工業(yè)焊接機器人應用及智能發(fā)展趨勢研究

王林，馬世強

（新疆生產(chǎn)建設兵團興新職業(yè)技術(shù)學院，新疆 鐵門關 841007）

目前，全球50%的機器人是用來進行焊接的。無論是汽車制造、電子制造、工程機械、城市建設，都需要焊接機器人。在這一背景下，我國作為全球最大的工業(yè)生產(chǎn)國家，其對焊接機器人的需求和依賴性尤其突出。

1 工業(yè)焊接機器人構(gòu)成和運動分析

1.1 工業(yè)機器人

工業(yè)機器人是指多個關節(jié)或多個自由度的機械設備，它是一種能夠自主完成工作的機械，依靠自己的動力和控制能力，完成多種工作。工業(yè)機器人技術(shù)是當今世界上最活躍、最具代表性的一種技術(shù)，它包括機械學、控制理論與技術(shù)、計算機、傳感、人工智能、仿生學。常見的工業(yè)機器人的工作是由硬件構(gòu)成與部分軟件所構(gòu)成，其中按硬件構(gòu)成分為機械系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、驅(qū)動設備系統(tǒng)以及部分計算機控制器；至于軟件，則是指各種程序。

1.2 組成部分

手部還被稱作抓持設備或終端效果設備，用以直接抓取工件或工具。特殊的工具，如焊槍、噴槍、電鉆、電動螺絲、螺絲等，都可以用作特殊的手。工業(yè)機器人所用的雙手有機械式、真空式、磁式和粘性式。腕部是將雙手和手臂連接起來的一種裝置，用于支持和調(diào)節(jié)終端的位置，并決定物體的位置。臂部用于支撐手腕的零件，包括操作者的動力鉸鏈和連接件，用于承載工件和刀具的載荷，

改變其空間位置，并將其傳送到指定的位置。機身也被稱作支柱，它是用于增加手臂運動范圍的支架。底座和行走機構(gòu)是整個工業(yè)機器人的基本部件，用于決定和變更整個機器人的位置。驅(qū)動系統(tǒng)是工業(yè)焊接機器人的動力源，包括驅(qū)動器、減速器和探測部件。

焊接機器人的精確度和完成任務的速度取決于硬件系統(tǒng)，而機器人的操作方式、操作控制的方便程度取決于其軟件系統(tǒng)，軟件系統(tǒng)可以劃分為系統(tǒng)軟件和應用軟件。系統(tǒng)軟件是由機械人生產(chǎn)廠家提供的，與機器人相似的操作系統(tǒng)，可以為機器人提供各種指令和方式。本軟件由使用者撰寫，是一種執(zhí)行某項具體工作的程式。其功能包括：與機器人進行交流，為其提供指令、程序環(huán)境、監(jiān)視和管理，以及對其進行實時監(jiān)測。根據(jù)系統(tǒng)的軟件功能，可以將系統(tǒng)的軟件劃分為等級。軟件等級是區(qū)分其優(yōu)劣的一個重要指標。計算機程序設計語言是計算機輔助設計軟件中的一個關鍵環(huán)節(jié)，它的發(fā)展與計算機技術(shù)的發(fā)展是同步的，同時,也是基于系統(tǒng)軟件的等級體系。

1.3 工作站（單元）

在整個焊接過程中，若工件不需進行移動，可采用夾具將其緊固到工作臺上。但是，在實際應用中，由于焊接過程中存在著大量的變形，使得焊縫處于最佳位置（姿勢）。在此條件下，可將移位機和機械手分開移動，也就是在移位機上進行移位，然后進行機器人的重新焊接；也可以是同步移動，也就是移動機器人和移動機器人的同步移動。此時，由于機械臂的移動和機械臂的復合動作，使得焊槍的運動達到了與焊縫軌跡和焊槍姿態(tài)一致的目的。事實上，此時，變位機的軸已經(jīng)變成了機器人的一部分，這樣的焊接機器人系統(tǒng)可以有7～20根或者更多的軸線。最新的機械手控制箱可能是由兩個機械手組成，在12個軸線上進行協(xié)同動作。一臺為焊接機器人，一臺為移動機器人。

1.4 生產(chǎn)線

焊接機器人流水線是由多個工位（單元）通過工件傳輸線路相連而構(gòu)成的流水線。該流水線仍保留了單一工位的特性，即每臺僅可使用所選工件夾和焊接機械手的程式，并在變更工裝和工序前，不得再焊其它工件。還有柔性焊接生產(chǎn)線。軟線還包含多個工位，不同之處在于，被焊工件都裝卡于一種固定的板架上，而軟線可與任何一種機械相結(jié)合，并可自行鎖定。焊接機器人系統(tǒng)首先識別出貨盤的號碼或貨品，并在焊接時將其卸下。通過這種方式，每個零件都能進行無調(diào)整的焊接。在焊接軟線上，通常有一條軌道式的子母車，它能把已經(jīng)完成的工件從儲存工位卸下來，再送到有空位的焊工工作站。也可以把焊接好的工件從工作臺上移出，然后送到已加工的零件上。整個柔性焊接生產(chǎn)線由單臺計算機進行控制。因此，在一天內(nèi)，將大量的零件裝配好，放到倉庫中，可以實現(xiàn)無人或少人操作。根據(jù)工廠的特殊情況和需要，選擇什么樣的自動化生產(chǎn)方法。專用焊機主要用于批量大、修改速度慢、焊縫數(shù)量少、長、形狀規(guī)則（直線、圓形）的產(chǎn)品；通常，采用機器人進行焊接，適合中、小批量生產(chǎn)，且焊縫數(shù)量較少。特別是在產(chǎn)品種類繁多、批量極小的場合，而目前國外公司正積極推行“無（少）貨”“JIT”的管理模式，在此背景下，采用柔性焊絲更合適。

