焊接机器人在机械制造领域中的应用及发展趋势

焊接机器人在机械制造领域中的应用及发展趋势不完全统计，在机械制造领域中，用于焊接加工的机器人占据了整个工业机器人应用中的半壁江山。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、焊接和卸料等多种任务，机器人完全可以根据程序设定和任务性质（如1所示，多机器人协调工作），自动更换机器人手腕上的工具，完成相应的工作任务。因此，从某种意义上来说，焊接机器人在工业机器人的发展历程中具有举足轻重的地位。

1机器人的应用概述

众所周知，焊接加工一方面要求焊工要有熟练的操作技能、丰富的实践经验和稳定的焊接水平；另一方面，焊接又是一种劳动条件差、烟尘多、热辐射大和危险性高的工作。用焊接机器人代替人的手工焊接，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。然而焊接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，子锐机器人，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、烟尘和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，焊接机器人可完全适应这种恶劣环境，这也是焊接机器人替代人工操作的根本所在。

从机器人诞生到本世纪初，机器人技术经历了一个长期缓慢的发展过程。随着计算机技术、微电子技术和网络技术等的快速发展，机器人技术也得到了飞速发展。焊接机器人的制造水平、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。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。

由于机器人控制速度和精度的提高，尤其是电弧传感器及激光跟踪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。多焊接机器人焊接汽车车身如2所示。

另外，焊接机器人不仅用于汽车制造业，它已经覆盖其它机械制造业，包括造船、轨道交通、压力容器、工程机械、航空航天和农业机械等。因此，焊接机器人的应用范围日趋广泛。焊接机器人在工程机械上的应用如3所示。

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，www.zr-robot.com，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、操作更加容易。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型式都适用；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。随着计算机性能的提高和计算机三维形技术的发展，如今的机器人离线编程系统多数可在三维形环境下运行，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（virtualTeach-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。

2焊接机器人发展趋势

目前国际机器人行业都在加大科研力度，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：

2.1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；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。