基于工业机器人的焊接生产技术与案例分析

1、四川大学制造科学与工程学院四川大学制造科学与工程学院基于工业机器人的焊接生产技术与基于工业机器人的焊接生产技术与案例分析案例分析一、焊接机器人概念及应用一、焊接机器人概念及应用二、焊接机器人的关键技术研究二、焊接机器人的关键技术研究三、焊接机器人的案例分析三、焊接机器人的案例分析一、焊接机器人概念及应用 焊接机器人是从事焊接（包括切割与喷涂）的工焊接机器人是从事焊接（包括切割与喷涂）的工业机器人。业机器人。根据国际标准化组织（根据国际标准化组织（ISOISO）工业机器人术）工业机器人术语标准焊接机器人的定义，工业机器人是一种多用途语标准焊接机器人的定义，工业机器人是一种多用途的、可重复编程的自

2、动控制操作机（的、可重复编程的自动控制操作机（ManipulatorManipulator），具），具有三个或更多可编程的轴，用于工业自动化领域。有三个或更多可编程的轴，用于工业自动化领域。焊焊接机器人就是在工业机器人的末轴法兰装接焊钳或焊接机器人就是在工业机器人的末轴法兰装接焊钳或焊（割）枪的，使之能进行焊接，切割或热喷涂。（割）枪的，使之能进行焊接，切割或热喷涂。 焊接机器人主要包括焊接机器人主要包括机器人和焊接设备机器人和焊接设备两部分。机两部分。机器人由机器人本体和控制柜（硬件及软件）组成。而焊器人由机器人本体和控制柜（硬件及软件）组成。而焊接装备，以弧焊及点焊为例，则由焊接电源（包括

3、其控接装备，以弧焊及点焊为例，则由焊接电源（包括其控制系统）、送丝机（弧焊）、焊枪（钳）等部分组成。制系统）、送丝机（弧焊）、焊枪（钳）等部分组成。对于智能机器人还应有传感系统，如激光或摄像传感器对于智能机器人还应有传感系统，如激光或摄像传感器及其控制装置等。及其控制装置等。世界各国生产的焊接用机器人基本上都属世界各国生产的焊接用机器人基本上都属关节机器关节机器人人，绝大部分有，绝大部分有6 6个轴。个轴。焊接工作站和焊接生产线焊接工作站和焊接生产线焊接工作站焊接工作站焊接生产线焊接生产线焊接方法焊接方法压力焊压力焊摩擦焊摩擦焊超声波焊超声波焊爆炸焊爆炸焊扩散焊扩散焊高频焊高频焊钎焊及封粘钎焊

4、及封粘软钎焊软钎焊硬钎焊硬钎焊封接封接粘接粘接熔熔焊焊电弧焊电弧焊电渣焊电渣焊等离子弧焊等离子弧焊电子束焊电子束焊激光焊激光焊手弧焊手弧焊气体保护焊气体保护焊埋弧焊埋弧焊电阻焊电阻焊( (点点焊焊) ) 弧焊机器人用于进行弧焊机器人用于进行自动弧焊的工业机器人。自动弧焊的工业机器人。一般的弧焊机器人是由示一般的弧焊机器人是由示教盒、控制盘、机器人本教盒、控制盘、机器人本体及自动送丝装置、焊接体及自动送丝装置、焊接电源等部分组成。可以在电源等部分组成。可以在计算机的控制下实现连续计算机的控制下实现连续轨迹控制和点位控制。还轨迹控制和点位控制。还可以利用直线插补和圆弧可以利用直线插补和圆弧插补功能

5、焊接由直线及圆插补功能焊接由直线及圆弧所组成的空间焊缝。弧所组成的空间焊缝。弧焊机器人弧焊机器人 点焊机器人（点焊机器人（spot spot welding robotwelding robot） 用于点焊用于点焊自动作业的工业机器人。自动作业的工业机器人。世界上第一台点焊机于世界上第一台点焊机于19651965年开始使用，是美年开始使用，是美国国UnimationUnimation公司推出的公司推出的UnimateUnimate机器人，中国在机器人，中国在19871987年自行研制成第一年自行研制成第一台点焊机器人台点焊机器人华宇华宇- -型点焊机器人型点焊机器人。点焊机器人点焊机器人 激光

