摘 要：本文介紹焊接機器人發(fā)展歷程，綜述國內外焊接機器人技術的應用與研究現(xiàn)狀，對焊接機器人未來發(fā)展趨勢作了展望。
前 言
焊接作為“工業(yè)裁縫”，是工業(yè)生產中非常重要的加工手段，焊接質量的好壞對產品質量起決定性的影響。隨著世界制造業(yè)的迅速發(fā)展，焊接技術的應用也越來越廣泛，焊接智能化技術水平也越來越高，實現(xiàn)焊接產品制造的自動化、柔性化與智能化已經成為必然趨勢，采用機器人焊接已經成為焊接技術自動化的主要標志。
1 焊接機器人的發(fā)展歷程
1959年第1臺工業(yè)機器人UNIMATE 在美國誕生，到現(xiàn)在為止機器人的應用和技術發(fā)展經歷了三個階段：
第一階段，機器人不具備外界信息的反饋能力，難以適應工作環(huán)境的變化，在現(xiàn)代化工業(yè)生產中的應用受到很大限制。這一階段的機器人被稱為第一代示教再現(xiàn)型機器人。
第二階段，機器人對外界環(huán)境有一定的感知能力，具備如聽覺、視覺、觸覺等功能，工作時借助傳感器獲得的信息，靈活調整工作狀態(tài)，保證在適應環(huán)境的情況下完成工作。這一階段的機器人被稱為第二代具有感知能力的機器人。
第三階段，機器人不但具有感覺能力，而且具有獨立判斷、行動、記憶、推理和決策的能力，能適應外部對象、環(huán)境協(xié)調地工作，能完成更加復雜的動作，還具備故障自我診斷及修復能力。這一階段的機器人被稱為第三代智能型機器人。
目前，國內外大量應用的焊接機器人系統(tǒng)從整體上看基本都屬于第一代或準二代的。機器人缺乏“柔性”, 焊接路徑和焊接參數(shù)須根據實際作業(yè)條件預先設置，工作時存在明顯的缺點。隨著計算機控制技術、人工智能技術以及網絡控制技術的發(fā)展，焊接機器人也由單一的單機示教再現(xiàn)型向以智能化為核心的多傳感、智能化的柔性加工單元（系統(tǒng)）方向發(fā)展。
2 焊接機器人國內外應用現(xiàn)狀
目前，比較著名的焊接機器人公司有日本的Motoman、FANUC、Yaskwa, 德國的KUKA，瑞典的ABB，美國的Adept Technology，意大利的COMAU，這些公司已成為其所在地區(qū)的支柱性企業(yè)。截止2005年全世界在役工業(yè)機器人約為91.4萬套，其中日本裝備的工業(yè)機器人總量達到了50萬臺以上，成為“機器人王國”，其次是美國和德國；在亞洲，日本、韓國和新加坡的制造業(yè)中每萬名雇員占有的工業(yè)機器人數(shù)量居世界前三位。
我國焊接機器人的應用主要集中在汽車、摩托車、工程機械、鐵路機車等幾個主要行業(yè)。目前在我國應用的機器人主要分日系、歐系和國產三種。日系中主要有安川、OTC、松下、FANUC、不二越、川崎等公司的產品。歐系中主要有德國的KUKA、CLOOS、瑞典的ABB、意大利的COMAU及奧地利的IGM公司。我國焊接機器人經過“七五”、“九五”攻關計劃和863計劃的支持已經取得了較大進展，建立了9個機器人產業(yè)化基地和7個科研基地?；氐慕ㄔO給產業(yè)化帶來了希望, 為發(fā)展我國機器人產業(yè)奠定了基礎。但目前國內市場上的機器人進口仍占了絕大多數(shù)，我國進口的工業(yè)機器人主要來自日本。2004年日本對華出口的機器人占我國進口工業(yè)機器人的一半，其他歐洲品牌機器人，如ABB、KUKA和COMAU，占據市場的另一半。