焊接機器人的應(yīng)用與發(fā)展

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焊接機器人 焊接機器人的應(yīng)用 與發(fā)展 焊接機器人的應(yīng)用與發(fā)展 【論文摘要】：簡要介紹了機器人焊接技術(shù)發(fā)展歷程、應(yīng)用現(xiàn)狀，從焊縫跟蹤技術(shù)、離線編程與路徑規(guī)劃技術(shù)、多機器人協(xié)調(diào)控制技術(shù)、專用弧焊電源技術(shù)、焊接機器人系統(tǒng)仿真技術(shù)、機器人用焊接工藝方法、遙控焊接技術(shù)等七個方面論述了焊接機器人技術(shù)的研究現(xiàn)狀，并對焊接機器人技術(shù)的未來發(fā)展趨勢做出了展望，其中視覺控制技術(shù)、模糊控制技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制及嵌入式控制技術(shù)將是焊接機器人智能化技術(shù)發(fā)展的主要方向。 【關(guān)鍵詞】：焊接機器人；技術(shù)現(xiàn)狀；智能化；控制技術(shù)；發(fā)展趨勢 【Abstract】：This paper briefly introduces the development courses and application situation of technology of welding robot. The present situation on technology of welding robot were discussed，these technologies are seam-tracking，off-line programming and trajectory planning，multi robots corresponded control，welding power source，simulation，welding technologies and remote welding robot. The development trend of technology on welding robot in future was presented. The visual manipulation-technology，fuzzy manipulation-technology，neural network manipulation-technology， embedded system manipulation-technology and intelligent technology were considered as the main development directions. 【Key words】：welding robot；technical state；intelligent technology；manipulation-technology；development tendency 目錄 摘要……………………………………………………………………………………2 前言……………………………………………………………………………………4 1、 焊接機器人的發(fā)展歷程………………………………………………4 2、 焊接機器人國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀…………………………………………4 3、 焊接機器人的發(fā)展趨勢………………………………………………4 一、焊接基礎(chǔ)知識…………………………………………………………………6 1.2、 焊接的定義及其本質(zhì)…………………………………………………6 1.3、 焊接工藝的發(fā)展歷史…………………………………………………6 1.4、 概述焊接方法的分類及特點…………………………………………7 1.5、 焊接在現(xiàn)代工業(yè)中的地位……………………………………………8 二、焊接機器人的發(fā)展…………………………………………………………9 2.1、 焊接機器人國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀…………………………………………9 2.2、 焊接機器人在焊接生產(chǎn)中的應(yīng)用……………………………………10 2.3、 焊接機器人的編程方法………………………………………………11 2.4、 焊接機器人技術(shù)的研究現(xiàn)狀 …………………………………………11 2.5、 焊接機器人最新進展…………………………………………………13 三、焊接機器人的發(fā)展趨勢………………………………………………………15 3.1、 焊接機器人的發(fā)展趨勢…………………………………………………15 3.2、 焊接機器人的技術(shù)展望…………………………………………………16 3.3、 焊接機器人未來研究的熱點及發(fā)展方向………………………………18 結(jié)論 挑戰(zhàn)與對策……………………………………………………………………19 參考文獻………………………………………………………………………………20 致謝詞…………………………………………………………………………………21 附錄 焊接技術(shù)發(fā)展方向…………………………………………………………22 前言 1、 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(yīng)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(yīng)工作環(huán)境的變化，在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)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(yīng)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(yīng)外部對象、環(huán)境協(xié)調(diào)地工作，能完成更加復(fù)雜的動作，智能機器人還具備故障自我診斷及修復(fù)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(wù)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(yù)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(luò)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。 2、 焊接機器人國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀 焊接機器人具有焊接質(zhì)量穩(wěn)定、改善工人勞動條件、提高勞動生產(chǎn)率等特點，廣泛應(yīng)用于汽車、工程機械、通用機械、金屬結(jié)構(gòu)和兵器工業(yè)等行業(yè)。據(jù)不完全統(tǒng)計，全世界在役的工業(yè)機器人中大約有一半用于各種形式的焊接加工領(lǐng)域。截止2005年全世界在役工業(yè)機器人約為91.4萬套，其中日本裝備的工業(yè)機器人總量達到了50萬臺以上，成為“機器人王國”，其次是美國和德國；在亞洲，日本、韓國和新加坡的制造業(yè)中每萬名雇員占有的工業(yè)機器人數(shù)量居世界前三位。近幾年，全球機器人的數(shù)量在迅速增加，僅2005年就達12.1萬臺。 