6、焊接成为一种激光焊接成为一种成熟的无接触的焊接方成熟的无接触的焊接方式已经多年，极高的能式已经多年，极高的能量密度使得高速加工和量密度使得高速加工和低热输入量成为可能，低热输入量成为可能，焊接强度高，焊缝窄，焊接强度高，焊缝窄，热影响区小，并且工件热影响区小，并且工件变形量小。变形量小。激光焊接机器人激光焊接机器人 焊接机器人之所以能够占据整个工业机器人焊接机器人之所以能够占据整个工业机器人总量总量的的40%40%以上，与焊接这个特殊的行业有关，焊接作为以上，与焊接这个特殊的行业有关，焊接作为工业工业“裁缝裁缝”，是工业生产中非常重要的加工手段，是工业生产中非常重要的加工手段，同时由于焊接烟尘

7、、弧光、金属飞溅的存在，焊接的同时由于焊接烟尘、弧光、金属飞溅的存在，焊接的工作环境又非常恶劣工作环境又非常恶劣，焊接质量焊接质量的好坏对产品质量起的好坏对产品质量起决定性的影响。决定性的影响。 我国焊接机器人的应用主要集中在我国焊接机器人的应用主要集中在汽车、摩托车、汽车、摩托车、工程机械、铁路机车工程机械、铁路机车、航天、船舶、铁路、锅炉、航天、船舶、铁路、锅炉等几等几个主要行业。汽车是焊接机器人的最大用户，也是最个主要行业。汽车是焊接机器人的最大用户，也是最早用户。早用户。据统计，据统计，汽车制造和汽车零部件生产企业中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的焊接机器

8、人占全部焊接机器人的75%75%以上以上。20142014全球最具影响的全球最具影响的1010大焊接机器人企业大焊接机器人企业1 1、ABBABB机器人有限公司机器人有限公司2 2、库卡机器人（、库卡机器人（KUKAKUKA）3 3、OTCOTC公司公司4 4、发那科、发那科5 5、日本松下集团、日本松下集团6 6、日本安川（、日本安川（YaskawaYaskawa）7 7、日本那智不二越、日本那智不二越8 8、川崎机器人有限公司、川崎机器人有限公司9 9、现代重工、现代重工1010、新松机器人、新松机器人13采用机器人焊接，具有如下优点：采用机器人焊接，具有如下优点： 易于实现焊接产品质量的

9、稳定和提高，保证其均一性；易于实现焊接产品质量的稳定和提高，保证其均一性； 提高生产率，一天可提高生产率，一天可2424小时连续生产，机器人不会疲倦；小时连续生产，机器人不会疲倦； 改善工人劳动条件，可在有害环境下长期工作；改善工人劳动条件，可在有害环境下长期工作； 降低对工人操作技术难度的要求；降低对工人操作技术难度的要求； 缩短产品改型换代的准备周期，减少相应的设备投资；缩短产品改型换代的准备周期，减少相应的设备投资； 可实现小批量产品焊接自动化。可实现小批量产品焊接自动化。机器人焊接的特点机器人焊接的特点二、焊接机器人的关键技术研究1、焊缝跟踪技术的研究焊缝跟踪技术的研究 焊接机器人施焊

10、过程中，实际焊接条件的变化往往会导致焊炬偏离焊接机器人施焊过程中，实际焊接条件的变化往往会导致焊炬偏离焊缝，从而造成焊接质量下降甚至失败。焊缝跟踪技术的研究就是根据焊缝，从而造成焊接质量下降甚至失败。焊缝跟踪技术的研究就是根据焊接条件的变化要求弧焊机器人能够实时检测出焊缝的偏差。焊接条件的变化要求弧焊机器人能够实时检测出焊缝的偏差。焊缝跟踪焊缝跟踪技术的研究以传感器技术与控制理论方法为主，技术的研究以传感器技术与控制理论方法为主， 其中其中传感技术的研究又传感技术的研究又以电弧传感器和光学传感器为主。以电弧传感器和光学传感器为主。电弧传感器电弧传感器是从焊接电弧自身直接是从焊接电弧自身直接提取

