焊接机器人的应用现状与技术展望

!\"专论与综述

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!\"１焊接机器人的发展历程

自从世界上第一台工业机器人ＵＮＩＭＡＴＥ于１９５９年在美国诞生以来，机器人的应用和技术发展经历了三个阶段：

第一代是示教再现型机器人。这类机器人操作简单，不具备外界信息的反馈能力，难以适应工作环境的变化，在现代化工业生产中的应用受到很大。

第二代是具有感知能力的机器人。这类机器人对外界环境有一定的感知能力，具备如听觉、视觉、触觉等功能，工作时借助传感器获得的信息，灵活调整工作状态，保证在适应环境的情况下完成工作。

第三代是智能型机器人。这类机器人不但具有感觉能力，而且具有判断、行动、记忆、推理和决策的能力，能适应外部对象、环境协调地工作，能完成更加复杂的动作，还具备故障自我诊断及修复能力。

焊接机器人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。早期的焊接机器人缺乏“柔性”，焊接路径和焊接参数须根据实际作业条件预先设置，工作时存在明显的缺点。随着计算机控制技术、人工智能技术以及网络控制技术的发展，焊接机器人也由单一的单机示教再现型向以智能化为核心的多传感、智能化的柔性加工单元（系统）方向发展。

２

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，广泛应用于汽车、工程机械、通用机械、金属结构和兵器工业等行业。据不完全统计，全世界在役的工业机器人中大约有一半用于各种形式的焊接加工领域。截止２００５年，全世界在役工业机器人约为９１．４万台，其中日本装备的工业机器人总量达到了５０万台以上，成为“机器人王国”，其次是美国和德国；在亚洲，日本、韩国和新加坡的制造业中每万名雇员占有的工业机器人数量居世界前三位。近几年，全球机器人的数量在迅速增加，仅２００５年就达１２．１万台。

我国自上世纪７０年代末开始进行工业机器人的研究，经过二十多年的发展，在技术和应用方面均取得了长足的发展，对国民经济尤其是制造业的发展起到了重要的推动作用。据不

收稿日期：２００７－０１－１５

作者简介：黄政艳（１９７３－），男，广西机电职业技术学院讲师，主要从事机械制造及其自动化专业的教学、科研以及管理等工作。

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焊接机器人的应用现状与技术展望

黄政艳

（广西机电职业技术学院广西南宁５３０００７）

摘要：介绍了焊接机器人技术发展的历程，从焊缝跟踪技术、离线编程与路径规划技术、多机器人协制技术、专用弧焊电源技术、系统仿真技术、机器人用焊接工艺方法、遥控焊接技术等七个方面阐述了技术研究的现状，并对未来发展趋势作了展望，指出视觉控制技术、模糊控制技术、神经网络控制及嵌入式控制技术将是焊接机器人智能化技术发展的主要方向。关键词：焊接机器人；技术现状；智能化；控制技术；发展趋势ＴＰ２４２．３中图分类号：

文献标识码：Ａ

文章编号：１６７２－５４５Ｘ（２００７）０３－００４６－０３

完全统计，近几年我国工业机器人呈现出快速增长势头，平均

年增长率都超过４０％，焊接机器人的增长率超过了６０％；２００４年国产工业机器人数量突破１４００台，进口机器人数量超过９０００台，其中绝大多数应用于焊接领域；２００５年我国新增机器人数量超过了５０００台，但仅占亚洲新增数量的６％，远小于韩国所占的１５％，更远小于日本所占的６９％。这对于我国的经济发展速度以及经济总量来说显然是不匹配的，这说明我国制造业的自动化程度有待进一步提高，另一方面也反映了我国劳动力成本的低廉，制造业自动化水平以及工业机器人应用程度的提高受到。

当前焊接机器人的应用迎来了难得的发展机遇。一方面，随着技术的发展，焊接机器人的价格不断下降，性能不断提升；另一方面，劳动力成本不断上升，我国由制造大国向制造强国迈进，需要提升加工手段，提高产品质量和增强企业竞争力，这一切预示着机器人应用及发展前景空间巨大。

３焊接机器人技术的研究现状

机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，当前对机器人技术的研究十分活跃。从目前国内外研究现状来看，焊接机器人技术研究主要集中在焊缝跟踪技术、离线编程与路径规划技术、多机器人协制技术、专用弧焊电源技术、焊接机器人系统仿真技术、机器人用焊接工艺方法、遥控焊接技术等七个方面。

