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中文科技期刊数据库（引文版）工程技术 154 焊接机器人应用现状及关键技术概述 巩 潇 中国软件评测中心工业和信息化部软件与集成电路促进中心，北京 100080 摘要：摘要：随着全球制造业向智能化、自动化方向的持续转型，焊接机器人成为了这一趋势中的重要角色。在我国，焊接机器人在智能化焊接制造中发挥了不可或缺的角色，为制造业的高效、精准和持续发展提供了有力支持。随着技术的成熟和应用的扩大，我国的焊接机器人市场也迅速扩张，吸引了大量的投资和创新。然而，焊接机器人领域仍然存在一些亟待解决的问题。例如，如何确保机器人在复杂的工作环境中的安全和稳定性、如何进一步提高机器人的灵活性和自适应能力、如何更好地整合和优化系统集成技术等。针对该情况，本文对焊接机器人的应用现状与关键技术进行详细分析，旨在焊接机器人能够促进我国制造业的高质量发展。关键词：关键词：焊接机器人；应用现状；智能制造 中图分类号：中图分类号：TH-39 0 引言 随着现代技术的迅速发展，焊接机器人在工业领域内已经逐渐成为一个发展成熟的技术。焊接机器人不仅能够处理各种各样的焊接任务，而且还随着先进制造技术的进步不断地提高其性能和精度。2020 年，一些特殊情况给全球带来的巨大影响和挑战，为焊接行业带来了前所未有的机遇。它的影响促使更多的企业认识到自动化和智能化的重要性，焊接机器人作为这一变革的重要组成部分，得到了更加广泛的应用和关注1。但与此同时，焊接领域的机器人技术仍然面临一系列的挑战，例如：柔性的问题以及对不同材料和条件的焊接适应能力不足等。目前，金属加工行业正面临着劳动力成本上升和专业焊接工人数量减少的双重压力。在这种背景下，焊接机器人和其相关的末端执行器技术成为了越来越多企业的选择，尤其是在满足小批量、多品种、定制化和复杂化产品的焊接需求时。本文对焊接机器人的应用现状进行分析，并提出了关键技术手段。1 焊接机器人技术发展现状 面对各种市场挑战，企业致力于提高生产效率、生产质量、市场反应速度，同时努力降低生产成本。在这个转型的过程中，焊接自动化设备，尤其是焊接机器人，扮演着关键的角色。焊接机器人从初期的示教再现型，到中期的低智能型，再到现阶段逐渐崭露头角的智能型焊接机器人，每个阶段都反映了技术进步和市场需求的变化。在这三个阶段中，示教再现型和低智能型焊接机器人技术已经变得相当成熟，并在焊接产业中得到了广泛的应用。市场上，无论是国产一线机器人品牌还是国外进口品牌，都有各自的技术特长和应用场景。比如，某些机器人擅长采用电弧传感功能，另一些则更侧重于二氧化碳气体保护焊。而激光传感和视觉传感技术也逐渐被整合进机器人系统中，为数据和信息处理提供更为丰富的输入2。然而，智能型焊接机器人作为这一进程的最新阶段，尽管展现出巨大的发展潜力，但目前仍面临技术不够成熟、应用范围有限以及产品造价较高等挑战。2 我国焊接机器人应用现状 2.1 我国焊接机器人市场发展现状 自 2015 年开始，我国的焊接机器人市场展现出一种非常有趣的波浪式发展趋势。多种内外因素纠结其中，包括技术创新、政策红利、经济转型等。在这样的背景下，国产焊接机器人市场份额逐年上升，显示出强劲的市场活力和我国在这一领域的科技崛起。随着技术的进步，焊接机器人设备已不再仅限于焊接工作站，它们逐渐转向焊接生产线，涉及的范围更为广泛。值得注意的是，现在的焊接机器人不仅仅是用于焊接，还逐步延伸到其他焊接辅助工序，如组对点焊、补焊修磨等，丰富了其应用范畴。在 2018 全球经济环境变得更加复杂,由于这一外部冲击，我国焊接机器人的销售增长速度明显减缓，直至 2019 年更是出现了负中文科技期刊数据库（引文版）工程技术 155 增长。尤其在外贸出口方面，我国经受了一定的压力3。在 2020 年，一些特殊情况对全球各行各业都造成了巨大的冲击。尽管面临困境，但受到我国经济转型的推动，尤其是技术创新和政策红利的双重加持，焊接机器人市场销售增长率得以恢复。在这段特殊时期，尽管传统产业受到严重影响，但新兴产业，特别是机器人产业，却呈现出生机勃勃的态势4。在 2021 年，我国焊接机器人市场已经达到了历史最高峰，已经成为了全球最大的焊接机器人市场。据国际机器人联合会(IFR)和中国机器人产业联盟(CRIA)、高工机器人产业研究所的数据统计，至 2021 年，我国焊接机器人的拥有量已达到 28.721 万台5，图 1 为 20162021 年我国焊接机器人销量及同比增长率。