我国焊接机器人应用现状与技术发展趋势

霍厚志，张 号，杜启恒，黄胜利，仇一晨

（山东省智能机器人应用技术研究院，山东 邹城273500）

我国焊接机器人应用现状与技术发展趋势

霍厚志，张 号，杜启恒，黄胜利，仇一晨

（山东省智能机器人应用技术研究院，山东 邹城273500）

为了促进我国焊接机器人在焊接领域真正实现优质、高效、成本低廉的自动化、柔性化及智能化焊接，综述了国内外焊接机器人技术发展概况以及我国焊接机器人的应用现状。针对焊接机器人价格昂贵、编程复杂、寻位及清枪时间过长等问题，提出了我国焊接机器人技术的研究重点及发展趋势，即焊接机器人用弧焊电源技术、传感技术、焊缝自动识别与跟踪技术、焊缝成形质量控制技术、遥控焊接技术、离线编程与仿真技术以及多台焊接机器人及外围设备的协调控制技术。

焊接机器人；智能化焊接；传感技术

Abstract:In order to promote domestic welding robot really realize high quality,high efficiency,low cost,flexible and intelligent welding,it summarized the development of welding robot technology at home and abroad,as well as application status in China.Aim at some problems of welding robot,such as expensive price,complicated programming,long time locating and cleaning welding gun and so on,put forward the research emphasis and development trend of welding robot technology in China,including arc welding power supply technology,sensor technology,weld automatic identification and tracking technology,weld forming quality control technology,remote welding technology,off-line programming and simulation technology,and coordinated control technology of welding robot and peripheral equipment.

Key words:welding robot;intelligent welding;sensor technology

焊接是一项工作环境恶劣、工作强度大、对工作熟练程度要求高且对操作人员会产生潜在危害的工作[1-2]。进入21世纪20年代，伴随国家经济的发展，人民生活水平不断提升，同时我国社会老龄化不断加剧，一线焊接工人数量呈现减少趋势[3]。而根据国家统计局公布的我国焊接材料的产量数据显示，从2006年到2014年我国焊材产量在逐年增加，这就意味着焊接工作量在逐年增加。焊接机器人的出现有效解决了这种供需矛盾，并且可以使更多人把工作时间投入到更具创造力的工作上[4]。同时焊接机器人的使用可以提高焊接生产效率，改善工作人员的劳动条件，稳定和保证产品质量，易于实现产品的差异化生产，并能够推动相关产业自动化升级改造[5]。

焊接机器人技术发展几乎和典型关节机器人技术发展同步[6]。各种机器人技术的开发、研究及应用推动着我国工业的快速发展。尤其是焊接机器人在各类机器人中占据非常重要的地位，约占工业机器人的1/3，对我国经济发展转型发挥了至关重要的作用[7-8]。

1 焊接机器人的组成及分类

1.1 焊接机器人的组成

完整的焊接机器人系统一般由以下几个部分组成[3，9-13]：①机器人系统， 包括机器人本体、控制柜、示教器；②焊接系统，包括焊接电源、焊枪焊钳、送丝机构、供气机构等；③焊接辅助系统，包括焊接变位移动装置、焊接工装夹具及扩展设备等；④焊接外部传感系统，包括采集焊接环境信息的视觉传感器、采集焊缝和焊接熔池信息的视觉传感器以及反馈焊接电压波动的电弧传感器等；⑤焊接综合处理与控制系统，主要包括焊接工艺数据库、焊接任务自主规划、编程仿真系统、传感器信息处理系统及机器人焊接运行的协调控制系统。

1.2 焊接机器人的分类

焊接机器人的分类形式多样，可根据实际应用需求从技术层次、工艺方法、结构形式、受控方式、驱动方式等多个角度对焊接机器人进行分类。

从技术层次角度，焊接机器人可分为以下3代：

（1）第一代“示教再现”型焊接机器人[5]。示教也称引导，此类机器人由用户引导机器人，按照实际任务逐步引导机器人执行整个任务过程，焊接机器人在被引导的过程中记忆示教过程中的每个动作指令（位置、姿态、运动参数、焊接参数等），并生成一个连续执行全部任务的程序。完成示教后给焊接机器人一个启动命令，机器人将按照示教动作精确地完成每一步操作，这就是示教再现型焊接机器人[14]。

