视觉机器人焊接技术的研究综述与展望

覃永

摘 要：焊接作为现代制造工业的基础生产工艺之一，是制造业极为重要的加工手段。目前由于焊接作业的特殊性导致一线焊接工人数量呈现急剧减少的趋势，为此将焊接作业机器人化是焊接产业发展的必然趋势，但与发达国家相比，我国焊接机器人的平均使用密度较小，其重要原因在于机器人的示教编程难度大、效率低下而且还存在机器人应对坡口类型、接头类型等多规格的焊接件焊接时不具备合适的焊接路径规划，无法发挥机器人的灵活性和稳定性导致焊接适应性不足。

关键词：弧焊机器人 摆弧路径 焊接性

Abstract：Welding， as one of the basic production techniques of modern manufacturing industry， is a very important means of processing in manufacturing industry. At present， due to the particularity of welding operations， the number of front-line welding workers shows a trend of sharp reduction. Therefore， roboticizing welding operations is an inevitable trend of the development of welding industry. However， compared with developed countries， the average use density of welding robots in China is smaller. The main reason lies in the difficulty and low efficiency of the teaching programming of the robot. Moreover， the robot does not have appropriate welding path planning when welding the welding parts with multiple specifications， such as groove type and joint type， so that the flexibility and stability of the robot cannot be brought into play， leading to inadequate welding adaptability.

Key words：arc welding robot， swing arc path， weldability

1 引言

工业机器人是结合多种学科技术且面向工业生产方向的多自由度机械手，在焊接、喷涂、码垛、产品以及搬运领域应用十分广泛[1]。伴随科学技术的发展，同时我国社会老龄化不断加剧，劳动力成本逐年增加，同时存在着进行传统加工制造业的一线工人逐年减少的问题，在这样的背景下，工业机器人的快速发展对于提高工作效率、降低劳动力成本都有着极其重要的意义，特别是在高危场合，使用机器人代替人工去执行危险任务更能凸显发展工业机器人的必要性[2]。根据国际机器人联盟IFR[3]（International Federation of Robotics）2019年发布的关于世界各地机器人使用情况的报告，据报告显示：在中国每万名操作员工的机器人使用数量为187，与世界发达国家相比还有一定的差距。但随着对工业自动化的需求与日俱增，中国机器人使用密度增长迅速，尤其自我国提出了“中国制造2025”发展战略[4]，工业机器人产业朝着密集化、自动化和智能化方向发展。

虽然中国机器人产业发展迅速，但在机器人使用密度上，中国仍低于世界制造业领先国家的水平，其原因在于机器人的易用性和适应性得不到重视，使得国内工业机器人设计、生产、研究与企业需求脱节，严重阻碍了国内机器人产业的发展[5]。

由于机器人在使用上具有技术人员培训时间长、操作难度高等特点，同时工业机器人的易用性和示教效率低下使得工业机器人难以适应多品种、多规格的生产需求也使得中小企业难以保持机器人能够连续可靠的工作，由于以上因素使得企业难以发挥机器人高效、稳定作业的特点，故提高机器人的易用性和适应性，降低用户的使用难度成为发展工业机器人产业的核心和关键。

焊接机器人、喷涂机器人、打磨机器人都属于工业机器人。其中焊接机器人占工业机器人总数的比例较大，是目前应用最广泛的工业机器人。焊接机器人的广泛应用推动了焊接机器人技术的发展，同时也为焊接过程的自动化应用提供了有利的条件。对焊接机器人来说，需要依靠示教编程技术实现焊接作业，传统示教编程方式主要分为两大类：在线示教、离线编程。而离线编程因为其难以保证在建模尺寸理论与实际的一致性、焊接前建模准备时间过长、难以保证位置精度和合适的姿态等问题，所以不易完成高精度的焊接任务，因此一般采用示教器或PC控制机器人焊枪末端工具坐标中心点（TCP）到达指定位姿并进行记录的方式进行焊接作业。而在目前焊接任务的复杂程度不断增加，而用户对焊缝质量和示教效率要求越来越高的形势下，降低示教的难度和工作量，提高示教效率，实现示教的自适应性，从而提高生产效率显得尤为重要。随着图像处理、机器视觉技术的快速发展，出现了多种应用于机器人焊接的传感器。特别是激光传感器具有可提供的信息量大、精度和稳定性好等特点，成为应用于激光视觉辅助测量领域的理想选择。人们研究以多类型结构件的测量信息为反馈，由上位机控制机器人进行焊接路径规划的激光視觉示教技术，通过激光视觉系统获得焊缝相关信息，来提高示教精度和示教效率，进一步提高了焊接机器人系统的自动化水平。

