焊接机器人应用与发展趋势研究

林森 厚俊辰 金子旭 岳宗言 霍红 史丽翠

摘  要：随着机器人技术在各行业中的迅猛发展，以及人工费用的逐年提高，机器替换人类工作已成为促进社会高速发展的必然趋势。为促进焊接机器人在焊接领域实现优质、高效、成本低廉的自动化、柔性化及智能化焊接发展，同时适应未来发展需求。本文结合最前沿科技，综述了国内外焊接机器人技术应用概况以及焊接机器人的未来发展方向，以供参考。

关键词：焊接机器人;技术;智能;发展方向

中图分类号：TP242     文献标识码：A       文章编号：2096-6903（2021）03-0000-00

0前言

焊接工作是一项工作环境恶劣、工作强度大、专业技能要求严格且对操作人员会产生潜在危害，但在制造领域又不可或缺的工作[1，2]。在此背景下焊接机器人应运而生，其出现有效解决了这种供需矛盾，并且可以节省大量人力、物力，使操作者投入到更具创造力的工作[3]。从上世纪60年代研发并逐渐投入使用开始，其关键技术也得到不断提升，使其具备工作稳定性能、加工精度高、生产效率高等优点。可代替工人在情况复杂和未知的环境下工作，基于此特点，焊接机器人在工业生产中得到推广和应用。

1焊接机器人需求分析

目前世界拥有80余万台工业机器人，焊接机器人占比可达40%以上。焊接工艺被作为工业生产的“裁缝”，是工业生产中非常重要的手段，根据CRIA公布的2019年中国机器人的市场数据显示，2019年国产焊接机器人的销量约3765台，焊接和钎焊机器人是国产机器人应用的第二大领域，销量同比增24.5%，约占总销量的16.9%。另外70%以上的市场份额依然被国外品牌占据。

目前中国投入使用的焊接机器人主要产自日本、欧洲和国内。日本机器人企业主要有安川、OTC、FANUC、那智不二越、川崎重工等;欧洲有德国库卡、CLOOS、雷姆，瑞士的ABB以及奥地利的IGM等，这些公司的产品技术领先，智能化程度高，价格适中，是工业机器人行业的代表。我国自主品牌有广州数控、南京埃斯顿、昆山华恒等，在国际上影响力较大的机器人厂商为“沈阳新松机器人”[4]，然而国产焊接机器人由于发展起步较晚，技术水平相对落后，关键的核心部件还要依赖进口，使得国产焊接机器人市场竞争力较差，因此在工业机器人自主化上还有很长的路要走。

2焊接机器人结构及应用

2.1焊接机器人的组成结构

目前工业生产的主流机器人基本属于六自由度关节机器人。焊接机器人主要由机器人主体和外接焊接设备两部分构成。主体由机械臂和控制单元（电气元件及系统软件）组成;而焊接设备由控制电柜（包括控制系统）、送丝装置（送丝机）、焊接装置（焊枪、焊钳）等组成。对于智能机器人还配备传感装置，如红外、激光、超声波或其他传感器及反馈系统等，如图1焊接机器人的基本组成。

2.2机器人单元工作站

通常人们所说的机器人焊接工作站是指焊接工艺相对简单，有固定焊接点，只需要将焊接机器人固定在工作台上来完成作业。其可以单独进行焊接加工，也可应用于生产线，作为工序中一个加工部分，完成特定部分的一个加工环节。既然是单元工作站，当然会是生产线中不可或缺的组成部分，这个部分依存于生产线主系统控制，因为其不仅是生产流程中统一协调性，统一管理的需要;又是一个相对独立自主的控制系统，因为机器人的所有操作或动作均由焊接机器人本身的控制系统来独立完成。主控系统和各工作站之间通过信号连接、信息交换、数据传输来完成生产线的协调工作。

工作站的分类：

（1）水下焊接机器人工作站：目前我国在水下焊接工作量巨大，许多管道设备和机械部件都需要在水下现场焊接组装。由于水下情况复杂多变，技术要求高等因素，焊接机器人工作站就成为最佳选择，经过反复操作实验和方案调整，加之防水材料和水下焊接技术，可在焊接工人不能胜任的环境中进行工作。焊接机器人作为水下工程装备中重要的组成单元，已逐步为海洋开发和海洋工程提供技术基础和支撑。