（2）第二代基于传感技术的离线编程焊接机器人。此类机器人借助视觉、电弧、力矩等相关传感器获取焊接环境的相关信息，并根据传感器获取的相关信息进行自身运行轨迹的优化，以改善示教再现型机器人对焊接环境的适应能力。

（3）第三代智能焊接机器人。智能焊接机器人是基于机器人焊接任务智能化规划技术、机器人焊接传感与动态过程智能化控制技术、焊接机器人系统用电源配套设备技术、焊接机器人运动轨迹控制技术、机器人焊接复杂系统的智能控制与优化管理技术、机器人遥控焊接技术等众多先进技术的具有自主决策和灵活运动的类人思维与动作的高级焊接机器人。

另外，从工艺方法角度，焊接机器人可分为点焊机器人、弧焊机器人、搅拌摩擦焊机器人、激光焊机器人、等离子焊机器人等；从结构形式角度，可将焊接机器人分为直角坐标型、圆柱坐标型、球坐标型、全关节型4类；从受控运动方式角度，焊接机器人可分为点位控制型、连续轨迹控制型2种；从驱动方式角度，焊接机器人可分为气压驱动、液压驱动、电气驱动3种。

2 国内外焊接机器人技术发展回顾

由于焊接机器人是工业机器人的一个重要分支，焊接机器人技术的发展几乎与工业机器人技术发展同步，自1959年美国人George Devol与Joseph Engelberger共同研制世界上第一台工业机器人Unimate开始，工业机器人便迅速在焊接领域得到广泛应用。

1969年，美国通用汽车公司在组装生产线上装配了首台点焊机器人，极大地提高了生产效率，使得90%的车身焊接任务实现了自动化，改变了传统生产中自动化程度低、焊接作业条件恶劣、危险性高、需依赖工装夹具的生产方式。

1973年，德国KUKA公司在Unimate的基础上研发出全球首台全电机驱动的六轴机器人Famulus[15]。

1974年， Björn Weichbrodt为瑞典通用电气开发了首台全电气微处理器控制的工业机器人。同年，日本川崎公司在引进美国工业机器人技术7年后[16]，在Unimate的基础上开发出了全球首台弧焊机器人Hi-T-Hand，该机器人还具备接触传感和力觉传感功能。

1979年，日本那智不二越株式会社研制出首台电动机驱动的点焊机器人。

1985年，哈尔滨工业大学研制出我国首台弧焊机器人华宇-Ⅰ型。该机器人重复定位精度、动作范围、焊接参数数据控制精度、负载等主要参数，已接近或达到当时国际同类产品水平。

1998年，瑞典ABB公司推出机器人路径离线编程与仿真软件RobotStudio，此软件的推出极大地提高了机器人应用方案的设计及程序编写效率。

2004年，日本的Motoman公司推出了机器人控制系统NX，可实现4台机器人多达38轴的同步控制。

2005年，丹麦的IWA Ltd研制出离线焊接机器人系统，该系统集成了离线编程技术、冗余机器人控制技术、路径自主规划技术以及传感器控制技术，从而实现复杂结构的焊接[17]。

2006年，意大利柯马公司推出无线示教器WiTP。

2007年，日本Motoman公司推出了当时速度最快的弧焊机器人Super Speed Arc SSA2000和Super Speed Flexible SSF2000。

3 我国焊接机器人应用和发展现状

3.1 焊接机器人的应用

焊接机器人在工业生产领域表现出的高效益、 高可靠性、高灵活性的特点为世人瞩目，从第一台焊接机器人的诞生迄今50多年的发展中，焊接机器人已从最初的点焊机器人扩展到熔化极气体保护焊、钨极氩弧焊、埋弧焊、搅拌摩擦焊、激光焊、等离子焊、气焊等十多种焊接领域，作业范围已从室内延伸到野外、水下、太空、核环境等[18-21]。焊接机器人正逐步将焊接工人从高疲劳、高危险的劳动环境中解放出来。