2005年，我國工業(yè)機器人擁有量達到約7000臺。近年來新增工業(yè)機器人的臺數(shù)和總量都在快速增長，截止2009 年年末，我國已有工業(yè)機器人約31400 臺。雖然機器人總量達到一定的規(guī)模, 但與發(fā)達國家相比仍然有不少差距。僅從汽車工業(yè)每百萬名生產工人占有的機器人來講，我國比幾個主要發(fā)達工業(yè)國家要低很多，僅為90臺。
盡管焊接機器人在生產中得到廣泛應用，使焊接質量得到了極大改善, 有效提高了企業(yè)的勞動生產效率，但在應用中仍然存在很多方面的問題值得我們去進一步研究和改善，其中最主要的有以下三大方面。
2.1 焊接機器人位置偏移后重新示教的問題
這個工作現(xiàn)在需要占用大量的生產時間，如果能夠利用先進的計算機動態(tài)仿真技術對其進行離線示教和仿真，將是焊接機器人應用的一次革命性的改善。
2.2 焊接機器人的校軸過程占用過多時間的問題
焊接機器人在軸的校正過程中耗費比較長的時間，對于流水化的自動生產線來說，其停機所造成的經濟損失非常巨大。如果能夠應用高智能化的檢測手段，使焊接機器人在其軸的基本參數(shù)丟失或變化后，能夠自動快速恢復到發(fā)生故障前的狀態(tài)，將給自動化生產線帶來巨大的生產效益，目前的TCP自動校零技術仍然有待進一步的提高。
2.3 焊接機器人焊接過程的焊縫實時跟蹤問題
目前焊接機器人進行弧焊時，對焊縫進行動態(tài)跟蹤反饋還沒有很好地應用于生產。利用智能技術，動態(tài)跟蹤焊縫狀態(tài)，實時反饋，這是保證弧焊質量的可靠性和穩(wěn)定性的一個發(fā)展趨勢。
我國的工業(yè)機器人從80年代開始起步，目前已基本掌握了機器人操作機的設計制造技術、控制系統(tǒng)硬件和軟件設計技術、運動學和軌跡規(guī)劃技術，生產了部分機器人關鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人；弧焊機器人已應用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機器人技術及其工程應用的水平和國外比還有一定的距離，如：可靠性低于國外產品；機器人應用工程起步較晚，應用領域窄，生產線系統(tǒng)技術與國外比有差距；當前我國的機器人生產都是應用戶的要求，單戶單次重新設計，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本也不低，而且質量、可靠性不穩(wěn)定。因此，迫切需要解決產業(yè)化前期的關鍵技術，對產品進行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設計，積極推進產業(yè)化進程。
3 焊接機器人技術研究現(xiàn)狀
從目前國內外研究現(xiàn)狀來看，焊接機器人技術研究主要集中在焊縫跟蹤技術、離線編程與路徑規(guī)劃技術、多機器人協(xié)調控制技術、專用弧焊電源技術、焊接機器人系統(tǒng)仿真技術、機器人用焊接工藝方法、遙控焊接技術等7個主要方面。
3.1 焊縫跟蹤技術