（2）箱体焊接机器人工作站：此设备集中应用于箱柜类加工中，如档案柜、保险箱及集装箱等。由于其产量大，对焊缝平整度及焊接尺寸有较高技术要求，普通设备很难达到其标准，进而研发的一类专用设备。工作时，采用模块化多工位集成，当一个工位加工时，其他工位则进行换件，或使用兼容式装夹，对多品种，多规格的箱体同时焊接，从而实现生产效率提升。

（3）不锈钢气室焊接机器人工作站：由于焊接过程中会产生局部高温，造成不锈钢类材质出现形变，严重影响其焊接质量和整体密封性，因此需有针对性的选用柔性机器人激光焊接设备对此类材质工件进行焊接。该加工设备是由机器人、激光发生器、循环冷却系统、跟踪检测系统、位移装置、工装夹具、安全防护、换气装置和智能系统等组成。通过合理设置系统参数数据和行走轨迹，更换合适的装夹工具，可对多个不锈钢气室类工件同时进行焊接。

（4）螺柱焊接工作站：针对具有大量相同或不同规格螺柱特殊设计的工件，采用人工焊接，就需要使用特定的模具逐一确定焊点，因此导致效率低、焊接准确性差、增加劳动强度等问题。使用螺柱焊接工作站，可以有效解決此类问题，螺柱由送钉机输送到焊枪里面，不同规格的螺柱通过系统控制、计算示教、路径分析，有序的焊接到指定位置。

2.3智能焊接生产线

焊接机器人生产线的组成，是把多台简单的焊接机器人、工作站（单元）用工件传送线连接起来形成一条高集成、高效率及高自由度的流水线。这种工业生产线仍然具有工作站独立运行的特点，各焊接机器人工作站需用选定的工件夹具及特定的焊接程序来完成预定工序，在各焊接工位之间合理增设传送装置将待加工的材料精准转送到下一个机器人，从而实现无停顿连续工作。每条生产线只能完成特定工件，在更改夹具及程序之前，是不能焊接其他工件的。

这种由多个焊接工作站依次排列来完成焊接工作的方式可以最大化地降低生产中普通工人的数量，同时由于机器人具有较高的重复定位精度可使其长时间而稳定的工作。目前只在汽车制造等高密度、高集成生产中焊接机器人得到大规模使用，由于其运行成本低且效率高等特点几乎取代了普通焊接工。人工智能的发展进步，生产工艺的不断改进，使各汽车制造业都有符合自己的生产线，主要在车身框架及底盘连接等高密度焊接的工作岗位。其中最具代表性的有日本丰田汽车，其采用焊接机器人多点互换的技术，增强了整体灵活性-多达八种车型可在同一生产线完成，最大程度的提高了生产效率，降低了生产及研发成本，推动了焊接机器人的又一次革命性进步。

2.4机器人焊接优势

（1）提高产品生产效率;（2）提高工件焊接质量;（3）可在人工无法适应的特殊环境下工作;（4）缩小占地面积;（5）缩短生产时间，提高研发周期;（6）降低对工人技术要求;（7）降低生产成本;（8）提高产品竞争力。

3焊接机器人未来发展

随着计算机云平台技术、智能操控技术的不断发展进步，焊接机器人从单一的依靠人工示教再现型向多传感器、智能化、便捷化、柔性化方向发展必将是一个趋势。最近几十年来，随着相关学科技术、理念的不断替代更新，并与焊接技术高度融合，出现了激光、电子束、等离子及气体保护焊等多种新的焊接方式、方法以及高质量、高性能焊接材料的不断研发和完善，使得几乎所有的工程材料都能进行焊接加工。

3.1融合虚拟现实技术

虚拟现实技术是仿真技术的一项重要领域。运用计算机图形学、人机接口技术、多媒体技术、传感技术、网络技术等与焊接机器人技术相融合，模拟仿真焊接过程，并通过计算机将工艺过程转化成数字化操作[5]。在焊接操作之前，进行模拟仿真实验，根据不同的工作状况，对各种焊接工艺方案进行比较，然后通过分析，选取出最优化的方案让机器人来进行焊接[6]。与真实焊接相比，虚拟技术的最大优势在于可以方便的模拟任何训练科目，借助虚拟现实技术，可以仿真各种复杂、突发情况，从而有针对性训练，提高自身的应变能力与处理相关问题的技能。