3.2 焊接机器人及工业机器人的应用情况

截止2015年底，我国焊接机器人保有量约83 081台，比2014年增加了18%，占工业机器人保有量的32.4%。近10年我国焊接机器人及工业机器人的相关销售信息见表1[22-26]。

通过表1可知，近10年我国焊接机器人的销量呈现波浪式增长，焊接机器人在工业机器人中所占的比重在2012年达到顶峰，近几年焊接机器人在工业机器人中所占比重呈下降趋势。这与焊接机器人在万名焊工中的拥有量要远远高于我国工业机器人的平均密度（即制造业万名工人中工业机器人拥有量）有关[27]。根据行业统计，我国2014年焊接材料产量为568万t，扣除出口部分，按照国内自身消耗焊材数量，保守估算2014年我国焊接工人数200万人左右[28]。参照此数据，2014年我国焊接机器人的行业密度约为352台，远远高于同期我国工业机器人的密度36台。而同期全球工业机器人密度最大的国家韩国，其工业机器人密度为478台[29-30]。据不完全统计，服务于焊接加工领域的焊机机器人占全球在役工业机器人的一半左右[31]，通过以上数据可以预测焊接机器人在我国还有很大的发展空间。

表1 近10年我国焊接机器人及工业机器人销售情况

3.3 各类型焊接机器人的应用情况

目前，我国工业领域应用最多的焊接机器人是弧焊机器人，其主要应用于汽车、工程机械、摩托车、铁路、船舶、航空航天、军工、自行车、家电等行业；其次是点焊机器人，点焊机器人主要应用于汽车行业，包括汽车车身、零部件的焊接；然后就是激光焊接机器人，由于激光焊接具有功率密度高、焊缝深宽比大、热影响区小，且容易实现自动化等特点[32]，近几年发展迅速，在汽车车身制造领域应用十分广泛。在其他焊接机器人领域，摩擦搅拌焊机器人在铝及铝合金焊接领域发展迅速。目前ESAB研制的空间曲线RosioTM摩擦搅拌焊机器人系统可对不大于5 mm的铝合金进行优质高效焊接[33]，图1为截止到2013年我国各类焊接机器人累计装机情况[22]。

图1 截止到2013年我国各类型焊接机器人累计装机情况

目前国内市场上的焊接机器人主要分为日系、欧系和国产3种。日系机器人主要来自安川MOTOMAN、OTC、松下、FANUC、神钢 ARCMAN、不二越、川崎等公司；欧系的有德国KUKA、CLOOS、瑞士的 ABB以及奥地利的IGM等公司产品；国产焊接机器人有沈阳新松、广州数控、上海新时达、安徽埃夫特、南京埃斯顿等品牌产品。根据CRIA公布的2015年中国机器人的市场数据显示，2015年国产焊接机器人的销量约3 784台，占中国焊接机器人市场的29.9%，另外70%以上的焊接机器人市场被外国品牌占据。

3.4 焊接机器人应用过程中存在的问题

虽然焊接机器人在我国焊接生产领域得到了广泛应用，使得相关企业的焊接质量及焊接效率均有了大幅度的提升，但是焊接机器人在应用过程中仍然存在一些问题，有待去研究改善，主要问题有以下4个方面。

（1）焊接机器人零部件价格昂贵。受我国工业机器人关键核心零部件技术水平的制约，焊接机器人的主要零部件均依赖进口，这就导致国内焊接机器人的零部件价格昂贵，工业机器人的四大核心部件（减速器、伺服电机、伺服驱动和控制器）一旦损坏动辄就几万甚至十几万的更换费用。以机器人用精密减速机为例，据中国机器人网报道：“2015年我国75%的精密减速机由日本进口，主要供应商为日本的哈默纳科、纳博特斯克和住友，通常这三家公司卖给机器人四大国际巨头的价格为3～5万，卖给国内关系好的客户约7万元，对于大多数普通用户需要以10万元以上的价格才能购买到一台精密减速机，而且供货周期较长，这严重影响焊接生产企业的生产计划。”像损坏率比较高的焊枪、枪缆、送丝机价格也在1万左右，这致使很多企业买得起焊接机器人却用不起，这严重阻碍了国内“机器换人”的脚步，阻碍了中国智能制造的发展。