焊縫跟蹤技術的研究就是根據焊接條件的變化要求弧焊機器人能夠實時檢測出焊縫的偏差，并調整焊接路徑和焊接參數(shù)，保證焊接質量的可靠性。焊縫跟蹤技術的研究以傳感器技術與控制理論方法為主，其中傳感器技術的研究又以電弧傳感器和光學傳感器為主。電弧傳感的基本原理是利用焊炬與工件距離的變化而引起的焊接參數(shù)變化，來探測焊炬高度和左右偏差。光學傳感器的種類很多，主要包括紅外、光電、激光、視覺、光譜和光纖式，光學傳感器的研究又以視覺傳感器為主，視覺傳感器所獲得的信息量大，結合計算機視覺和圖像處理的最新技術，大大增強弧焊機器人的外部適應能力。激光跟蹤傳感具有優(yōu)越的性能，成為最有前途、發(fā)展最快的焊接傳感器。由于近代模糊數(shù)學和神經網絡的出現(xiàn)以及應用到焊接這個復雜的非線性系統(tǒng)中，使得焊縫跟蹤進入了智能焊縫跟蹤的新時代。
3.2 離線編程與路徑規(guī)劃技術
機器人離線編程系統(tǒng)是機器人編程語言的拓廣，它利用計算機圖形學的成果，建立起機器人及其工作環(huán)境的模型，利用一些規(guī)劃算法，通過對圖形的控制和操作，在不使用實際機器人的情況下進行軌跡規(guī)劃，進而產生機器人程序。離線編程技術的理想目標是實現(xiàn)全自動編程，即只需輸入工件的模型，離線編程系統(tǒng)中的專家系統(tǒng)會自動制定相應的工藝過程，并最終生成整個加工過程的機器人程序。目前，還不能實現(xiàn)全自動編程，自動編程技術是當前研究的重點。
3.3 多機器人協(xié)調控制技術
多機器人系統(tǒng)是指為完成某一任務由若干個機器人通過合作與協(xié)調組合成一體的系統(tǒng)。主要對多智能體的群體體系結構、相互間的通信與磋商機理、感知與學習方法、建模和規(guī)劃、群體行為控制等方面進行研究。它包含兩方面的內容，即多機器人合作與多機器人協(xié)調。當給定多機器人系統(tǒng)某項任務時，首先面臨的問題是如何組織多個機器人去完成任務，如何將總體任務分配給各個機器人成員，即機器人之間怎樣進行有效的合作。當以某種機制確定了各自任務與關系后, 問題變?yōu)槿绾伪３謾C器人間的運動協(xié)調一致。智能體技術是解決這一問題的最有力的工具，多智能體系統(tǒng)是研究在一定的網絡環(huán)境中，各個分散的、相對獨立的智能子系統(tǒng)之間通過合作, 共同完成一個或多個控制作業(yè)任務的技術。多機器人焊接的協(xié)調控制是目前的一個研究熱點問題。
3.4 專用弧焊電源技術
在焊接機器人系統(tǒng)中，電器性能良好的專用弧焊電源直接影響焊接機器人的使用性能。目前，弧焊機器人一般采用熔化極氣體保護焊（MIG焊、MAG焊、CO2焊）或非熔化極氣體保護焊（TIG、等離子弧焊）方法，熔化極氣體保護焊焊接電源主要使用晶閘管電源與逆變電源。近年來，弧焊逆變器的技術已趨于成熟，機器人用的專用弧焊逆變電源大多為單片機控制的晶體管式弧焊逆變器，并配以精細的波形控制和模糊控制技術，工作頻率在20~50kHz，最高的可達200kHz，焊接系統(tǒng)具有十分優(yōu)良的動特性，非常適合機器人自動化和智能化焊接。還有一些特殊功能的電源，如適合鋁及其合金TIG焊的方波交流電源、帶有專家系統(tǒng)的焊接電源等。目前有一種采用模糊控制方法的焊接電源，可以更好保證焊縫熔寬和熔深的基本一致，不僅焊縫表面美觀，而且還能減少焊接缺陷?；『鸽娫床粩嘞驍?shù)字化方向發(fā)展，其特點是焊接參數(shù)穩(wěn)定，受網路電壓波動、溫升、元器件老化等因素的影響很小，具有較高的重復性，焊接質量穩(wěn)定、成形良好。另外，利用DSP的快速響應，可以通過主控制系統(tǒng)的指令精確控制逆變電源的輸出，使之具有輸出多種電流波形和弧壓高速穩(wěn)定調節(jié)的功能，適應多種焊接方法對電源的要求。
