焊接机器人技术现状与发展趋势的研究

吕超荣

（昆山市三一重机有限公司，江苏 昆山 215334）

0引 言

焊接在制造工业中具有举足轻重的作用，它已经越来越广泛地应用于现代工业的各行各业中。自科技革命以来，科学技术正在日新月异地发展，而这自然离不开越来越多高质量的产品，这也就需要高效精准的焊接工作，而传统手工焊接已然达不到要求，所以焊接的自动化必不可少。众所周知，第一台Unimate型机器人是在1959年被制造出来的，自那以后，越来越多的工业机器人出现在世界各地的各行各业中，其中一半左右的工业机器人为焊接机器人。从始至今，焊接机器人的发展经历了3个阶段：第一阶段的焊接机器人是以示教再现方式运行的；第二阶段为可以通过传感器接收信息的离线编程焊接机器人；第三阶段为智能机器人，具有多传感器，且能够自行编程以适应环境［1］。

1 焊接机器人技术研究现状

1.1 焊接机器人用弧焊电源

电源之于电器相当于食物之于人类，所以说电源对任何一种电器来说都是至关重要的，作为一种智能电器，焊接机器人也不例外，它是否能够保持高效率工作，有一个好的电源非常重要。因此，焊接机器人用弧焊电源的研究一直是焊接机器人研究的重中之重。逆变电源与晶闸管电源是当前的弧焊机器人通常使用的两种电源。另外，由于全数字化焊机具有焊接参数波动小，不容易受温度升高等因素的干扰，而且具有重复性较高的优点，所以它将是弧焊机器人焊接电源的一个重要的研究方向［2］。

1.2 焊缝跟踪技术

想要保证焊接的质量和效率，焊接条件是否稳定是一个非常重要的因素。而绝对的稳定条件是不可能的，所以是否可以实时检测出由于焊接条件波动引起的焊缝偏差会直接影响焊接的质量，因此也就离不开焊缝跟踪技术的支持。焊缝跟踪技术的研究主要以以下两种技术为主［3］：首先是传感器技术，目前研究的比较多的有光学传感器和电弧传感器两种，其中前者又以视觉传感器的研究比较密集，主要是因为它可以获得非常多的信息并使用机器视觉等前沿技术进行分析处理，由此可以在很大程度上使得弧焊机器人更好地适应焊接环境。另外，后者中的旋转电弧传感器由于其在偏差检测时比较灵敏而得到的关注度比较高。其次，焊缝跟踪控制理论与方法。Fuzzy Mathematics技术和Neural Networks技术为焊缝跟踪技术的研究取得突破打下了很好的基础。当前使用的通用型焊接模糊控制器就是将由Fuzzy Mathematics中的一系列工具得到的模糊控制理论和实际焊接过程相结合发展而来的。模糊控制虽然拥有比较优质的控制规则，但是其综合定量知识的能力还不够好。我们都知道，由于神经网络控制使用的是并行式的处理方式和分布式的信息存储，所以它能够储存大量的信息，而且它的容错性比较强，所以从自动化方面来看十分适合焊缝跟踪中的跟踪智能控制和视觉模式识别。

1.3 多台焊接机器人和外围设备的协调控制技术

众所周知，焊接机器人并不是一个独立的工作单元，而是包含变位机及控制柜等元件的工作站或者系统，所以想要提高焊接效率，必须使系统的各个元件协调工作［4］。很多工件焊缝处的横焊等焊接位置能在很大程度上影响焊接品质和焊缝成形的效果，而仅仅依靠调节机器人位置和姿势以达到恰当的焊接位点不仅在技术上很难实现，也会给相应操作带来诸多不便。如果通过控制变位机做协调运动使得将要被焊接的位点一直处于水平的位置，并且工装夹具和弧焊电源等其他元件也做相应的协调运动，焊接的质量和效率将会大大提升。

1.4 仿真技术

焊接机器人是一种多自由度、多连杆的复杂空间结构体，其复杂的空间结构导致其动力学和运动学问题非常复杂，很难进行计算。如果可以不使用整个机器人作为仿真对象，而使用焊接机械手替代，然后再使用电脑图形等技术在电脑中形成几何图形，并进行演示，以此对可能遇到的一些问题进行模拟并加以解决，就可以避免很多无用功。

2 焊接机器人技术的发展趋势

2.1 虚拟现实

虚拟现实技术是一种包括3D电脑图形学技术、多功能传感器的交互接口技术和高清显示技术在内的，对事件的现实性从空间和时间上进行分解后重新组合的技术，它能够被用在临场感通讯和遥控机器人等方面［5］。另外，虚拟现实技术还能够被用于焊接过程的模拟，这样一来我们就可以在实际焊接之前先在电脑上完成“数字化”焊接过程，再用已经完成的数字化操作来指导实际的焊接工作。这一仿真过程可以让用户在还没有进行后期焊接就可先了解未来产品的情况，进而达到有效预测评价生产系统性能的效果，而且实际操作前先进行仿真实验，可以对各种工艺方案进行比较，进而选取和优化多机器人焊接轨迹。

2.2 焊接机器人控制系统

开放式、模块化控制系统将是焊接机器人控制系统研究的重点方向。其他的研究热点还有基于PC机网络式控制器以及机器人控制器的标准化和网络化。离线编程的实用化将是在线编程的可操作性之外的编程技术的研究重点［6］。

2.3 多传感器信息智能融和技术

随着传感器种类和数量愈来愈多地使用在机器人系统中，诸如静电电容式距离传感器、超声波触觉传感器、基于光纤陀螺惯性测量的3D运动传感器等各种新型传感器如雨后春笋般出现［7］。但是，单一传感信号在输入信息方面的可靠性不高，而智能机器人对这一条件的要求很高，为此便出现了多传感器智能信息融合技术，它可以对各种信息进行综合的处理，并通过这些信息正确理解环境，进而达到机器人系统可以准确而快速地处理所获得的各种信息的目的。

3结 语

不可否认，焊接机器人技术在以前和当前的工业发展中均扮演中十分重要的角色，在未来肯定还会继续甚至扮演越来越重要的角色。最近几年，我国在机器人弧焊电源、仿真技术与离线编程、信息传感、智能控制、焊缝跟踪等方面进行了大量研究，并对多项技术进行了攻关。相信在不久的将来，焊接机器人将在越来越广的领域提供更加优质高效的服务。

［1］ 许燕玲，林涛，陈善本.焊接机器人应用现状与研究发展趋势［ J］．金属加工：热加工，2010（ 8）：32-36.

［2］ 宋章军．服务机器人技术研究现状与发展趋势［J］．集成技术，2012（ 3） ：1-9.

［3］ 哈恩晶．焊接机器人的应用现状与发展趋势［J］．机械工人：热加工，2004（ 5）：16-18.

［4］ 解生冕．机器人双丝共熔化池脉冲MAC高速焊及协同控制模式熔滴过渡行为研究［D］．广州：华南理工大学，2012.

［5］ 梁明，王国荣，石永华，等.焊缝自动跟踪系统中的智能控制［J］.电焊机，2008，30（ 8）：17-20.

［6］ 施春芳．焊接机器人技术现状和发展趋势的研究［J］．中国科技投资，2012，6（ 24）：161.

［7］ 朱万辉．七自由度焊接机器人控制系统设计［D］．合肥：安徽工业大学，2012.