焊接机器人的应用与发展

焊接机器人焊接机器人的应用与发展焊接机器人的应用与发展【论文摘要】：简要介绍了机器人焊接技术发展历程、应用现状，从焊缝跟踪技术、离线编程与路径规划技术、多机器人协调控制技术、专用弧焊电源技术、焊接机器人系统仿真技术、机器人用焊接工艺方法、遥控焊接技术等七个方面论述了焊接机器人技术的研究现状，并对焊接机器人技术的未来发展趋势做出了展望，其中视觉控制技术、模糊控制技术、神经网络控制及嵌入式控制技术将是焊接机器人智能化技术发展的主要方向。【关键词】：焊接机器人；技术现状；智能化；控制技术；发展趋势【Abstract】：This paper briefly introduces the development courses and application situation of technology of welding robot. The present situation on technology of welding robot were discussed，these technologies are seam-tracking，off-line programming and trajectory planning，multi robots corresponded control，welding power source，simulation，welding technologies and remote welding robot. The development trend of technology on welding robot in future was presented. The visual manipulation-technology，fuzzy manipulation-technology，neural network manipulation-technology， embedded system manipulation-technology and intelligent technology were considered as the main development directions.【Key words】：welding robot；technical state；intelligent technology；manipulation-technology；development tendency目录摘要2前言41、 焊接机器人的发展历程42、 焊接机器人国内外应用现状43、 焊接机器人的发展趋势4一、焊接基础知识61.2、 焊接的定义及其本质61.3、 焊接工艺的发展历史61.4、 概述焊接方法的分类及特点71.5、 焊接在现代工业中的地位8二、焊接机器人的发展92.1、 焊接机器人国内外应用现状92.2、 焊接机器人在焊接生产中的应用102.3、 焊接机器人的编程方法112.4、 焊接机器人技术的研究现状 112.5、 焊接机器人最新进展13三、焊接机器人的发展趋势153.1、 焊接机器人的发展趋势153.2、 焊接机器人的技术展望163.3、 焊接机器人未来研究的热点及发展方向18结论 挑战与对策19参考文献20致谢词21附录 焊接技术发展方向22前言 1、 焊接机器人的发展历程自从世界上第一台工业机器人UNIMATE于1959年在美国诞生以来，机器人的应用和技术发展经历了三个阶段：第一代是示教再现型机器人。这类机器人操作简单，不具备外界信息的反馈能力，难以适应工作环境的变化，在现代化工业生产中的应用受到很大限制。第二代是具有感知能力的机器人。这类机器人对外界环境有一定的感知能力，具备如听觉、视觉、触觉等功能，工作时借助传感器获得的信息，灵活调整工作状态，保证在适应环境的情况下完成工作。第三代是智能型机器人。这类机器人不但具有感觉能力，而且具有独立判断、行动、记忆、推理和决策的能力，能适应外部对象、环境协调地工作，能完成更加复杂的动作，智能机器人还具备故障自我诊断及修复能力。焊接机器人就是在焊接生产领域代替焊工从事焊接任务的工业机器人。早期的焊接机器人缺乏“柔性”，焊接路径和焊接参数须根据实际作业条件预先设置，工作时存在明显的缺点。随着计算机控制技术、人工智能技术以及网络控制技术的发展，焊接机器人也由单一的单机示教再现型向以智能化为核心的多传感、智能化的柔性加工单元（系统）方向发展。2、 焊接机器人国内外应用现状焊接机器人具有焊接质量稳定、改善工人劳动条件、提高劳动生产率等特点，广泛应用于汽车、工程机械、通用机械、金属结构和兵器工业等行业。据不完全统计，全世界在役的工业机器人中大约有一半用于各种形式的焊接加工领域。截止2005年全世界在役工业机器人约为91.4万套，其中日本装备的工业机器人总量达到了50万台以上，成为“机器人王国”，其次是美国和德国；在亚洲，日本、韩国和新加坡的制造业中每万名雇员占有的工业机器人数量居世界前三位。近几年，全球机器人的数量在迅速增加，仅2005年就达12.1万台。我国自上个世纪70年代末开始进行工业机器人的研究，经过二十多年的发展，在技术和应用方面均取得了长足的发展，对国民经济尤其是制造业的发展起到了重要的推动作用。据不完全统计，最近几年我国工业机器人呈现出快速增长势头，平均每年的增长率都超过40%,焊接机器人的增长率超过了60%；2004年国产工业机器人数量突破1400台，进口机器人数量超过9000台，这其中的绝大多数都应用于焊接领域；2005年我国新增机器人数量超过了5000台，但仅占亚洲新增数量的6%，远小于韩国所占的 15%，更远小于日本所占的69%。