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焊接机器人应用现状及发展趋势

来源 : www.fanchengrobot.com   发布时间 : 2020/6/30 18:23:00

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

用中最普遍的主要有两种方式,即点焊和电弧焊。图 4 所示是

这两种焊接机器人在工业机器人中所占的大致比例。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。 

    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。图 5 所示为不同形式的机器人

点焊钳。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。 

    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。图 6 所示是联合国欧洲经济委员会(UNECE)统计的从

1990年至2000 年的机器人价格指数和劳动力成本指数的变化

曲线。图中,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。 

    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。图 7 所示为机器人电弧焊用于焊接汽车底盘。 

    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。 

    随着汽车轻量化制造技术的推广,一些高强合金材料和轻

合金材料(如铝合金、镁合金等)在汽车结构材料中得到应用。

这些材料的焊接往往无法用传统的焊接方法来解决,必须采用

新的焊接方法和焊接工艺。其中高功率激光焊和搅拌摩擦焊等

最具发展潜力。因此,机器人与高功率激光焊和搅拌摩擦焊的

结合将成为必然趋势。事实上,像上海大众等国内最具实力的

汽车制造商在他们的新车型制造过程中已经大量使用机器人

激光焊接。图 8 所示为其汽车车顶的机器人激光焊接。 

    和机器人电弧焊相比,机器人激光焊的焊缝跟踪精度要求

更高。根据一般的要求,机器人电弧焊(包括 GTAW 和 GMAW)的

焊缝跟踪精度必须控制在电极或焊丝直径的 1/2 以内,在具有

填充丝的条件下焊缝跟踪精度可适当放宽。但对激光焊而言,

焊接时激光照射在工件表面的光斑直径通常在 0.6 以内,远小

于焊丝直径(通常大于 1.0),而激光焊接时通常又不加填充焊

丝,因此,激光焊接中若光斑位置稍有偏差,便会造成偏焊、

漏焊。因此,上海大众的汽车车顶机器人激光焊除了在工装夹

具上采取措施防止焊接变形外,还在机器人激光焊枪前方安装

了德国 SCOUT 公司的高精度激光传感器用于焊缝轨迹的跟踪。

 

    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 1~3 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。 

    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。 

    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,我国的工业机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。 

    3、焊接机器人发展趋势 

    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: 

    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。 

    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)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。 

    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。 

    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。 

    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。 

    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。 

    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。 

    4、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。 

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