我國自上個世紀(jì)70年代末開始進行工業(yè)機器人的研究，經(jīng)過二十多年的發(fā)展，在技術(shù)和應(yīng)用方面均取得了長足的發(fā)展，對國民經(jīng)濟尤其是制造業(yè)的發(fā)展起到了重要的推動作用。據(jù)不完全統(tǒng)計，最近幾年我國工業(yè)機器人呈現(xiàn)出快速增長勢頭，平均每年的增長率都超過40%,焊接機器人的增長率超過了60%；2004年國產(chǎn)工業(yè)機器人數(shù)量突破1400臺，進口機器人數(shù)量超過9000臺，這其中的絕大多數(shù)都應(yīng)用于焊接領(lǐng)域；2005年我國新增機器人數(shù)量超過了5000臺，但僅占亞洲新增數(shù)量的6%，遠小于韓國所占的 15%，更遠小于日本所占的69%。這樣的增長速度相對于我國的經(jīng)濟發(fā)展速度以及經(jīng)濟總量來說顯然是不匹配的，這說明我國制造業(yè)的自動化程度有待進一步提高，另一方面也反映了我國勞動力成本的低廉，制造業(yè)自動化水平以及工業(yè)機器人應(yīng)用程度的提高受到限制。 當(dāng)前焊接機器人的應(yīng)用迎來了難得的發(fā)展機遇。一方面，隨著技術(shù)的發(fā)展，焊接機器人的價格不斷下降，性能不斷提升；另一方面，勞動力成本不斷上升，我國經(jīng)濟的發(fā)展，由制造大國向制造強國邁進，需要提升加工手段，提高產(chǎn)品質(zhì)量和增加企業(yè)競爭力，這一切預(yù)示著機器人應(yīng)用及發(fā)展前景空間巨大。 3、 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(yīng)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(yīng)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(luò)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(luò)控制技術(shù)等方面將是未來研究的主要方向。 一、焊接基礎(chǔ)知識 1.1、 焊接的定義及其本質(zhì) 焊接是通過加熱、加壓，或兩者并用，并且用或不用填充材料，使兩個分離的物體產(chǎn)生原子（分子）間結(jié)合的一種方法被結(jié)合的兩個物體可以是各種同類或不同類的金屬、非金屬（石墨、陶瓷、塑料等），也可以是一種金屬與一種非金屬。 金屬等固體之所以能保持固定的形狀是因為其內(nèi)部原子間距（晶格距離）十分小，原子之間形成牢固的結(jié)合力。要把兩個分離的金屬焊件連接在一起， 從物理本質(zhì)上來看就是要使這兩個焊件連接表面上的原子拉近到金屬晶格距離（即0.3~0.5nm或3~5）。然而，在一般情況下材料表面總是不平整的，即使經(jīng)過精密磨削加工，其表面平面度仍比晶格距離大得多（約幾十微米）；另外，金屬表面總難免存在著氧化膜和其他污物，阻礙著兩分離焊件表面原子間的接近。因此，焊接過程的本質(zhì)就是通過適當(dāng)?shù)奈锢砘瘜W(xué)過程克服這兩個困難，使兩個分離焊件表面的原子接近到晶格距離而形成結(jié)合力。這些物理化學(xué)過程，歸結(jié)起來不外乎是用各種能量加熱和用各種方法加壓兩類。 1.2、 焊接工藝的發(fā)展歷史 焊接技術(shù)是隨著金屬的應(yīng)用而出現(xiàn)的，古代的焊接方法主要是鑄焊、釬焊和鍛焊。中國商朝制造的鐵刃銅鉞，就是鐵與銅的鑄焊件，其表面鐵與銅的熔合線蜿蜒曲折，結(jié)合良好。春秋戰(zhàn)國時期曾侯乙墓中的建古銅座上有許多盤龍，是分段釬焊連接而成的。經(jīng)分析，所用的與現(xiàn)代釬料成分相近。 戰(zhàn)國時期制造的刀劍，刀刃為鋼，刀背為熟鐵，一般是經(jīng)過加熱鍛焊而成的。據(jù)明朝宋應(yīng)星所著《天工開物》一書記載：中國古代將銅與鐵一起入爐加熱，經(jīng)鍛打制造刀、斧；用黃泥或篩細的陳久壁土撒在接口上，分段鍛造大型船錨。到公元7世紀(jì)唐代時，已應(yīng)用錫釬焊和銀釬焊來焊接了這比歐洲國家要早10個世紀(jì)。 古代焊接技術(shù)長期停留在鑄焊、鍛焊和釬焊的水平上，使用的熱源都是爐火，溫度低、能量不集中，無法用于大截面、長焊縫工件的焊接，只能用以制作裝飾品、簡單的工具和武器。然而，目前工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的焊接方法卻是19世紀(jì)末和20世紀(jì)初現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物。特別是冶金學(xué)、金屬學(xué)以及電工學(xué)的發(fā)展，奠定了焊接工藝及設(shè)備的理論基礎(chǔ)；而冶金工業(yè)、電力工業(yè)和電子工業(yè)的進步，則為焊接技術(shù)的長遠發(fā)展提供了有利的物質(zhì)和技術(shù)條件。 19世紀(jì)初，英國的戴維斯發(fā)現(xiàn)電弧和氧乙炔焰兩種能局部熔化金屬的高溫?zé)嵩矗?885~ 1887年，俄國的別納爾多斯發(fā)明碳極電弧焊鉗；1900年又出現(xiàn)了鋁熱焊。 20世紀(jì)初，碳極電弧焊和氣焊得到應(yīng)用，同時還出現(xiàn)了薄藥皮焊條電弧焊，電弧比較穩(wěn)定，焊接熔池受到熔渣保護，焊接質(zhì)量得到提高，使手工電弧焊進入實用階段，電弧焊從20 年代起成為一種重要的焊接方法。 在此期間，美國的諾布爾利用電弧電壓控制焊條送給速度，制成自動電弧焊機，從而成為焊接機械化、自動化的開端。1930年美國的羅賓諾夫發(fā)明使用焊絲和焊劑的埋弧焊，焊接機械化得到進一步發(fā)展。40年代，為適應(yīng)鋁、鎂合金和合金鋼焊接的需要，鎢極和熔化極惰性氣體保護焊相繼問世。 1951年蘇聯(lián)的巴頓電焊研究所創(chuàng)造了電渣焊，成為大厚度工件的高效焊接法。1953年，蘇聯(lián)的柳巴夫斯基等人發(fā)明了二氧化碳氣體保護焊，促進了氣體保護電弧焊的應(yīng)用和發(fā)展，如出現(xiàn)了混合氣體保護焊、藥芯焊絲氣渣聯(lián)合保護焊和自保護電弧焊等。 1957年美國的蓋奇發(fā)明了等離子弧焊；40年代德國和法國發(fā)明的電子束焊，也在50年代得到了實用和進一步的發(fā)展；60年代又出現(xiàn)激光焊。等離子弧焊、電子束焊和激光焊等焊接方法的出現(xiàn)，標(biāo)志著高能量高密度熔焊的新發(fā)展，大大改善了材料的焊接性，使許多難以用其他方法焊接的材料和結(jié)構(gòu)得以焊接。 其他的焊接技術(shù)還有，1887年美國的湯普森發(fā)明電阻焊，并發(fā)明用于薄板的點焊和縫焊；縫焊是壓焊中最早的半機械化焊接方法，隨著縫焊過程的進行，工件被兩滾輪推送前進；20世紀(jì)20年代開始使用閃光對焊方法焊接棒材和鏈條。至此電阻焊進入實用階段。1956年，美國的瓊斯發(fā)明了超聲波焊；蘇聯(lián)的丘季科夫發(fā)明了摩擦焊；1959年，美國斯坦福研究所研究成功爆炸焊；50年代末蘇聯(lián)又制成真空擴散焊設(shè)備 1.3、 概述焊接方法的分類及特點 目前，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的焊接方法已達百余種。根據(jù)它們的焊接過程特點可將其分為熔焊、壓焊和釬焊三大類，每大類又可按不同的方法細分為若干小類，如圖所示。 