（2）复杂焊件的焊接编程问题。机器人焊接编程一般包括示教编程和焊接工艺参数编写两部分。对于复杂焊件的机器人焊接，其焊缝一般较多，这就需要耗费大量的时间对其进行示教编程。对于存在变角度坡口的焊缝一般需要进行多重多道焊接，焊接工艺参数的调试及确定也需耗费大量时间，多数复杂焊接需要编写调试多个焊接参数，需要更长的时间来确定相应的工艺参数。这就大大延长了企业新产品的生产周期，从而降低了企业的竞争力[34]。

（3）机器人与焊件的相对位置发生变化后重新示教问题。机器人焊接编程主要是通过示教器控制机器手的行走路径，当焊枪末端到达指定点时，加上相应的动作命令（调用程序、停留时间、送气、送丝、收丝、引弧、熄弧、旋转等），该指定点一般是参照变位机或焊接工装上的焊接工件确定。一旦焊接工件与机器人的相对位置发生变化，焊接程序就得重新示教，这个工作需要耗费大量的时间，该问题是焊接机器人应用过程中经常遇到且比较棘手的问题。

（4）寻位和清枪辅助时间过长问题。由于焊接组对的一致性普遍达不到机器人直接焊接的要求，机器人在进行焊接之前，一般需要对相应焊件进行寻位（焊缝检测），焊接寻位是根据焊件的形状特征在示教位置的基础上，通过焊丝与工件的接触来确定焊缝的实际位置，并在示教位置的基础上加以矫正 （此功能要求工件的实际位置与示教位置不能偏差太大，超过极限变差寻位功能将无法使用）。通常一条焊缝至少需要4个寻位点。对于复杂焊件相应的寻位时间太长，这严重影响到了机器人焊接的整体速度。对于弧焊机器人而言，焊接一定时间后要对焊枪喷嘴进行清理。目前国内的焊接机器人系统一般采用清枪站对喷嘴进行清理，而清枪站均放在远离工件的安全位置。焊接时机器人需频繁地由焊件位置运行到清枪站，再由清枪站运回到焊件位置，这一过程也严重影响机器人的焊接效率。

4 焊接机器人技术发展现状与趋势

实现稳定、优质、高效的焊接是应用焊接机器人的意义所在[35]，也是机器人焊接领域研究的重要课题。由于焊接是一个高度非线性、多变量、多种不确定因素作用的过程[36]，使得控制焊缝成形质量极为困难。为了克服上述因素对焊接质量的影响，机器人焊接领域迫切需要采用计算机技术、控制技术、信息和传感技术、人工智能等多学科知识[37]，实现焊接电源静动特性的无级控制、焊接初始位置的自主识别、焊缝实时跟踪、焊接熔池动态特征信息获取、焊接参数自适应调节等，以确保焊接质量和提高焊接效率[38]。为了能够实现机器人优质、高效焊接，目前我国焊接机器人技术研究主要集中在以下几个方面。

4.1 焊接机器人用弧焊电源的研究

伴随焊接机器人技术的发展，与之配套的弧焊电源正朝高效、高性能和数字化方向发展[39]。由于数字化弧焊电源具有焊接参数输出稳定、焊接重复性高、焊接质量良好且稳定、DSP响应速度快、并且可以满足多种焊接方法对电源的要求等特点，采用全数字化弧焊电源是未来焊接机器人的发展方向[40]。目前机器人用数字化弧焊电源主要是国外产品，像奥地利Fronius公司的TPS系列产品、德国EWM公司生产的INTEGRAL系列数字化弧焊电源、法国沙福DIGI@WAVE系列产品、日本松下推出的多系列数字化弧焊电源等。国内在这方面的研究已经开展，并有一些产品推向市场，可在焊接稳定性、控制精准性等多方面性能参数上与国外产品还有一定的差距[41]。

