焊接机器人在智能制造中应用

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摘要：随着科技的进步，智能制造加快了进程。焊接机器人集数控、计算机、电子技术于一身，是一种新型焊接方式。焊接机器人的出现，不仅提升了焊接的品质及效率，也改善了工人的劳动强度、有效地控制了企业的生产成本。本文通过对焊接机器人的需求和分类分析提出了其在智能制造中的应用及其未来发展，以期推进智能制造的发展。

关键词：焊接机器人；智能制造；技术

0引言

焊接工作是制造业不可缺少的工作，工作环境恶劣，工作强度大，对职业技能要求严格，对操作人员有潜在危害。在这种背景下，焊接机器人应运而生。它的出现有效地解决了供需矛盾，可以节省大量的人力物力，使操作者能够全身心投入到更多的创造性工作中。从上世纪60年代开始，它得到了发展并逐步投入使用，其关键技术不断完善，使其具有性能稳定、加工精度高、生产效率高等优点。

1焊接机器人需求分析

在科技变革的浪潮中，机器人产业已成为各国关注和竞争的焦点。当前，我国制造业正处于转型升级阶段，需要提高质量和效益。同时，随着劳动力成本的不断上升，“机器换人”现象在工业领域屡见不鲜。在劳动力成本高企的压力下，利用工业机器人改造智能制造已成为发展趋势，也是我国制造业的主要战略之一。焊接机器人起源于20世纪60年代的通用汽车产线，随后，这种焊接方式在美国迅速传播，并快速传播至欧洲、日本等国家。中国市场方面，一汽公司在1984年从德国引进了3台库卡点焊机器人，拉开了中国使用机器人焊接的序幕；20世纪90年代，各个汽车公司都认识到工业机器人在生产应用的好处，开始规模化的引进机器人。焊接机器人是在工业机器人的末轴装接焊钳或焊枪，使之能从事工业焊接工作，主要包括机器人和焊接设备两部分。其中，机器人部分由机器人本体和控制柜（硬件及软件）组成；焊接设备部分由焊接电源（包括其控制系统）、送丝机（弧焊）、焊枪（钳）等部分组成。焊接机器人是焊接自动化的革命性进步，开拓了一种柔性自动化新方式，其主要优点体现在以下几点：①稳定和提高焊接质量，保证焊接产品的均一性。采用焊机机器人焊接时，对于每条焊缝、焊点的焊接参数都是恒定的，焊接质量受人的因素影响较小，降低了对工人操作技术的要求，因此焊接质量是稳定的。②提高焊接生产率。相较于工人，焊接机器人没有疲劳度，可连续一天24小时工作；此外，随着高速高效焊接技术的应用，使用焊接机器人进行焊接工作，销量提高更加明显。③可在有害环境下长期工作，改善了工人劳动条件。④降低了对工人操作技术要求，可实现批量产品焊接自动化。⑤产品周期明确，容易控制产品质量、产量、存货等。机器人的生产节拍是固定的，可以将生产计划安排的非常明确。

2焊接机器人分类

2.1按自动化技术发展程度分类

自动化技术发展程度不同，可以将焊接机器人分为三类：①示教再现型机器人，由操作者将完成某项作业所需的信息通过直接或间接的方式对机器人进行“示教”，由记忆单元将示教过程进行记录，再在一定的精度范围内，重复再现被示教的内容；②具有一定智能、能够通过传感手段对环境进行一定程度的感知，并根据感知到的信息对机器人作业内容进行适当的反馈控制，对焊枪对中情况、焊接状态等进行修正，采用接触式传感、结构光视觉等方法实现焊缝自动寻位与自动跟踪；③除了具有一定的感知能力外，还具有一定的决策和规划能力，例如能够利用计算机处理传感结果并对焊接任务进行规划。