这样的增长速度相对于我国的经济发展速度以及经济总量来说显然是不匹配的，这说明我国制造业的自动化程度有待进一步提高，另一方面也反映了我国劳动力成本的低廉，制造业自动化水平以及工业机器人应用程度的提高受到限制。当前焊接机器人的应用迎来了难得的发展机遇。一方面，随着技术的发展，焊接机器人的价格不断下降，性能不断提升；另一方面，劳动力成本不断上升，我国经济的发展，由制造大国向制造强国迈进，需要提升加工手段，提高产品质量和增加企业竞争力，这一切预示着机器人应用及发展前景空间巨大。3、 焊接机器人的发展趋势焊接机器人在高质量、高效率的焊接生产中，发挥了极其重要的作用。工业机器人技术的研究、发展与应用，有力地推动了世界工业技术的进步。近年来，焊接机器人技术的研究与应用在焊缝跟踪、信息传感、离线编程与路径规划、智能控制、电源技术、仿真技术、焊接工艺方法、遥控焊接技术等方面取得了许多突出的成果。随着计算机技术、网络技术、智能控制技术、人工智能理论以及工业生产系统的不断发展，焊接机器人技术领域还有很多亟待我们去认真研究的问题，特别是焊接机器人的视觉控制技术、模糊控制技术、智能化控制技术、嵌入式控制技术、虚拟现实技术、网络控制技术等方面将是未来研究的主要方向。一、焊接基础知识1.1、 焊接的定义及其本质焊接是通过加热、加压，或两者并用，并且用或不用填充材料，使两个分离的物体产生原子（分子）间结合的一种方法被结合的两个物体可以是各种同类或不同类的金属、非金属（石墨、陶瓷、塑料等），也可以是一种金属与一种非金属。金属等固体之所以能保持固定的形状是因为其内部原子间距（晶格距离）十分小，原子之间形成牢固的结合力。要把两个分离的金属焊件连接在一起， 从物理本质上来看就是要使这两个焊件连接表面上的原子拉近到金属晶格距离（即0.30.5nm或35）。然而，在一般情况下材料表面总是不平整的，即使经过精密磨削加工，其表面平面度仍比晶格距离大得多（约几十微米）；另外，金属表面总难免存在着氧化膜和其他污物，阻碍着两分离焊件表面原子间的接近。因此，焊接过程的本质就是通过适当的物理化学过程克服这两个困难，使两个分离焊件表面的原子接近到晶格距离而形成结合力。这些物理化学过程，归结起来不外乎是用各种能量加热和用各种方法加压两类。1.2、 焊接工艺的发展历史焊接技术是随着金属的应用而出现的，古代的焊接方法主要是铸焊、钎焊和锻焊。中国商朝制造的铁刃铜钺，就是铁与铜的铸焊件，其表面铁与铜的熔合线蜿蜒曲折，结合良好。春秋战国时期曾侯乙墓中的建古铜座上有许多盘龙，是分段钎焊连接而成的。经分析，所用的与现代钎料成分相近。战国时期制造的刀剑，刀刃为钢，刀背为熟铁，一般是经过加热锻焊而成的。据明朝宋应星所著天工开物一书记载：中国古代将铜与铁一起入炉加热，经锻打制造刀、斧；用黄泥或筛细的陈久壁土撒在接口上，分段锻造大型船锚。到公元7世纪唐代时，已应用锡钎焊和银钎焊来焊接了这比欧洲国家要早10个世纪。古代焊接技术长期停留在铸焊、锻焊和钎焊的水平上，使用的热源都是炉火，温度低、能量不集中，无法用于大截面、长焊缝工件的焊接，只能用以制作装饰品、简单的工具和武器。然而，目前工业生产中广泛应用的焊接方法却是19世纪末和20世纪初现代科学技术发展的产物。特别是冶金学、金属学以及电工学的发展，奠定了焊接工艺及设备的理论基础；而冶金工业、电力工业和电子工业的进步，则为焊接技术的长远发展提供了有利的物质和技术条件。19世纪初，英国的戴维斯发现电弧和氧乙炔焰两种能局部熔化金属的高温热源；1885 1887年，俄国的别纳尔多斯发明碳极电弧焊钳；1900年又出现了铝热焊。20世纪初，碳极电弧焊和气焊得到应用，同时还出现了薄药皮焊条电弧焊，电弧比较稳定，焊接熔池受到熔渣保护，焊接质量得到提高，使手工电弧焊进入实用阶段，电弧焊从20 年代起成为一种重要的焊接方法。在此期间，美国的诺布尔利用电弧电压控制焊条送给速度，制成自动电弧焊机，从而成为焊接机械化、自动化的开端。1930年美国的罗宾诺夫发明使用焊丝和焊剂的埋弧焊，焊接机械化得到进一步发展。40年代，为适应铝、镁合金和合金钢焊接的需要，钨极和熔化极惰性气体保护焊相继问世。1951年苏联的巴顿电焊研究所创造了电渣焊，成为大厚度工件的高效焊接法。1953年，苏联的柳巴夫斯基等人发明了二氧化碳气体保护焊，促进了气体保护电弧焊的应用和发展，如出现了混合气体保护焊、药芯焊丝气渣联合保护焊和自保护电弧焊等。1957年美国的盖奇发明了等离子弧焊；40年代德国和法国发明的电子束焊，也在50年代得到了实用和进一步的发展；60年代又出现激光焊。等离子弧焊、电子束焊和激光焊等焊接方法的出现，标志着高能量高密度熔焊的新发展，大大改善了材料的焊接性，使许多难以用其他方法焊接的材料和结构得以焊接。其他的焊接技术还有，1887年美国的汤普森发明电阻焊，并发明用于薄板的点焊和缝焊；缝焊是压焊中最早的半机械化焊接方法，随着缝焊过程的进行，工件被两滚轮推送前进；20世纪20年代开始使用闪光对焊方法焊接棒材和链条。至此电阻焊进入实用阶段。1956年，美国的琼斯发明了超声波焊；苏联的丘季科夫发明了摩擦焊；1959年，美国斯坦福研究所研究成功爆炸焊；50年代末苏联又制成真空扩散焊设备1.3、 概述焊接方法的分类及特点目前，在工业生产中应用的焊接方法已达百余种。根据它们的焊接过程特点可将其分为熔焊、压焊和钎焊三大类，每大类又可按不同的方法细分为若干小类，如图所示。