焊接機(jī)器人技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)的研究

呂超榮

（昆山市三一重機(jī)有限公司，江蘇 昆山 215334）

0引 言

焊接在制造工業(yè)中具有舉足輕重的作用，它已經(jīng)越來越廣泛地應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)的各行各業(yè)中。自科技革命以來，科學(xué)技術(shù)正在日新月異地發(fā)展，而這自然離不開越來越多高質(zhì)量的產(chǎn)品，這也就需要高效精準(zhǔn)的焊接工作，而傳統(tǒng)手工焊接已然達(dá)不到要求，所以焊接的自動(dòng)化必不可少。眾所周知，第一臺(tái)Unimate型機(jī)器人是在1959年被制造出來的，自那以后，越來越多的工業(yè)機(jī)器人出現(xiàn)在世界各地的各行各業(yè)中，其中一半左右的工業(yè)機(jī)器人為焊接機(jī)器人。從始至今，焊接機(jī)器人的發(fā)展經(jīng)歷了3個(gè)階段：第一階段的焊接機(jī)器人是以示教再現(xiàn)方式運(yùn)行的；第二階段為可以通過傳感器接收信息的離線編程焊接機(jī)器人；第三階段為智能機(jī)器人，具有多傳感器，且能夠自行編程以適應(yīng)環(huán)境［1］。

1 焊接機(jī)器人技術(shù)研究現(xiàn)狀

1.1 焊接機(jī)器人用弧焊電源

電源之于電器相當(dāng)于食物之于人類，所以說電源對(duì)任何一種電器來說都是至關(guān)重要的，作為一種智能電器，焊接機(jī)器人也不例外，它是否能夠保持高效率工作，有一個(gè)好的電源非常重要。因此，焊接機(jī)器人用弧焊電源的研究一直是焊接機(jī)器人研究的重中之重。逆變電源與晶閘管電源是當(dāng)前的弧焊機(jī)器人通常使用的兩種電源。另外，由于全數(shù)字化焊機(jī)具有焊接參數(shù)波動(dòng)小，不容易受溫度升高等因素的干擾，而且具有重復(fù)性較高的優(yōu)點(diǎn)，所以它將是弧焊機(jī)器人焊接電源的一個(gè)重要的研究方向［2］。

1.2 焊縫跟蹤技術(shù)

想要保證焊接的質(zhì)量和效率，焊接條件是否穩(wěn)定是一個(gè)非常重要的因素。而絕對(duì)的穩(wěn)定條件是不可能的，所以是否可以實(shí)時(shí)檢測(cè)出由于焊接條件波動(dòng)引起的焊縫偏差會(huì)直接影響焊接的質(zhì)量，因此也就離不開焊縫跟蹤技術(shù)的支持。焊縫跟蹤技術(shù)的研究主要以以下兩種技術(shù)為主［3］：首先是傳感器技術(shù)，目前研究的比較多的有光學(xué)傳感器和電弧傳感器兩種，其中前者又以視覺傳感器的研究比較密集，主要是因?yàn)樗梢垣@得非常多的信息并使用機(jī)器視覺等前沿技術(shù)進(jìn)行分析處理，由此可以在很大程度上使得弧焊機(jī)器人更好地適應(yīng)焊接環(huán)境。另外，后者中的旋轉(zhuǎn)電弧傳感器由于其在偏差檢測(cè)時(shí)比較靈敏而得到的關(guān)注度比較高。其次，焊縫跟蹤控制理論與方法。Fuzzy Mathematics技術(shù)和Neural Networks技術(shù)為焊縫跟蹤技術(shù)的研究取得突破打下了很好的基礎(chǔ)。當(dāng)前使用的通用型焊接模糊控制器就是將由Fuzzy Mathematics中的一系列工具得到的模糊控制理論和實(shí)際焊接過程相結(jié)合發(fā)展而來的。模糊控制雖然擁有比較優(yōu)質(zhì)的控制規(guī)則，但是其綜合定量知識(shí)的能力還不夠好。我們都知道，由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制使用的是并行式的處理方式和分布式的信息存儲(chǔ)，所以它能夠儲(chǔ)存大量的信息，而且它的容錯(cuò)性比較強(qiáng)，所以從自動(dòng)化方面來看十分適合焊縫跟蹤中的跟蹤智能控制和視覺模式識(shí)別。

1.3 多臺(tái)焊接機(jī)器人和外圍設(shè)備的協(xié)調(diào)控制技術(shù)

眾所周知，焊接機(jī)器人并不是一個(gè)獨(dú)立的工作單元，而是包含變位機(jī)及控制柜等元件的工作站或者系統(tǒng)，所以想要提高焊接效率，必須使系統(tǒng)的各個(gè)元件協(xié)調(diào)工作［4］。很多工件焊縫處的橫焊等焊接位置能在很大程度上影響焊接品質(zhì)和焊縫成形的效果，而僅僅依靠調(diào)節(jié)機(jī)器人位置和姿勢(shì)以達(dá)到恰當(dāng)?shù)暮附游稽c(diǎn)不僅在技術(shù)上很難實(shí)現(xiàn)，也會(huì)給相應(yīng)操作帶來諸多不便。如果通過控制變位機(jī)做協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)使得將要被焊接的位點(diǎn)一直處于水平的位置，并且工裝夾具和弧焊電源等其他元件也做相應(yīng)的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，焊接的質(zhì)量和效率將會(huì)大大提升。

