焊接機器人在智能制造中應(yīng)用

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摘要：隨著科技的進步，智能制造加快了進程。焊接機器人集數(shù)控、計算機、電子技術(shù)于一身，是一種新型焊接方式。焊接機器人的出現(xiàn)，不僅提升了焊接的品質(zhì)及效率，也改善了工人的勞動強度、有效地控制了企業(yè)的生產(chǎn)成本。本文通過對焊接機器人的需求和分類分析提出了其在智能制造中的應(yīng)用及其未來發(fā)展，以期推進智能制造的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：焊接機器人；智能制造；技術(shù)

0引言

焊接工作是制造業(yè)不可缺少的工作，工作環(huán)境惡劣，工作強度大，對職業(yè)技能要求嚴格，對操作人員有潛在危害。在這種背景下，焊接機器人應(yīng)運而生。它的出現(xiàn)有效地解決了供需矛盾，可以節(jié)省大量的人力物力，使操作者能夠全身心投入到更多的創(chuàng)造性工作中。從上世紀60年代開始，它得到了發(fā)展并逐步投入使用，其關(guān)鍵技術(shù)不斷完善，使其具有性能穩(wěn)定、加工精度高、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點。

1焊接機器人需求分析

在科技變革的浪潮中，機器人產(chǎn)業(yè)已成為各國關(guān)注和競爭的焦點。當前，我國制造業(yè)正處于轉(zhuǎn)型升級階段，需要提高質(zhì)量和效益。同時，隨著勞動力成本的不斷上升，“機器換人”現(xiàn)象在工業(yè)領(lǐng)域?qū)乙姴货r。在勞動力成本高企的壓力下，利用工業(yè)機器人改造智能制造已成為發(fā)展趨勢，也是我國制造業(yè)的主要戰(zhàn)略之一。焊接機器人起源于20世紀60年代的通用汽車產(chǎn)線，隨后，這種焊接方式在美國迅速傳播，并快速傳播至歐洲、日本等國家。中國市場方面，一汽公司在1984年從德國引進了3臺庫卡點焊機器人，拉開了中國使用機器人焊接的序幕；20世紀90年代，各個汽車公司都認識到工業(yè)機器人在生產(chǎn)應(yīng)用的好處，開始規(guī)模化的引進機器人。焊接機器人是在工業(yè)機器人的末軸裝接焊鉗或焊槍，使之能從事工業(yè)焊接工作，主要包括機器人和焊接設(shè)備兩部分。其中，機器人部分由機器人本體和控制柜（硬件及軟件）組成；焊接設(shè)備部分由焊接電源（包括其控制系統(tǒng)）、送絲機（弧焊）、焊槍（鉗）等部分組成。焊接機器人是焊接自動化的革命性進步，開拓了一種柔性自動化新方式，其主要優(yōu)點體現(xiàn)在以下幾點：①穩(wěn)定和提高焊接質(zhì)量，保證焊接產(chǎn)品的均一性。采用焊機機器人焊接時，對于每條焊縫、焊點的焊接參數(shù)都是恒定的，焊接質(zhì)量受人的因素影響較小，降低了對工人操作技術(shù)的要求，因此焊接質(zhì)量是穩(wěn)定的。②提高焊接生產(chǎn)率。相較于工人，焊接機器人沒有疲勞度，可連續(xù)一天24小時工作；此外，隨著高速高效焊接技術(shù)的應(yīng)用，使用焊接機器人進行焊接工作，銷量提高更加明顯。③可在有害環(huán)境下長期工作，改善了工人勞動條件。④降低了對工人操作技術(shù)要求，可實現(xiàn)批量產(chǎn)品焊接自動化。⑤產(chǎn)品周期明確，容易控制產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量、存貨等。機器人的生產(chǎn)節(jié)拍是固定的，可以將生產(chǎn)計劃安排的非常明確。

2焊接機器人分類

2.1按自動化技術(shù)發(fā)展程度分類

自動化技術(shù)發(fā)展程度不同，可以將焊接機器人分為三類：①示教再現(xiàn)型機器人，由操作者將完成某項作業(yè)所需的信息通過直接或間接的方式對機器人進行“示教”，由記憶單元將示教過程進行記錄，再在一定的精度范圍內(nèi)，重復(fù)再現(xiàn)被示教的內(nèi)容；②具有一定智能、能夠通過傳感手段對環(huán)境進行一定程度的感知，并根據(jù)感知到的信息對機器人作業(yè)內(nèi)容進行適當?shù)姆答伩刂?，對焊槍對中情況、焊接狀態(tài)等進行修正，采用接觸式傳感、結(jié)構(gòu)光視覺等方法實現(xiàn)焊縫自動尋位與自動跟蹤；③除了具有一定的感知能力外，還具有一定的決策和規(guī)劃能力，例如能夠利用計算機處理傳感結(jié)果并對焊接任務(wù)進行規(guī)劃。

