視覺機(jī)器人焊接技術(shù)的研究綜述與展望

覃永

摘 要：焊接作為現(xiàn)代制造工業(yè)的基礎(chǔ)生產(chǎn)工藝之一，是制造業(yè)極為重要的加工手段。目前由于焊接作業(yè)的特殊性導(dǎo)致一線焊接工人數(shù)量呈現(xiàn)急劇減少的趨勢，為此將焊接作業(yè)機(jī)器人化是焊接產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢，但與發(fā)達(dá)國家相比，我國焊接機(jī)器人的平均使用密度較小，其重要原因在于機(jī)器人的示教編程難度大、效率低下而且還存在機(jī)器人應(yīng)對坡口類型、接頭類型等多規(guī)格的焊接件焊接時(shí)不具備合適的焊接路徑規(guī)劃，無法發(fā)揮機(jī)器人的靈活性和穩(wěn)定性導(dǎo)致焊接適應(yīng)性不足。

關(guān)鍵詞：弧焊機(jī)器人 擺弧路徑 焊接性

Abstract：Welding， as one of the basic production techniques of modern manufacturing industry， is a very important means of processing in manufacturing industry. At present， due to the particularity of welding operations， the number of front-line welding workers shows a trend of sharp reduction. Therefore， roboticizing welding operations is an inevitable trend of the development of welding industry. However， compared with developed countries， the average use density of welding robots in China is smaller. The main reason lies in the difficulty and low efficiency of the teaching programming of the robot. Moreover， the robot does not have appropriate welding path planning when welding the welding parts with multiple specifications， such as groove type and joint type， so that the flexibility and stability of the robot cannot be brought into play， leading to inadequate welding adaptability.

Key words：arc welding robot， swing arc path， weldability

1 引言

工業(yè)機(jī)器人是結(jié)合多種學(xué)科技術(shù)且面向工業(yè)生產(chǎn)方向的多自由度機(jī)械手，在焊接、噴涂、碼垛、產(chǎn)品以及搬運(yùn)領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛[1]。伴隨科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)我國社會(huì)老齡化不斷加劇，勞動(dòng)力成本逐年增加，同時(shí)存在著進(jìn)行傳統(tǒng)加工制造業(yè)的一線工人逐年減少的問題，在這樣的背景下，工業(yè)機(jī)器人的快速發(fā)展對于提高工作效率、降低勞動(dòng)力成本都有著極其重要的意義，特別是在高危場合，使用機(jī)器人代替人工去執(zhí)行危險(xiǎn)任務(wù)更能凸顯發(fā)展工業(yè)機(jī)器人的必要性[2]。根據(jù)國際機(jī)器人聯(lián)盟IFR[3]（International Federation of Robotics）2019年發(fā)布的關(guān)于世界各地機(jī)器人使用情況的報(bào)告，據(jù)報(bào)告顯示：在中國每萬名操作員工的機(jī)器人使用數(shù)量為187，與世界發(fā)達(dá)國家相比還有一定的差距。但隨著對工業(yè)自動(dòng)化的需求與日俱增，中國機(jī)器人使用密度增長迅速，尤其自我國提出了“中國制造2025”發(fā)展戰(zhàn)略[4]，工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)朝著密集化、自動(dòng)化和智能化方向發(fā)展。

雖然中國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，但在機(jī)器人使用密度上，中國仍低于世界制造業(yè)領(lǐng)先國家的水平，其原因在于機(jī)器人的易用性和適應(yīng)性得不到重視，使得國內(nèi)工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、研究與企業(yè)需求脫節(jié)，嚴(yán)重阻礙了國內(nèi)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[5]。

由于機(jī)器人在使用上具有技術(shù)人員培訓(xùn)時(shí)間長、操作難度高等特點(diǎn)，同時(shí)工業(yè)機(jī)器人的易用性和示教效率低下使得工業(yè)機(jī)器人難以適應(yīng)多品種、多規(guī)格的生產(chǎn)需求也使得中小企業(yè)難以保持機(jī)器人能夠連續(xù)可靠的工作，由于以上因素使得企業(yè)難以發(fā)揮機(jī)器人高效、穩(wěn)定作業(yè)的特點(diǎn)，故提高機(jī)器人的易用性和適應(yīng)性，降低用戶的使用難度成為發(fā)展工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的核心和關(guān)鍵。