弧焊是机器人焊接的主要应用领域之一，对于弧焊机器人而言，提升机器人对应多类型结构件时的焊接适应性和易用性具有重大意义。在焊接较宽焊缝或者普通角接焊缝等工件时，其核心是使用摆弧算法进行单道焊接作业。焊接机器人采用摆弧路径进行焊接作业与非摆弧路径焊接相比，可获取较宽熔宽的焊缝、减少不必要的焊接道次、缩短总体作业时间进而提高焊接效率，且焊接表面成形效果更佳。而对于较厚结构件而言，为了提高焊接结构的加工质量与效率，需要在焊接工艺要求基础上，采用多层多道焊接路径规划算法进行焊接作业，并考虑到焊枪行走角影响着焊缝成形效果，在多层多道焊接路径规划中引入焊枪行走角，通过改变厚板焊接时的焊枪姿态进而影响焊缝成形效果。为了提升机器人焊接系统的易用性和自动化水平，构建结合激光视觉示教模块及焊接路径规划模块的结合激光视觉示教的机器人路径规划系统，并将多种焊接路径算法嵌入路径规划系统中，来实现多规格、多品种结构件的焊接，以提高焊接机器人的示教效率与易用性、适应性水平。

2 焊接机器人国内外研究现状

传统制造业严重依赖人工，随着现代工业的发展，企业劳动力成本变高，同时人工操作精度不高，日复一日的操作难以保持同一水平，这无疑对制造业自动化是一个巨大的阻碍。人们对高质量高效率生产模式的需求日益强烈，工业机器人因此应运而生。由于其在某些领域可以代替人工操作，从严酷的工作环境中解放工人，许多的国家鼓励发展工业机器人，也有大批的科研人员针对工业机器人的应用提出许多新颖的方案，并发表了大量的研究成果。焊接机器人是工业机器人的一个重要分支，在所有种类的工业机器人当中，焊接机器人是最早使用、应用最广泛的工业机器人之一，涉及汽车、轨道交通装备制造、工程机械和重型机械等行业，成为现代制造技术无可替代的重要角色。

3 焊接机器人国外研究现状

如今国际上焊接机器人行业已经形成了以瑞典ABB、德国KUKA、日本的FANUC和安川四大家族为首，意大利的COMAU、美国的Adept Technology、日本川崎重工、松下和OTC等各具特色的厂家为辅的市场格局。

（1）瑞典ABB公司的核心技术是运动控制系统，可实现运动速度、周期时间等机器人性能控制，大幅度提高生产质量、效率和可靠性。以 IRB1410型机器人（图1）为例，该机器人的重复定位精度可以得到正负0.05mm，工作范围为1440mm，手腕负重5kg，且其上臂可以承受18kg的附加载荷，可适用于弧焊、物料搬运等领域。特别是针对弧焊领域，ABB提供焊接机器人ArcPack弧焊功能程序，其中包含大量专用弧焊功能，可根据具体焊接要求执行对应的程序，具有较强的易用性。

（2）德国KUKA公司生产的新型焊接机器人结构修长紧凑，能够以最小的干扰轮廓实现最高的性能，同时搭配中空机械手腕，以减少基轴运动，提升焊接作业效率。以KR 6 R1820 arc HW（图2）为例，其额定载荷为6kg，最大运动范围为1823.5mm，重复定位精度可达正负0.04mm。在软件方面，通过数字化Motion Modes模式可在机器人控制器上调整速度等机器人性能参数。并通过在smartPADs示教器上快速创建运行可靠的焊接程序。

（3）日本安川公司从电机研发和生产做起，其主要生产的伺服电机和运动控制器都是制造机器人的关键部件，其核心的工业机器人产品包括：点焊、弧焊机器人、喷涂机器人等。该公司的MA2010机器人具有6个自由度，动态工作范围为2010mm，其末端负载最大为10kg，重复定位精度为正负0.08mm，可应用于弧焊、激光加工、搬运等领域（图3）。

（4）日本FANUC公司将数控系统的优势运用在焊接机器人上，使其具有极高的重复定位精度。FANUC公司专门为弧焊应用设计了ARC Mate机器人，以FANUC Arc Mate 120iD焊接机器人（图4）为例，具有出色的轴速度，其机器人重复定位精度可以达到正负0.02mm。在软件方面，FANUC专门为ARC Mate弧焊机器人定制的ARC Tool弧焊系统软件，其中包含大量专用弧焊功能，包括焊缝跟踪、多机器人控制、多层多道焊接等。

4 结语

目前国际上各机器人厂家都研发出了自己的焊接机器人产品，从机器人本体、运动控制系统、驱动器、传感器等方面都有很成熟的技术积累，但是在焊接程序算法、提高焊接质量和焊接精度以及提高示教效率等方面的研究依然是焊接机器人领域的热点。

参考文献：

[1]机器人技术与应用编辑部.我国工业机器人现状与发展[J].机器人技术与应用，2013，（02）：1-3.

[2]计时鸣，黄希欢.工业机器人技术的发展与应用综述[J].机电工程，2015，32（01）：1-13.

[3]张琪，冯莹.“中国制造2025”亟须解决的若干问题[J].改革与开放，2018，（03）：65-66.

[4]周济.智能制造——“中国制造2025”的主攻方向[J].中国机械工程，2015，26（17）：2273-2284.

[5]张軻，谢妤，朱晓鹏.工业机器人编程技术及发展趋势[J].金属加工（热加工），2015，（12）：16-19.