基本焊接方法 熔焊 壓焊 氣焊 鋁熱焊 電渣焊 電子束焊 鍛焊 冷壓焊 超聲波焊 電阻焊 擴散焊 摩擦焊 氧氫 空氣乙炔 熔化極 非熔化極 點焊 縫焊 凸焊 對焊 焊條電弧焊 埋弧焊 氬弧焊 CO2電弧焊 螺柱焊 鎢極氬弧焊 等離子弧焊 原子氫焊 火焰釬焊 感應(yīng)釬焊 爐中釬焊 鹽浴釬焊 電子束釬焊 釬焊 電弧焊 氧乙炔 爆炸焊 ------ （1）熔焊 將待焊處的母材金屬熔化以形成焊縫的焊接方法稱為熔焊。實現(xiàn)熔焊的關(guān)鍵是要有一個能量集中、溫度足夠高的局部熱源。若溫度不夠高，則無法使材料熔化；而能量集中程度不夠，則會加大熱作用區(qū)的范圍，徒然增加能量損耗。按所使用熱源的不同，熔焊可分為以下一些基本方法：電弧焊（以氣體導(dǎo)電時產(chǎn)生的電弧熱為熱源，以電極是否熔化為特征分為熔化極電弧焊和非熔化極電弧焊兩大類）、氣焊（以乙炔或其他可燃氣體在氧中燃燒的火焰為熱源）、鋁熱焊（以鋁熱劑的放熱反應(yīng)產(chǎn)生的熱為熱源）、電渣焊（以熔渣導(dǎo)電時產(chǎn)生的電阻熱為熱源）、電子束焊（以高速運動的電子流撞擊焊件表面所產(chǎn)生的熱為熱源）、激光焊（以激光束照射到焊件表面而產(chǎn)生的熱為熱源）等若干種。 在熔焊時，為了避免焊接區(qū)的高溫金屬與空氣相互作用而使性能惡化，在焊接區(qū)要實施保護。保護的方法通常有造渣、通以保護氣和抽真空三種。因此，保護形式常常是區(qū)分熔焊方法的另一種特征。 （2）壓焊 焊接過程中，必須焊件施加壓力（加熱或不加熱），以完成焊接的方法稱為壓焊。為了降低加壓時材料的變形抗力，增加材料的塑性，壓焊時在加壓的同時常伴隨加熱措施。 按所施加焊接能量的不同，壓焊的基本方法可分為：電阻焊（包括點焊、縫焊、凸焊、對焊）、摩擦焊、超聲波焊、擴散焊、冷壓焊、爆炸焊和鍛焊等。 （3）釬焊 采用比母材熔點低的金屬材料作釬料，將焊件和釬料加熱到高于釬料熔點，低于母材熔化溫度，利用液態(tài)釬料潤濕母材，填充接頭間隙并與母材相互擴散實現(xiàn)連接焊件的焊接方法稱為釬焊。釬焊時，通常要清潔焊件表面污物，增加釬料的潤濕性，這就需要采用釬劑。 釬焊時也必須加熱熔化釬料（但焊件不熔化）。按熱源的不同可分為火焰釬焊（以乙炔在氧中燃燒的火焰為熱源）、感應(yīng)釬焊（以高頻感應(yīng)電流流過焊件產(chǎn)生的電阻熱為熱源）、電阻釬焊（以電阻輻射熱為熱源）、鹽浴釬焊（以高溫鹽溶液為熱源）和電子束釬焊等。也可按釬料的熔點不同分為硬釬焊（熔點450℃以上）和軟釬焊（熔點在450℃以下）兩類。釬焊時通常要進行保護，如抽真空、通保護氣體和使用釬劑等。 1.4、 焊接在現(xiàn)代工業(yè)中的地位 在現(xiàn)在工業(yè)中，金屬是不可缺少的重要材料。高速行駛的汽車、火車、載重萬噸至幾十萬噸的輪船、耐腐耐壓的化工設(shè)備以至宇宙飛行器等都離不開金屬材料。在這些工業(yè)產(chǎn)品的制造過程中，需要把各種各樣加工好的零件按設(shè)計要求連接起來制成產(chǎn)品，焊接就是將這些零件連接起來的一種加工方法。 據(jù)不完全統(tǒng)計，，目前全世界年產(chǎn)量45%的鋼和大量有色金屬，都是通過焊接加工形成產(chǎn)品的。特別是焊接技術(shù)發(fā)展到今天，幾乎所有部門（如機械制造、石油化工、交通能源、冶金、電子、航空航天等）都離不開焊接技術(shù)。因此可以這樣說，焊接技術(shù)的發(fā)展水平是衡量一個國家科學(xué)技術(shù)先進程度的重要標(biāo)志之一，沒有現(xiàn)代焊接技術(shù)的發(fā)展，就不會有現(xiàn)代工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的今天。 隨著工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，對焊接技術(shù)提出了多種多樣的要求。如對焊接產(chǎn)品的使用方面，提出了動載、強韌、高壓、高溫、低溫和耐蝕等項要求；從焊接產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形式上，提出了焊接厚壁零件到精密零件的要求；從焊接材料的選擇上，提出了焊接各種黑色金屬和有色金屬的要求。 二、焊接機器人的發(fā)展 據(jù)不完全統(tǒng)計，全世界在役的工業(yè)機器人中大約有將近一半的工業(yè)機器人用于各種形式的焊接加工領(lǐng)域，焊接機器人應(yīng)用中最普遍的主要有兩種方式，即點焊和電弧焊。我們所說的焊接機器人其實就是在焊接生產(chǎn)領(lǐng)域代替焊工從事焊接任務(wù)的工業(yè)機器人。這些焊接機器人中有的是為某種焊接方式專門設(shè)計的，而大多數(shù)的焊接機器人其實就是通用的工業(yè)機器人裝上某種焊接工具而構(gòu)成的。在多任務(wù)環(huán)境中，一臺機器人甚至可以完成包括焊接在內(nèi)的抓物、搬運、安裝、焊接、卸料等多種任務(wù)，機器人可以根據(jù)程序要求和任務(wù)性質(zhì)，自動更換機器人手腕上的工具，完成相應(yīng)的任務(wù)。因此，從某種意義上來說，工業(yè)機器人的發(fā)展歷史就是焊接機器人的發(fā)展歷史。 2.1、 焊接機器人國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀 從機器人誕生到本世紀(jì)80年代初，機器人技術(shù)經(jīng)歷了一個長期緩慢的發(fā)展過程。到了90年代，隨著計算機技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的快速發(fā)展，機器人技術(shù)也得到了飛速發(fā)展。工業(yè)機器人的制造水平、控制速度和控制精度、可靠性等不斷提高，而機器人的制造成本和價格卻不斷下降。在西方社會，和機器人價格相反的是，人的勞動力成本有不斷增長的趨勢。把1990年的機器人價格指數(shù)和勞動力成本指數(shù)都作為參考值100，至2000年，勞動力成本指數(shù)為140，增長了40%；而機器人在考慮質(zhì)量因素的情況下價格指數(shù)低于20，降低了80%，在不考慮質(zhì)量因素的情況下，機器人的價格指數(shù)約為40，降低了60%.這里，不考慮質(zhì)量因素的機器人價格是指現(xiàn)在的機器人實際價格與過去相比較；而考慮質(zhì)量因素是指由于機器人制造工藝技術(shù)水平的提高，機器人的制造質(zhì)量和性能即使在同等價格的條件下也要比以前高，因此，如果按過去的機器人同等質(zhì)量和性能考慮，機器人的價格指數(shù)應(yīng)該更低。 由此可以看出，在西方國家，由于勞動力成本的提高為企業(yè)帶來了不小的壓力，而機器人價格指數(shù)的降低又恰巧為其進一步推廣應(yīng)用帶來了契機。減少員工與增加機器人的設(shè)備投資，在兩者費用達到某一平衡點的時候，采用機器人的利顯然要比采用人工所帶來的利大，它一方面可大大提高生產(chǎn)設(shè)備的自動化水平，從而提高勞動生產(chǎn)率，同時又可提升企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量，提高企業(yè)的整體競爭力。雖然機器人一次性投資比較大，但它的日常維護和消耗相對于它的產(chǎn)出遠比完成同樣任務(wù)所消耗的人工費用小。因此，從長遠看，產(chǎn)品的生產(chǎn)成本還會大大降低。而機器人價格的降低使一些中小企業(yè)投資購買機器人變得輕而易舉。因此，工業(yè)機器人的應(yīng)用在各行各業(yè)得到飛速發(fā)展。根據(jù)UNECE的統(tǒng)計，2001年全世界有75萬臺工業(yè)機器人用于工業(yè)制造領(lǐng)域，其中38.9萬在日本、19.8萬在歐盟、9萬在北美，7.3萬在其余國家。