３．１焊缝跟踪技术的研究［２］

焊接机器人施焊过程中，由于环境因素的影响，如：强弧光辐射、高温、烟尘、飞溅、坡口状况、加工误差、夹具装夹精度、表面状态和工件热变形等，实际焊接条件的变化往往会导致焊炬偏离焊缝，从而造成焊接质量下降甚至失败。焊缝跟踪技术的研究就是根据焊接条件的变化要求弧焊机器人能够实时检测出焊缝的偏差，并调整焊接路径和焊接参数，保证焊接质量的可靠性。焊缝跟踪技术的研究以传感器技术与控制理论方法为主，其中传感技术的研究又以电弧传感器和光学传感器为主。电弧传感器是从焊接电弧自身直接提取焊缝位置偏差信号，实时性好，焊运动灵活，符合焊接过程低成本自动化的要求，适

焊接机器人国内外应用现状［１］

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《装备制造技术》２００７年第３期

用于熔化极焊接场合。电弧传感的基本原理是利用焊炬与工件

距离的变化而引起的焊接参数变化，来探测焊炬高度和左右偏差。电弧传感器一般分为三类：并列双丝电弧传感器、摆动电弧传感器、旋转式扫描电弧传感器，其中旋转电弧传感器比前两者的偏差检测灵敏度高，控制性能较好。光学传感器的种类很多，主要包括红外、光电、激光、视觉、光谱和光纤式，光学传感器的研究又以视觉传感器为主，视觉传感器所获得的信息量大，结合计算机视觉和图像处理的最新技术，大大增强弧焊机器人的外部适应能力。激光跟踪传感具有优越的性能，成为最有前途、发展最快的焊接传感器。另一方面，由于近代模糊数学和神经网络的出现以及应用到焊接这个复杂的非线性系统中，使得焊缝跟踪进入了智能焊缝跟踪的新时代。３．２离线编程与路径规划技术的研究

机器人离线编程系统是机器人编程语言的拓广，它利用计算机图形学的成果，建立起机器人及其工作环境的模型，利用一些规划算法，通过对图形的控制和操作，在不使用实际机器人的情况下进行轨迹规划，进而产生机器人程序。自动编程技术的核心是焊接任务、焊接参数、焊接路径和轨迹的规划技术。针对弧焊应用，自动编程技术可以表述为在编程各阶段中，能够辅助编程者完成的、具有一定实施目的和结果的编程任务的技术，具有智能化程度高、编程质量和效率高等特点。离线编程技术的理想目标是实现全自动编程，即只需输入工件的模型，离线编程系统中的专家系统会自动制定相应的工艺过程，并最终生成整个加工过程的机器人程序。目前，还不能实现全自动编程，自动编程技术是当前研究的重点［１］。

３．３多机器人协制技术的研究

多机器人系统是指为完成某一任务由若干个机器人通过合作与协调组合成一体的系统。它包含两方面的内容，即多机器人合作与多机器人协调。当给定多机器人系统某项任务时，首先面临的问题是如何组织多个机器人去完成任务，如何将总体任务分配给各个成员机器人，即机器人之间怎样进行有效地合作。当以某种机制确定了各自任务与关系后，问题变为如何保持机器人间的运动协调一致，即多机器人协调。对于由紧耦合子任务组成的复杂任务而言，协调问题尤其突出。智能体技术是解决这一问题的最有力的工具，多智能体系统是研究在一定的网络环境中，各个分散的、相对的智能子系统之间通过合作，共同完成一个或多个控制作业任务的技术。多机器人焊接的协制是目前的一个研究热点问题［１］。

３．４专用弧焊电源的研究

在焊接机器人系统中，电器性能良好的专用弧焊电源直接影响焊接机器人的使用性能。目前，弧焊机器人一般采用熔化极气体保护焊（ＭＩＧ焊、ＭＡＧ焊、ＣＯ焊）或非熔化极气体保护焊（ＴＩＧ、等离子弧焊）方法，熔化极气体保护焊焊接电源主要使用晶闸管电源与逆变电源。近年来，弧焊逆变器的技术已趋于成熟，机器人用的专用弧焊逆变电源大多为单片微机控制的晶体管式弧焊逆变器，并配以精细的波形控制和模糊控制技术，工作频率在２０～５０ｋＨｚ，最高的可达２００ｋＨｚ，焊接系统具有十分优良的动特性，非常适合机器人自动化和智能化焊接。还有一些特殊功能的电源，如适合铝及其铝合金ＴＩＧ焊的方波交流电源、带有专家系统的焊接电源等。目前有一种采用模糊控制方法的焊接电源，可以更好保证焊缝熔宽和熔深的基本一致，不仅焊缝表面美观，而且还能减少焊接缺陷。弧焊电源不断

