應(yīng)用并且取得了較明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

2.2 機(jī)器人焊接在船舶制造業(yè)的應(yīng)用

典型的勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)如船舶制造業(yè)，目前自動(dòng)化焊接程度還是較低，焊接的工作主要還是依賴人工實(shí)施，焊接的工作環(huán)境差，有煙塵氣毒等的污染，焊接質(zhì)量主要依賴人工技能熟練程度，勞動(dòng)強(qiáng)度大，迫切需要機(jī)器人焊接替代人工焊接。

3 未來機(jī)器人焊接趨勢(shì)

以ABB等知名機(jī)器人焊接為例，目前大多還依賴于示教器焊接再現(xiàn)，制約機(jī)器人焊接技術(shù)廣泛應(yīng)用的兩大瓶頸：其一是機(jī)器人焊接技術(shù)的隱秘性；其二就是傳感器價(jià)格居高不下。對(duì)這些問題的研究是未來機(jī)器人功能進(jìn)化、市場(chǎng)擴(kuò)展的必要環(huán)節(jié)。

3.1 機(jī)器人傳感技術(shù)研究方向

傳感器在機(jī)器人焊接檢測(cè)方面舉足輕重，但目前市場(chǎng)化的傳感器在焊接惡劣的環(huán)境下，檢測(cè)功能大打折扣，同時(shí)在焊接頭狹小的空間安裝傳感器幾乎不可能，傳感器本身也存在功能單一、型號(hào)多樣化，不能很好的進(jìn)行串口對(duì)接，因此未來焊接用的傳感器在小型化方面、縮減成本方面、智能化研究方面應(yīng)該有所突破。

3.2 機(jī)器人焊接主要部件開發(fā)

就目前而言，大多數(shù)機(jī)器人制造廠家僅僅是對(duì)機(jī)器人本體進(jìn)行改造和加工，技術(shù)研究比較成熟了。但對(duì)機(jī)器人核心部件的研究和開發(fā)尚屬空白，對(duì)機(jī)器人核心部件的獲取主要依賴進(jìn)口，在技術(shù)不成熟的情況下只能高價(jià)買進(jìn)，導(dǎo)致機(jī)器人市場(chǎng)售價(jià)居高不下，未來的工作重心，必然要轉(zhuǎn)向?qū)C(jī)器人核心部件的開發(fā)研究上來，使我國(guó)盡早脫離依賴進(jìn)口的尷尬。

結(jié)束語：目前智能技術(shù)的更新及制造業(yè)勞動(dòng)力成本的提高，迫使機(jī)器人焊接走向前臺(tái)已經(jīng)成為行業(yè)發(fā)展的必然。機(jī)器人在全球多個(gè)國(guó)家得到普及。在今后的機(jī)器人焊接作業(yè)中，有望傳感技術(shù)、傳感跟蹤技術(shù)、實(shí)時(shí)性和魯棒性技術(shù)能夠充分融入到智能焊接過程，通過技術(shù)更新和軟件技術(shù)開發(fā)使得機(jī)器人焊接質(zhì)量更穩(wěn)定、生產(chǎn)率更高、制作成本降低，成為支撐焊接工業(yè)的先行技術(shù)。