1.4 仿真技術(shù)

焊接機(jī)器人是一種多自由度、多連桿的復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)體，其復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)問題非常復(fù)雜，很難進(jìn)行計(jì)算。如果可以不使用整個(gè)機(jī)器人作為仿真對(duì)象，而使用焊接機(jī)械手替代，然后再使用電腦圖形等技術(shù)在電腦中形成幾何圖形，并進(jìn)行演示，以此對(duì)可能遇到的一些問題進(jìn)行模擬并加以解決，就可以避免很多無用功。

2 焊接機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

2.1 虛擬現(xiàn)實(shí)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種包括3D電腦圖形學(xué)技術(shù)、多功能傳感器的交互接口技術(shù)和高清顯示技術(shù)在內(nèi)的，對(duì)事件的現(xiàn)實(shí)性從空間和時(shí)間上進(jìn)行分解后重新組合的技術(shù)，它能夠被用在臨場(chǎng)感通訊和遙控機(jī)器人等方面［5］。另外，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)還能夠被用于焊接過程的模擬，這樣一來我們就可以在實(shí)際焊接之前先在電腦上完成“數(shù)字化”焊接過程，再用已經(jīng)完成的數(shù)字化操作來指導(dǎo)實(shí)際的焊接工作。這一仿真過程可以讓用戶在還沒有進(jìn)行后期焊接就可先了解未來產(chǎn)品的情況，進(jìn)而達(dá)到有效預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)生產(chǎn)系統(tǒng)性能的效果，而且實(shí)際操作前先進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，可以對(duì)各種工藝方案進(jìn)行比較，進(jìn)而選取和優(yōu)化多機(jī)器人焊接軌跡。

2.2 焊接機(jī)器人控制系統(tǒng)

開放式、模塊化控制系統(tǒng)將是焊接機(jī)器人控制系統(tǒng)研究的重點(diǎn)方向。其他的研究熱點(diǎn)還有基于PC機(jī)網(wǎng)絡(luò)式控制器以及機(jī)器人控制器的標(biāo)準(zhǔn)化和網(wǎng)絡(luò)化。離線編程的實(shí)用化將是在線編程的可操作性之外的編程技術(shù)的研究重點(diǎn)［6］。

2.3 多傳感器信息智能融和技術(shù)

隨著傳感器種類和數(shù)量愈來愈多地使用在機(jī)器人系統(tǒng)中，諸如靜電電容式距離傳感器、超聲波觸覺傳感器、基于光纖陀螺慣性測(cè)量的3D運(yùn)動(dòng)傳感器等各種新型傳感器如雨后春筍般出現(xiàn)［7］。但是，單一傳感信號(hào)在輸入信息方面的可靠性不高，而智能機(jī)器人對(duì)這一條件的要求很高，為此便出現(xiàn)了多傳感器智能信息融合技術(shù)，它可以對(duì)各種信息進(jìn)行綜合的處理，并通過這些信息正確理解環(huán)境，進(jìn)而達(dá)到機(jī)器人系統(tǒng)可以準(zhǔn)確而快速地處理所獲得的各種信息的目的。

3結(jié) 語

不可否認(rèn)，焊接機(jī)器人技術(shù)在以前和當(dāng)前的工業(yè)發(fā)展中均扮演中十分重要的角色，在未來肯定還會(huì)繼續(xù)甚至扮演越來越重要的角色。最近幾年，我國在機(jī)器人弧焊電源、仿真技術(shù)與離線編程、信息傳感、智能控制、焊縫跟蹤等方面進(jìn)行了大量研究，并對(duì)多項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行了攻關(guān)。相信在不久的將來，焊接機(jī)器人將在越來越廣的領(lǐng)域提供更加優(yōu)質(zhì)高效的服務(wù)。

［1］ 許燕玲，林濤，陳善本.焊接機(jī)器人應(yīng)用現(xiàn)狀與研究發(fā)展趨勢(shì)［ J］．金屬加工：熱加工，2010（ 8）：32-36.

［2］ 宋章軍．服務(wù)機(jī)器人技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)［J］．集成技術(shù)，2012（ 3） ：1-9.

［3］ 哈恩晶．焊接機(jī)器人的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)［J］．機(jī)械工人：熱加工，2004（ 5）：16-18.

［4］ 解生冕．機(jī)器人雙絲共熔化池脈沖MAC高速焊及協(xié)同控制模式熔滴過渡行為研究［D］．廣州：華南理工大學(xué)，2012.

［5］ 梁明，王國榮，石永華，等.焊縫自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)中的智能控制［J］.電焊機(jī)，2008，30（ 8）：17-20.

［6］ 施春芳．焊接機(jī)器人技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)的研究［J］．中國科技投資，2012，6（ 24）：161.

［7］ 朱萬輝．七自由度焊接機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［D］．合肥：安徽工業(yè)大學(xué)，2012.