4.2 焊接机器人传感技术

焊接自动化与智能化是焊接发展的趋势，而传感技术是实现焊接自动化与智能化的关键技术。焊接机器人传感技术是涉及机器人焊接过程中相关信息的获取、信息转换、信息处理的一门技术。其中焊接过程中相关信息的获取是制约该项技术发展的短板。只有稳定可靠的传感器才能检测焊接过程的状态，为过程质量控制提供过程特征信息。由于焊接传感器所处的应用环境极其恶劣，受到弧光、高温、烟尘、飞溅、振动和电磁场的干扰，其中大部分干扰无法去除，这对焊接传感器提出了较高的要求。目前弧焊机器人常用的传感器主要有触杆接触式传感器、电极接触式传感器、温度传感器、电磁传感器、声学传感器、光学传感器、电弧传感器。焊接传感器是否稳定可靠，直接关系到焊接过程特征信息的提取准确与否，对实现焊接过程实时监控至关重要。在众多焊接传感器中，接触式传感器、激光视觉传感器和电弧传感器以其独特的优势广泛应用于弧焊机器人焊接过程中[42]。

4.3 焊缝自动识别与跟踪技术

对焊接机器人进行视觉传感的初始焊位识别及焊接过程中的焊缝跟踪研究，是焊接机器人实现高效优质焊接的关键技术之一。焊缝的自动识别是实施焊接动作的第一步，并且对于提高焊接机器人的智能化程度，实现焊接机器人的智能化自主焊接是十分必要的。由于加工和装配上的误差，以及焊接过程中产生的不均匀温度场导致的焊接变形等会造成焊缝形状及位置的变化，因此在焊接过程中采用焊缝跟踪技术实时检测焊缝状态，以调整焊接路径，对保证焊接质量至关重要。目前焊缝自动识别与跟踪技术主要是基于传感器技术及控制技术进行的相关研究。在传感器方面，CCD传感器以其优异的信息获取能力、可靠的稳定性、清晰直观的图像性能得到了广泛应用[43]，在机器人焊接领域传感器的应用正由单一传感器向多传感器智能信息融合方向发展[44]；在控制方面，模糊控制方法、神经网络控制方法、焊接专家系统方法、混合控制方法均在焊缝自动识别与跟踪技术的研究上得到很好的应用，他们的结合应用使得焊缝自动识别与跟踪技术具有更好的自适应性、自学习性、自组织性等优良的控制特点。

4.4 焊缝成形质量控制方法研究

焊接机器人焊接质量的好坏直接决定了其在工业生产中应用水平的高低，在机器人焊接中影响焊缝成形质量的因素主要有起收弧稳定性、起收弧位置、焊接电流电压、焊接速度、焊枪倾斜角、焊枪摆动幅度及频率、焊枪摆动左右停留时间、干伸长、弧长、熔滴过渡形式、保护气体流量等，这些因素的控制得当与否直接决定了焊缝成形质量的好坏。上述因素对焊缝成形质量的影响主要有焊缝的熔深、熔宽、余高、热影响区、气孔等。这是一个典型的多输入、多输出的非线性时变系统，控制难度极大。目前将焊接专家系统作为自适应单元，模糊计算作为决策单元，神经网络作为补偿单元是焊缝成形质量控制发展最有潜力的方法。机器人系统、焊接系统、焊接辅助系统、焊接外部传感系统、焊接专家系统及综合处理与控制系统要在统一的中央控制器下实现良好的协调和配合，完成焊接工艺和焊接动作的有机组合。通过传感器反馈的信息能够精确控制焊接机器人的运动轨迹、焊枪姿态和焊接参数，可以有效控制焊缝的成形质量[45]。

4.5 遥控焊接技术

伴随经济与科技的发展，焊接作业的范围正在向核环境、地下、太空、深水、高温、极寒等极限环境延伸，在保证焊接质量的情况下，最大限度地提高人类活动的舒适度，降低人类活动的危险性，成为如今焊接发展的趋势之一，遥控焊接技术的出现有效解决了上述问题。如今遥控焊接机器人发展的热点是人机互交控制[19]，即操作者远程遥控焊接机器人完成焊接任务。由于受技术水平的限制，目前全自动遥控焊接机器人鲜有研究，但是遥控焊接技术的自动化水平正在不断提高，其发展方向是全自动化遥控焊接机器人。早在20世纪70年代，在加拿大Douglus Point核电站核泄漏事故中，已成功使用遥控焊接机器人对核反应堆的泄漏位置进行了修复[46]。在视觉传感、计算机辅助编程等技术的推动下，遥控焊接技术越来越高效、优质、稳定，其应用范围在不断扩大。