3.2自学习系统模式

人工智能的第一个方向，就是无监督的进行学习，不需要人工经验，不需要人为干预。智能系统通过对固有程序以及外部环境的感知，在不需要任何人员示教的基础上，机器人的智能系统能够自主来判断并完成人类化思考及学习，使人工编程、程序输入的工作量大幅降低，且在工序复杂及工作量大的情况下实现准确、高效、自主焊接，可有效解决人工控制焊接机器人操作繁琐、程序繁杂、定位困难、自主性差等问题。通过运用自学习体系，在特殊工况中，机器人能根据实际情况，进行数据整理、情况分析、数据处理、综合计算，合理规划出最佳焊接路径和焊接方法，从而实现全智能自主化运行。

3.3多智能体系统

多智能体系统（multi-agent system，MAS）在智能体技术上具有划时代的意义，是一种全新的、高效的、智能的分布式计算技术。已成为目前针对复杂系统分析与模拟仿真应用最广泛的体系。智能体系的应用理念在于将复杂、单一的操控系统规划成具有多元化、层次化、模块化、独立化、能互相传递数据资料与信息，彼此协调，易于管理的智能系统。将其理念充分融合于焊接工作中，适用于流水线式的焊接工作，以焊接工作站为基础单元，系统通过统一管理，使多个智能机器人之间产生紧密群体合作，共同完成复杂的目标任务。弥补了传统操作流水线时需要对每个机器人单独控制，编程的弊端，多智能体技术的应用使系统解决综合问题的能力大大提高，打破了人类对人工智能领域的固化思维，使得流水线焊接机器人技术得到飞速发展。

3.4多传感器融合技术

伴随传感器技术的飞速发展，多种高灵敏度、高辨识度传感器的综合运用为焊接机器人的发展又开辟出另一片空间。焊接机器人多用于处理加工精度高、工作强度大、加工工艺难、环境复杂等问题，因此只通过操作者观察和应用单一传感器，对工况、焊接对象进行观察、分析再做出相应的操作，无法全面对周围环境和突发情况做出准确判断，往往会出现较大的失误，影响焊接效果和生产效率;也无法实现工业化快速发展的需求。因此焊接机器人需要多传感信息融合技术对工作环境中的信息进行收集和分析来提高焊接系统的精确性、高效性、快速性和可靠性[7]。综合运用全方位视觉传感器、红外传感器、超声波传感器等先进技术对于焊接机器人感知外部环境、获取数据信息都具有非常重要的作用，最大程度上使机器人在任何状况下都能通过反馈数据、信息做出相应的调整，零误差，精准的完成焊接，这也将大力推动未来焊接机器人向自主化、智能化的发展。

3.5全向移动式机器人

可移动焊接机器人的应用，在工业机器人领域有着不可替代的意义。在军工业、造船业、航空航天、大型机械设备制造等领域发挥着越来越重要的作用[8，9]。其是以“智能化高效全方向移动平台+柔性化焊接机器人+激光跟踪与视频监测系统”为核心的智能化柔性制造装备。机器人的移动机构分为履带式和全向轮式，全向轮式运动方式其能快速定位，然而越障能力不足，多适用于工厂车间当中;履带式运动方式其越野能力强，可以应对复杂路况，但运动定位速度慢，多适用于路况复杂的户外工作。

相比于传统焊接机器人工作站，全方位移动机器人可以实现前后、左右和旋转多个自由度的运动，运动灵活性高[10]，并能够实现高精度的定位和运动轨迹控制，大大提高了工作范围，节省工作时间。也可以将其分布于生产线中，以此提高整体灵活性，打破生产单一，工位调整困难等问题。