11、焊缝位置偏差信号，实时性好，焊提取焊缝位置偏差信号，实时性好，焊枪运动灵活，符合焊接过程低成本自动枪运动灵活，符合焊接过程低成本自动化的要求，适用于熔化极焊接场合。电化的要求，适用于熔化极焊接场合。电弧传感弧传感 器器的的基本原理是利用焊炬与工基本原理是利用焊炬与工件距离的变化而引起的焊接参数变化，件距离的变化而引起的焊接参数变化，来探测焊炬高度和左右偏差。来探测焊炬高度和左右偏差。接触式焊缝跟踪器接触式焊缝跟踪器 焊接机器人视觉控制技术焊接机器人视觉控制技术是通过对焊接区图像进行采集是通过对焊接区图像进行采集产生视频信号送至图像处理机，产生视频信号送至图像处理机，对图像进行快速处理并提取跟对

12、图像进行快速处理并提取跟踪特征参量，进行数据识别和踪特征参量，进行数据识别和计算，通过逆运动学求解得到计算，通过逆运动学求解得到机器人各关节位置给定值，最机器人各关节位置给定值，最后控制高精度的末端执行机构，后控制高精度的末端执行机构，调整调整机器人的位姿。视觉控制机器人的位姿。视觉控制的关键在于视觉测量，在焊接的关键在于视觉测量，在焊接过程中视觉技术分为直接视觉过程中视觉技术分为直接视觉传感和间接视觉传感两种形式。传感和间接视觉传感两种形式。 光学传感器光学传感器的研究又以视觉传感器为主，结合计的研究又以视觉传感器为主，结合计算机视觉和图像处理的最新技术，大大增强弧焊机器算机视觉和图像处理的

13、最新技术，大大增强弧焊机器人的外部适应能力。人的外部适应能力。2 2、离线编程与路径规划技术的研究离线编程与路径规划技术的研究 机器人离线编程系统是机器机器人离线编程系统是机器人编程语言的拓广，它利用计算人编程语言的拓广，它利用计算机图形学的成果，建立起机器人机图形学的成果，建立起机器人及其工作环境的模型，利用一些及其工作环境的模型，利用一些规划算法，通过对图形的控制和规划算法，通过对图形的控制和操作，在不使用实际机器人的情操作，在不使用实际机器人的情况下进行轨迹规划，进而产生机况下进行轨迹规划，进而产生机器人程序。器人程序。离线编程技术的理想离线编程技术的理想目标是实现全自动编程目标是实现全

14、自动编程，即只需，即只需输入工件的模型，离线编程系统输入工件的模型，离线编程系统中的专家系统会自动制定相应的中的专家系统会自动制定相应的工艺过程并最终生成整个加工过工艺过程并最终生成整个加工过程的机器人程序。程的机器人程序。目前，还不能目前，还不能实现全自动编程，实现全自动编程，自动编程技术自动编程技术是当前研究的重点。是当前研究的重点。18IGRIP（Interactive Graphics Robot Instruction Program）是美）是美国国Deneb公司推出的交互式机器人图形编程与仿真软件，拥有卓越的图公司推出的交互式机器人图形编程与仿真软件，拥有卓越的图形功能，可运行在高

15、档形功能，可运行在高档PC机上。机上。19 路径功能是离线编程的一大特点，使得机器人工具的运动过程能可视路径功能是离线编程的一大特点，使得机器人工具的运动过程能可视的记录下来，以便于用户的编辑，也可保存相应位置点的工艺参数。用户的记录下来，以便于用户的编辑，也可保存相应位置点的工艺参数。用户可以利用提供的命令对单个标签点或整条路径进行修改，从而改变机器人可以利用提供的命令对单个标签点或整条路径进行修改，从而改变机器人工具的运动过程或焊接参数，这要比示教编程的方便得多。由于路径属于工具的运动过程或焊接参数，这要比示教编程的方便得多。由于路径属于部件，所以路径将与部件一起运动。这样，当工件重新装夹