2.2按性能指标分类

按照机器人性能指标的不同，可将其分为五种：超大型焊接机器人、大型焊接机器人、中型焊接机器人、小型焊接机器人、超小型焊接机器人。详见表1。

2.3按照机器人作业中所采用的焊接方法分类

2.3.1点焊机器人。具有有效载荷大、工作空间大的特点，配备有专用的点焊枪，并能实现灵活准确的运动，以适应点焊作业的要求，其最典型的应用是用于汽车车身的自动装配生产线。2.3.2弧焊机器人。因弧焊的连续作业要求，需实现连续轨迹控制，也可利用插补功能根据示教点生成连续焊接轨迹，弧焊机器人除机器人本体、示教器与控制柜之外，还包括焊枪、自动送丝机构、焊接电源、保护气体相关部件等，根据熔化极焊接与熔化极焊接的区别，其送丝机构在安装位置和结构设计上也有不同的要求。2.3.3搅拌摩擦焊机器人。因其焊接过程中产生的振动、对焊缝施加的压力、搅拌主轴尺寸、垂向和侧向的轨迹偏转等原因对机器人提供的正压力、扭矩，以及机器人的力觉传感能力、轨迹控制能力等都提出了较高的要求。

3焊接机器人在智能制造中的主要应用

3.1焊接跟踪技术焊接机器人能因地制宜地在焊接空间中自动寻找与跟踪焊缝，对焊缝的起点与终点实施跟踪，实现焊枪能够自动的对焊缝的位置实施自适应的控制。焊缝跟踪技术的使用，能够跟踪传感电弧电压，这样就能够自动的寻找焊缝的起点与终点，并为焊接的弧长提供参考点，这样，在焊接的过程中，机器人就可以根据弧长的变化来感应焊接的起点与终点，自动的采用电弧传感器控制电压自适应的对焊接过程进行控制。这种方法可以有效的应用于角接接头的焊接方式，对于轿车的底盘零件中大量薄板搭接进行焊接，也能够有效的焊接弧长进行控制。

3.2路径规划及离线编程技术的应用

机器人离线编程主要利用计算机虚拟技术及图形技术，通过机器人能够识别的程序语言，构建一个虚拟作业的工作环境，在未使用机器人状态之下，进行空间及运动路径的模拟，从而使机器人的程序变得更加完善。科学水平的不断提升，焊接机器人智能化已经成为社会建设工作开展的必然选择。

3.3多机器人协作控制技术的应用

在实际生产的过程中，单台机器人往往不能充分发挥作用，不能同时完成多项工作，这就要求能够有多台机器人共同协调完成焊接工作，因此，对焊接机器人与变位机、弧焊电源等周边设备之间进行处理，实现焊接过程的柔性化集成，并能够进行协调控制。焊接机器人与周边设备进行柔性化协调控制，这样就可以实现多台机器人的协调工作，对于焊接技术来说，在施工的过程中，工件的焊缝总会出现在平焊、横焊、立焊等焊接位置，如果不能经过高效的处理就会影响工件的焊接品质，但是仅仅依靠调节焊接机器人的方位与焊接的姿势来进行施工，往往是很难达到满意的焊接要求，而这些焊缝对焊接品质和焊缝成形都有很大的影响，因此，在焊接的过程中，采用机器人协调控制变位机能够有效的调节机器人的焊接位置，能够有效的对弧焊电源与工装夹具进行协调控制，这样就会提高焊接的效率与焊缝的质量。

4焊接机器人未来发展

4.1融合虚拟现实技术

虚拟现实技术与焊接机器人技术融合，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叫在焊接操作之前，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。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。

4.2自学习系统

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，机器人的智能系统进行自主判断并完成思考及学习，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，逬行数据整理分析，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。

4.3多智能体系统

多智能体系统将复杂、单一的操控系统规划成具有多元化、层次化、模块化、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。

4.4多传感器融合技术

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。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、精准地完成焊接，这也将大力推动未来焊接机器人向自主化、智能化的发展。

5结语

综上所述，通过对焊接机器人技术应用在智能制作中的相关分析，认识到焊接机器人应用的能更好保证了劳动者的健康、提升焊接的品质、保证生产的效能，随着科技的不断发展，焊接机器人技术会得到更好的运用，提升智能制造的效率，为制造业发展提供更加强大的助力。

参考文献

[1]戚骁亚，刘创，富宸，等.群智进化理论及其在智能机器人中的应用[J].中国工程科学，2018（04）：101-111.

[2]杨丽娟.基于视觉传感的机器人管道焊接关键技术研究[D].南京航空航天大学，2016.

[3]孙俊缔.基于激光视觉传感的弧焊机器人系统开发[D].深圳大学，2017.

作者:胡兆东 单位:南京康尼机电股份有限公司