至2004年底全世界在役的工業(yè)機器人至少有約100萬。 我國的工業(yè)機器人從80年代“七五”科技攻關(guān)開始起步，目前已基本掌握了機器人操作機的設(shè)計國的工業(yè)機制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計技術(shù)、運動學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人；弧焊機器人已應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離，如：可靠性低于國外產(chǎn)品；機器人應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國外比有差距；應(yīng)用規(guī)模小，沒有形成機器人產(chǎn)業(yè)。 　　當(dāng)前我國的機器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求，單戶單次重新設(shè)計，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本也不低，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對產(chǎn)品進行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設(shè)計，積極推進產(chǎn)業(yè)化進程。 2.2、 焊接機器人在焊接生產(chǎn)中的應(yīng)用 眾所周知，焊接加工一方面要求焊工要有熟練的操作技能、豐富的實踐經(jīng)驗、穩(wěn)定的焊接水平；另一方面，焊接又是一種勞動條件差、煙塵多、熱輻射大、危險性高的工作。工業(yè)機器人的出現(xiàn)使人們自然而然首先想到用它代替人的手工焊接，減輕焊工的勞動強度，同時也可以保證焊接質(zhì)量和提高焊接效率。 　　然而，焊接又與其它工業(yè)加工過程不一樣，比如，電弧焊過程中，被焊工件由于局部加熱熔化和冷卻產(chǎn)生變形，焊縫的軌跡會因此而發(fā)生變化。手工焊時有經(jīng)驗的焊工可以根據(jù)眼睛所觀察到的實際焊縫位置適時地調(diào)整焊槍的位置、姿態(tài)和行走的速度，以適應(yīng)焊縫軌跡的變化。然而機器人要適應(yīng)這種變化，必須首先像人一樣要“看”到這種變化，然后采取相應(yīng)的措施調(diào)整焊槍的位置和狀態(tài)，實現(xiàn)對焊縫的實時跟蹤。由于電弧焊接過程中有強烈弧光、電弧噪音、煙塵、熔滴過渡不穩(wěn)定引起的焊絲短路、大電流強磁場等復(fù)雜的環(huán)境因素的存在，機器人要檢測和識別焊縫所需要的信號特征的提取并不像工業(yè)制造中其它加工過程的檢測那么容易，因此，焊接機器人的應(yīng)用并不是一開始就用于電弧焊過程的。 實際上，工業(yè)機器人在焊接領(lǐng)域的應(yīng)用最早是從汽車裝配生產(chǎn)線上的電阻點焊開始的。原因在于電阻點焊的過程相對比較簡單，控制方便，且不需要焊縫軌跡跟蹤，對機器人的精度和重復(fù)精度的控制要求比較低。。點焊機器人在汽車裝配生產(chǎn)線上的大量應(yīng)用大大提高了汽車裝配焊接的生產(chǎn)率和焊接質(zhì)量，同時又具有柔性焊接的特點，即只要改變程序，就可在同一條生產(chǎn)線上對不同的車型進行裝配焊接。 工業(yè)機器人的結(jié)構(gòu)形式很多，常用的有直角坐標(biāo)式、柱面坐標(biāo)式、球面坐標(biāo)式、多關(guān)節(jié)坐標(biāo)式、伸縮式、爬行式等等，根據(jù)不同的用途還在不斷發(fā)展之中。焊接機器人根據(jù)不同的應(yīng)用場合可采取不同的結(jié)構(gòu)形式，但目前用得最多的是模仿人的手臂功能的多關(guān)節(jié)式的機器人，這是因為多關(guān)節(jié)式機器人的手臂靈活性最大，可以使焊槍的空間位置和姿態(tài)調(diào)至任意狀態(tài)，以滿足焊接需要。理論上講，機器人的關(guān)節(jié)愈多，自由度也愈多，關(guān)節(jié)冗余度愈大，靈活性愈好；但同時也給機器人逆運動學(xué)的坐標(biāo)變換和各關(guān)節(jié)位置的控制帶來復(fù)雜性。因為焊接過程中往往需要把以空間直角坐標(biāo)表示的工件上的焊縫位置轉(zhuǎn)換為焊槍端部的空間位置和姿態(tài)，再通過機器人逆運動學(xué)計算轉(zhuǎn)換為對機器人每個關(guān)節(jié)角度位置的控制，而這一變換過程的解往往不是唯一的，冗余度愈大，解愈多。如何選取最合適的解對機器人焊接過程中運動的平穩(wěn)性很重要。不同的機器人控制系統(tǒng)對這一問題的處理方式不盡相同。 　　一般來講，具有6個關(guān)節(jié)的機器人基本上能滿足焊槍的位置和空間姿態(tài)的控制要求，其中3個自由度(XYZ)用于控制焊槍端部的空間位置，另外3個自由度(ABC)用于控制焊槍的空間姿態(tài)。因此，目前的焊接機器人多數(shù)為6關(guān)節(jié)式的。 　　對于有些焊接場合，工件由于過大或空間幾何形狀過于復(fù)雜，使焊接機器人的焊槍無法到達指定的焊縫位置或焊槍姿態(tài)，這時必須通過增加1～3個外部軸的辦法增加機器人的自由度。通常有兩種做法：一是把機器人裝于可以移動的軌道小車或龍門架上，擴大機器人本身的作業(yè)空間；二是讓工件移動或轉(zhuǎn)動，使工件上的焊接部位進入機器人的作業(yè)空間。也有的同時采用上述兩種辦法，讓工件的焊接部位和機器人都處于最佳焊接位置。 由于機器人控制速度和精度的提高，尤其是電弧傳感器的開發(fā)并在機器人焊接中得到應(yīng)用，使機器人電弧焊的焊縫軌跡跟蹤和控制問題在一定程度上得到很好解決，機器人焊接在汽車制造中的應(yīng)用從原來比較單一的汽車裝配點焊很快發(fā)展為汽車零部件和裝配過程中的電弧焊。機器人電弧焊的最大的特點是柔性，即可通過編程隨時改變焊接軌跡和焊接順序，因此最適用于被焊工件品種變化大、焊縫短而多、形狀復(fù)雜的產(chǎn)品。這正好又符合汽車制造的特點。尤其是現(xiàn)代社會汽車款式的更新速度非常快，采用機器人裝備的汽車生產(chǎn)線能夠很好地適應(yīng)這種變化。 另外，機器人電弧焊不僅用于汽車制造業(yè)，更可以用于涉及電弧焊的其它制造業(yè)，如造船、機車車輛、鍋爐、重型機械等等。因此，機器人電弧焊的應(yīng)用范圍日趨廣泛，在數(shù)量上大有超過機器人點焊之勢。 2.3、 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(biāo)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(fù)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(biāo)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(dāng)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(biāo)，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(biāo)位置通常可以采用“虛擬示教”(virtual Teach-in)的辦法，用鼠標(biāo)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(biāo)；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(zhǔn)確性和合理性。