图 1 20162021 年我国焊接机器人销量及同比增长率 焊接机器人的发展在近几年显得尤为迅速，这背后不仅体现在产品种类的多样化，还反映在应用场景的广泛拓展上。从传统的点焊、弧焊，到技术含量更高的激光焊接、钨极氩弧焊，再到搅拌摩擦焊和等离子焊，焊接技术的多样化促进了机器人的应用范围日益扩大。与此同时，不同的工作环境，如野外、水下、太空乃至核环境，也为特种机器人提供了展现其技术魅力的舞台。市场上的焊接机器人品牌，大体上分为日系、欧系和国产三大类6。日系机器人因操作便捷、价格适中受到很多企业的青睐，但其在源程序的开放性和机械臂刚性上存在一定的不足。相对的，欧系机器人在源程序的开放性和产品寿命上表现优异，然而高昂的价格也让部分用户望而却步。国产机器人，在努力挑战国际大牌的同时，还面临着系统稳定性和重复定位精度的问题。2.2 我国焊接机器人行业应用现状 在汽车制造行业，焊接机器人被广泛应用于多个生产环节，包括点焊、弧焊、激光焊接和激光三维切割等关键过程。这些机器人不仅加快了生产速度，而且通过焊缝识别和焊接过程控制技术确保了焊接质量。AGV 和 RGV 等自动导引车辆则在流水线自动化生产中为机器人提供了灵活的材料传送和工作站布置。与国际领先的焊接机器人品牌相比，国产焊接机器人在技术上还存在一定差距。这导致在大型汽车制造流水线上，国产焊接机器人的应用受到了一些限制。例如，在工程机械和煤矿机械这样主要涉及中厚板焊接的行业中，由于焊接技术的高要求，弧焊机器人是首选。这些领域对机器人和相关外围设备的精确性和稳定性有着极高的期望。由于其先进的技术和丰富的经验，进口焊接机器人品牌在这些应用中占据了主导地位。与此相反，薄板焊接主导的行业如农用机械和健身器械，焊接过程相对简单，机器人系统的集成和应用也较为容易。在这些领域，国产焊接机器人已经赢得了较高的市场份额，证明了其在某些应用中的竞争力。2.3 我国焊接机器人行业发展痛点问题 我国的焊接机器人产业起步之时，西方发达国家已经在该领域取得了显著的技术和市场领先。这种历史背景，为我国的焊接机器人产业带来了不少挑战。首先，核心零部件，如伺服电机、精密减速器、控制器等，我们长期处于对外依赖的状态，大量的进口既增加了成本，也在某种程度上限制了我们在产品设计和创新上的自主权。此外，尽管我们已经拥有了一些专门为焊接机器人设计的软件，但与国际上成熟的产品相比，我们在功能、稳定性和智能化方面仍存在明显的差距。与此同时，我国在焊接机器人的产业标准方面，仍处于起步阶段。没有统一且健全的标准，意味着我国的产品在与国际产品竞争时，可能会面临互不兼容、质量参差不齐等问题。3 焊接机器人关键技术 3.1 工业机器人本体技术 工业机器人作为现代制造业的重要组成部分，在各种生产线中扮演了不可或缺的角色，尤其是在焊接工作中，机器人的应用越来越广泛。对于焊接机器人来说，工业机器人的本体技术是其发展和完善的基础。从更细分的技术角度看，这其中的核心技术包括精密减速器技术、伺服驱动技术以及机器人控制技术7。中文科技期刊数据库（引文版）工程技术 156 在精密减速器技术中，RV 减速机和谐波减速机是两大主要类型。减速器的制造技术难度相当高，需要极高的材料和组件精度。这样的技术要求不仅体现了制造业的高水平，也是衡量一个国家制造业实力的关键标准之一。伺服驱动器作为机器人动作控制的核心部件，对其性能的要求极为苛刻，包括高扭矩、高功率密度和高运动精度控制等。机器人控制器尤其是在控制伺服轴、运动轨迹规划以及通信开放性等方面，是决定机器人性能的关键部件。在信号处理能力、主控逻辑的二次开发能力等方面，与国外成熟的产品相比，国内的机器人控制器在多个性能指标上仍然存在差距。3.2 焊接电源技术 21 世纪随着人工智能、计算机视觉、数字化信息处理以及机器人技术的飞速进步，焊接电源技术也正在经历一场革命性的变革。这些尖端技术不仅使得焊接过程更为高效、数字化、智能化和机器人化，而且更加环保。首先，焊接工艺的高效化意味着更快的焊接速度和更高的生产效率。例如，超低飞溅焊接、高速焊接、聚能电弧/大熔深和冷弧焊/根焊等技术，都为各类焊接任务提供了更高的准确性和效率。通过单双脉冲电弧控制和智能化数字控制技术，我们可以实现对焊接过程的精准控制，从而达到最佳的焊接效果。此外，质量控制的智能化和焊接过程的机器人化带来了更高的焊接质量和更少的人工干预。