机器人焊接前沿技术—焊接1301 徐昀华[网络软件]

1、焊接前沿技术作业 学 院： 材料科学与工程学院 专业班级： 焊接1301班 姓 名： 徐昀华 学 号： 130200308 任课教师： 常云龙 完成日期： 2016.11.1 焊接机器人技术现状和发展趋势摘要机器人逐渐走入人类社会，在人们生产、生活中发挥着重要作用。本文主要从国内外工业机器人的发展、我国焊接机器人应用现状、焊接机器人系统研究、焊接机器人的发展及趋势等方面进行分析。关键字：焊接机器人；汽车应用；发展趋势一国内外焊接机器人发展现状机器人技术作为先进制造技术的典型代表和主要技术手段，它在提升企业技术水平、稳定产品质量、提高生产效率、实现文明生产等方面具有重大作用。大工业革命曾使人沦落

2、为机器的奴隶，而机器人的诞生和广泛推广应用又重新使人类恢复了尊严。国外随着计算机技术的不断提高和制造技术的不断发展，国外焊接机器人技术得到了飞速的发展，其准确度和可靠不断提高，与此同时，造价却不断下降。西方发达国家也将发展焊接机器人作为研究的重点。日本仅用了10 年左右的时间，便形成了自己的机器人产业，韩国的机器人发展也极其迅速，截止到2005年全世界的在役工业机器人约为914000套，日本占了其中的60% 左右，大约有将近一半的工业机器人用于各种形式的焊接加工领域。尽管美国和德国等老牌工业强国在数量上不如日本，但其技术底蕴身后，制作的焊接机器人水平较高，因此在国际市场上还是占有一定的优势。国

3、内我国焊接机器人的应用主要集中在汽车、摩托车、工程机械、铁路机车等主要行业。汽车是焊接机器人的最大用户，也是最早的用户。早在20 世纪70年代末，上海电焊机厂与上海电动工具研究所合作研制了直角坐标机械手，成功应用于上海牌轿车底盘的焊接。一汽公司是我国最早引进焊接机器人的企业，1984 年起先后从KUKA 公司引进了3 台点焊机器人，用于当时“红旗牌”轿车的车身焊接和“解放牌”车身顶盖的焊接。1986 年成功地将焊接机器人应用于前围总成的焊接，并于1988 年开发了机器人车身总焊线。20 世纪80 年代末和20 世纪90 年代初，德国大众公司分别与上海和一汽成立合资汽车厂生产轿车，虽然是国外的二

4、手设备，但其焊接自动化程度和装备水平让我们认识到了与国外的巨大差距。随后二汽在货车及轻型车项目中都引进了焊接机器人。可以说20 世纪90 年代以来的技术引进和生产设备、工艺装备的引进使我国的汽车制造水平由原来的作坊式生产提高到规模化生产，同时使国外焊接机器人大量进入中国。由于我国基础设施建设的高速发展带动了工程机械行业的繁荣，工程机械行业也成为较早引入焊接机器人的行业之一。近年来随着我国经济的高速发展，能源的大量需求，与能源相关的制造行业也都开始寻求自动化焊接技术，焊接机器人逐渐崭露头角。铁路机车行业由于我国货运、客运、城市地铁等需求量的不断增加以及列车提速的需求，机器人的需求一直处于稳步增长

5、态势。据2001 年统计，全国共有各类焊接机器人1 040台，汽车制造和汽车零部件生产企业中的焊接机器人占全部焊接机器人的76。在汽车行业中点焊机器人与弧焊机器人的比例为32，其他行业大都是以弧焊机器人为主，主要分布在工程机械(10)、摩托车(6)、铁路车辆(4)、锅炉(1)等行业。焊接机器人也主要分布在全国几大汽车制造厂。目前在我国应用的机器人主要分日系、欧系和国产三类。日系中主要有安川、OTC、松下、FANUC、不二越、川崎等公司的产品。欧系中主要有德国KUKA、CLOOS，瑞典ABB，意大利COMAU 和奥地利IGM 公司。国产机器人主要是沈阳新松机器人公司产品。目前在我国虽然已经具有自