所編程序可通過網(wǎng)絡(luò)直接下載給機器人控制器。 2.4、 焊接機器人技術(shù)的研究現(xiàn)狀 機器人技術(shù)是綜合了計算機、控制論、機構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)，當(dāng)前對機器人技術(shù)的研究十分活躍。從目前國內(nèi)外研究現(xiàn)狀來看，焊接機器人技術(shù)研究主要集中在焊縫跟蹤技術(shù)、離線編程與路徑規(guī)劃技術(shù)、多機器人協(xié)調(diào)控制技術(shù)、專用弧焊電源技術(shù)、焊接機器人系統(tǒng)仿真技術(shù)、機器人用焊接工藝方法、遙控焊接技術(shù)等七個方面。 2.4.1、 焊縫跟蹤技術(shù)的研究 焊接機器人施焊過程中，由于焊接環(huán)境各種因素的影響，如：強弧光輻射、高溫、煙塵、飛濺、坡口狀況、加工誤差、夾具裝夾精度、表面狀態(tài)和工件熱變形等，實際焊接條件的變化往往會導(dǎo)致焊炬偏離焊縫，從而造成焊接質(zhì)量下降甚至失敗。焊縫跟蹤技術(shù)的研究就是根據(jù)焊接條件的變化要求弧焊機器人能夠?qū)崟r檢測出焊縫的偏差，并調(diào)整焊接路徑和焊接參數(shù)，保證焊接質(zhì)量的可靠性。焊縫跟蹤技術(shù)的研究以傳感器技術(shù)與控制理論方法為主,其中傳感技術(shù)的研究又以電弧傳感器和光學(xué)傳感器為主。電弧傳感器是從焊接電弧自身直接提取焊縫位置偏差信號，實時性好，焊槍運動靈活，符合焊接過程低成本自動化的要求，適用于熔化極焊接場合。電弧傳感的基本原理是利用焊炬與工件距離的變化而引起的焊接參數(shù)變化，來探測焊炬高度和左右偏差。電弧傳感器一般分為三類：并列雙絲電弧傳感器、擺動電弧傳感器、旋轉(zhuǎn)式掃描電弧傳感器，其中旋轉(zhuǎn)電弧傳感器比前兩者的偏差檢測靈敏度高，控制性能較好。光學(xué)傳感器的種類很多，主要包括紅外、光電、激光、視覺、光譜和光纖式，光學(xué)傳感器的研究又以視覺傳感器為主，視覺傳感器所獲得的信息量大，結(jié)合計算機視覺和圖像處理的最新技術(shù)，大大增強弧焊機器人的外部適應(yīng)能力 。激光跟蹤傳感具有優(yōu)越的性能，成為最有前途、發(fā)展最快的焊接傳感器。另一方面，由于近代模糊數(shù)學(xué)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)以及應(yīng)用到焊接這個復(fù)雜的非線性系統(tǒng)中，使得焊縫跟蹤進入了智能焊縫跟蹤的新時代。 2.4.2、 離線編程與路徑規(guī)劃技術(shù)的研究 機器人離線編程系統(tǒng)是機器人編程語言的拓廣，它利用計算機圖形學(xué)的成果，建立起機器人及其工作環(huán)境的模型，利用一些規(guī)劃算法，通過對圖形的控制和操作，在不使用實際機器人的情況下進行軌跡規(guī)劃，進而產(chǎn)生機器人程序。自動編程技術(shù)的核心是焊接任務(wù)、焊接參數(shù)、焊接路徑和軌跡的規(guī)劃技術(shù)。針對弧焊應(yīng)用，自動編程技術(shù)可以表述為在編程各階段中，能夠輔助編程者完成獨立的、具有一定實施目的和結(jié)果的編程任務(wù)的技術(shù)，具有智能化程度高、編程質(zhì)量和效率高等特點。離線編程技術(shù)的理想目標(biāo)是實現(xiàn)全自動編程，即只需輸入工件的模型，離線編程系統(tǒng)中的專家系統(tǒng)會自動制定相應(yīng)的工藝過程，并最終生成整個加工過程的機器人程序。目前，還不能實現(xiàn)全自動編程，自動編程技術(shù)是當(dāng)前研究的重點 。 2.4.3、 多機器人協(xié)調(diào)控制技術(shù)的研究 多機器人系統(tǒng)是指為完成某一任務(wù)由若干個機器人通過合作與協(xié)調(diào)組合成一體的系統(tǒng)。它包含兩方面的內(nèi)容，即多機器人合作與多機器人協(xié)調(diào)。當(dāng)給定多機器人系統(tǒng)某項任務(wù)時，首先面臨的問題是如何組織多個機器人去完成任務(wù)，如何將總體任務(wù)分配給各個成員機器人，即機器人之間怎樣進行有效地合作。當(dāng)以某種機制確定了各自任務(wù)與關(guān)系后，問題變?yōu)槿绾伪３謾C器人間的運動協(xié)調(diào)一致，即多機器人協(xié)調(diào)。對于由緊耦合子任務(wù)組成的復(fù)雜任務(wù)而言，協(xié)調(diào)問題尤其突出。智能體技術(shù)是解決這一問題的最有力的工具，多智能體系統(tǒng)是研究在一定的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，各個分散的、相對獨立的智能子系統(tǒng)之間通過合作，共同完成一個或多個控制作業(yè)任務(wù)的技術(shù)。多機器人焊接的協(xié)調(diào)控制是目前的一個研究熱點問題 。 2.4.4、 專用弧焊電源的研究 在焊接機器人系統(tǒng)中，電器性能良好的專用弧焊電源直接影響焊接機器人的使用性能。目前，弧焊機器人一般采用熔化極氣體保護焊（MIG焊、MAG焊、CO 焊）或非熔化極氣體保護焊(TIG、等離子弧焊)方法，熔化極氣體保護焊焊接電源主要使用晶閘管電源與逆變電源。近年來，弧焊逆變器的技術(shù)已趨于成熟，機器人用的專用弧焊逆變電源大多為單片微機控制的晶體管式弧焊逆變器，并配以精細的波形控制和模糊控制技術(shù)，工作頻率在20～50kHz，最高的可達200kHz，焊接系統(tǒng)具有十分優(yōu)良的動特性，非常適合機器人自動化和智能化焊接。還有一些特殊功能的電源，如適合鋁及其鋁合金TIG焊的方波交流電源、帶有專家系統(tǒng)的焊接電源等。目前有一種采用模糊控制方法的焊接電源，可以更好保證焊縫熔寬和熔深的基本一致，不僅焊縫表面美觀，而且還能減少焊接缺陷。弧焊電源不斷向數(shù)字化方向發(fā)展，其特點是焊接參數(shù)穩(wěn)定，受網(wǎng)路電壓波動、溫升、元器件老化等因素的影響很小，具有較高的重復(fù)性，焊接質(zhì)量穩(wěn)定、成型良好。另外，利用DSP的快速響應(yīng)，可以通過主控制系統(tǒng)的指令精確控制逆變電源的輸出，使之具有輸出多種電流波形和弧壓高速穩(wěn)定調(diào)節(jié)的功能，適應(yīng)多種焊接方法對電源的要求 。 2.4.5、 仿真技術(shù)的研究 機器人在研制、設(shè)計和試驗過程中，經(jīng)常需要對其運動學(xué)、動力學(xué)性能進行分析以及進行軌跡規(guī)劃設(shè)計，而機器人又是多自由度、多連桿空間機構(gòu)，其運動學(xué)和動力學(xué)問題十分復(fù)雜，計算難度和計算機都很大。若將機械手作為仿真對象，運用計算機圖形技術(shù)CAD技術(shù)和機器人學(xué)理論在計算機中形成幾何圖形，并動畫顯示，然后對機器人的機構(gòu)設(shè)計、運動學(xué)正反解分析、操作臂控制以及實際工作環(huán)境中的障礙避讓和碰撞干涉等諸多問題進行模擬仿真，這樣就可以很好地解決研發(fā)機械手過程中出現(xiàn)的問題 。 2.4.6、 機器人用焊接工藝方法的研究 目前，弧焊機器人普遍采用氣體保護焊方法，主要是熔化極氣體保護焊，其次是鎢極氬氣保護焊，等離子弧焊、切割及機器人激光焊數(shù)量有限、比例較低。