4.6 离线编程与仿真技术

目前机器人焊接生产领域采用的焊接编程方法主要是示教编程，此种编程方式对编程人员及焊接机器人均存在一定的安全风险。同时，焊接产品的制造正朝着多品种、小批量且复杂化的柔性制造方向发展，焊接编程的作业空间向太空、深水、核环境等极限环境延伸，这些因素均不利于示教编程的实施。离线编程与仿真技术的出现，可有效解决上述问题。目前国外已经有多款成熟离线编程与仿真系统，像德国的ROBEX；美 国 的 PLACE、Robot-SIM、WORKSPACE、ROBCAD；瑞士ABB的RobotStudio；日本安川的MotoSim、FUNAC的FunacWorks等多款产品均已推向市场。国内在此领域的研究以高校为主，在离线编程与仿真的核心技术领域支持CAM的CAD技术、自动编程技术、标定及修正技术、机器人接口技术、焊缝起始点确定技术等方面均有相应高校做了深入研究，不过国内开发的焊接离线编程仿真系统仍处于仿真阶段，距离成熟稳定的商业化应用还有一定的距离[47]。

4.7 多台焊接机器人及外围设备的协调控制技术

随着焊接机器人应用领域不断向更复杂的焊接环境拓宽，对焊接机器人能力的要求也不断提高。由于单台焊接机器人的鲁棒性、效率、感知能力提升到一定的水平后很难再有突破，或是达到目标要求所需要的成本非常昂贵，这就迫使某些焊接任务采用多台焊接机器人协作完成，所以对多焊接机器人及外围设备的协调控制技术的研究也就颇为重要。由于多台焊接机器人及外围设备的协调控制技术能够实现多机器人焊接系统在时间、空间、信息、资源及功能的分布特性最优。此技术的应用可实现单焊接机器人无法完成的一些功能，可使多机器人焊接系统的设计制造成本较单机器人复杂焊接系统更容易，且成本更低，可提升整个系统对任务及环境更强的适应能力，也可大大提高多机器人焊接系统的焊接效率[43-50]。

5 结 论

综上所述，随着国内经济发展方式的转换，人口红利消失，之前依赖劳动密集型的低端产业难以为继，在制造业转型升级的大背景下，实现焊接生产的自动化、柔性化与智能化已是大势所趋。焊接机器人技术在焊接生产中的广泛应用，大大提高了我国焊接制造行业的整体生产效率，改善了焊接工人的工作条件，提高了焊接生产的柔性化水平及焊接质量，同时也推动了焊接相关领域的自动化升级。但是由于我国焊接机器人技术研究起步较晚，国产焊接机器人无论是控制水平还是可靠性方面均与国外机器人存在不小的差距，核心零部件严重依赖进口，焊接机器人的使用成本偏高。虽然近几年我国在焊接机器人关键技术方面的研究发展迅速，也取得了不少优秀成果，但总体而言，我国焊接机器人产业自主创新能力偏弱，产品以中低端为主，自主品牌的认可度较低。未来我国焊接领域要想真正实现优质、高效、成本低廉的自动化、柔性化及智能化焊接，在焊接机器人政策扶持体系的完善方面、焊接机器人相关技术研发领域还有很多工作要做。

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Application Status and Development Trend of Welding Robot in China

HUO Houzhi,ZHANG Hao,DU Qiheng,HUANG Shengli,QIU Yichen
（Shandong Institute of Intelligent Robot&Applied Technology,Zoucheng 273500,Shandong,China）

TG439.9

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.02.006

2016-10-08

编辑：李 超

霍厚志（1986—），男，山东临沂人，工程师，硕士，主要研究方向为机器人焊接、焊接过程数值模拟与仿真。