基本焊接方法熔焊压焊气焊铝热焊电渣焊电子束焊锻焊冷压焊超声波焊电阻焊扩散焊摩擦焊氧氢空气乙炔熔化极非熔化极点焊缝焊凸焊对焊焊条电弧焊埋弧焊氩弧焊CO2电弧焊螺柱焊钨极氩弧焊等离子弧焊原子氢焊火焰钎焊感应钎焊炉中钎焊盐浴钎焊电子束钎焊钎焊电弧焊氧乙炔爆炸焊- （1）熔焊 将待焊处的母材金属熔化以形成焊缝的焊接方法称为熔焊。实现熔焊的关键是要有一个能量集中、温度足够高的局部热源。若温度不够高，则无法使材料熔化；而能量集中程度不够，则会加大热作用区的范围，徒然增加能量损耗。按所使用热源的不同，熔焊可分为以下一些基本方法：电弧焊（以气体导电时产生的电弧热为热源，以电极是否熔化为特征分为熔化极电弧焊和非熔化极电弧焊两大类）、气焊（以乙炔或其他可燃气体在氧中燃烧的火焰为热源）、铝热焊（以铝热剂的放热反应产生的热为热源）、电渣焊（以熔渣导电时产生的电阻热为热源）、电子束焊（以高速运动的电子流撞击焊件表面所产生的热为热源）、激光焊（以激光束照射到焊件表面而产生的热为热源）等若干种。在熔焊时，为了避免焊接区的高温金属与空气相互作用而使性能恶化，在焊接区要实施保护。保护的方法通常有造渣、通以保护气和抽真空三种。因此，保护形式常常是区分熔焊方法的另一种特征。（2）压焊 焊接过程中，必须焊件施加压力（加热或不加热），以完成焊接的方法称为压焊。为了降低加压时材料的变形抗力，增加材料的塑性，压焊时在加压的同时常伴随加热措施。按所施加焊接能量的不同，压焊的基本方法可分为：电阻焊（包括点焊、缝焊、凸焊、对焊）、摩擦焊、超声波焊、扩散焊、冷压焊、爆炸焊和锻焊等。 （3）钎焊 采用比母材熔点低的金属材料作钎料，将焊件和钎料加热到高于钎料熔点，低于母材熔化温度，利用液态钎料润湿母材，填充接头间隙并与母材相互扩散实现连接焊件的焊接方法称为钎焊。钎焊时，通常要清洁焊件表面污物，增加钎料的润湿性，这就需要采用钎剂。钎焊时也必须加热熔化钎料（但焊件不熔化）。按热源的不同可分为火焰钎焊（以乙炔在氧中燃烧的火焰为热源）、感应钎焊（以高频感应电流流过焊件产生的电阻热为热源）、电阻钎焊（以电阻辐射热为热源）、盐浴钎焊（以高温盐溶液为热源）和电子束钎焊等。也可按钎料的熔点不同分为硬钎焊（熔点450以上）和软钎焊（熔点在450以下）两类。钎焊时通常要进行保护，如抽真空、通保护气体和使用钎剂等。1.4、 焊接在现代工业中的地位在现在工业中，金属是不可缺少的重要材料。高速行驶的汽车、火车、载重万吨至几十万吨的轮船、耐腐耐压的化工设备以至宇宙飞行器等都离不开金属材料。在这些工业产品的制造过程中，需要把各种各样加工好的零件按设计要求连接起来制成产品，焊接就是将这些零件连接起来的一种加工方法。据不完全统计，目前全世界年产量45%的钢和大量有色金属，都是通过焊接加工形成产品的。特别是焊接技术发展到今天，几乎所有部门（如机械制造、石油化工、交通能源、冶金、电子、航空航天等）都离不开焊接技术。因此可以这样说，焊接技术的发展水平是衡量一个国家科学技术先进程度的重要标志之一，没有现代焊接技术的发展，就不会有现代工业和科学技术的今天。随着工业生产的发展，对焊接技术提出了多种多样的要求。如对焊接产品的使用方面，提出了动载、强韧、高压、高温、低温和耐蚀等项要求；从焊接产品结构形式上，提出了焊接厚壁零件到精密零件的要求；从焊接材料的选择上，提出了焊接各种黑色金属和有色金属的要求。二、焊接机器人的发展 据不完全统计，全世界在役的工业机器人中大约有将近一半的工业机器人用于各种形式的焊接加工领域，焊接机器人应用中最普遍的主要有两种方式，即点焊和电弧焊。我们所说的焊接机器人其实就是在焊接生产领域代替焊工从事焊接任务的工业机器人。这些焊接机器人中有的是为某种焊接方式专门设计的，而大多数的焊接机器人其实就是通用的工业机器人装上某种焊接工具而构成的。在多任务环境中，一台机器人甚至可以完成包括焊接在内的抓物、搬运、安装、焊接、卸料等多种任务，机器人可以根据程序要求和任务性质，自动更换机器人手腕上的工具，完成相应的任务。因此，从某种意义上来说，工业机器人的发展历史就是焊接机器人的发展历史。2.1、 焊接机器人国内外应用现状从机器人诞生到本世纪80年代初，机器人技术经历了一个长期缓慢的发展过程。到了90年代，随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展，机器人技术也得到了飞速发展。工业机器人的制造水平、控制速度和控制精度、可靠性等不断提高，而机器人的制造成本和价格却不断下降。在西方社会，和机器人价格相反的是，人的劳动力成本有不断增长的趋势。把1990年的机器人价格指数和劳动力成本指数都作为参考值100，至2000年，劳动力成本指数为140，增长了40%；而机器人在考虑质量因素的情况下价格指数低于20，降低了80%，在不考虑质量因素的情况下，机器人的价格指数约为40，降低了60%.这里，不考虑质量因素的机器人价格是指现在的机器人实际价格与过去相比较；而考虑质量因素是指由于机器人制造工艺技术水平的提高，机器人的制造质量和性能即使在同等价格的条件下也要比以前高，因此，如果按过去的机器人同等质量和性能考虑，机器人的价格指数应该更低。由此可以看出，在西方国家，由于劳动力成本的提高为企业带来了不小的压力，而机器人价格指数的降低又恰巧为其进一步推广应用带来了契机。减少员工与增加机器人的设备投资，在两者费用达到某一平衡点的时候，采用机器人的利显然要比采用人工所带来的利大，它一方面可大大提高生产设备的自动化水平，从而提高劳动生产率，同时又可提升企业的产品质量，提高企业的整体竞争力。虽然机器人一次性投资比较大，但它的日常维护和消耗相对于它的产出远比完成同样任务所消耗的人工费用小。