國外先進國家的弧焊機器人已普遍采用高速、高效氣體保護焊接工藝，如雙絲氣體保護焊、T.I.M.E焊、熱絲TIG焊、熱絲等離子焊等先進的工藝方法，這些工藝方法不僅有效地保證了優(yōu)良的焊接接頭，還使焊接速度和熔敷效率提高數(shù)倍至幾十倍 。 2.4.7、 遙控焊接技術(shù)的研究 遙控焊接是指人在離開現(xiàn)場的安全環(huán)境中對焊接設(shè)備和焊接過程進行遠程監(jiān)視和控制, 從而完成完整的焊接工作。在核電站設(shè)備的維修, 海洋工程建設(shè)以及未來的空間站建設(shè)中都要用到焊接, 這些環(huán)境中的焊接工作不適合人類親臨現(xiàn)場, 而目前的技術(shù)水平還不可能實現(xiàn)完全的自主焊接, 因此需要采用遙控焊接技術(shù)。目前美國、歐洲、日本等國對遙控焊接進行了深入的研究，國內(nèi)哈爾濱工業(yè)大學(xué)也正在進行這方面的研究 。 2.5、 焊接機器人最新進展 隨著計算機技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等快速發(fā)展，機器人技術(shù)也得到了飛速發(fā)展。制造價格不斷降低，而其質(zhì)量與性能卻在迅速提高。 1.工業(yè)機器人。工業(yè)機器人已廣泛地應(yīng)用于各種自動化生產(chǎn)線，由操作機（機械本體）、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作、自動控制，可重復(fù)編程，能在一維空間完成各種作業(yè)的機電一體化自動生產(chǎn)設(shè)備，工業(yè)機器人包括模仿人類關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的關(guān)節(jié)型工業(yè)型機器人、直角坐標(biāo)型機器人、圓柱坐標(biāo)型機器人、球坐標(biāo)型機器人、噴漆機器人、焊接機器人等等。 （1）機器人操作機：通過有限元分析、模態(tài)分析及仿真設(shè)計等現(xiàn)代設(shè)計方法，機器人操作機已實現(xiàn)了優(yōu)化設(shè)計。 （2）并聯(lián)機器人：采用并聯(lián)機構(gòu)，利用機器人技術(shù)，實現(xiàn)高精度測量及加工，這是機器人技術(shù)向數(shù)控技術(shù)的拓展，為將來實現(xiàn)機器人和數(shù)控技術(shù)一體化奠定了基礎(chǔ)。 （3）控制系統(tǒng)：控制系統(tǒng)的性能進一步提高，已由過去控制標(biāo)準(zhǔn)的6軸機器人發(fā)展到現(xiàn)在能夠控制21軸甚至27軸，并且實現(xiàn)了軟件伺服和全數(shù)字控制。 （4）傳感系統(tǒng)：激光傳感器、視覺傳感器和力傳感器在機器人系統(tǒng)中已得到成功應(yīng)用，并實現(xiàn)了焊縫自動跟蹤和自動化生產(chǎn)線上物體的自動定位以及精密裝配作業(yè)等，大大提高了機器人的作業(yè)性能和對環(huán)境的適應(yīng)性。日本KAWASALI、YASKAWA、FANLC和瑞典ABB、德國KLKA、BEIS等公司都推出了該類產(chǎn)品。 2.先進機器人。近年來，人類活動領(lǐng)域不斷擴大，機器人應(yīng)用也從制造領(lǐng)域向非制造領(lǐng)域發(fā)展。在海洋開發(fā)，消防、戰(zhàn)斗系統(tǒng)，宇宙探測，采掘，建筑，醫(yī)療服務(wù)，娛樂等行業(yè)都提出了自動化和機器人化的要求，如核事故機器人、醫(yī)用機器人、消防機器人、仿生機器人、軍用機器人、太空機器人等。 三、焊接機器人的發(fā)展趨勢 3.1、 焊接機器人的發(fā)展趨勢 　　目前國際機器人界都在加大科研力度，進行機器人共性技術(shù)的研究。從機器人技術(shù)發(fā)展趨勢看，焊接機器人和其它工業(yè)機器人一樣，不斷向智能化和多樣化方向發(fā)展。具體而言，表現(xiàn)在如下幾個方面： 3.1.1、 機器人操作機結(jié)構(gòu)： 　　通過有限元分析、模態(tài)分析及仿真設(shè)計等現(xiàn)代設(shè)計方法的運用，實現(xiàn)機器人操作機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。 　　探索新的高強度輕質(zhì)材料，進一步提高負載/自重比。例如，以德國KUKA公司為代表的機器人公司，已將機器人并聯(lián)平行四邊形結(jié)構(gòu)改為開鏈結(jié)構(gòu)，拓展了機器人的工作范圍，加之輕質(zhì)鋁合金材料的應(yīng)用，大大提高了機器人的性能。此外采用先進的RV減速器及交流伺服電機，使機器人操作機幾乎成為免維護系統(tǒng)。 　　機構(gòu)向著模塊化、可重構(gòu)方向發(fā)展。例如，關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化；由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機器人整機；國外已有模塊化裝配機器人產(chǎn)品問市。 　　機器人的結(jié)構(gòu)更加靈巧，控制系統(tǒng)愈來愈小，二者正朝著一體化方向發(fā)展。 　　采用并聯(lián)機構(gòu)，利用機器人技術(shù)，實現(xiàn)高精度測量及加工，這是機器人技術(shù)向數(shù)控技術(shù)的拓展，為將來實現(xiàn)機器人和數(shù)控技術(shù)一體化奠定了基礎(chǔ)。意大利COMAU公司，日本FANUC等公司已開發(fā)出了此類產(chǎn)品。 3.1.2、 機器人控制系統(tǒng)： 　　重點研究開放式，模塊化控制系統(tǒng)。向基于PC機的開放型控 　　制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性?？刂葡到y(tǒng)的性能進一步提高，已由過去控制標(biāo)準(zhǔn)的6軸機器人發(fā)展到現(xiàn)在能夠控制21軸甚至27軸，并且實現(xiàn)了軟件伺服和全數(shù)字控制。 　　人機界面更加友好，語言、圖形編程界面正在研制之中。機器人控制器的標(biāo)準(zhǔn)化和網(wǎng)絡(luò)化，以及基于PC機網(wǎng)絡(luò)式控制器已成為研究熱點。 　　編程技術(shù)除進一步提高在線編程的可操作性之外，離線編程的實用化將成為研究重點，在某些領(lǐng)域的離線編程已實現(xiàn)實用化。 3.1.3、 機器人傳感技術(shù)： 　　機器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機器人還應(yīng)用了激光傳感器、視覺傳感器和力傳感器，并實現(xiàn)了焊縫自動跟蹤和自動化生產(chǎn)線上物體的自動定位以及精密裝配作業(yè)等，大大提高了機器人的作業(yè)性能和對環(huán)境的適應(yīng)性。 　　遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進行環(huán)境建模及決策控制。為進一步提高機器人的智能和適應(yīng)性，多種傳感器的使用是其問題解決的關(guān)鍵。其研究熱點在于有效可行的多傳感器融合算法，特別是在非線性及非平穩(wěn)、非正態(tài)分布的情形下的多傳感器融合算法。另一問題就是傳感系統(tǒng)的實用化。 