焊接机器人应用现状与研究发展趋势

焊接机器人应用现状与研究发展趋势1绪论焊接机器人是从事焊接（包括切割与喷涂）的工业机器人。根据国际标准化组织（ISO）工业机器人术语标准焊接机器人的定义，工业机器人是一种多用途的、可重复编程的自动控制操作机（Manipulator），具有三个或更多可编程的轴，用于工业自动化领域。为了适应不同的用途，机器人最后一个轴的机械接口，通常是一个连接法兰，可接装不同工具或称末端执行器。焊接机器人就是在工业机器人的末轴法兰装接焊钳或焊（割）枪的，使之能进行焊接，切割或热喷涂。随着电子技术、计算机技术、数控及机器人技术的发展，自动弧焊机器人工作站,从60年代开始用于生产以来，其技术已日益成熟，主要有以下优点：1）稳定和提高焊接质量；2）提高劳动生产率；3）改善工人劳动强度，可在有害环境下工作；4）降低了对工人操作技术的要求；5）缩短了产品改型换代的准备周期，减少相应的设备投资。因此，在各行各业已得到了广泛的应用。2.焊接机器人的发展历程自从1959年第一台工业机器人UNIMATE在美国诞生以来到现在，工业机器人经历了三个阶段，即示教再现阶段、离线编程阶段和自主编程阶段。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以上用于各种形式的焊接加工领域。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。随着计算机控制技术的不断进步，使焊接机器人由单一的单机示教再现型向多传感、智能化的柔性加工单元(系统)方向发展，实现由第二代向第三代的过渡将成为焊接机器人追求的目标，实现焊接产品的自动化、柔性化与智能化已成为发展的必然趋势。3.国内外焊接机器人应用现状及存在的问题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，自从第一台工业机器人问世以来，焊接机器人就显示出了极强的生命力。目前，比较著名的焊接机器人公司有日本的Motoman、FANUC、Yaskwa，德国的KUKA，瑞典的ABB，美国的AdeptTechnology，意大利的COMAU，这些公司已成为其所在地区的支柱性企业。。尽管焊接机器人在生产中得到广泛应用，使焊接质量得到了极大改善，有效提高了企业的劳动生产效率，但在应用中仍然存在很多方面的问题值得我们去进一步研究和改善，其中最主要的有以下三大方面。(1)焊接机器人位置偏移后重新示教的问题这个工作现在需要占用大量的生产时间，如果能够利用先进的计算机动态仿真技术对其进行离线示教和仿真，将是焊接机器人应用的一次革命性的改善。(2)焊接机器人的校轴过程占用过多时间的问题机器人在轴的校正过程中耗费比较长的时间，对于流水化的自动生产线来说，其停机所造成的经济损失非常巨大。(3)焊接机器人焊接过程的焊缝实时跟踪问题目前焊接机器人进行弧焊时，对焊缝进行动态跟踪反馈仍然还没有很好地应用于生产。目前，中国在焊接机器人的应用上仍然是世界上相对比较落后的国家。在焊接机器人的应用上我们还存在着很多技术上的问题需要不断地去研究和完善，焊接机器人的自动化和智能化是未来发展的必然趋势。除此之外，我们还面临着国产焊接机器人产业化的问题，发展自有民族品牌的焊接机器人是中国制造业进一步发展的必然需求。4.焊接机器人智能化的研究现状及发展趋势焊接质量控制一直是焊接研究的热点和难点，也是焊接界工作者致力研究的重要课题。在实际焊接中，常常存在变形、变散热、变间隙、变错边等因数，影响焊缝成形的质量。从目前国内外研究现状来看，焊接机器人智能化技术研究主要集中在焊接传感技术、焊缝识别与导引技术、焊缝跟踪技术、焊缝成形质量控制方法、多机器人协调控制技术与遥控焊接技术等6个主要方面。（1）焊接机器人传感技术传感器在焊接机器人中具有重要作用，除了有传统的位置、速度、加速度、力传感器外，还有激光、视觉、电弧传感器。利用传感技术在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场合，大大提高了机器人的作业性能和对环境的适应性。（2）焊缝识别与导引技术实施机器人焊接的首要技术之一是如何寻找并导引机器人焊枪接近焊接的初始点，焊缝的识别与导引是焊接机器人智能化的重要组成部分。（3）焊缝跟踪技术在实际焊接中，精确的焊缝跟踪是保证焊接质量的关键技术，是实现焊接过程自动化的重要研究方向。随着近代模糊数学和神经网络的出现并成功地应用于焊缝跟踪系统，焊缝跟踪技术已经进入到了智能跟踪的时代。(4)焊缝成形质量控制方法由于焊接过程是一个多参数相互耦合的时变的非线性系统，很难采用传统的控制方法对焊接过程进行控制。（5）多机器人协调控制技术这是目前机器人研究的一个新领域。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。（6）遥控焊接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他作业，需要有遥控的机器人代替人去工作。