因此，从长远看，产品的生产成本还会大大降低。而机器人价格的降低使一些中小企业投资购买机器人变得轻而易举。因此，工业机器人的应用在各行各业得到飞速发展。根据UNECE的统计，2001年全世界有75万台工业机器人用于工业制造领域，其中38.9万在日本、19.8万在欧盟、9万在北美，7.3万在其余国家。至2004年底全世界在役的工业机器人至少有约100万。我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步，目前已基本掌握了机器人操作机的设计国的工业机制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人；弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如：可靠性低于国外产品；机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距；应用规模小，没有形成机器人产业。当前我国的机器人生产都是应用户的要求，单户单次重新设计，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模块化设计，积极推进产业化进程。2.2、 焊接机器人在焊接生产中的应用众所周知，焊接加工一方面要求焊工要有熟练的操作技能、丰富的实践经验、稳定的焊接水平；另一方面，焊接又是一种劳动条件差、烟尘多、热辐射大、危险性高的工作。工业机器人的出现使人们自然而然首先想到用它代替人的手工焊接，减轻焊工的劳动强度，同时也可以保证焊接质量和提高焊接效率。然而，焊接又与其它工业加工过程不一样，比如，电弧焊过程中，被焊工件由于局部加热熔化和冷却产生变形，焊缝的轨迹会因此而发生变化。手工焊时有经验的焊工可以根据眼睛所观察到的实际焊缝位置适时地调整焊枪的位置、姿态和行走的速度，以适应焊缝轨迹的变化。然而机器人要适应这种变化，必须首先像人一样要“看”到这种变化，然后采取相应的措施调整焊枪的位置和状态，实现对焊缝的实时跟踪。由于电弧焊接过程中有强烈弧光、电弧噪音、烟尘、熔滴过渡不稳定引起的焊丝短路、大电流强磁场等复杂的环境因素的存在，机器人要检测和识别焊缝所需要的信号特征的提取并不像工业制造中其它加工过程的检测那么容易，因此，焊接机器人的应用并不是一开始就用于电弧焊过程的。实际上，工业机器人在焊接领域的应用最早是从汽车装配生产线上的电阻点焊开始的。原因在于电阻点焊的过程相对比较简单，控制方便，且不需要焊缝轨迹跟踪，对机器人的精度和重复精度的控制要求比较低。点焊机器人在汽车装配生产线上的大量应用大大提高了汽车装配焊接的生产率和焊接质量，同时又具有柔性焊接的特点，即只要改变程序，就可在同一条生产线上对不同的车型进行装配焊接。工业机器人的结构形式很多，常用的有直角坐标式、柱面坐标式、球面坐标式、多关节坐标式、伸缩式、爬行式等等，根据不同的用途还在不断发展之中。焊接机器人根据不同的应用场合可采取不同的结构形式，但目前用得最多的是模仿人的手臂功能的多关节式的机器人，这是因为多关节式机器人的手臂灵活性最大，可以使焊枪的空间位置和姿态调至任意状态，以满足焊接需要。理论上讲，机器人的关节愈多，自由度也愈多，关节冗余度愈大，灵活性愈好；但同时也给机器人逆运动学的坐标变换和各关节位置的控制带来复杂性。因为焊接过程中往往需要把以空间直角坐标表示的工件上的焊缝位置转换为焊枪端部的空间位置和姿态，再通过机器人逆运动学计算转换为对机器人每个关节角度位置的控制，而这一变换过程的解往往不是唯一的，冗余度愈大，解愈多。如何选取最合适的解对机器人焊接过程中运动的平稳性很重要。不同的机器人控制系统对这一问题的处理方式不尽相同。一般来讲，具有6个关节的机器人基本上能满足焊枪的位置和空间姿态的控制要求，其中3个自由度(XYZ)用于控制焊枪端部的空间位置，另外3个自由度(ABC)用于控制焊枪的空间姿态。因此，目前的焊接机器人多数为6关节式的。对于有些焊接场合，工件由于过大或空间几何形状过于复杂，使焊接机器人的焊枪无法到达指定的焊缝位置或焊枪姿态，这时必须通过增加13个外部轴的办法增加机器人的自由度。通常有两种做法：一是把机器人装于可以移动的轨道小车或龙门架上，扩大机器人本身的作业空间；二是让工件移动或转动，使工件上的焊接部位进入机器人的作业空间。也有的同时采用上述两种办法，让工件的焊接部位和机器人都处于最佳焊接位置。由于机器人控制速度和精度的提高，尤其是电弧传感器的开发并在机器人焊接中得到应用，使机器人电弧焊的焊缝轨迹跟踪和控制问题在一定程度上得到很好解决，机器人焊接在汽车制造中的应用从原来比较单一的汽车装配点焊很快发展为汽车零部件和装配过程中的电弧焊。机器人电弧焊的最大的特点是柔性，即可通过编程随时改变焊接轨迹和焊接顺序，因此最适用于被焊工件品种变化大、焊缝短而多、形状复杂的产品。这正好又符合汽车制造的特点。尤其是现代社会汽车款式的更新速度非常快，采用机器人装备的汽车生产线能够很好地适应这种变化。另外，机器人电弧焊不仅用于汽车制造业，更可以用于涉及电弧焊的其它制造业，如造船、机车车辆、锅炉、重型机械等等。因此，机器人电弧焊的应用范围日趋广泛，在数量上大有超过机器人点焊之势。2.3、 焊接机器人的编程方法焊接机器人的编程方法目前还是以在线示教方式(Teach-in)为主，但编程器的界面比过去有了不少改进，尤其是液晶图形显示屏的采用使新的焊接机器人的编程界面更趋友好、操作更加易。