3.5 焊接機器人系統(tǒng)仿真技術
機器人在研制、設計和試驗過程中，經常要對其運動學、動力學性能進行分析以及進行軌跡規(guī)劃設計，而機器人又是多自由度、多連桿空間機構，運動學和動力學問題十分復雜，計算難度和計算量都很大。若將機械手作為仿真對象，運用計算機圖形CAD 技術和機器人學理論在計算機中形成幾何圖形，并動畫顯示，然后對機器人的機構設計、運動學正反解分析、操作臂控制以及實際工作環(huán)境中的障礙避讓和碰撞干涉等諸多問題進行模擬仿真，這樣就可以很好地解決研發(fā)機械手過程中出現(xiàn)的問題。
3.6 機器人用焊接工藝方法
目前，弧焊機器人普遍采用氣體保護焊方法，主要是熔化極氣體保護焊，其次是鎢極氬弧焊，等離子弧焊、切割及機器人激光焊數(shù)量有限、比例較小。國外先進國家的弧焊機器人已普遍采用高速、高效氣體保護焊接工藝，如雙絲氣體保護焊、T.I.M.E焊、熱絲TIG焊、熱絲等離子焊等先進的工藝方法，這些工藝方法不僅有效地保證了優(yōu)良的焊接接頭，還使焊接速度和熔敷效率提高數(shù)倍至幾十倍。
3.7 遙控焊接技術
遙控焊接是指人在離開現(xiàn)場的安全環(huán)境中對焊接設備和焊接過程進行遠程監(jiān)視和控制, 從而完成完整的焊接工作。在一些諸如核輻射、深水、有毒等高危險環(huán)境中進行焊接或其他作業(yè)，需要有遙控的機器人代替人去工作。而目前的技術水平還不可能實現(xiàn)完全的自主焊接, 因此需要采用遙控焊接技術。目前，美國、歐洲、日本等國對遙控焊接進行了深入的研究, 國內哈爾濱工業(yè)大學也正在進行這方面的研究。
4 焊接機器人的發(fā)展趨勢
從機器人技術發(fā)展趨勢看，智能化控制技術將是焊接機器人技術發(fā)展的主要方向。
4.1 視覺控制技術
焊接機器人視覺控制技術是通過對焊接區(qū)圖像進行采集，產生視頻信號送至圖像處理機，對圖像進行快速處理并提取跟蹤特征參量，進行數(shù)據識別和計算，通過逆運動學求解得到機器人各關節(jié)位置給定值，最后控制高精度的末端執(zhí)行機構，調整機器人的位置和姿式。視覺控制的關鍵在于視覺測量，在焊接過程中視覺技術分為直接視覺傳感和間接視覺傳感二種形式。直接視覺傳感技術是一種常用的非接觸式傳感形式，其主要優(yōu)點是不接觸工件，不干擾正常的焊接過程, 獲取的信息量大，通用性強。研究人員直接利用電弧光照射熔池前方的工件間隙獲取焊接區(qū)焊縫信息，根據熔池前方不同遠近處電弧光閃爍的強度來實現(xiàn)焊接過程中的焊縫跟蹤；典型的例子是利用帶有CCD攝像機的微型計算機控制系統(tǒng)對焊接熔池行為進行觀察和控制；現(xiàn)在，基于激光三角形的視覺系統(tǒng)具有高度的靈活性，價格低、精度高、獲取信息能力強，且不受周圍噪聲和電弧產生的高溫影響，其獲得的信息可以用于多種自適應功能?；『钢惺褂眉す庖曈X系統(tǒng)可以抗電弧輻射、火焰、熱金屬飛濺、振動、沖擊和高溫，這種傳感器正在成為智能自適應焊接機器人焊接優(yōu)先選用的視覺系統(tǒng)。
4.2 模糊控制技術