3.1.4、 網(wǎng)絡(luò)通信功能： 　　日本YASKAWA和德國KUKA公司的最新機器人控制器已實現(xiàn)了與Canbus、Profibus總線及一些網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)接，使機器人由過去的獨立應(yīng)用向網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用邁進了一大步，也使機器人由過去的專用設(shè)備向標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備發(fā)展。 3.1.5、 機器人遙控和監(jiān)控技術(shù) 　　在一些諸如核輻射、深水、有毒等高危險環(huán)境中進行焊接或其它作業(yè)，需要有遙控的機器人代替人去工作。當(dāng)代遙控機器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機器人的人機交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機器人走出實驗室進入實用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實例。多機器人和操作者之間的協(xié)調(diào)控制，可通過網(wǎng)絡(luò)建立大范圍內(nèi)的機器人遙控系統(tǒng)，在有時延的情況下，建立預(yù)先顯示進行遙控等。 3.1.6、 虛擬機器人技術(shù)： 　　虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機器人操作者產(chǎn)生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人?；诙鄠鞲衅?、多媒體和虛擬現(xiàn)實以及臨場感技術(shù)，實現(xiàn)機器人的虛擬遙操作和人機交互。 3.1.7、 機器人性能價格比： 　　機器人性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修)，而單機價格不斷下降。由于微電子技術(shù)的快速發(fā)展和大規(guī)模集成電路的應(yīng)用，使機器人系統(tǒng)的可靠性有了很大提高。過去機器人系統(tǒng)的可靠性MTBF一般為幾千小時，而現(xiàn)在已達到5萬小時，可以滿足任何場合的需求。 3.1.8、 多智能體調(diào)控技術(shù)： 　　這是目前機器人研究的一個嶄新領(lǐng)域。主要對多智能體的群體體系結(jié)構(gòu)、相互間的通信與磋商機理，感知與學(xué)習(xí)方法，建模和規(guī)劃、群體行為控制等方面進行研究。 　　近年來，人類的活動領(lǐng)域不斷擴大，機器人應(yīng)用也從制造領(lǐng)域向非制造領(lǐng)域發(fā)展。像海洋開發(fā)、宇宙探測、采掘、建筑、醫(yī)療、農(nóng)林業(yè)、服務(wù)、娛樂等行業(yè)都提出了自動化和機器人化的要求。這些行業(yè)與制造業(yè)相比，其主要特點是工作環(huán)境的非結(jié)構(gòu)化和不確定性，因而對機器人的要求更高，需要機器人具有行走功能，對外感知能力以及局部的自主規(guī)劃能力等，是機器人技術(shù)的一個重要發(fā)展方向。 可以預(yù)見，在21世紀(jì)各種先進的機器人系統(tǒng)將會進入人類生活的各個領(lǐng)域，成為人類良好的助手和親密的伙伴。 3.2、 焊接機器人的技術(shù)展望 為了適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)向大型、復(fù)雜、動態(tài)和開放方向發(fā)展的需要，國際機器人界都在加大科研力度，對機器人技術(shù)進行深入研究。從機器人技術(shù)發(fā)展趨勢看，智能化控制技術(shù)將是焊接機器人技術(shù)發(fā)展的主要方向。 3.2.1、 視覺控制技術(shù) 焊接機器人視覺控制技術(shù)是通過對焊接區(qū)圖像進行采集，產(chǎn)生視頻信號送至圖像處理機，對圖像進行快速處理并提取跟蹤特征參量，進行數(shù)據(jù)識別和計算，通過逆運動學(xué)求解得到機器人各關(guān)節(jié)位置給定值，最后控制高精度的末端執(zhí)行機構(gòu)，調(diào)整機器人的位姿。視覺控制的關(guān)鍵在于視覺測量，在焊接過程中視覺技術(shù)分為直接視覺傳感和間接視覺傳感二種形式。直接視覺傳感技術(shù)是一種常用的非接觸式傳感形式，其主要優(yōu)點是不接觸工件，不干擾正常的焊接過程，獲取的信息量大，通用性強。早先，研究人員直接利用電弧光照射熔池前方的工件間隙獲取焊接區(qū)焊縫信息，根據(jù)熔池前方不同遠近處電弧光強度的閃爍來實現(xiàn)焊接過程中的焊縫跟蹤；典型的例子是利用帶有CCD攝像機的微型計算機控制系統(tǒng)對焊接熔池行為進行觀察和控制；現(xiàn)在，基于激光三角形的視覺系統(tǒng)具有高度的靈活性，價格低，精度高，獲取信息能力強，且不受周圍噪聲和電弧產(chǎn)生的高溫影響，其獲得的信息可以用于多種自適應(yīng)功能。弧焊中使用激光視覺系統(tǒng)可以抗電弧輻射、火焰、熱金屬飛濺、振動、沖擊和高溫，這種傳感器正在成為智能自適應(yīng)焊接機器人焊接優(yōu)先選用的視覺系統(tǒng) 。 3.2.2、 模糊控制技術(shù) 由于焊接機器人系統(tǒng)具有非線性和時變特點，難以用精確的數(shù)學(xué)模型進行描述，用傳統(tǒng)的控制方法難以實現(xiàn)最佳控制，而模糊控制具有自適應(yīng)和魯棒性等特點，它為機器人焊接控制提供了一個理想的控制方法。模糊控制是智能控制的較早形式，它吸取了人的思維具有模糊性的特點，使用模糊數(shù)學(xué)中的隸屬函數(shù)、模糊關(guān)系、模糊推理和決策等工具，巧妙地綜合了人們的直覺經(jīng)驗，從而在其他經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論不太奏效的場合能夠?qū)崿F(xiàn)較滿意的控制。將模糊控制理論和實際焊接過程相結(jié)合，發(fā)展成為專用焊接控制器，進一步發(fā)展成為了通用型焊接模糊控制器。模糊控制具有較完善的控制規(guī)則，但模糊控制綜合定量知識的能力較差，當(dāng)對象動態(tài)特性發(fā)生變化，或者受到隨機干擾的影響都會影響模糊控制的效果。因此，在模糊控制理論方面，人們對常規(guī)模糊控制進行了改進，設(shè)計了一些高性能模糊控制器，有效解決精度較低、自適應(yīng)能力有限及設(shè)備產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象等問題 。 3.2.3、 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù) 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是研究和利用人腦的某些結(jié)構(gòu)、機理以及人的知識和經(jīng)驗對系統(tǒng)進行控制，它是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為人工智能的一種途徑在控制領(lǐng)域的滲透。用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的控制系統(tǒng)適應(yīng)性、魯棒性均較好，能處理時變、多因素、非線性等復(fù)雜焊接過程的控制問題。