2 工業(yè)機器人在裝備制造加工及大型行業(yè)中的應用

在中國現(xiàn)代裝備制造業(yè)發(fā)展中，工業(yè)機器人技術(shù)能夠充分適應循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展與提高時間效率發(fā)展的實際需要，并滿足對高柔性物料機器人的快速加工制造需求，具備生產(chǎn)效率更高、成本低、柔性能好用等獨特優(yōu)勢，可以完全取代現(xiàn)有傳統(tǒng)機器人的加工設備。和傳統(tǒng)CNC、FMC機等工業(yè)其他輔助加工輔助裝置相比，工業(yè)機器人具有的綜合使用維護成本相對較低、智能化集成程度相對較高、靈活性相對較高強、安裝占用空間相對較小等優(yōu)勢，能夠適應現(xiàn)代生產(chǎn)的要求，能夠適應多品種、小批量、現(xiàn)場加工的要求。在實際的裝備板材加工中，采用工業(yè)機器人是為了減少加工困難、提高加工效率、提高加工精度等目的。具體體現(xiàn)在以下幾個方面。

2.1 對某些非直線的坡口進行加工，以提高加工效率與精確性

在實際應用中，為了保證板材在焊接過程中的熔融，要對其進行切削加工。有些直角的斜面可以采用導軌式切削機和銑削機來完成，但有些不是直線的坡口則需要采用斜面機械來實現(xiàn)，以提高其加工效率和精確度。

2.2 加工某些具有兩面或多邊形的零件，以提高生產(chǎn)率

在生產(chǎn)過程中，一些板材材料要求雙面或多邊形的坡口，這些要求進行兩面或多邊形加工的工件又可分為非直型和直線型兩種。在確定加工過程中，非直線坡口件的選擇是由機械手來完成；在確定直角或多邊形坡口的時候，可以選用銑邊機、導軌切割機和切割機。在采用銑邊機時，在加工兩面或多邊形的直線斜角時，需要對工件進行多次的翻轉(zhuǎn)和裝夾；在采用導軌切削機床時，需要多次調(diào)整，從而降低了工作效率。采用斜槽切削機械手進行切削時，由于該機械手能靈活地調(diào)節(jié)多個角度，不需要對工件進行翻轉(zhuǎn)、重新裝夾，只需要一次裝夾就能完成多個坡口的加工，降低了工人的勞動強度，提高了工作效率。

2.3 對一些鈑金件成形后進行切割余料加工，以提高產(chǎn)品切割余料的精度

板材板件在彎曲時，因工藝尺寸的限制，部分產(chǎn)品的折彎線至邊角距離過短時需添加余料，在彎折完成后移除；有的工件在彎折線附近有長孔或圓孔，為了避免彎曲時出現(xiàn)孔洞變形，要添加多余的材料：一些工件的邊沿不規(guī)則，需在加工后添加余料進行折彎。這些零件在彎曲后要切掉剩余的部分。此外，有時還可以利用切割機器人對管道的相貫線進行下料等。

2.4 船舶制造中應用

船用焊接技術(shù)是現(xiàn)代造船制造的技術(shù)核心，其焊接工時間約占船舶項目總工時間的30%～40%，而焊接費用則占船舶項目總費用的30%～50%。焊縫品質(zhì)將是反映整個造船品質(zhì)的一個關鍵因素，其焊縫效率也將直接關系到整個制造周期以及整體施工費用。所以，焊縫自動化將成為船舶工業(yè)的一個主要方面，同時，也是影響整個造船工業(yè)的一個主要方面，并且隨著焊縫技術(shù)的進一步發(fā)展，這種發(fā)展趨勢也將會越來越明顯。

2.5 工程機械中的應用

在工程機械領域，各類工程機械零件中，焊接機器人的應用越來越廣泛。例如，挖掘機的動臂、斗桿、挖斗、X型起重機、主平臺、履帶梁等，此外，還有裝填手的前后車架、自動手之間、推土機后橋箱、站臺門方柜、構(gòu)架、前車架、后轉(zhuǎn)向機、支腿，以及履帶起重機、泵車、平地機以及攤鋪機等，設備與重點部位的連接上也有了專用的焊接機器人——變位機集成系統(tǒng)。該技術(shù)具備安全可靠的特性，具備電弧追蹤、接觸傳感、焊縫專家系統(tǒng)等智能特性，有效地緩解了中厚鋼板焊接技術(shù)中工件體積大、焊接腳體積大、焊接斜坡處加工的工件組對精度不夠的難題。

