焊接機器人及系統(tǒng)介紹（焊接機器人系統(tǒng)組成和編程方法及發(fā)展趨勢）

一、什么是焊接機器人

焊接機器人是從事焊接（包括切割與噴涂）的工業(yè)機器人。根據(jù)國際標準化組織（ISO）工業(yè)機器人屬于標準焊接機器人的定義，工業(yè)機器人是一種多用途的、可重復編程的自動控制操作機（Manipulator），具有三個或更多可編程的軸，用于工業(yè)自動化領(lǐng)域。為了適應不同的用途，機器人最后一個軸的機械接口，通常是一個連接法蘭，可接裝不同工具或稱末端執(zhí)行器。焊接機器人就是在工業(yè)機器人的末軸法蘭裝接焊鉗或焊（割）槍的，使之能進行焊接，切割或熱噴涂。

二、焊接機器人的發(fā)展歷程

自從世界上第一臺工業(yè)機器人UNIMATE于1959年在美國誕生以來，機器人的應用和技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了三個階段：

第一代是示教再現(xiàn)型機器人。這類機器人操作簡單，不具備外界信息的反饋能力，難以適應工作環(huán)境的變化，在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中的應用受到很大限制。

第二代是具有感知能力的機器人。這類機器人對外界環(huán)境有一定的感知能力，具備如聽覺、視覺、觸覺等功能，工作時借助傳感器獲得的信息，靈活調(diào)整工作狀態(tài)，保證在適應環(huán)境的情況下完成工作。

第三代是智能型機器人。這類機器人不但具有感覺能力，而且具有獨立判斷、行動、記憶、推理和決策的能力，能適應外部對象、環(huán)境協(xié)調(diào)地工作，能完成更加復雜的動作，智能機器人還具備故障自我診斷及修復能力。

焊接機器人就是在焊接生產(chǎn)領(lǐng)域代替焊工從事焊接任務的工業(yè)機器人。早期的焊接機器人缺乏“柔性”，焊接路徑和焊接參數(shù)須根據(jù)實際作業(yè)條件預先設(shè)置，工作時存在明顯的缺點。隨著計算機控制技術(shù)、人工智能技術(shù)以及網(wǎng)絡控制技術(shù)的發(fā)展，焊接機器人也由單一的單機示教再現(xiàn)型向以智能化為核心的多傳感、智能化的柔性加工單元（系統(tǒng)）方向發(fā)展。

三、焊接機器人特點

點焊對焊接機器人的要求不是很高。因為點焊只需點位控制，至于焊鉗在點與點之間的移動軌跡沒有嚴格要求，這也是機器人最早只能用于點焊的原因。點焊用機器人不僅要有足夠的負載能力，而且在點與點之間移位時速度要快捷，動作要平穩(wěn)，定位要準確，以減少移位的時間，提高工作效率。點焊機器人需要有多大的負載能力，取決于所用的焊鉗形式。對于用與變壓器分離的焊鉗，30～45kg負載的機器人就足夠了。但是，這種焊鉗一方面由于二次電纜線長，電能損耗大，也不利于機器人將焊鉗伸入工件內(nèi)部焊接；另一方面電纜線隨機器人運動而不停擺動，電纜的損壞較快。

因此，目前逐漸增多采用一體式焊鉗。這種焊鉗連同變壓器質(zhì)量在70kg左右?？紤]到機器人要有足夠的負載能力，能以較大的加速度將焊鉗送到空間位置進行焊接，一般都選用100～150kg負載的重型機器人。為了適應連續(xù)點焊時焊鉗短距離快速移位的要求。新的重型機器人增加了可在0.3s內(nèi)完成50mm位移的功能。這對電機的性能，微機的運算速度和算法都提出更高的要求。

四、焊接機器人優(yōu)點

1）穩(wěn)定和提高焊接質(zhì)量，能將焊接質(zhì)量以數(shù)值的形式反映出來；

2）提高勞動生產(chǎn)率；

3）改善工人勞動強度，可在有害環(huán)境下工作；

4）降低了對工人操作技術(shù)的要求；

5）縮短了產(chǎn)品改型換代的準備周期，減少相應的設(shè)備投資。

五、焊接機器人的系統(tǒng)組成

焊接機器人主要包括機器人和焊接設(shè)備兩部分。機器人由機器人本體和控制柜（硬件及軟件）組成。而焊接裝備，以弧焊及點焊為例，則由焊接電源，（包括其控制系統(tǒng)）、送絲機（弧焊）、焊槍（鉗）等部分組成。對于智能機器人還應有傳感系統(tǒng)，如激光或攝像傳感器及其控制裝置等。圖1a、b表示弧焊機器人和點焊機器人的基本組成。