2.2按性能指標分類

按照機器人性能指標的不同，可將其分為五種：超大型焊接機器人、大型焊接機器人、中型焊接機器人、小型焊接機器人、超小型焊接機器人。詳見表1。

2.3按照機器人作業(yè)中所采用的焊接方法分類

2.3.1點焊機器人。具有有效載荷大、工作空間大的特點，配備有專用的點焊槍，并能實現(xiàn)靈活準確的運動，以適應(yīng)點焊作業(yè)的要求，其最典型的應(yīng)用是用于汽車車身的自動裝配生產(chǎn)線。2.3.2弧焊機器人。因弧焊的連續(xù)作業(yè)要求，需實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，也可利用插補功能根據(jù)示教點生成連續(xù)焊接軌跡，弧焊機器人除機器人本體、示教器與控制柜之外，還包括焊槍、自動送絲機構(gòu)、焊接電源、保護氣體相關(guān)部件等，根據(jù)熔化極焊接與熔化極焊接的區(qū)別，其送絲機構(gòu)在安裝位置和結(jié)構(gòu)設(shè)計上也有不同的要求。2.3.3攪拌摩擦焊機器人。因其焊接過程中產(chǎn)生的振動、對焊縫施加的壓力、攪拌主軸尺寸、垂向和側(cè)向的軌跡偏轉(zhuǎn)等原因?qū)C器人提供的正壓力、扭矩，以及機器人的力覺傳感能力、軌跡控制能力等都提出了較高的要求。

3焊接機器人在智能制造中的主要應(yīng)用

3.1焊接跟蹤技術(shù)焊接機器人能因地制宜地在焊接空間中自動尋找與跟蹤焊縫，對焊縫的起點與終點實施跟蹤，實現(xiàn)焊槍能夠自動的對焊縫的位置實施自適應(yīng)的控制。焊縫跟蹤技術(shù)的使用，能夠跟蹤傳感電弧電壓，這樣就能夠自動的尋找焊縫的起點與終點，并為焊接的弧長提供參考點，這樣，在焊接的過程中，機器人就可以根據(jù)弧長的變化來感應(yīng)焊接的起點與終點，自動的采用電弧傳感器控制電壓自適應(yīng)的對焊接過程進行控制。這種方法可以有效的應(yīng)用于角接接頭的焊接方式，對于轎車的底盤零件中大量薄板搭接進行焊接，也能夠有效的焊接弧長進行控制。

3.2路徑規(guī)劃及離線編程技術(shù)的應(yīng)用

機器人離線編程主要利用計算機虛擬技術(shù)及圖形技術(shù)，通過機器人能夠識別的程序語言，構(gòu)建一個虛擬作業(yè)的工作環(huán)境，在未使用機器人狀態(tài)之下，進行空間及運動路徑的模擬，從而使機器人的程序變得更加完善?？茖W(xué)水平的不斷提升，焊接機器人智能化已經(jīng)成為社會建設(shè)工作開展的必然選擇。

3.3多機器人協(xié)作控制技術(shù)的應(yīng)用

在實際生產(chǎn)的過程中，單臺機器人往往不能充分發(fā)揮作用，不能同時完成多項工作，這就要求能夠有多臺機器人共同協(xié)調(diào)完成焊接工作，因此，對焊接機器人與變位機、弧焊電源等周邊設(shè)備之間進行處理，實現(xiàn)焊接過程的柔性化集成，并能夠進行協(xié)調(diào)控制。焊接機器人與周邊設(shè)備進行柔性化協(xié)調(diào)控制，這樣就可以實現(xiàn)多臺機器人的協(xié)調(diào)工作，對于焊接技術(shù)來說，在施工的過程中，工件的焊縫總會出現(xiàn)在平焊、橫焊、立焊等焊接位置，如果不能經(jīng)過高效的處理就會影響工件的焊接品質(zhì)，但是僅僅依靠調(diào)節(jié)焊接機器人的方位與焊接的姿勢來進行施工，往往是很難達到滿意的焊接要求，而這些焊縫對焊接品質(zhì)和焊縫成形都有很大的影響，因此，在焊接的過程中，采用機器人協(xié)調(diào)控制變位機能夠有效的調(diào)節(jié)機器人的焊接位置，能夠有效的對弧焊電源與工裝夾具進行協(xié)調(diào)控制，這樣就會提高焊接的效率與焊縫的質(zhì)量。