然而机器人编程时焊缝轨迹上的关键点坐标位置仍必须通过示教方式获取，然后存入程序的运动指令中。这对于一些复杂形状的焊缝轨迹来说，必须花费大量的时间示教，从而降低了机器人的使用效率，也增加了编程人员的劳动强度。目前解决的方法有2种：一是示教编程时只是粗略获取几个焊缝轨迹上的几个关键点，然后通过焊接机器人的视觉传感器(通常是电弧传感器或激光视觉传感器)自动跟踪实际的焊缝轨迹。这种方式虽然仍离不开示教编程，但在一定程度上可以减轻示教编程的强度，提高编程效率。但由于电弧焊本身的特点，机器人的视觉传感器并不是对所有焊缝形式都适用。二是采取完全离线编程的办法，使机器人焊接程序的编制、焊缝轨迹坐标位置的获取、以及程序的调试均在一台计算机上独立完成，不需要机器人本身的参与。机器人离线编程早在多年以前就有，只是由于当时受计算机性能的限制，离线编程软件以文本方式为主，编程员需要熟悉机器人的所有指令系统和语法，还要知道如何确定焊缝轨迹的空间位置坐标，因此，编程工作并不轻松省时。随着计算机性能的提高和计算机三维图形技术的发展，如今的机器人离线编程系统多数可在三维图形环境下运行，编程界面友好、方便，而且，获取焊缝轨迹的坐标位置通常可以采用“虚拟示教”(virtual Teach-in)的办法，用鼠标轻松点击三维虚拟环境中工件的焊接部位即可获得该点的空间坐标；在有些系统中，可通过CAD图形文件中事先定义的焊缝位置直接生成焊缝轨迹，然后自动生成机器人程序并下载到机器人控制系统。从而大大提高了机器人的编程效率，也减轻了编程员的劳动强度。目前，国际市场上已有基于普通PC机的商用机器人离线编程软件。如Workspace5、RobotStudio等。图9所示为笔者自行开发的基于PC的三维可视化机器人离线编程系统。该系统可针对ABB公司的IRB140机器人进行离线编程，程序中的焊缝轨迹通过虚拟示教获得，并在三维图形环境中可让机器人按程序中的轨迹作模拟运动，以此检验其准确性和合理性。所编程序可通过网络直接下载给机器人控制器。2.4、 焊接机器人技术的研究现状 机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，当前对机器人技术的研究十分活跃。从目前国内外研究现状来看，焊接机器人技术研究主要集中在焊缝跟踪技术、离线编程与路径规划技术、多机器人协调控制技术、专用弧焊电源技术、焊接机器人系统仿真技术、机器人用焊接工艺方法、遥控焊接技术等七个方面。2.4.1、 焊缝跟踪技术的研究 焊接机器人施焊过程中，由于焊接环境各种因素的影响，如：强弧光辐射、高温、烟尘、飞溅、坡口状况、加工误差、夹具装夹精度、表面状态和工件热变形等，实际焊接条件的变化往往会导致焊炬偏离焊缝，从而造成焊接质量下降甚至失败。焊缝跟踪技术的研究就是根据焊接条件的变化要求弧焊机器人能够实时检测出焊缝的偏差，并调整焊接路径和焊接参数，保证焊接质量的可靠性。焊缝跟踪技术的研究以传感器技术与控制理论方法为主,其中传感技术的研究又以电弧传感器和光学传感器为主。电弧传感器是从焊接电弧自身直接提取焊缝位置偏差信号，实时性好，焊枪运动灵活，符合焊接过程低成本自动化的要求，适用于熔化极焊接场合。电弧传感的基本原理是利用焊炬与工件距离的变化而引起的焊接参数变化，来探测焊炬高度和左右偏差。电弧传感器一般分为三类：并列双丝电弧传感器、摆动电弧传感器、旋转式扫描电弧传感器，其中旋转电弧传感器比前两者的偏差检测灵敏度高，控制性能较好。光学传感器的种类很多，主要包括红外、光电、激光、视觉、光谱和光纤式，光学传感器的研究又以视觉传感器为主，视觉传感器所获得的信息量大，结合计算机视觉和图像处理的最新技术，大大增强弧焊机器人的外部适应能力 。激光跟踪传感具有优越的性能，成为最有前途、发展最快的焊接传感器。另一方面，由于近代模糊数学和神经网络的出现以及应用到焊接这个复杂的非线性系统中，使得焊缝跟踪进入了智能焊缝跟踪的新时代。2.4.2、 离线编程与路径规划技术的研究机器人离线编程系统是机器人编程语言的拓广，它利用计算机图形学的成果，建立起机器人及其工作环境的模型，利用一些规划算法，通过对图形的控制和操作，在不使用实际机器人的情况下进行轨迹规划，进而产生机器人程序。自动编程技术的核心是焊接任务、焊接参数、焊接路径和轨迹的规划技术。针对弧焊应用，自动编程技术可以表述为在编程各阶段中，能够辅助编程者完成独立的、具有一定实施目的和结果的编程任务的技术，具有智能化程度高、编程质量和效率高等特点。离线编程技术的理想目标是实现全自动编程，即只需输入工件的模型，离线编程系统中的专家系统会自动制定相应的工艺过程，并最终生成整个加工过程的机器人程序。目前，还不能实现全自动编程，自动编程技术是当前研究的重点 。2.4.3、 多机器人协调控制技术的研究多机器人系统是指为完成某一任务由若干个机器人通过合作与协调组合成一体的系统。它包含两方面的内容，即多机器人合作与多机器人协调。当给定多机器人系统某项任务时，首先面临的问题是如何组织多个机器人去完成任务，如何将总体任务分配给各个成员机器人，即机器人之间怎样进行有效地合作。当以某种机制确定了各自任务与关系后，问题变为如何保持机器人间的运动协调一致，即多机器人协调。对于由紧耦合子任务组成的复杂任务而言，协调问题尤其突出。智能体技术是解决这一问题的最有力的工具，多智能体系统是研究在一定的网络环境中，各个分散的、相对独立的智能子系统之间通过合作，共同完成一个或多个控制作业任务的技术。多机器人焊接的协调控制是目前的一个研究热点问题 。