向数字化方向发展，其特点是焊接参数稳定，受网路电压波动、

温升、元器件老化等因素的影响很小，具有较高的重复性，焊接质量稳定、成型良好。另外，利用ＤＳＰ的快速响应，可以通过主控制系统的指令精确控制逆变电源的输出，使之具有输出多种电流波形和弧压高速稳定调节的功能，适应多种焊接方法对电

２］源的要求［。

３．５仿真技术的研究

机器人在研制、设计和试验过程中，经常需要对其进行运动学、动力学性能分析以及轨迹规划设计，而机器人又是多自由度、多连杆空间机构，其运动学和动力学问题十分复杂，计算难度很大。若将机械手作为仿真对象，运用计算机图形技术、ＣＡＤ技术和机器人学理论在计算机中形成几何图形，并动画显示，然后对机器人的机构设计、运动学正反解分析、操作臂控制以及实际工作环境中的障碍避让和碰撞干涉等诸多问题进

２］

行模拟仿真，就可以解决研发过程中出现的问题［。

３．６机器人用焊接工艺方法的研究

目前，弧焊机器人普遍采用气体保护焊方法，主要是熔化极气体保护焊，其次是钨极氩气保护焊，等离子弧焊、切割及机器人激光焊数量有限，比例较低。发达国家的弧焊机器人已普遍采用高速、高效气体保护焊接工艺，如双丝气体保护焊、Ｔ．Ｉ．Ｍ．Ｅ焊、热丝ＴＩＧ焊、热丝等离子焊等先进的工艺方法，不仅有效地保证了优良的焊接接头，还使焊接速度和熔敷效率提高数

２］倍至几十倍［。

３．７遥控焊接技术的研究

遥控焊接是指人在离开现场的安全环境中对焊接设备和焊接过程进行远程监视和控制，从而完成完整的焊接工作。在核电站设备的维修、海洋工程建设以及未来的空间站建设中都要用到焊接，这些环境中的焊接工作不适合人类亲临现场，而目前的技术水平还不可能实现完全的自主焊接，因此需要采用遥控焊接技术。目前美国、欧洲、日本等国对遥控焊接进行了深

１］入的研究，国内哈尔滨工业大学也正在进行这方面的研究［。

４焊接机器人的技术展望

为了适应工业生产系统向大型、复杂、动态和开放方向发展的需要，发达国家都在加大力度，对机器人技术进行深入研究。从技术发展趋势看，智能化控制技术将是焊接机器人技术发展的主要方向。４．１视觉控制技术

焊接机器人视觉控制技术是通过对焊接区图像进行采集，产生视频信号送至图像处理机，对图像进行快速处理并提取跟踪特征参量，进行数据识别和计算，通过逆运动学求解得到机器人各关节位置给定值，最后控制高精度的末端执行机构，调整机器人的位姿。视觉控制的关键在于视觉测量，在焊接过程中视觉技术分为直接视觉传感和间接视觉传感两种形式。直接视觉传感技术是一种常用的非接触式传感形式，主要优点是不接触工件，不干扰正常的焊接过程，获取的信息量大，通用性强。早先，研究人员直接利用电弧光照射熔池前方的工件间隙获取焊接区焊缝信息，根据熔池前方不同远近处电弧光强度的闪烁来实现焊接过程中的焊缝跟踪，典型的例子是利用带有ＣＣＤ摄像机的微型计算机控制系统对焊接熔池行为进行观察

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ＥｑｕｉｐｍｅｎｔＭａｎｕｆａｃｔｒｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＮＯ．３，２００７

和控制。现在，基于激光三角形的视觉系统具有高度的灵活性，而且价格低、精度高、获取信息能力强，不受周围噪声和电弧产生的高温影响，获得的信息可以用于多种自适应功能。弧焊中使用激光视觉系统可以抗电弧辐射、火焰、热金属飞溅、振动、冲击和高温，这种传感器正在成为智能自适应焊接机器人焊接