4焊接機器人未來發(fā)展

4.1融合虛擬現(xiàn)實技術(shù)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)與焊接機器人技術(shù)融合，模擬仿真焊接過程，并通過計算機將工藝過程轉(zhuǎn)化成數(shù)字化操作叫在焊接操作之前，進行模擬仿真實驗，根據(jù)不同的工作狀況，對各種焊接工藝方案進行比較，然后通過分析，選取出最優(yōu)化的方案讓機器人來進行焊接。與真實焊接相比，虛擬技術(shù)的最大優(yōu)勢在于可以方便的模擬任何訓(xùn)練科目，借助虛擬現(xiàn)實技術(shù)，可以仿真各種復(fù)雜、突發(fā)情況，從而有針對性訓(xùn)練，提高自身的應(yīng)變能力與處理相關(guān)問題的技能。

4.2自學(xué)習(xí)系統(tǒng)

智能系統(tǒng)通過對固有程序以及外部環(huán)境的感知，在不需要任何人員示教的基礎(chǔ)上，機器人的智能系統(tǒng)進行自主判斷并完成思考及學(xué)習(xí)，使人工編程、程序輸入的工作量大幅降低，且在工序復(fù)雜及工作量大的情況下實現(xiàn)準確、高效焊接，可有效解決人工控制焊接機器人操作繁瑣、程序繁雜、定位困難、自主性差等問題。通過運用自學(xué)習(xí)體系，在特殊工況中，機器人能根據(jù)實際情況，逬行數(shù)據(jù)整理分析，合理規(guī)劃出最佳焊接路徑和焊接方法，從而實現(xiàn)全智能自主化運行。

4.3多智能體系統(tǒng)

多智能體系統(tǒng)將復(fù)雜、單一的操控系統(tǒng)規(guī)劃成具有多元化、層次化、模塊化、能互相傳遞數(shù)據(jù)資料與信息，彼此協(xié)調(diào)，易于管理的智能系統(tǒng)。將其充分融合于焊接工作中，適用于流水線式的焊接工作，以焊接工作站為基礎(chǔ)單元，系統(tǒng)通過統(tǒng)一管理，使多個智能機器人之間產(chǎn)生緊密群體合作，共同完成復(fù)雜的目標任務(wù)。彌補了傳統(tǒng)操作流水線時需要對每個機器人單獨控制，編程的弊端，多智能體技術(shù)的應(yīng)用使系統(tǒng)解決綜合問題的能力大大提高，打破了人類對人工智能領(lǐng)域的固化思維，使得流水線焊接機器人技術(shù)得到飛速發(fā)展。

4.4多傳感器融合技術(shù)

焊接機器人需要多傳感信息融合技術(shù)對工作環(huán)境中的信息進行收集和分析來提高焊接系統(tǒng)的精確性、高效性、快速性和可靠性。綜合運用全方位視覺傳感器、紅外傳感器、超聲波傳感器等先進技術(shù)對于焊接機器人感知外部環(huán)境、獲取數(shù)據(jù)信息都具有非常重要的作用，最大程度上使機器人在任何狀況下都能通過反饋數(shù)據(jù)、信息做出相應(yīng)的調(diào)整，零誤差、精準地完成焊接，這也將大力推動未來焊接機器人向自主化、智能化的發(fā)展。

5結(jié)語

綜上所述，通過對焊接機器人技術(shù)應(yīng)用在智能制作中的相關(guān)分析，認識到焊接機器人應(yīng)用的能更好保證了勞動者的健康、提升焊接的品質(zhì)、保證生產(chǎn)的效能，隨著科技的不斷發(fā)展，焊接機器人技術(shù)會得到更好的運用，提升智能制造的效率，為制造業(yè)發(fā)展提供更加強大的助力。

參考文獻

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作者:胡兆東 單位:南京康尼機電股份有限公司