2.6 煤炭機械行業(yè)應用

在小型煤礦的開發(fā)過程中，合理地應用各種機械性技術(shù)，不經(jīng)濟但卻能夠有效提升礦山開發(fā)的效益，降低企業(yè)人工的作業(yè)投入量，減少了企業(yè)生產(chǎn)成本，同時，也能夠較大幅度地降低礦山事故災害的發(fā)生率。近年來，隨著中國社會主義市場經(jīng)濟建設的進一步迅速發(fā)展，機械行業(yè)生產(chǎn)的自動化技術(shù)水平日益提高，礦井作業(yè)的綜合機械化的程度隨之也在逐漸提高。煤礦設備具有結(jié)構(gòu)復雜、焊接工藝復雜、品種少、生產(chǎn)規(guī)模大等問題。如果用傳統(tǒng)的機器人來進行自動焊接，不僅效果不理想，而且還不能提高工作效率。為了解決這個問題，國內(nèi)很多公司都在電弧焊機器人的應用上進行了合作，目前已經(jīng)實現(xiàn)了30多種不同類型的自動焊接，包括推桿、連桿、頂梁、底座、中間槽等。在此基礎上，完成了液壓支架的自動制造和自主研發(fā)，并將大量的焊接機器人設備投入大型液壓支架零件的制造中。針對目前生產(chǎn)中出現(xiàn)的品種多、批量少的問題，川崎機器人開發(fā)的離線軟件可以輕松高效地解決。

3 焊接工機器人智能化發(fā)展的趨勢

在工程機械工業(yè)中，在各種工程機械零件中，焊接機器人的使用日益廣泛。該系統(tǒng)具有穩(wěn)定可靠的特點，具有電弧跟蹤、接觸傳感、焊接專家數(shù)據(jù)庫等智能化特點，有效地解決了焊接過程中工件尺寸大、焊腳尺寸大、焊坡口加工和工件組對精度差等問題。隨著焊接機器人的使用越來越廣泛，它的自動化、智能化程度也越來越高。近年來，隨著機器人焊接技術(shù)的發(fā)展，其應用范圍不斷擴大，從生產(chǎn)效率、精度要求、可操作性和適應性等方面都顯示出了未來的發(fā)展趨勢。

3.1 機器人示教再現(xiàn)與離線編程技術(shù)

目前，廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)的焊接機器人大多采用示教復制或離線編程的方法來完成焊接操作，在采用某種感知技術(shù)的情況下，可以實現(xiàn)對焊接機器人的基本要求，但是它的智能化水平還很高，主要包括示教、自動規(guī)劃焊接路徑規(guī)劃、自動生成焊接任務參數(shù)、人機交互設計、利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)焊接工作站離線編程等。

3.2 焊接過程傳感與適應性控制技術(shù)

焊接機器人可以通過感知、提取、加工環(huán)境，并通過視覺、觸覺等感知信息，實現(xiàn)閉環(huán)控制，并能根據(jù)環(huán)境的改變，實現(xiàn)自動定位、自動跟蹤焊縫等。高智商的機器人必須具備判斷、融合和決策的能力。未來的焊接智能化發(fā)展趨勢是在復雜的工作環(huán)境下，更加靈活地進行各種復雜的工作。

3.3 用于焊接工作站/生產(chǎn)線的多機器人協(xié)作技術(shù)

利用多機器人協(xié)同作業(yè)技術(shù)，將多個作業(yè)或焊接作業(yè)與定位、安裝、檢測等作業(yè)結(jié)合起來，可以大幅提升生產(chǎn)效率，確保產(chǎn)品質(zhì)量，降低人工干預，使生產(chǎn)空間更加緊湊。同時，對多個參與操作的機械手或移動軸進行協(xié)同控制，在工藝過程中避免了它們之間的運動干擾和碰撞，從而提高了生產(chǎn)的安全性，降低了生產(chǎn)線出現(xiàn)故障的概率。

3.4 用于極限環(huán)境的焊接機器人遙控技術(shù)

在核、太空、深海環(huán)境等許多特種作業(yè)環(huán)境條件中，焊接的工作都要用遠距離的控制和機器人操作進行，而在極端環(huán)境條件下，輻射、氣壓、水壓、重力、高溫腐蝕等諸多因素帶來的環(huán)境特殊性，導致了焊接的工作環(huán)境從焊接機器結(jié)構(gòu)、電氣的設計、傳感、控制、工藝操作等各方面均有了很好的解決辦法。

4 結(jié)語

綜上所述，焊接機器人在機械、電氣、電控和自動化等方面都有廣泛的應用。通過對焊接機器人的構(gòu)成和運動分析研究，可以對詳細運動有一定了解，對以后的分析研究有一定幫助，通過對其在裝備制造及大型行業(yè)的應用分析，對目前的焊接機器人有一定認識，對以后的應用分析延伸提供方向，對其目前及未來發(fā)展方向和技術(shù)分析得出前沿研究重點，對以后科研深入研究和企業(yè)應用都有一定的指導意義。