6、主知识产权的焊接机器人系列产品，但却不能批量生产，形成规模，究其原因有以下几点：(1)国内机器人价格没有优势。近十年来，进口机器人的价格大幅度降低，从78 万美元台降低到23 万美元台，使我国自行制造的普通工业机器人在价格上很难与之竞争。特别是我国在研制机器人的初期，没有同步发展相应的零部件产业，如伺服电机、减速机等需要进口，使价格难以降低，所以机器人生产成本高；加之我国焊接装备水平与国外还存在很大差距，也间接影响了国内机器人的发展。对于机器人的最大用户一汽白车身生产厂来说，几乎所有的装备都是从国外引进，国产机器人找不到表演的舞台。(2)国产机器人无论从控制水平还是可靠性等方面与国外公司还存在

7、一定的差距。国外工业机器人是个非常成熟的工业产品，经历了30 多年的发展历程，而且在实际生产中不断地完善和提高；而我国尚处于单件小批量的生产状态。(3)国内机器人生产厂家处于幼儿期，还需要政府政策和资金的支持。焊接机器人是个机电一体化的高技术产品，单靠企业的自身能力是不够的，需要政府对机器人生产企业和使用国产机器人系统的企业给予一定的政策和资金支持，加速我国国产机器人的发展。二机器人焊接技术优势随着搅拌摩擦焊技术研究的深入和工程化应用推广，越来越多的产品制造采用了这项新型焊接技术，同时产品的结构也越来越复杂，而传统的龙门式搅拌摩擦焊设备只能完成直线或平面二维焊接要求，不能满足复杂结构件的焊接。

8、机器人搅拌摩擦焊技术与装备成为近年来搅拌摩擦焊装备的重要发展方向，这是因为工业机器人具有较高的柔性，可以实现复杂轨迹运动，使复杂结构件的焊接成为可能。机器人搅拌摩擦焊接技术可提升焊接自动化程度和生产效率，其技术优势和社会经济效益显著。使用机器人搅拌摩擦焊焊接时，由于机器人柔性化程度高，焊接过程稳定且无需人为干涉，因此，焊接质量可以得到显著提升，且有利于降低焊接生产成本。据国外统计，机器人搅拌摩擦焊单件焊接成本比机器人氩弧焊低20%，而采用多轴搅拌摩擦焊设备成本只有氩弧焊的一半。由此可见，采用机器人进行搅拌摩擦焊在大规模工业生产中具有显著的成本优势。此外，机器人搅拌摩擦焊的主要技术优势有：（1）

9、节能、高效，焊接过程无污染；（2）适用于复杂结构焊接，如平面二维、空间三维等结构；（3）可匹配外部轴，扩展机器人工作空间；（4）可实现多模式过程控制，如压力控制、扭矩控制等；（5）接头质量良好，焊接过程稳定。三焊接机器人研究现状现阶段，国内外对焊接机器人的技术方面的研究都主要集中在五方面：机器人用焊接工艺、焊接机器人系统仿真技术、机器人专用弧焊电源技术、多台焊接机器人及外围设备的协调控制技术以及焊缝跟踪技术等。1、机器人用焊接工艺在机器人焊接方面，目前最常用的弧焊技术是气体保护焊，这种方法主要包括融化极氩弧焊和富氩混合气体保护焊。除了这两种方法，使用较多的方法就是钨极氩气保护焊。一些在弧焊机器

10、人方面技术较先进的国家使用的方法多是热丝等离子焊、热丝TIG焊等前沿工艺。2、焊接机器人系统仿真技术机器人研究的跨学科性是很多研究者对其着迷的关键点，在研发过程中经常会遇到动力学、运动学方面的问题，又因为机器人是多连杆空间结构、自由度较高，在研发过程中遇到的问题就会更加复杂多变了。以机械手的仿真技术为例，在设计过程中使用机器人理论、CAD和计算机图形设计等技术在计算机中以动画形式呈现出来，然后对机械手的操作臂控制、运动学正反解分析和实际运行中在环境中遇到的抗干扰和避让问题进行仿真模拟，通过这种方法可以很好地解决遇到的问题。3、机器人专用弧焊电源技术在研发焊接机器人时，不仅要关注机器人系统的研究