2.4.4、 专用弧焊电源的研究在焊接机器人系统中，电器性能良好的专用弧焊电源直接影响焊接机器人的使用性能。目前，弧焊机器人一般采用熔化极气体保护焊（MIG焊、MAG焊、CO 焊）或非熔化极气体保护焊(TIG、等离子弧焊)方法，熔化极气体保护焊焊接电源主要使用晶闸管电源与逆变电源。近年来，弧焊逆变器的技术已趋于成熟，机器人用的专用弧焊逆变电源大多为单片微机控制的晶体管式弧焊逆变器，并配以精细的波形控制和模糊控制技术，工作频率在2050kHz，最高的可达200kHz，焊接系统具有十分优良的动特性，非常适合机器人自动化和智能化焊接。还有一些特殊功能的电源，如适合铝及其铝合金TIG焊的方波交流电源、带有专家系统的焊接电源等。目前有一种采用模糊控制方法的焊接电源，可以更好保证焊缝熔宽和熔深的基本一致，不仅焊缝表面美观，而且还能减少焊接缺陷。弧焊电源不断向数字化方向发展，其特点是焊接参数稳定，受网路电压波动、温升、元器件老化等因素的影响很小，具有较高的重复性，焊接质量稳定、成型良好。另外，利用DSP的快速响应，可以通过主控制系统的指令精确控制逆变电源的输出，使之具有输出多种电流波形和弧压高速稳定调节的功能，适应多种焊接方法对电源的要求 。2.4.5、 仿真技术的研究机器人在研制、设计和试验过程中，经常需要对其运动学、动力学性能进行分析以及进行轨迹规划设计，而机器人又是多自由度、多连杆空间机构，其运动学和动力学问题十分复杂，计算难度和计算机都很大。若将机械手作为仿真对象，运用计算机图形技术CAD技术和机器人学理论在计算机中形成几何图形，并动画显示，然后对机器人的机构设计、运动学正反解分析、操作臂控制以及实际工作环境中的障碍避让和碰撞干涉等诸多问题进行模拟仿真，这样就可以很好地解决研发机械手过程中出现的问题 。2.4.6、 机器人用焊接工艺方法的研究目前，弧焊机器人普遍采用气体保护焊方法，主要是熔化极气体保护焊，其次是钨极氩气保护焊，等离子弧焊、切割及机器人激光焊数量有限、比例较低。国外先进国家的弧焊机器人已普遍采用高速、高效气体保护焊接工艺，如双丝气体保护焊、T.I.M.E焊、热丝TIG焊、热丝等离子焊等先进的工艺方法，这些工艺方法不仅有效地保证了优良的焊接接头，还使焊接速度和熔敷效率提高数倍至几十倍 。2.4.7、 遥控焊接技术的研究遥控焊接是指人在离开现场的安全环境中对焊接设备和焊接过程进行远程监视和控制, 从而完成完整的焊接工作。在核电站设备的维修, 海洋工程建设以及未来的空间站建设中都要用到焊接, 这些环境中的焊接工作不适合人类亲临现场, 而目前的技术水平还不可能实现完全的自主焊接, 因此需要采用遥控焊接技术。目前美国、欧洲、日本等国对遥控焊接进行了深入的研究，国内哈尔滨工业大学也正在进行这方面的研究 。2.5、 焊接机器人最新进展随着计算机技术、微电子技术、网络技术等快速发展，机器人技术也得到了飞速发展。制造价格不断降低，而其质量与性能却在迅速提高。 1.工业机器人。工业机器人已广泛地应用于各种自动化生产线，由操作机（机械本体）、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作、自动控制，可重复编程，能在一维空间完成各种作业的机电一体化自动生产设备，工业机器人包括模仿人类关节结构的关节型工业型机器人、直角坐标型机器人、圆柱坐标型机器人、球坐标型机器人、喷漆机器人、焊接机器人等等。（1）机器人操作机：通过有限元分析、模态分析及仿真设计等现代设计方法，机器人操作机已实现了优化设计。（2）并联机器人：采用并联机构，利用机器人技术，实现高精度测量及加工，这是机器人技术向数控技术的拓展，为将来实现机器人和数控技术一体化奠定了基础。（3）控制系统：控制系统的性能进一步提高，已由过去控制标准的6轴机器人发展到现在能够控制21轴甚至27轴，并且实现了软件伺服和全数字控制。（4）传感系统：激光传感器、视觉传感器和力传感器在机器人系统中已得到成功应用，并实现了焊缝自动跟踪和自动化生产线上物体的自动定位以及精密装配作业等，大大提高了机器人的作业性能和对环境的适应性。日本KAWASALI、YASKAWA、FANLC和瑞典ABB、德国KLKA、BEIS等公司都推出了该类产品。 2.先进机器人。近年来，人类活动领域不断扩大，机器人应用也从制造领域向非制造领域发展。在海洋开发，消防、战斗系统，宇宙探测，采掘，建筑，医疗服务，娱乐等行业都提出了自动化和机器人化的要求，如核事故机器人、医用机器人、消防机器人、仿生机器人、军用机器人、太空机器人等。 三、焊接机器人的发展趋势3.1、 焊接机器人的发展趋势目前国际机器人界都在加大科研力度，进行机器人共性技术的研究。从机器人技术发展趋势看，焊接机器人和其它工业机器人一样，不断向智能化和多样化方向发展。具体而言，表现在如下几个方面：3.1.1、 机器人操作机结构：通过有限元分析、模态分析及仿真设计等现代设计方法的运用，实现机器人操作机构的优化设计。探索新的高强度轻质材料，进一步提高负载/自重比。例如，以德国KUKA公司为代表的机器人公司，已将机器人并联平行四边形结构改为开链结构，拓展了机器人的工作范围，加之轻质铝合金材料的应用，大大提高了机器人的性能。此外采用先进的RV减速器及交流伺服电机，使机器人操作机几乎成为免维护系统。机构向着模块化、可重构方向发展。例如，关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机；国外已有模块化装配机器人产品问市。机器人的结构更加灵巧，控制系统愈来愈小，二者正朝着一体化方向发展。