16、或变位机运动部件，所以路径将与部件一起运动。这样，当工件重新装夹或变位机运动时，用户以前的工作将随路径被一起保留下来，而避免了示教方式所需的时，用户以前的工作将随路径被一起保留下来，而避免了示教方式所需的重新示教操作。因此，路径功能使离线编程的效率比示教编程的效率高得重新示教操作。因此，路径功能使离线编程的效率比示教编程的效率高得多。多。 平平焊焊上上坡坡焊焊单位 开发方式 硬件平台 主要应用 华中理工大学 自主 微机 离线编程，通用 华南理工大学 自主 微机 离线编程，装配 哈尔滨工业大学 自主 工作站 仿真及离线编程，通用 上海交通大学 二次 微机 图形仿真，通用 北京航空航天大学 自主

17、微机 离线编程，PUMA262 清华大学 自主 微机 图形仿真，通用 浙江大学 自主 微机 离线编程，装配 沈阳自动化所 自主 工作站 离线编程，双机器人装配 洛阳工学院 自主 微机 图形仿真，通用 云南师范大学 二次 微机 离线编程，通用 国内机器人离线编程技术研究情况国内机器人离线编程技术研究情况3 3、仿真技术的研究仿真技术的研究 机器人在机器人在研制、设计和试研制、设计和试验验过程中，经常需要对其进行过程中，经常需要对其进行运动学、动力学性能分析以及运动学、动力学性能分析以及轨迹规划设计，而机器人又是轨迹规划设计，而机器人又是多自由度、多连杆空间机构，多自由度、多连杆空间机构，其运动学

18、和动力学问题十分复其运动学和动力学问题十分复杂，计算难度很大。杂，计算难度很大。 若将机械手作为仿真对象，运用计算机图形技术若将机械手作为仿真对象，运用计算机图形技术 技技术和机器人学理论在计算机中形成几何图形，并动画显示，然后术和机器人学理论在计算机中形成几何图形，并动画显示，然后对机器人的机构设计、运动学正反解分析、操作臂控制以及实际对机器人的机构设计、运动学正反解分析、操作臂控制以及实际工作环境中的障碍避让和碰撞干涉等诸多问题进行模拟仿真，就工作环境中的障碍避让和碰撞干涉等诸多问题进行模拟仿真，就可以解决研发过程中出现的问题。可以解决研发过程中出现的问题。4 4、遥控焊接技术的研究遥控焊

19、接技术的研究 遥控焊接是指人在离开现场遥控焊接是指人在离开现场的安全环境中对焊接设备和焊接的安全环境中对焊接设备和焊接过程进行远程监视和控制，从而过程进行远程监视和控制，从而完成完整的焊接工作。在核电站完成完整的焊接工作。在核电站设备的维修、海洋工程建设以及设备的维修、海洋工程建设以及未来的空间站建设中都要用到焊未来的空间站建设中都要用到焊接，这些环境中的焊接工作不适接，这些环境中的焊接工作不适合人类亲临现场，而目前的技术合人类亲临现场，而目前的技术水平还不可能实现完全的自主焊水平还不可能实现完全的自主焊接，因此需要采用遥控焊接技术接，因此需要采用遥控焊接技术。目前美国、欧洲、日本等国对。目前

20、美国、欧洲、日本等国对遥控焊接进行了深入的研究，遥控焊接进行了深入的研究，国国内哈尔滨工业大学也正在进行这内哈尔滨工业大学也正在进行这方面的研究。方面的研究。5 5、多机器人协调控制技术的研究多机器人协调控制技术的研究 多机器人系统是指为完成某一任务由若干个机器人通过合作与协调组合多机器人系统是指为完成某一任务由若干个机器人通过合作与协调组合成一体的系统。当给定多机器人系统某项任务时首先面临的问题是如何组织成一体的系统。当给定多机器人系统某项任务时首先面临的问题是如何组织多个机器人去完成任务，如何将总体任务分配给各个成员机器人，即机器人多个机器人去完成任务，如何将总体任务分配给各个成员机器人，

21、即机器人之间怎样进行有效地合作。当以某种机制确定了各自任务与关系后，问题变之间怎样进行有效地合作。当以某种机制确定了各自任务与关系后，问题变为如何保持机器人间的运动协调一致，即多机器人协调。对于由紧耦合子任为如何保持机器人间的运动协调一致，即多机器人协调。对于由紧耦合子任务组成的复杂任务而言，协调问题尤其突出。务组成的复杂任务而言，协调问题尤其突出。多机器人焊接的协调控制是目多机器人焊接的协调控制是目前的一个研究热点问题。前的一个研究热点问题。6 6、工业、工业4.04.0总线控制技术总线控制技术 EtherCATEtherCAT（以太网控制自动化技术）是一个以以太网为基础的（以太网控制自动化