（7）其他相关技术焊接机器人智能化技术覆盖的领域范围广，它融合了多个学科的研究成果。（8）特种焊接机器人技术目前，关节式焊接机器人已在汽车制造、工程机械、航空航天、船舶等行业获得广泛应用，但对一些危险、恶劣及特殊环境下，例如航天空间、深海作业、管道内外焊接等，传统的关节式焊接机器人难以胜任，为此需要研究发展新型的特种焊接机器人。针对各个领域的应用特点，科学技术人员正在研制各种类型的特种焊接机器人，现在国外已开发出空间焊接机器人、深海焊接机器人、管道焊接机器人、球罐焊接机器人、军用焊接机器人等，这些特种焊接机器人将更加符合各应用领域的特殊要求，其功能和智能程度也大大超出了一般的关节式焊接机器人的范围，使焊接机器人技术呈现出更加广阔的发展空间。在国外，生产特种焊接机器人的公司数量近几年迅速增加，特种焊接机器人产业已经形成，并对社会与生产力的发展发挥了重大的推动作用。5.我国焊接机器人发展中存在的问题及应对策略随着我国由制造大国向制造强国迈进步伐的加快，焊接机器人的应用及发展前景空间巨大。目前，制约我国焊接机器人发展的除了以上技术上的问题，还在产业化发展方面存在着诸多困难。首先，我国基础零部件制造能力差。在某些焊接机器人零部件的生产与国外存在较大的差距。特别是在高性能交流伺服电动机和精密减速器方面的差距尤其明显，仍然需要进口，影响了我国焊接机器人的价格竞争力。第二，中国的焊接机器人还没有形成自己的品牌。虽然已经拥有一批企业从事机器人的开发，但是都没有形成较大的规模，缺乏市场的品牌认知度，在焊接机器人市场方面一直面临国外焊接机器人品牌的打压。第三，焊接机器人产业化需要国家的持续支持政策。焊接机器人作为高新技术产品，应该比照新能源中的电动汽车，出台相应的扶植政策。如今，已经有一批机器人企业根据市场需求，自行研制或与科研院所合作，进行机器人产业化开发。中国机器人产业化正处于关键的转折点，如果政府的扶植力度再向前推进一步，中国的机器人产业将会越过目前的“临界期”，跨上一个新的台阶，进入快速发展阶段。为此，针对我国焊接机器人研究发展所存在的问题提出如下建议：首先，在焊接机器人产业化的认识和定位上，以市场需求为导，通过国家政策对焊接机器人产业发展进行专项立项；以企业为主体，推动产学研联盟建设，形成强大的研发、生产、销售及应用队伍，摆脱国外的垄断，降低成本，提高国产焊接机器人的价格竞争力。其次，在新一代智能化焊接机器人的技术研究方向上加大研发力度。例如，新一代智能控制技术，关键单元部件制造技术，离线编程和仿真技术，产业化制造技术，故障远程诊断与修复技术，多智能体焊接机器人协调技术，复杂机电系统机构优化设计技术，具有柔性、高度加速技术，大负载机器人机构动力学建模、辨识及控制技术、特种焊接技术等。6.结语在“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。沁园春·雪北国风光，千里冰封，万里雪飘。望长城内外，惟余莽莽；大河上下，顿失滔滔。山舞银蛇，原驰蜡象，欲与天公试比高。须晴日，看红装素裹，分外妖娆。江山如此多娇，引无数英雄竞折腰。惜秦皇汉武，略输文采；唐宗宋祖，稍逊风骚。一代天骄，成吉思汗，只识弯弓射大雕。俱往矣，数风流人物，还看今朝。克出师表两汉：诸葛亮先帝创业未半而中道崩殂，今天下三分，益州疲弊，此诚危急存亡之秋也。然侍卫之臣不懈于内，忠志之士忘身于外者，盖追先帝之殊遇，欲报之于陛下也。诚宜开张圣听，以光先帝遗德，恢弘志士之气，不宜妄自菲薄，引喻失义，以塞忠谏之路也。宫中府中，俱为一体；陟罚臧否，不宜异同。若有作奸犯科及为忠善者，宜付有司论其刑赏，以昭陛下平明之理；不宜偏私，使内外异法也。侍中、侍郎郭攸之、费祎、董允等，此皆良实，志虑忠纯，是以先帝简拔以遗陛下：愚以为宫中之事，事无大小，悉以咨之，然后施行，必能裨补阙漏，有所广益。将军向宠，性行淑均，晓畅军事，试用于昔日，先帝称之曰“能”，是以众议举宠为督：愚以为营中之事，悉以咨之，必能使行阵和睦，优劣得所。亲贤臣，远小人，此先汉所以兴隆也；亲小人，远贤臣，此后汉所以倾颓也。先帝在时，每与臣论此事，未尝不叹息痛恨于桓、灵也。侍中、尚书、长史、参军，此悉贞良死节之臣，愿陛下亲之、信之，则汉室之隆，可计日而待也。臣本布衣，躬耕于南阳，苟全性命于乱世，不求闻达于诸侯。先帝不以臣卑鄙，猥自枉屈，三顾臣于草庐之中，咨臣以当世之事，由是感激，遂许先帝以驱驰。后值倾覆，受任于败军之际，奉命于危难之间，尔来二十有一年矣。先帝知臣谨慎，故临崩寄臣以大事也。受命以来，夙夜忧叹，恐托付不效，以伤先帝之明；故五月渡泸，深入不毛。今南方已定，兵甲已足，当奖率三军，北定中原，庶竭驽钝，攘除奸凶，兴复汉室，还于旧都。此臣所以报先帝而忠陛下之职分也。至于斟酌损益，进尽忠言，则攸之、祎、允之任也。愿陛下托臣以讨贼兴复之效，不效，则治臣之罪，以告先帝之灵。若无兴德之言，则责攸之、祎、允等之慢，以彰其咎；陛下亦宜自谋，以咨诹善道，察纳雅言，深追先帝遗诏。臣不胜受恩感激。今当远离，临表涕零，不知所言。