3.6优化人机互动

人机互动的核心理念上是系统转化輸入输出信息的过程，操作者通过系统操作界面多方位传达指令，系统对输入的数据进行整合、处理、计算后把结果通过操作界面反馈给用户。人和智能系统之间信息传递方式是多种形式的，因此互动的方式也是多元化、开放化、自由化。通过人机互动的多方面运用，操作者可更加便捷，灵活的对焊接机器人的运行情况和下一步的操作计划等进行全方位掌握[11]。综合运用先进的控制技术，信息采集技术、数据分析技术、信息反馈技术、有限元分析技术等，使焊接机器人、智能控制系统、操控者达到更高程度的融合，进而使焊接机器人的操作更简洁，性能更强，精准度更高，可开发性也随之增加。人机互动技术是近年来科技发展的有一个新方向，未来就应用于工业生产的焊接机器人而言，也是不可替代的重要部分。

3.7優化机械结构

在硬件结构上，通过力学分析、有限元分析、模态分析及运动仿真等计算方法的综合运用，从而实现机器人整体机构的优化。由于焊接手臂是运动的，就需要具有良好的受控性，因此不能过于复杂、笨重，探索新的高强度轻质材料，使其“密度小、强度大、而且转动惯量小”，进一步提高负载/自重比，有利于机械手臂的运动便捷性，降低驱使运动的能源消耗。如德国库卡公司研发的机器人，创新的使用了复合轻型材料，更采用空间开链机构来取代平行四边形机构，不仅增大了机器人的工作半径，更提高了机器人的运动性能。

此外，更可将柔性加工理念运用于焊接手臂结构中，使其更加灵活，完成任意方位，任意角度的运动轨迹，真正实现无死角对工件进行焊接。动力方面，采用更加先进的RV减速电机及交流伺服电机，使机器人操作机成为免维护系统。

4 结语

工业机器人技术的运用推动了工业生产向智能化、自动化、多元化发展，提高了产品质量和生产效率，为世界范围内工业化进程奠定了基础。随着互联网技术、机器人技术及人工智能的不断发展，结合传统焊接工艺特点，使得机器人在焊接领域的发展与创新更具精准性、实用性、智能性。然而针对于焊接机器人的系统研究，特别是焊接机器人的智能技术选择，功能扩展，虚拟仿真技术的优化等还有很多有待解决的问题，这些也是未来的研发方向。

参考文献

[1]许友坤.焊接过程中焊工的安全防护[J].电焊机，2006（5）：25-27.

[2]中国焊接协会，中国机械工程学会焊接学会，环境健康与安全专业委员会.焊接职业安全与健康[M].北京：机械工业出版社，2016.

[3]RYUH B S，PENNOCK G R.Arc Welding Robot Automa-tion Systems[M].[s.n.]： Industrial Robotics，2006.

[4]陶静宜，沈梅林.工业机器人的应用现状及发展趋势[J].农村经济与科技，2017（8）：297.

[5]王恩浩.焊接机器人技术现状与发展趋势[J].中国高新技术企业，2014（17）：3-4.

[6]郑现伟：基于焊接机器人应用现状与研究发展趋势[J].神州，2015（3）：263.

[7]张文明，王新宇.浅谈焊接机器人现状及发展趋势[J].山东工业技术，2016（4）：218-219.

[8]陈丽，王越超，李斌.蛇形机器人研究现况与进展[J].机器人，2002，24（6）：559-563.

[9]李磊，叶涛，谭民，等.移动机器人技术研究现状与未来[J].机器人，2002，24（5）：475-480.

[10]陈百超.月球车新型移动系统设计[D].吉林：吉林大学，2009.

[11]李红涛，张麟.人机工程在煤矿中的应用现状及展望[J].矿山机械，2013（5）：53.

收稿日期：2021-02-07

作者简介：林森（1985—），男，黑龙江哈尔滨人，本科，工程师，研究方向：机械自动化、创新创业。

通讯作者：史丽翠，（1984—），女，黑龙江哈尔滨人，研究生，工程师，研究方向：砂型铸造、精密铸造以及轻质高熵合金。

Abstract：With the rapid development of robot technology in various industries and the increase of labor costs， replacing human work by machines has become an inevitable trend to promote the rapid development of society. In order to promote the welding robot to realize high quality， high efficiency and low cost automatic， flexible and intelligent welding in the welding field， so as to meet the needs of future development. Combined with the cutting-edge technology， this paper reviews the application of welding robot technology in China and abroad and the future development direction of welding robot.

Keywords：welding robot;technology;intelligence;Development direction