焊接機(jī)器人、噴涂機(jī)器人、打磨機(jī)器人都屬于工業(yè)機(jī)器人。其中焊接機(jī)器人占工業(yè)機(jī)器人總數(shù)的比例較大，是目前應(yīng)用最廣泛的工業(yè)機(jī)器人。焊接機(jī)器人的廣泛應(yīng)用推動(dòng)了焊接機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)也為焊接過程的自動(dòng)化應(yīng)用提供了有利的條件。對焊接機(jī)器人來說，需要依靠示教編程技術(shù)實(shí)現(xiàn)焊接作業(yè)，傳統(tǒng)示教編程方式主要分為兩大類：在線示教、離線編程。而離線編程因?yàn)槠潆y以保證在建模尺寸理論與實(shí)際的一致性、焊接前建模準(zhǔn)備時(shí)間過長、難以保證位置精度和合適的姿態(tài)等問題，所以不易完成高精度的焊接任務(wù)，因此一般采用示教器或PC控制機(jī)器人焊槍末端工具坐標(biāo)中心點(diǎn)（TCP）到達(dá)指定位姿并進(jìn)行記錄的方式進(jìn)行焊接作業(yè)。而在目前焊接任務(wù)的復(fù)雜程度不斷增加，而用戶對焊縫質(zhì)量和示教效率要求越來越高的形勢下，降低示教的難度和工作量，提高示教效率，實(shí)現(xiàn)示教的自適應(yīng)性，從而提高生產(chǎn)效率顯得尤為重要。隨著圖像處理、機(jī)器視覺技術(shù)的快速發(fā)展，出現(xiàn)了多種應(yīng)用于機(jī)器人焊接的傳感器。特別是激光傳感器具有可提供的信息量大、精度和穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，成為應(yīng)用于激光視覺輔助測量領(lǐng)域的理想選擇。人們研究以多類型結(jié)構(gòu)件的測量信息為反饋，由上位機(jī)控制機(jī)器人進(jìn)行焊接路徑規(guī)劃的激光視覺示教技術(shù)，通過激光視覺系統(tǒng)獲得焊縫相關(guān)信息，來提高示教精度和示教效率，進(jìn)一步提高了焊接機(jī)器人系統(tǒng)的自動(dòng)化水平。

弧焊是機(jī)器人焊接的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一，對于弧焊機(jī)器人而言，提升機(jī)器人對應(yīng)多類型結(jié)構(gòu)件時(shí)的焊接適應(yīng)性和易用性具有重大意義。在焊接較寬焊縫或者普通角接焊縫等工件時(shí)，其核心是使用擺弧算法進(jìn)行單道焊接作業(yè)。焊接機(jī)器人采用擺弧路徑進(jìn)行焊接作業(yè)與非擺弧路徑焊接相比，可獲取較寬熔寬的焊縫、減少不必要的焊接道次、縮短總體作業(yè)時(shí)間進(jìn)而提高焊接效率，且焊接表面成形效果更佳。而對于較厚結(jié)構(gòu)件而言，為了提高焊接結(jié)構(gòu)的加工質(zhì)量與效率，需要在焊接工藝要求基礎(chǔ)上，采用多層多道焊接路徑規(guī)劃算法進(jìn)行焊接作業(yè)，并考慮到焊槍行走角影響著焊縫成形效果，在多層多道焊接路徑規(guī)劃中引入焊槍行走角，通過改變厚板焊接時(shí)的焊槍姿態(tài)進(jìn)而影響焊縫成形效果。為了提升機(jī)器人焊接系統(tǒng)的易用性和自動(dòng)化水平，構(gòu)建結(jié)合激光視覺示教模塊及焊接路徑規(guī)劃模塊的結(jié)合激光視覺示教的機(jī)器人路徑規(guī)劃系統(tǒng)，并將多種焊接路徑算法嵌入路徑規(guī)劃系統(tǒng)中，來實(shí)現(xiàn)多規(guī)格、多品種結(jié)構(gòu)件的焊接，以提高焊接機(jī)器人的示教效率與易用性、適應(yīng)性水平。