采用并联机构，利用机器人技术，实现高精度测量及加工，这是机器人技术向数控技术的拓展，为将来实现机器人和数控技术一体化奠定了基础。意大利COMAU公司，日本FANUC等公司已开发出了此类产品。3.1.2、 机器人控制系统：重点研究开放式，模块化控制系统。向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。控制系统的性能进一步提高，已由过去控制标准的6轴机器人发展到现在能够控制21轴甚至27轴，并且实现了软件伺服和全数字控制。人机界面更加友好，语言、图形编程界面正在研制之中。机器人控制器的标准化和网络化，以及基于PC机网络式控制器已成为研究热点。编程技术除进一步提高在线编程的可操作性之外，离线编程的实用化将成为研究重点，在某些领域的离线编程已实现实用化。3.1.3、 机器人传感技术：机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了激光传感器、视觉传感器和力传感器，并实现了焊缝自动跟踪和自动化生产线上物体的自动定位以及精密装配作业等，大大提高了机器人的作业性能和对环境的适应性。遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制。为进一步提高机器人的智能和适应性，多种传感器的使用是其问题解决的关键。其研究热点在于有效可行的多传感器融合算法，特别是在非线性及非平稳、非正态分布的情形下的多传感器融合算法。另一问题就是传感系统的实用化。3.1.4、 网络通信功能：日本YASKAWA和德国KUKA公司的最新机器人控制器已实现了与Canbus、Profibus总线及一些网络的联接，使机器人由过去的独立应用向网络化应用迈进了一大步，也使机器人由过去的专用设备向标准化设备发展。3.1.5、 机器人遥控和监控技术在一些诸如核辐射、深水、有毒等高危险环境中进行焊接或其它作业，需要有遥控的机器人代替人去工作。当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。多机器人和操作者之间的协调控制，可通过网络建立大范围内的机器人遥控系统，在有时延的情况下，建立预先显示进行遥控等。3.1.6、 虚拟机器人技术：虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。基于多传感器、多媒体和虚拟现实以及临场感技术，实现机器人的虚拟遥操作和人机交互。3.1.7、 机器人性能价格比：机器人性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修)，而单机价格不断下降。由于微电子技术的快速发展和大规模集成电路的应用，使机器人系统的可靠性有了很大提高。过去机器人系统的可靠性MTBF一般为几千小时，而现在已达到5万小时，可以满足任何场合的需求。3.1.8、 多智能体调控技术：这是目前机器人研究的一个崭新领域。主要对多智能体的群体体系结构、相互间的通信与磋商机理，感知与学习方法，建模和规划、群体行为控制等方面进行研究。近年来，人类的活动领域不断扩大，机器人应用也从制造领域向非制造领域发展。像海洋开发、宇宙探测、采掘、建筑、医疗、农林业、服务、娱乐等行业都提出了自动化和机器人化的要求。这些行业与制造业相比，其主要特点是工作环境的非结构化和不确定性，因而对机器人的要求更高，需要机器人具有行走功能，对外感知能力以及局部的自主规划能力等，是机器人技术的一个重要发展方向。可以预见，在21世纪各种先进的机器人系统将会进入人类生活的各个领域，成为人类良好的助手和亲密的伙伴。3.2、 焊接机器人的技术展望为了适应工业生产系统向大型、复杂、动态和开放方向发展的需要，国际机器人界都在加大科研力度，对机器人技术进行深入研究。从机器人技术发展趋势看，智能化控制技术将是焊接机器人技术发展的主要方向。3.2.1、 视觉控制技术焊接机器人视觉控制技术是通过对焊接区图像进行采集，产生视频信号送至图像处理机，对图像进行快速处理并提取跟踪特征参量，进行数据识别和计算，通过逆运动学求解得到机器人各关节位置给定值，最后控制高精度的末端执行机构，调整机器人的位姿。视觉控制的关键在于视觉测量，在焊接过程中视觉技术分为直接视觉传感和间接视觉传感二种形式。直接视觉传感技术是一种常用的非接触式传感形式，其主要优点是不接触工件，不干扰正常的焊接过程，获取的信息量大，通用性强。早先，研究人员直接利用电弧光照射熔池前方的工件间隙获取焊接区焊缝信息，根据熔池前方不同远近处电弧光强度的闪烁来实现焊接过程中的焊缝跟踪；典型的例子是利用带有CCD摄像机的微型计算机控制系统对焊接熔池行为进行观察和控制；现在，基于激光三角形的视觉系统具有高度的灵活性，价格低，精度高，获取信息能力强，且不受周围噪声和电弧产生的高温影响，其获得的信息可以用于多种自适应功能。弧焊中使用激光视觉系统可以抗电弧辐射、火焰、热金属飞溅、振动、冲击和高温，这种传感器正在成为智能自适应焊接机器人焊接优先选用的视觉系统 。3.2.2、 模糊控制技术由于焊接机器人系统具有非线性和时变特点，难以用精确的数学模型进行描述，用传统的控制方法难以实现最佳控制，而模糊控制具有自适应和鲁棒性等特点，它为机器人焊接控制提供了一个理想的控制方法。模糊控制是智能控制的较早形式，它吸取了人的思维具有模糊性的特点，使用模糊数学中的隶属函数、模糊关系、模糊推理和决策等工具，巧妙地综合了人们的直觉经验，从而在其他经典控制理论和现代控制理论不太奏效的场合能够实现较满意的控制。