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有很強的自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)能力，信息存儲量大，容錯性好，能夠?qū)崿F(xiàn)并行聯(lián)想搜索解空間和完成自適應(yīng)推理，提高智能系統(tǒng)的智能水平、知識處理能力及強壯性。因此，在機器人焊接質(zhì)量控制中可采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立焊接過程模型從而解決線性控制方法所不能克服的問題，彌補傳統(tǒng)專家系統(tǒng)以及模糊控制的不足，現(xiàn)在焊接機器人神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中使用較多的是前饋式多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 。 3.2.4、 嵌入式控制技術(shù) 嵌入式系統(tǒng)以其小型、專用、易攜帶、可靠性高的特點，已經(jīng)在焊接機器人控制領(lǐng)域得到了應(yīng)用,嵌入式控制系統(tǒng)具備網(wǎng)絡(luò)和人機交互能力，可以取代以往基于微處理器的控制方式。嵌入式控制器具有液晶顯示器，可以替代CRT顯示器在控制系統(tǒng)中所扮演的角色，鍵盤響應(yīng)也具有很高的實時性，滿足信息的輸入和對控制系統(tǒng)的干預(yù)等工作。經(jīng)實驗和實際應(yīng)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。嵌入式為焊接工藝的在線監(jiān)測提供了新的技術(shù)方法，它能確保焊接質(zhì)量“零缺陷”的目標(biāo)得以實現(xiàn)。 3.3、 焊接機器人未來研究的熱點及發(fā)展方向 1. 工業(yè)機器人性能不斷提高，而單機價格不斷下降。 2. 機械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。 3. 工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化。 4. 機器人中的多傳感器系統(tǒng)日益重要。 5. 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過程控制。 6. 微型和微小機器人技術(shù)是機器人研究的一個新領(lǐng)域和重點發(fā)展方向。 7. 當(dāng)代遙控機器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自動系統(tǒng)，而是致力于操作者與機器人的人機交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機器人走出實驗室進入實用化階段。 8. 機器人化機械研究開發(fā)包括并聯(lián)機構(gòu)機床（VMT）與機器人化加工中心(RVIC)的開發(fā)研究，以及機器人化無人值守和具有自適應(yīng)能力的多機遙控操作的人型散料輸送設(shè)備的研究開發(fā)。這種開發(fā)的新型裝置已成為國防研究的熱點之一。 結(jié)論 挑戰(zhàn)與對策 　　進入21世紀(jì)，世界經(jīng)濟結(jié)構(gòu)正在發(fā)生重大而深刻的變革，但制造業(yè)依然是世界各發(fā)達與發(fā)展中國家加快經(jīng)濟發(fā)展、提高國家綜合競爭力的重要途徑。 　　我國是一個制造業(yè)大國，尚處于工業(yè)化進程之中，在未來相當(dāng)長的時期里，制造業(yè)仍將在國民經(jīng)濟中占主導(dǎo)地位。在新一輪國際產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整中，我國正逐步成為世界最重要的制造業(yè)基地之一。 　　然而目前我國裝備制造業(yè)的整體水平與發(fā)達國家相比尚有較大的差距，尤其是在戰(zhàn)略必爭裝備技術(shù)與競爭前核心技術(shù)、基礎(chǔ)制造裝備與成套關(guān)鍵裝備制造技術(shù)等方面差距更大，這種差距又主要體現(xiàn)在先進裝備的自主設(shè)計與獨立制造能力差，成套與系統(tǒng)集成、優(yōu)化能力差，技術(shù)創(chuàng)新和集成創(chuàng)新能力差。這些差距已經(jīng)成為制約我國制造業(yè)乃至其他行業(yè)經(jīng)濟發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸問題之一。 　　21世紀(jì)基礎(chǔ)制造裝備的水平主要體現(xiàn)在高精度、高效率、低成本和高柔性等幾個方面。高效率、高精度工藝的一個典型例子是精密成形技術(shù)，其目的是盡量減少切削，甚至免除切削，減少原材料的浪費，同時提高制造效率。精密成形技術(shù)在工業(yè)發(fā)達國家已得到廣泛應(yīng)用。柔性自動化仍是機床業(yè)發(fā)展的重要趨勢之一。柔性自動化的進一步發(fā)展是敏捷生產(chǎn)設(shè)備。為適應(yīng)敏捷生產(chǎn)模式，人們正在探求設(shè)備自身的結(jié)構(gòu)重組以及生產(chǎn)單元的動態(tài)重組問題。 　　另外，國外在大型、成套裝備方面有很大優(yōu)勢，并且在成套裝備的高技術(shù)化方面，取得了巨大的進展，已經(jīng)實現(xiàn)了數(shù)控化、柔性自動化，并大量采用工業(yè)機器人，正向著智能化、集成化的方向發(fā)展。 　　隨著我國貿(mào)易溶入全球化，我國裝備制造業(yè)從來沒有像今天這樣直接地面對國際同行的有力競爭和挑戰(zhàn)。如何適應(yīng)激烈的國際競爭和快速變化的世界市場需求，不斷以高質(zhì)量、低成本、快速響應(yīng)的手段在新的市場競爭中求得生存和發(fā)展，已是我國裝備制造業(yè)不容回避的問題。同時溶入全球化也為我們提供了前所未有的機遇，我們必須抓住機遇迎頭趕上。 　　在“十五”期間，我國曾把包括焊接機器人在內(nèi)的示教再現(xiàn)型工業(yè)機器人的產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)作為重點研究內(nèi)容之一，其中包括焊接機器人(把弧焊與點焊機器人作為負載不同的一個系列機器人，可兼作弧焊、點焊、搬運、裝配、切割作業(yè))產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化、系列化設(shè)計；弧焊機器人用激光視覺焊縫跟蹤裝置的開發(fā)，激光發(fā)射器的選用，CCD成象系統(tǒng)，視覺圖象處理技術(shù)，視覺跟蹤與機器人協(xié)調(diào)控制；焊接機器人的離線示教編程及工作站系統(tǒng)動態(tài)仿真等。 在新的歷史時期，面對新的機遇和挑戰(zhàn)，只有一方面緊跟世界科技發(fā)展的潮流，研究與開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的基礎(chǔ)制造裝備；另一方面，仍然通過引進和消化，吸收一些現(xiàn)有的先進技術(shù)，踩在別人的肩膀上，盡快縮短和別人的差距。并通過應(yīng)用研究和二次開發(fā)，實現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新和關(guān)鍵設(shè)備的產(chǎn)業(yè)化，提高我國制造業(yè)在國際競爭舞臺上的地位。 參考文獻 【1】 雷世明主編