３］优先选用的视觉系统。焊接机器人视觉系统的原理图如图１［。

制系统中使用较多的是前馈式多层神经网络。

３］

４．４嵌入式控制技术的应用［

嵌入式系统以其小型、专用、易携带、可靠性高的特点，已经在焊接机器人控制领域得到了应用，嵌入式控制系统具备网络和人机交互能力，可以取代以往基于微处理器的控制方式。嵌入式控制器具有液晶显示器，可以替代ＣＲＴ显示器在控制系统中所扮演的角色，键盘响应也具有很高的实时性，满足信息的输入和对控制系统的干预等工作。经实验和实际应用表明，嵌入式控制器比基本的模糊控制器具有更好的控制性能。嵌入式为焊接工艺的在线监测提供了新的技术方法，它能确保焊接质量“零缺陷”的目标得以实现。基于嵌入式控制器的焊接机器人系统结构图如图２［３］。

图１焊接机器人的视觉系统

４．２模糊控制技术

由于焊接机器人系统具有非线性和时变特点，难以用精确的数学模型进行描述，用传统的控制方法难以实现最佳控制，而模糊控制具有自适应和鲁棒性等特点，它为机器人焊接控制提供了一个理想的控制方法。模糊控制是智能控制的较早形式，它吸取了人的思维具有模糊性的特点，使用模糊数学中的隶属函数、模糊关系、模糊推理和决策等工具，巧妙地综合了人们的直觉经验，从而在其他经典控制理论和现代控制理论不太奏效的场合能够实现较满意的控制。将模糊控制理论和实际焊接过程相结合，发展成为专用焊接控制器，进一步发展成为了通用型焊接模糊控制器。模糊控制具有较完善的控制规则，但模糊控制综合定量知识的能力较差，当对象动态特性发生变化，或者受到随机干扰的影响都会影响模糊控制的效果。因此，在模糊控制理论方面，人们对常规模糊控制进行了改进，设计了一些高性能模糊控制器，有效解决精度较低、自适应能力有限及设备产生振荡现象等问题［３］。

４．３神经网络控制技术

神经网络控制是研究和利用人脑的某些结构、机理以及人的知识和经验对系统进行控制，它是神经网络作为人工智能的一种途径在控制领域的渗透。用神经网络设计的控制系统适应性、鲁棒性均较好，能处理时变、多因素、非线性等复杂焊接过程的控制问题。人工神经网络具有很强的自学习、自适应能力，信息存储量大，容错性好，能够实现并行联想搜索解空间和完成自适应推理，提高智能系统的智能水平、知识处理能力及强壮性。因此，在机器人焊接质量控制中可采用神经网络建立焊接过程模型从而解决线性控制方法所不能克服的问题，弥补传统专家系统以及模糊控制的不足，现在焊接机器人神经网络控

图２嵌入式控制焊接机器人系统结构

５结论

焊接机器人在高质量、高效率的焊接生产中，发挥了极其

重要的作用。工业机器人技术的研究、发展与应用，有力地推动了世界工业技术的进步。近年来，焊接机器人技术的研究与应用在焊缝跟踪、信息传感、离线编程与路径规划、智能控制、电源技术、仿真技术、焊接工艺方法、遥控焊接技术等方面取得了许多突出的成果。随着计算机技术、网络技术、智能控制技术、人工智能理论以及工业生产系统的不断发展，焊接机器人技术领域还有很多亟待我们去研究的问题，特别是焊接机器人的视觉控制技术、模糊控制技术、智能化控制技术、嵌入式控制技术、虚拟现实技术、网络控制技术等将是未来研究的主要方向。

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Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｉｔｕａｔｉｏｎａｎｄｐｒｏｓｐｅｃｔｏｆｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｗｅｌｄｉｎｇｒｏｂｏｔ

ＨＵＡＮＧｚｈｅｎｇ－ｙａｎ

（ＧｕａｎｇｘｉＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｃａｌＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭａｃｈｉｎｅｒｙａｎｄＥｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ，Ｎａｎｎｉｎｇ，５３０００７）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｂｒｉｅｆｌｙｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｃｏｕｒｓｅｓａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｉｔｕａｔｉｏｎｏｆｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｗｅｌｄｉｎｇｒｏｂｏｔ．Ｔｈｅｐｒｅｓｅｎｔｓｉｔｕａｔｉｏｎ

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