11、、设计和机器人的焊接技术，还要对弧焊电源给予重视。弧焊电源具有良好的电器性能，能够使焊接机器人的功能得到更大发挥。4、多台焊接机器人及外围设备的协调控制技术严格来讲，焊接机器人是一个焊接机器人系统或工作站，通常包括焊机系统、机器人控制柜、机器人本体以及送丝单元等。在实际操作中，只有将变位机、焊接机器人以及弧焊电源等进行柔性化集成，才能发挥其作用。5、焊缝跟踪技术一般情况下弧焊就能够保证机器人的焊接质量，但在焊接工作的条件和环境发生变化时，往往会使焊炬偏离焊缝，致使焊接质量问题。在这种情况下，就要对焊缝进行实时测查，检测焊缝偏差，调节焊接参数和焊接路径等，以保障焊缝质量。焊缝跟踪技术是以传感器技

12、术以及焊缝跟踪控制理论为基础的。（1）传感器技术。近些年，随着智能技术的不断发展，在原有的基本传感器的基础上出现了一种新型的传感器，智能传感器。智能传感器技术在机器人传感研究方面起到了重要的推动作用。电弧传感器的工作原理是直接从焊接电弧本身获取焊缝偏差信息，不需要任何附加装置，具有成本低、实时性强等优点。光传感器中最具吸引力的莫过于视觉传感器。它是光传感技术与计算机的图像和视觉处理方法有机整合后产生的技术，可以有效提高弧焊机器人的适应能力。光传感器除了视觉传感器外，还包括光谱、光纤、光电、红外等种类。（2）焊缝跟踪控制理论与方法。智能控制的雏形是模糊控制，它借鉴了人类思维的模糊性，结合模糊数焊

13、接机器人技术现状与发展趋势学中的模糊关系、推理和决策等得出了控制动作。模糊控制具有鲁棒性和自适应等优点，能够很好地适应时变的焊接机器人系统，它为机器人焊接技术的发展和研究奠定了一个良好的技术基础。神经网络控制是由人类大脑神经的工作机理受到启发而研究出的控制系统，对非线性的、时变的焊接系统具有很好的适应能力。机器人通过人工神经网络的硬件和软件系统能够对环境和工作进行记忆、联想和学习。和传统的专家系统不同，神经网络在对焊接参数的处理上有其独特特点：系统在经历的环境和任务中能够进行学习，在遇到事件时，系统可以根据实验数据或经历过的事例中进行数据记录和调出，无需专家指导。由于神经网络算法的自身特点，使

14、用神经网络系统的机器人接收到的数据可以是模糊的或是不精确、不完整的。输入和输出数据的关系没有直接关系时，是没有成型的算法或模型可以使用的。四焊接机器人发展趋势1、多传感器信息智能融和技术近年来，随着机器人系统中使用的传感器种类和数量越来越多，各种新型传感器不断出现。例如，超声波触觉传感器、静电电容式距离传感器、基于光纤陀螺惯性测量的三维运动传感器，以及具有焊接工件检测、识别和定位功能的视觉系统等。但是，单一传感信号难以保证输入信息的准确性和可靠性，不能满足智能机器人系统获取环境信息和系统决策能力的要求。为了有效利用这些传感器的信息，需要对不同信息进行综合处理，从多种传感器信息中获取单一传感器不

15、具备的新功能和新特点，即多传感器智能信息融合技术。利用各种传感信息，获得对环境的正确理解，使机器人系统具有容错性，保证系统信息处理的快速性和正确性。2、虚拟现实技术虚拟现实技术是一种对事件的现实性从时间和空间上进行分解后重新组合的技术。这一技术包括三维计算机图形学技术、多功能传感器的交互接口技术以及高清晰度的显示技术。虚拟现实技术可应用于遥控机器人和临场感通讯等。基于多传感器、多媒体和虚拟现实以及临场感技术，实现机器人的虚拟遥操作和人机交互。虚拟现实技术可以模拟焊接过程。在计算机上先完成焊接过程，实现将工艺过程转化为数字化操作，再由数字化操作指导实际生产。通过建立生产加工的仿真模型研究制造活动

16、，使用户在设计阶段能够了解产品未来焊接过程，实现对生产系统性能的有效预测评价。在仿真环境下的试运行，有利于进行多工艺方案比较，更有利于多机器人焊接轨迹的选取与优化3、多智能焊接机器人系统多智能机器人系统是近年来开始探索的又一项智能技术，它是在单体智能机器发展到需要协调作业的条件下产生的。多个机器人主体具有共同的目标，完成相互关联的动作或作业。在构建系统时，不追求单个的、庞大的、复杂的体系，而是按控制应用的要求，从功能上、物理或时间上划分成多个具有一定自主能力的智能体，各智能体之间相互通信、彼此协调，共同完成复杂系统的控制作业任务，解决一个全局性问题。作业目标一致，信息资源共享，各个局部动的主体