2 焊接機(jī)器人國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

傳統(tǒng)制造業(yè)嚴(yán)重依賴人工，隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，企業(yè)勞動(dòng)力成本變高，同時(shí)人工操作精度不高，日復(fù)一日的操作難以保持同一水平，這無疑對制造業(yè)自動(dòng)化是一個(gè)巨大的阻礙。人們對高質(zhì)量高效率生產(chǎn)模式的需求日益強(qiáng)烈，工業(yè)機(jī)器人因此應(yīng)運(yùn)而生。由于其在某些領(lǐng)域可以代替人工操作，從嚴(yán)酷的工作環(huán)境中解放工人，許多的國家鼓勵(lì)發(fā)展工業(yè)機(jī)器人，也有大批的科研人員針對工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用提出許多新穎的方案，并發(fā)表了大量的研究成果。焊接機(jī)器人是工業(yè)機(jī)器人的一個(gè)重要分支，在所有種類的工業(yè)機(jī)器人當(dāng)中，焊接機(jī)器人是最早使用、應(yīng)用最廣泛的工業(yè)機(jī)器人之一，涉及汽車、軌道交通裝備制造、工程機(jī)械和重型機(jī)械等行業(yè)，成為現(xiàn)代制造技術(shù)無可替代的重要角色。

3 焊接機(jī)器人國外研究現(xiàn)狀

如今國際上焊接機(jī)器人行業(yè)已經(jīng)形成了以瑞典ABB、德國KUKA、日本的FANUC和安川四大家族為首，意大利的COMAU、美國的Adept Technology、日本川崎重工、松下和OTC等各具特色的廠家為輔的市場格局。

（1）瑞典ABB公司的核心技術(shù)是運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)速度、周期時(shí)間等機(jī)器人性能控制，大幅度提高生產(chǎn)質(zhì)量、效率和可靠性。以 IRB1410型機(jī)器人（圖1）為例，該機(jī)器人的重復(fù)定位精度可以得到正負(fù)0.05mm，工作范圍為1440mm，手腕負(fù)重5kg，且其上臂可以承受18kg的附加載荷，可適用于弧焊、物料搬運(yùn)等領(lǐng)域。特別是針對弧焊領(lǐng)域，ABB提供焊接機(jī)器人ArcPack弧焊功能程序，其中包含大量專用弧焊功能，可根據(jù)具體焊接要求執(zhí)行對應(yīng)的程序，具有較強(qiáng)的易用性。

（2）德國KUKA公司生產(chǎn)的新型焊接機(jī)器人結(jié)構(gòu)修長緊湊，能夠以最小的干擾輪廓實(shí)現(xiàn)最高的性能，同時(shí)搭配中空機(jī)械手腕，以減少基軸運(yùn)動(dòng)，提升焊接作業(yè)效率。以KR 6 R1820 arc HW（圖2）為例，其額定載荷為6kg，最大運(yùn)動(dòng)范圍為1823.5mm，重復(fù)定位精度可達(dá)正負(fù)0.04mm。在軟件方面，通過數(shù)字化Motion Modes模式可在機(jī)器人控制器上調(diào)整速度等機(jī)器人性能參數(shù)。并通過在smartPADs示教器上快速創(chuàng)建運(yùn)行可靠的焊接程序。

（3）日本安川公司從電機(jī)研發(fā)和生產(chǎn)做起，其主要生產(chǎn)的伺服電機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制器都是制造機(jī)器人的關(guān)鍵部件，其核心的工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品包括：點(diǎn)焊、弧焊機(jī)器人、噴涂機(jī)器人等。該公司的MA2010機(jī)器人具有6個(gè)自由度，動(dòng)態(tài)工作范圍為2010mm，其末端負(fù)載最大為10kg，重復(fù)定位精度為正負(fù)0.08mm，可應(yīng)用于弧焊、激光加工、搬運(yùn)等領(lǐng)域（圖3）。

（4）日本FANUC公司將數(shù)控系統(tǒng)的優(yōu)勢運(yùn)用在焊接機(jī)器人上，使其具有極高的重復(fù)定位精度。FANUC公司專門為弧焊應(yīng)用設(shè)計(jì)了ARC Mate機(jī)器人，以FANUC Arc Mate 120iD焊接機(jī)器人（圖4）為例，具有出色的軸速度，其機(jī)器人重復(fù)定位精度可以達(dá)到正負(fù)0.02mm。在軟件方面，F(xiàn)ANUC專門為ARC Mate弧焊機(jī)器人定制的ARC Tool弧焊系統(tǒng)軟件，其中包含大量專用弧焊功能，包括焊縫跟蹤、多機(jī)器人控制、多層多道焊接等。

4 結(jié)語

目前國際上各機(jī)器人廠家都研發(fā)出了自己的焊接機(jī)器人產(chǎn)品，從機(jī)器人本體、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)器、傳感器等方面都有很成熟的技術(shù)積累，但是在焊接程序算法、提高焊接質(zhì)量和焊接精度以及提高示教效率等方面的研究依然是焊接機(jī)器人領(lǐng)域的熱點(diǎn)。

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