将模糊控制理论和实际焊接过程相结合，发展成为专用焊接控制器，进一步发展成为了通用型焊接模糊控制器。模糊控制具有较完善的控制规则，但模糊控制综合定量知识的能力较差，当对象动态特性发生变化，或者受到随机干扰的影响都会影响模糊控制的效果。因此，在模糊控制理论方面，人们对常规模糊控制进行了改进，设计了一些高性能模糊控制器，有效解决精度较低、自适应能力有限及设备产生振荡现象等问题 。3.2.3、 神经网络控制技术神经网络控制是研究和利用人脑的某些结构、机理以及人的知识和经验对系统进行控制，它是神经网络作为人工智能的一种途径在控制领域的渗透。用神经网络设计的控制系统适应性、鲁棒性均较好，能处理时变、多因素、非线性等复杂焊接过程的控制问题。人工神经网络具有很强的自学习、自适应能力，信息存储量大，容错性好，能够实现并行联想搜索解空间和完成自适应推理，提高智能系统的智能水平、知识处理能力及强壮性。因此，在机器人焊接质量控制中可采用神经网络建立焊接过程模型从而解决线性控制方法所不能克服的问题，弥补传统专家系统以及模糊控制的不足，现在焊接机器人神经网络控制系统中使用较多的是前馈式多层神经网络 。3.2.4、 嵌入式控制技术嵌入式系统以其小型、专用、易携带、可靠性高的特点，已经在焊接机器人控制领域得到了应用,嵌入式控制系统具备网络和人机交互能力，可以取代以往基于微处理器的控制方式。嵌入式控制器具有液晶显示器，可以替代CRT显示器在控制系统中所扮演的角色，键盘响应也具有很高的实时性，满足信息的输入和对控制系统的干预等工作。经实验和实际应用表明，嵌入式控制器比基本的模糊控制器具有更好的控制性能。嵌入式为焊接工艺的在线监测提供了新的技术方法，它能确保焊接质量“零缺陷”的目标得以实现。3.3、 焊接机器人未来研究的热点及发展方向1. 工业机器人性能不断提高，而单机价格不断下降。 2. 机械结构向模块化、可重构化发展。 3. 工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化。 4. 机器人中的多传感器系统日益重要。 5. 虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制。 6. 微型和微小机器人技术是机器人研究的一个新领域和重点发展方向。 7. 当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自动系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。 8. 机器人化机械研究开发包括并联机构机床（VMT）与机器人化加工中心(RVIC)的开发研究，以及机器人化无人值守和具有自适应能力的多机遥控操作的人型散料输送设备的研究开发。这种开发的新型装置已成为国防研究的热点之一。结论 挑战与对策进入21世纪，世界经济结构正在发生重大而深刻的变革，但制造业依然是世界各发达与发展中国家加快经济发展、提高国家综合竞争力的重要途径。我国是一个制造业大国，尚处于工业化进程之中，在未来相当长的时期里，制造业仍将在国民经济中占主导地位。在新一轮国际产业结构调整中，我国正逐步成为世界最重要的制造业基地之一。然而目前我国装备制造业的整体水平与发达国家相比尚有较大的差距，尤其是在战略必争装备技术与竞争前核心技术、基础制造装备与成套关键装备制造技术等方面差距更大，这种差距又主要体现在先进装备的自主设计与独立制造能力差，成套与系统集成、优化能力差，技术创新和集成创新能力差。这些差距已经成为制约我国制造业乃至其他行业经济发展的关键瓶颈问题之一。21世纪基础制造装备的水平主要体现在高精度、高效率、低成本和高柔性等几个方面。高效率、高精度工艺的一个典型例子是精密成形技术，其目的是尽量减少切削，甚至免除切削，减少原材料的浪费，同时提高制造效率。精密成形技术在工业发达国家已得到广泛应用。柔性自动化仍是机床业发展的重要趋势之一。柔性自动化的进一步发展是敏捷生产设备。为适应敏捷生产模式，人们正在探求设备自身的结构重组以及生产单元的动态重组问题。另外，国外在大型、成套装备方面有很大优势，并且在成套装备的高技术化方面，取得了巨大的进展，已经实现了数控化、柔性自动化，并大量采用工业机器人，正向着智能化、集成化的方向发展。随着我国贸易溶入全球化，我国装备制造业从来没有像今天这样直接地面对国际同行的有力竞争和挑战。如何适应激烈的国际竞争和快速变化的世界市场需求，不断以高质量、低成本、快速响应的手段在新的市场竞争中求得生存和发展，已是我国装备制造业不容回避的问题。同时溶入全球化也为我们提供了前所未有的机遇，我们必须抓住机遇迎头赶上。在“十五”期间，我国曾把包括焊接机器人在内的示教再现型工业机器人的产业化关键技术作为重点研究内容之一，其中包括焊接机器人(把弧焊与点焊机器人作为负载不同的一个系列机器人，可兼作弧焊、点焊、搬运、装配、切割作业)产品的标准化、通用化、模块化、系列化设计；弧焊机器人用激光视觉焊缝跟踪装置的开发，激光发射器的选用，CCD成象系统，视觉图象处理技术，视觉跟踪与机器人协调控制；焊接机器人的离线示教编程及工作站系统动态仿真等。在新的历史时期，面对新的机遇和挑战，只有一方面紧跟世界科技发展的潮流，研究与开发具有自主知识产权的基础制造装备；另一方面，仍然通过引进和消化，吸收一些现有的先进技术，踩在别人的肩膀上，尽快缩短和别人的差距。并通过应用研究和二次开发，实现技术创新和关键设备的产业化，提高我国制造业在国际竞争舞台上的地位。参考文献【1】 雷世明主编