由于焊接機器人系統(tǒng)具有非線性和時變特點，難以用精確的數(shù)學模型進行描述，用傳統(tǒng)的控制方法難以實現(xiàn)最佳控制，而模糊控制具有自適應和魯棒性等特點，它為機器人焊接控制提供了一個理想的控制方法。模糊控制是智能控制的較早形式，它吸取了人的思維具有模糊性的特點，使用模糊數(shù)學中的隸屬函數(shù)、模糊關系、模糊推理和決策等工具，巧妙地綜合了人們的直覺經驗，從而在其他經典控制理論和現(xiàn)代控制理論不太奏效的場合能夠實現(xiàn)較滿意的控制。將模糊控制理論和實際焊接過程相結合，發(fā)展成為專用焊接控制器，進一步發(fā)展成為了通用型焊接模糊控制器。模糊控制具有較完善的控制規(guī)則，但模糊控制綜合定量知識的能力較差，當對象動態(tài)特性發(fā)生變化，或者受到隨機干擾的影響都會影響模糊控制的效果。因此，在模糊控制理論方面，人們對常規(guī)模糊控制進行了改進，設計了一些高性能模糊控制器，有效解決精度較低、自適應能力有限及設備產生振蕩現(xiàn)象等問題。
4.3 神經網絡控制技術
神經網絡控制是研究和利用人腦的某些結構、機理以及人的知識和經驗對系統(tǒng)進行控制，它是神經網絡作為人工智能的一種途徑在控制領域的滲透。用神經網絡設計的控制系統(tǒng)適應性、魯棒性均較好，能處理時變、多因素、非線性等復雜焊接過程的控制問題。人工神經網絡具有很強的自學習、自適應能力，信息存儲量大，容錯性好，能夠實現(xiàn)并行聯(lián)想搜索解空間和完成自適應推理，提高智能系統(tǒng)的智能水平、知識處理能力及強壯性。因此，在機器人焊接質量控制中可采用神經網絡建立焊接過程模型從而解決線性控制方法所不能克服的問題，彌補傳統(tǒng)專家系統(tǒng)以及模糊控制的不足，現(xiàn)在焊接機器人神經網絡控制系統(tǒng)中使用較多的是前饋式多層神經網絡。
4.4 嵌入式控制技術的應用
嵌入式系統(tǒng)以其小型、專用、易攜帶、可靠性高的特點，已經在焊接機器人控制領域得到了應用，嵌入式控制系統(tǒng)具備網絡和人機交互能力，可以取代以往基于微處理器的控制方式。嵌入式控制器具有液晶顯示器，可以替代CRT顯示器在控制系統(tǒng)中所扮演的角色，鍵盤響應也具有很高的實時性，滿足信息的輸入和對控制系統(tǒng)的干預等工作。經實驗和實際應用表明，嵌入式控制器比基本的模糊控制器具有更好的控制性能。嵌入式控制技術為焊接工藝的在線監(jiān)測提供了新的技術方法，它能確保焊接質量“零缺陷”的目標得以實現(xiàn)。
5 結束語
目前，焊接機器人已廣泛應用于汽車、航天、船舶、機械加工行業(yè)、電子電氣行業(yè)、食品工業(yè)及其他相關制造業(yè)等諸多領域中，并作為先進制造業(yè)中不可替代的重要裝備和手段，在高質量、高效率的焊接生產中發(fā)揮了極其重要的作用。近年來，焊接機器人技術的研究與應用在焊縫跟蹤技術、離線編程與路徑規(guī)劃技術、多機器人協(xié)調控制技術、專用弧焊電源技術、焊接機器人系統(tǒng)仿真技術、機器人用焊接工藝方法、遙控焊接技術等方面取得了許多突出的成果。隨著計算機技術、網絡技術、智能控制技術、人工智能理論以及工業(yè)生產系統(tǒng)的不斷發(fā)展，焊接機器人技術特別是焊接機器人的視覺控制技術、模糊控制技術、嵌入式控制技術、網絡控制技術等方面將是未來研究的主要方向。