17、在全局前提下感知、行动、受控和协调，是群控机器人系统的发展。其目标是将大的、复杂的硬件或软件系统构造成相对较小的、独立的、彼此相互通信及协调的、易于管理的多个智能体系统。系统在制造业中的应用性研究正不断地成熟，这种趋势表明了多种智能自治主体间的相互协调、合作的分布式制造系统最有希望成为下一代制造业的生产模式，焊接是工业生产的一大领域，焊接机器人的发展基本上同步于整个机器人行业的发展。所以，多智能体机器人的研究与发展将很快应用于焊接机器人领域。随着工业生产系统向大型、复杂、动态和开放的方向发展，以及焊接过程向高度自动化及完全智能化的方向发展，多智能体焊接机器人系统将成为热点的研究领域。4、智能化

18、控制技术神经网络和模糊控制单独使用时，都存在一定的缺陷。神经网络的拓扑结构、神经元个数和训练样本数等的选择，对其一般化能力有较大影响，目前，这方面尚没有统一的理论指导。在离线训练过程中，有时因网络参数选择不好将产生不收敛的现象。实际控制系统中，由于时变参数、扰动等因素，一般要求神经网络控制器能在线训练，而收敛和训练时间等问题都难以得到可靠的保证，对于实时性要求较高的场合不太适应。在模糊控制中，隶属函数的选择、模糊关系矩阵计算、解模糊化等都是十分困难的问题。一张理想的模糊控制表必须通过反复精心整理才能投入使用。量化因子和比例因子的选择也影响着整个系统的品质。模糊逻辑表达定量知识的能力较差，控制精

19、度不太高。自适应、自学习的能力较差，易产生振荡现象。随着人工智能技术的发展，神经网络和模糊逻辑技术的融合已成为当前人们的研究热点。神经网络具有很强的自学习、自适应、大规模并行运算和精确计算的能力。而模糊逻辑在专家可预见的论域上有良焊接机器人好的收敛性，在进行模糊量的运算上有优势。因此两者结合可以优势互补，从而大大提高综合性能。神经网络模糊控制器的构造方法可分为两类：其一：是以现成的神经网络拓扑结构实现模糊控制中的模糊化、模糊推理和解模糊化三个步骤；其二:是构造模糊神经元，使其具有单独处理模糊语言变量的能力，由这些模糊神经元可构成不同的拓扑结构。神经网络模糊控制器的快速实时算法、稳定性、鲁棒性等

20、问题，需要结合弧焊机器人系统及弧焊工艺加以深入的研究!#。哈尔滨工业大学借助于神经网络构成自学习模糊控制器，成功地实现脉冲.5、焊接机器人控制系统机器人控制系统将重点研究开放式、模块化控制系统。计算机语言、图形编程与人的交流界面更加友好。机器人控制器的标准化和网络化，以及基于+0机网络式控制器已成为研究热点。编程技术除进一步提高在线编程的可操作性之外，离线编程的实用化将成为研究重点。此外，焊接机器人的遥控及监控技术、机器人半自主和自主技术、多机器人和操作者之间的协调控制，通过网络建立大范围内的机器人遥控系统，在有时延的情况下，建立预先显示进行遥控等方面都是未来焊接机器人的发展方向。五国内焊接机

21、器人技术更加需要的1、国家加大政策支持机器人融合了多项前沿技术，国家应该制定长远的政策加以规划和发展，以保持可持续发展的态势。我国的机器人目前面临的许多的困难，在技术、人才、资源等方面都面临着国外各大公司的激烈竞争，与他们相比，我国各个机器人公司都存在着很大的差距，所以就需要国家组织国内的研究力量，甚至包括资金、税收等各方面的支持，同时鼓励国内的企业在转型时采用国产机器人。另外在一些对人体有伤害的特殊工种中，比如喷漆、铸造等，国家可以通过劳动法，强制工厂采用工业机器人来代替人完成工作，这样也可以大大增加工业机器人的需求数量。2、加快核心零部件的研发目前国产机器人的主要零部件大部分依赖于进口，所

