浅谈焊接机器人现状及发展趋势.doc

浅谈焊接机器人现状及发展趋势 摘 要：随着科学技术的飞速发展，焊接自动化技术越来越多地应用到现代工业的各行各业中。本文结合我国焊接机器人技术的发展现状，对焊接机器人技术的发展趋势和方向进行分析和阐释。 关键词：焊接机器人；研究现状；发展趋势 DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2016.04.203 0 引言 有着“工业裁缝”之称的焊接在工业生产领域起着举足轻重的作用。近些年来，随着科学技术的不断发展，高质量产品的需求量大大地增加了，同时也对焊接技术提出了更高的要求。传统的手工焊接技术在质量和效率上已经无法满足当今产品生产的需要了，所以焊接的自动化逐渐为世人所重视起来。焊接机器人近些年来已经发展了三代，由最初的示教再现式的第一代机器人发展到携带有传感器并且可进行离线编程的第二代机器人，再到多传感器自动编程的高度自动化的第三代焊接机器人1，焊接机器人已经成为焊接自动化的标志。 1 焊接机器人技术研究现状 1.1 焊缝跟踪技术 焊接机器人在执行焊接操作时，要想得到高质量的焊缝，周围稳定的焊接环境是其中的一个重要因素。可是对于焊接来说，整个焊接过程必然受到许多不确定的、时变的因素干扰。例如焊接产生的强烈的弧光，飞溅，烟尘以及工件表面状况，焊接热效应使工件发生变形等因素，上述这些因素的干扰，会破坏焊接过程的稳定性，可能会使焊炬偏离焊缝，影响焊接质量。因此就要对焊缝进行实时地跟踪，根据焊接条件的不断变化，对焊接参数，焊接路径不断进行实时地调整，及时地纠正产生的偏差，满足焊接质量要求。焊缝跟踪技术主要通过电弧传感器感知电弧的实时变化，采用电弧电压反馈调节机制2，对焊炬进行上下左右地调整，寻找焊缝，实现焊炬跟随焊缝的自适应控制，再通过调整焊接工艺参数，最终实现对焊接质量的控制。另外视觉传感器结合计算机视觉图像处理技术获得了大量信息，增强了焊接机器人外部适应能力。另一方面，随着模糊数学与神经网络2应用到焊缝跟踪系统，使焊缝跟踪更加智能化。 1.2 焊接机器人用弧焊电源的研究3 在研究焊接机器人的过程中，对弧焊电源的研究决不可忽略。焊接机器人作为一种电器，可见作为其动力支持的弧焊电源能够起到多么大的作用。专用弧焊电源电器性能的优良对焊接机器人的使用性能会产生很大的影响，电器性能良好的专用弧焊电源才能体现出焊接机器人高质高效的特点。近些年弧焊电源技术日趋成熟，多数通过单片机对晶体管式弧焊逆变器进行控制来充当机器人专用弧焊逆变电源，能够得到优良的焊接动特性，保证焊接质量和效率。目前出现了一种采用模糊控制的方式控制焊接电源的模糊控制电源，该种方法有较强的适应性，能够满足所焊工件表面不平整，以及有较大变形的工况下的焊接，并且能够焊缝熔宽、熔深的一致性，焊缝成型好，缺陷少。弧焊电源正在向着数字化的方向发展，焊接过程将更加稳定，所受到的影响将进一步减小，焊接质量也更加能够得到保证，数字化焊接电源将成为一种发展方向。 1.3 多台焊接机器人与外围设备的协调控制技术 随着焊接机器人越来越多地投入到实际的焊接生产中，很大程度上提高了生产的质量和效率。但是对于大量的焊接操作以及复杂的焊接结构，单台焊接机器人工作也会显得效率低下，力不从心。一方面焊接机器人在工厂中主要是执行批量生产的任务，这样才能发挥出其高效的优点，但是生产量过大，效率提高的也不明显。另一方面，对于一些复杂的焊接结构来说，单台机器人无法单次完成焊接，会存在一些位置达到机器人的奇异点，机器人手臂无法到达所焊接的位置，预定焊接路径中存在障碍物，或者遇到死点无法继续焊接，只能采用变位机等外部辅助设施才能保证焊接继续进行下去，但这样对工作效率也会产生极大的影响。这时就需要多台焊接机器人共同完成焊接作业，例如在焊接一个大型的焊接结构件时，单台焊接机器人所能焊接的范围较小无法一次焊接，一次焊接结束后还需要配合变位机等焊接辅助装置再继续施焊，这就要对经过变位机变位后所焊工件的位置精度有较高的要求，否则还要对机器人重新进行示教，这会浪费大量的工时，增加成本。但是在不同的方位上分别布置一台机器人同时焊接，既避免了单台机器人的行程限制，又省去了变位机等焊接辅助，很大程度上提高了效率。同时机器人不是单独工作的，还有许多的外围辅助设备，除了机器人本体外，还有控制柜、焊接电源、送丝机构、变位机、夹具等。因此在焊接过程中就需要焊接机器人与周边设备，机器人与机器人之间实现柔性化集成，能大大地减少辅助时间，很大程度上提高效率。 1.4 焊接机器人系统仿真技术 焊接机器人是一个多自由度、多连杆空间结构，我们在研制、试验、设计过程中经常需要对其运动学、动力学性能进行分析以及轨迹规划设计。