22、技术）是一个以以太网为基础的开放架构的现场总线系统，开放架构的现场总线系统，EtherCATEtherCAT名称中的名称中的CATCAT为为Control Control Automation TechnologyAutomation Technology（控制自动化技术）首字母的缩写。最初由（控制自动化技术）首字母的缩写。最初由德德国倍福国倍福自动化有限公司自动化有限公司(Beckhoff Automation GmbH) (Beckhoff Automation GmbH) 研发。研发。EtherCATEtherCAT为系统的实时性能和拓扑的灵活性树立了新的标准，同时，它还符为系统的实时性

23、能和拓扑的灵活性树立了新的标准，同时，它还符合甚至降低了合甚至降低了现场总线现场总线的使用成本。的使用成本。EtherCATEtherCAT的特点还包括高精度的特点还包括高精度设备同步，可选线缆冗余，和功能性安全协议。设备同步，可选线缆冗余，和功能性安全协议。三、焊接机器人的案例分析案例案例1 1 金属波纹管机器人焊接系统金属波纹管机器人焊接系统 波纹管焊接机器人，本体可达范围波纹管焊接机器人，本体可达范围1911mm1911mm，机器人系统，机器人系统9 9轴协调联动，双轴协调联动，双立柱机器人变位机，可实现工件的翻转立柱机器人变位机，可实现工件的翻转与回转，实现于机器人本体协调联动。与回转

24、，实现于机器人本体协调联动。接触传感（接触传感（Touch-SenseTouch-Sense）可以解决焊缝）可以解决焊缝位置发生整体偏移的问题，电弧跟踪位置发生整体偏移的问题，电弧跟踪（Arc-SenseArc-Sense）可以解决工件焊接过程中）可以解决工件焊接过程中的变形造成的焊缝偏移及工件安装误差的变形造成的焊缝偏移及工件安装误差进行，实时检测、自动跟踪补正。进行，实时检测、自动跟踪补正。 适合环形焊缝的中厚板工件的焊接，适合环形焊缝的中厚板工件的焊接，直径长度直径长度108mm108mm、1000mm1000mm、2000mm2000mm、3000mm3000mm。重复定位精度达。重复

25、定位精度达0.1mm0.1mm。新松激光焊接机器人 2011 2011年年5 5月新松公司与中船月新松公司与中船重工集团签订了中厚船板激光电重工集团签订了中厚船板激光电弧复合焊接项目，代表国产化首弧复合焊接项目，代表国产化首套激光电弧复合焊接装备在船板套激光电弧复合焊接装备在船板类大型结构件焊接上的示范工程，类大型结构件焊接上的示范工程，截至今年，新松公司已为中船重截至今年，新松公司已为中船重工提供三期激光工程装备，应用工提供三期激光工程装备，应用效果反馈良好，收到用户一致肯效果反馈良好，收到用户一致肯定。目前，新松公司正通过激光定。目前，新松公司正通过激光电弧复合焊接在船舶行业的市场电弧复合

26、焊接在船舶行业的市场应用，进一步拓展到钢铁、航天、应用，进一步拓展到钢铁、航天、石化等行业的规模化应用，实现石化等行业的规模化应用，实现新松激光电弧复合焊接成套装备新松激光电弧复合焊接成套装备市场效应的持续增长。市场效应的持续增长。我国第一台弧焊机器人：华宇我国第一台弧焊机器人：华宇型型 “ “华宇华宇型型”机器人是哈工机器人是哈工大在大在19851985年研制成功的一台比较年研制成功的一台比较完整的弧焊机器人系统，包括本完整的弧焊机器人系统，包括本体、控制器、示教盒和体、控制器、示教盒和3 3种焊接种焊接系统，是我国自行设计的第一台系统，是我国自行设计的第一台弧焊机器人。焊接的控制技术在弧焊机器人。焊接的控制技术在国内外是创新的