22、以机器人的成本始终居高不下，这成为制约国产机器人进一步发展的关键因素之一，所以国家应牵头，融合国内可利用的一切研发力量，使得其中的核心零部件进行国产化，甚至批量化，从而大大降低国产机器人的成本。3、进一步完善机器人产业基地的建设工业机器人涉及机械、自动化、计算机、人工智能等诸多学科，所以国家应将加大宏观调控能力，将工业机器人生产厂家及相应的配套企业尽量规划在一起，一方面方便企业的各自交流，提高效率，同时也可以大大节省运输费用，由此形成集机器人研究开发、集约化配套生产、社会化销售服务为一体的工业园区。4、加强人才队伍的建设国内众多企业迫切需要从劳动密集型向自动化生产过渡升级，急需要大量更新自动化

23、设备，同时也需要大量设备设计、集成、安装调试和使用维护人员。而目前高校所培养的学生毕业后普遍不能直接上岗，无法满足企业的用人需求，毕业生缺乏对现代企业的文化和工作流程的了解，缺乏团队工作经验，与人沟通能力较差，实践动手能力较差，缺乏创新能力，企业往往需要对应届毕业生进行二次培训。所以国家应积极引导高校就目前的工程教育理念和方法进行改进。改变传统的学习方法，实施基于项目的学习方法，以工程项目全过程为载体来培养学生的工程能力，个人的职业道德、学术知识和运用知识来解决实际问题的能力，终生学习能力、团队协作能力、沟通交流能力和系统的掌控能力。在学科课程设置的过程中药全面面向产业的需求，从工程科学理论和

24、分析为重点转向设计和产品创新。5、进一步普及机器人的知识机器人知识的普及程度对机器人的产业化进程起着很大的制约作用。如果大家对机器人的认识程度都很普及，从小就接触机器人的知识，使得一大批的小孩从小就对机器人很感兴趣，那么这些人很有可能就会成为推动国产机器人发展的宝贵财富，所以不管是国家还是企业，都应该将机器人知识的科普宣传放在一个非常重要的位置。六总结现阶段，随着时代的发展与经济的进步，市场竞争愈发激烈，交货期、成本以及产品质量成为各大企业在市场上竞争的重要手段，机器人焊接仿真技术在上述几个方面均发挥了重要的作用。尤其是在企业招投标时期，倘若能利用模拟仿真技术为客户建立一系列系统、全面的可视化

25、解决方案，那么将在一定程度上提升企业的核心竞争力，从而取得更多的订单。目前，机器人焊接仿真技术因其自身的优势与功能，被大范围的应用到各行各业当中，深受各大厂商的喜爱与青睐。模拟真实的现场，是机器人焊接仿真技术恒久不变的主体，对于技术操作人员而言，界面操作理想化、简单化是对仿真软件的基本要求，同时也是当前市场经济形势下发展的必然趋势。【参考文献】1 陈善本,吕娜.焊接智能化与智能化焊接机器人研究进展J.电焊机,2013,43(5):28-36. 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(17):3-4. 3 朱万辉.七自由度焊接机器人控制系统设计D.安徽工业大学,2

26、012,6.4 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）.5 王田苗，陶永服务机器人技术研究现状与发展趋势J中国科学：信息科学，2012，30（2）.6 哈恩晶焊接机器人的应用现状与发展趋势J机械工人（热加工），2010，2（7）.7 许燕玲，林涛焊接机器人应用现状与研究发展趋势J金属加工，2010，11（20）.8 朱万辉七自由度焊接机器人控制系统设计D安徽工业大学，2012.9 解生冕机器人双丝共熔化池脉冲MAC高速焊及协同控制模式熔滴过渡行为研究D华南理工大学，2012.10艳涛关注昆山机器人产业链J机器人技术与应用，2008（06）11梅江平高速包装

27、机器人技术与应用J机器人技术与应用，2007（05）12黄琪桥式起重机制动器的常见故障分析及预防措施J安徽冶金科技职业学院学报，2008(8):959513董求工程起重机类型与安全要素控制要点J科技咨询，2009(2):414114包波起重机制动器安全性能的探讨J电力安全技术，2004(1):242515.郑国禹机器人焊接技术在薄壁钢质特种车辆上的应用研究 200816.陈善本;吴林我国机器人焊接技术研究与应用概况(下) 199717陈善本;林涛;陈文杰;邱涛智能化焊接制造工程的概念与技术 200418谭一炯;周方明;王江超;黄志杰焊接机器人技术现状与发展趋势 200619 许燕玲，林涛.焊接机器人应用现状与研究发展趋势J.金属加工