电弧传感器和焊接实时监控技术确保了焊接过程的稳定性，减少了生产中的缺陷率。通过人机交互技术，操作者可以更直观地掌握焊接过程，进行必要的参数调整，如输出电流、电压的自动调节、多电压支持以及焊接参数的渐变调节等。3.3 焊接机器人传感技术 焊接作为现代制造业中的一项核心技术，日益显现出自动化和智能化的发展趋势。为了实现这一目标，焊接传感技术起到了不可或缺的关键作用。具体来说，接触传感、电弧传感和激光传感因各自独特的性能特点和优势，在机器人焊接领域中得到了广泛的应用。接触传感技术可以实时检测焊丝与焊缝的接触状态，为机器人焊接提供重要的实时反馈；电弧传感通过检测电弧的特性变化，监测焊接过程中的质量和稳定性；而激光传感则采用三角测量原理，为焊缝跟踪和焊缝位置的精确控制提供了强有力的技术支撑。此外，电磁、声学、光学等其他传感技术也为焊接过程中的参数变化、焊接质量的实时监控和调整控制提供了更为广泛和深入的应用可能。3.4 协调运动控制技术 协调运动控制技术在焊接机器人领域的应用得到了广泛关注。这种控制方法为机器人提供了一种能够在持续回转型焊缝、环形焊缝、复杂曲线焊缝以及马鞍形焊缝等多种焊缝形态下进行精确操作的能力。其的工作原理在于机器人与外部轴进行恒定相对速度的同步，这意味着无论焊缝的形态如何变化，机器人总能保持其与工件的相对位置不变。在实际的焊接作业中，借助于轨迹同步定位技术，焊接机器人可以自动识别焊缝的形状，进而自动调整工件的位置，确保机器人始终处于最佳的焊接姿势。这样不仅提高了焊接质量，还大大减少了焊接过程中的误差。另一方面，随着焊接领域对效率和适用性的不断追求，变位机轴和机器人的协作控制技术越来越受到重视。如今，不仅仅是单一的焊接机器人，更多的焊接应用开始转向多机器人、多工作单元的协调控制。3.5 离线编程与仿真技术 传统的示教编程方式已经逐渐被现代的离线编程技术所取代。离线编程技术主要利用三维建模和离线编程仿真软件，在一个虚拟环境中对焊接机器人进行轨迹规划和问题优化，如机器人系统的运动、奇异点、碰撞和干涉问题的识别和解决。这一技术通过后置处理方法，能够实现快速编程，极大地降低了编程人员的劳动强度。在现代生产环境中，对多品种、小批量和复杂工件的焊接编程需求日益增多。离线编程技术恰好能够满足这些需求，因为它允许工程师在不与实际设备接触的情况下进行编程，使得编程过程更为灵活和高效。3.6 焊接机器人系统集成技术 焊接机器人系统集成技术已逐渐成为现代工业焊接领域的核心技术，实现了工业机器人的精细化和智能化应用。这项技术不仅仅局限于焊接工艺的精化和优化，它还涵盖了从非标设备设计、虚拟仿真到传感信号的实时采集等多方面的关键环节。其中，非标设备设计为特定的焊接应用场景提供了特定的解决方案，中文科技期刊数据库（引文版）工程技术 157 使得机器人能够更加适应复杂、多变的工业环境。而虚拟仿真技术则使得在实际生产前，我们就能对焊接过程进行模拟和优化，确保其效率和质量。传感信号的采集和处理能够实时捕捉机器人在焊接过程中的状态和环境信息，为人机交互以及智能化控制提供了有力的技术支持。4 结束语 综上所述，我国制造业开始迈入转型升级的关键时期，焊接机器人市场应运而生，成为众多终端用户所追求的技术焦点。在高端焊接机器人市场中，我国的国产焊接机器人在性能、技术和品质上仍有很大的提升空间。因此，我们需要投入更多资源，加强对焊接机器人产品的研发，尤其是在提升产品的柔性和智能化水平上，通过数字化、网络化、智能化的深度融合，可以培育出更为适应市场、更具竞争力的焊接机器人产品，为我国制造业的转型升级提供有力支撑。参考文献 1霍厚志,杨朔,刘龙飞等.我国焊接机器人应用现状及关键技术概述J.焊管,2023,46(05):1-7.2孙静.焊接机器人关键技术及应用发展现状J.中国金属通报,2020(12):199-200.3肖润泉,许燕玲,陈善本等.焊接机器人关键技术及应 用 发 展 现 状 J.金 属 加 工(热 加工),2020(10):24-31.4霍厚志,张号,杜启恒等.我国焊接机器人应用现状与技术发展趋势J.焊管,2017,40(02):36-42.5宋金虎.我国焊接机器人的应用与研究现状J.电焊机,2009,39(04):18-20.6林尚扬.我国机械制造业中焊接机器人的应用现状与发展趋势(下)J.机械工人,1999(06):3-4.7林尚扬.我国机械制造业中焊接机器人的应用现状与发展趋势(上)J.机械工人,1999(05):3-4.