六、激光焊接機器人系統(tǒng)組成

七、焊接機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于所設(shè)計的焊接機器人是在準平面、空間狹窄的環(huán)境下工作，為了保證機器人能根據(jù)電弧傳感器的偏差信息，跟蹤焊縫自動焊接，要求所設(shè)計的機器人應該結(jié)構(gòu)緊湊、移動靈活且工作穩(wěn)定．文中針對狹窄空間特點，開發(fā)了一種小型移動焊接機器人，根據(jù)機器人各結(jié)構(gòu)的運動特點，運用模塊化設(shè)計方法，把機器人機構(gòu)分為輪式移動平臺、焊炬調(diào)節(jié)機構(gòu)和電弧傳感器三部分。其中，輪式移動平臺由于其慣性大，響應慢，主要對焊縫進行粗跟蹤，焊炬調(diào)節(jié)機構(gòu)負責焊縫精確跟蹤，電弧傳感器完成焊縫偏差實時識別．另外，機器人控制器和電機驅(qū)動器集成安裝于機器人移動平臺上，使其體積更小。同時，為了減少惡劣焊接環(huán)境下粉塵對運動部件影響，采用全封閉式結(jié)構(gòu)，提高其系統(tǒng)可靠性。

八、焊接機器人的編程方法

焊接機器人的編程方法目前還是以在線示教方式（Teach-in）為主，但編程器的界面比過去有了不少改進，尤其是液晶圖形顯示屏的采用使新的焊接機器人的編程界面更趨友好、操作更加易。然而機器人編程時焊縫軌跡上的關(guān)鍵點坐標位置仍必須通過示教方式獲取，然后存入程序的運動指令中。這對于一些復雜形狀的焊縫軌跡來說，必須花費大量的時間示教，從而降低了機器人的使用效率，也增加了編程人員的勞動強度。目前解決的方法有2種：

一是示教編程時只是粗略獲取幾個焊縫軌跡上的幾個關(guān)鍵點，然后通過焊接機器人的視覺傳感器（通常是電弧傳感器或激光視覺傳感器）自動跟蹤實際的焊縫軌跡。這種方式雖然仍離不開示教編程，但在一定程度上可以減輕示教編程的強度，提高編程效率。但由于電弧焊本身的特點，機器人的視覺傳感器并不是對所有焊縫形式都適用。

二是采取完全離線編程的辦法，使機器人焊接程序的編制、焊縫軌跡坐標位置的獲取、以及程序的調(diào)試均在一臺計算機上獨立完成，不需要機器人本身的參與。機器人離線編程早在多年以前就有，只是由于當時受計算機性能的限制，離線編程軟件以文本方式為主，編程員需要熟悉機器人的所有指令系統(tǒng)和語法，還要知道如何確定焊縫軌跡的空間位置坐標，因此，編程工作并不輕松省時。隨著計算機性能的提高和計算機三維圖形技術(shù)的發(fā)展，如今的機器人離線編程系統(tǒng)多數(shù)可在三維圖形環(huán)境下運行，編程界面友好、方便，而且，獲取焊縫軌跡的坐標位置通常可以采用“虛擬示教”（virtual Teach-in）的辦法，用鼠標輕松點擊三維虛擬環(huán)境中工件的焊接部位即可獲得該點的空間坐標；在有些系統(tǒng)中，可通過CAD圖形文件中事先定義的焊縫位置直接生成焊縫軌跡，然后自動生成機器人程序并下載到機器人控制系統(tǒng)。從而大大提高了機器人的編程效率，也減輕了編程員的勞動強度。目前，國際市場上已有基于普通PC機的商用機器人離線編程軟件。如Workspace5、RobotStudio等。圖9所示為筆者自行開發(fā)的基于PC的三維可視化機器人離線編程系統(tǒng)。該系統(tǒng)可針對ABB公司的IRB140機器人進行離線編程，程序中的焊縫軌跡通過虛擬示教獲得，并在三維圖形環(huán)境中可讓機器人按程序中的軌跡作模擬運動，以此檢驗其準確性和合理性。所編程序可通過網(wǎng)絡直接下載給機器人控制器。

九、焊接機器人的發(fā)展趨勢

焊接機器人在高質(zhì)量、高效率的焊接生產(chǎn)中，發(fā)揮了極其重要的作用。工業(yè)機器人技術(shù)的研究、發(fā)展與應用，有力地推動了世界工業(yè)技術(shù)的進步。近年來，焊接機器人技術(shù)的研究與應用在焊縫跟蹤、信息傳感、離線編程與路徑規(guī)劃、智能控制、電源技術(shù)、仿真技術(shù)、焊接工藝方法、遙控焊接技術(shù)等方面取得了許多突出的成果。隨著計算機技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)、智能控制技術(shù)、人工智能理論以及工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的不斷發(fā)展，焊接機器人技術(shù)領(lǐng)域還有很多亟待我們?nèi)フJ真研究的問題，特別是焊接機器人的視覺控制技術(shù)、模糊控制技術(shù)、智能化控制技術(shù)、嵌入式控制技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、網(wǎng)絡控制技術(shù)等方面將是未來研究的主要方向。