但是焊接机器人的运动学、动力学十分复杂，计算难度很大。我们以机械手作为仿真对象，结合计算机图形学CAD技术以及机器人学理论，先在三维软件中建立所焊工件的三维模型，载入到计算机中去，并且在计算机中生成焊接机器人机械臂，工作平台等。并且能够动画演示机械臂的模拟行走轨迹，操作人员可以事先对行走轨迹进行规划，优势是有很强的直观性。如果路径规划的不合理，机械臂存在奇异点无法到达，或者是在运动过程当中遇到一些障碍物，发生碰撞等在计算机中会及时的反馈出来，工作人员会及时重新规划路径，提早解决问题，提高工作效率。 1.5 遥控焊接技术 焊接机器人的广泛使用除了它的高质量，高效率受到世人的青睐以外，它还能代替人类在一些复杂危险的环境下执行焊接任务。操作人员在远离危险的安全位置上，对焊接机器人及相关设备进行远程控制，来完成危险环境下的焊接任务。在航空航天，深海，核电等领域，都有了焊接机器人的身影。使焊接技术的应用领域进一步开阔，但是这一项技术目前还并不是很成熟，世界多国都在进行深入的研究。 2 焊接机器人发展趋势 2.1 虚拟现实技术 所谓虚拟现实技术4，就是对事件的现实性从事件和空间上进行分解后重新组合的技术。虚拟现实技术与焊接机器人技术相结合，用户可以对焊接过程进行模拟仿真，查看焊接操作的可行性。用户可以在计算机上生成生产加工的仿真模型，将工艺过程转化成数字化操作，再由数字化操作指导实际生产。用户在计算机中就可以模拟机械手焊接的整个过程，包括机械手的行走轨迹，行走速度等，都清晰地展现在用户面前。焊接过程中遇到的问题都会展现出来，用户可以随时对机械手的姿态，轨迹进行调整，并且可以对多个焊接工艺进行比较，选择出最适合的工艺。 2.2 多传感器信息融合技术 传感器技术应用到焊接机器人技术，是焊接机器人技术发生了一个质的飞跃。拥有了传感器技术的焊接机器人就像有了一双眼睛，能够实时感知外界环境，及时进行调整。相比于早期的焊接机器人，装配有传感器的机器人更加智能化，更有效率。随着技术的不断发展，仅仅拥有单一传感器的焊接机器人已经越来越无法满足实际生产的需要，就如同人类拥有视觉、听觉、触觉、嗅觉等将外界信息综合处理，做出最终的判断。焊接机器人也是一样，由于实际焊接过程中的干扰因素是多方面的，单一的传感器并不能准确的对周围环境做出判断，需要多种不同的传感器同时进行工作，对各自的信息进行综合，才能对实际环境做出最准确的判断。将多个传感器的信息进行柔性化的集成，并且将集成后的信息指导焊接机器人工作，该项技术的不断趋于完善和成熟，将使焊接机器人的智能化更进一步。 2.3 多智能焊接机器人系统 对于一些复杂的焊接件，需要多台焊接机器人相互配合，共同完成相互关联的焊接任务，最终完成焊接操作。多台焊接机器人工作很容易实现，但是多台机器人同时完成一个焊接任务时，需要焊接机器人柔性化地集成起来，每台机器人分工明确，协调好各台机器人的工作，各台机器人的信息交互要流畅，避免在执行焊接操作任务时发生碰撞等问题，反而使效率大打折扣，得不偿失。 2.4 移动机器人 目前投入使用的焊接机器人大多数为固定式或者是单个机械臂，这在实际的焊接生产中会产生诸多不便。焊接机器人的可达范围收到了很大程度上的制约，一方面机械臂如果伸出过远，会导致其刚度有些许的下降，加之其末端执行器要负载自动焊枪，致使在焊接过程中会产生轻微的抖动，容易造成焊接电弧不稳，保护气体保护效果下降，这对焊接质量的影响是很大的。另一方面采用多台机器人焊接会增加成本，并且要保证各机器人之间能够柔性地集成在一起，这都增加了工作量。移动机器人还有一些问题亟待解决，如噪音、震动、机器人通讯、运动精度等。如果移动机器人能够得到广泛应用，将是焊接行业革命性的进步，将是未来研究的重点与热点。 3 结论 我国科技水平的迅速发展，极大地带动了制造业的发展。焊接机器人作为制造业升级变型的重要标志已经得到了国家的高度重视，政府加大政策和资金支持促使焊接机器人得到飞速地发展。随着计算机技术、传感器技术、人工智能技术等的发展，引进及吸收先进技术和经验，焊接机器人技术会快速走向成熟，提升我国的制造业水平。 参考文献： 1宋金虎.我国焊接机器人的应用于研究现状J.电焊机.2009，39（04）：18-21. 2王恩浩.焊接机器人技术现状与发展趋势J.中国高新技术企业，2014，（14）：3-4. 3杜舜尧，陈明和，吴诗语.焊接机器人技术的研究现状与发展趋势J.装备制造技术，2015（08）：50-52. 4施春芳.焊接机器人技术现状和发展趋势的研究J.中国科技投资，2012，6（24）：161. 作者简介： 张文明（1959-），男，辽宁沈阳人，学士，教授，研究方向：焊接技术及自动化。