机器人应用技术及发展[]

1、焊接机器人技术及发展专业：焊接技术及自动化姓名：金祖欣班级：09-25焊接机器人技术及发展【论文摘要】：简要介绍了焊接机器人技术发展历程、应用现状，服务于生产, 从焊缝跟踪技术、离线编程与路径规划技术、多机器人协调控制技术、专用弧焊 电源技术、焊接机器人系统仿真技术、机器人用焊接工艺方法、遥控焊接技术等 七个方面论述了焊接机器人技术的研究现状，并对焊接机器人技术的未来发展趋 势做出了展望，其中视觉控制技术、模糊控制技术、神经网络控制及嵌入式控制 技术将是焊接机器人智能化技术发展的主要方向。【关键词】：焊接机器人；技术现状；智能化；控制技术；发展趋势寸录 TOC o 1-5 h z 摘要 2 H

2、YPERLINK l bookmark6 o Current Document 前言 4 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 1、 焊接机器人的发展历程 42、 焊接机器人国内外应用现状 4 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 3、焊接机器人的发展趋势4一、 焊接机器人的技术64、 焊接机器人的定义 65、 焊接机器人的组成 66、 焊接机器人的主要结构及性能 77、 焊接机器人的特点 8二、 焊接机器人的发展 98、焊接机器人国内外应用现状 99、焊接机器人在焊接生产中的应用 1010、焊接机器人

3、的编程方法 1111、 焊接机器人技术的研究现状 1112、焊接机器人最新进展 13三、 焊接机器人的发展趋势 1513、焊接机器人的发展趋势 1514、焊接机器人的技术展望 1615、 焊接机器人未来研究的热点及发展方向 18 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 结论挑战与对策 19 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 参考文献 20 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 附录焊接技术发展方向21前言1.1焊接机器人的发展历程自从世界上第一台工业机器人

4、 UNIMAT于1959年在美国诞生以来，机器人的 应用和技术发展经历了三个阶段：第一代是示教再现型机器人。这类机器人操作简单，不具备外界信息的反馈 能力，难以适应工作环境的变化，在现代化工业生产中的应用受到很大限制。第二代是具有感知能力的机器人。这类机器人对外界环境有一定的感知能力， 具备如听觉、视觉、触觉等功能，工作时借助传感器获得的信息，灵活调整工作 状态，保证在适应环境的情况下完成工作。第三代是智能型机器人。这类机器人不但具有感觉能力，而且具有独立判断、 行动、记忆、推理和决策的能力，能适应外部对象、环境协调地工作，能完成更 加复杂的动作，智能机器人还具备故障自我诊断及修复能力。焊接机

5、器人就是在焊接生产领域代替焊工从事焊接任务的工业机器人。早期 的焊接机器人缺乏“柔性”，焊接路径和焊接参数须根据实际作业条件预先设置， 工作时存在明显的缺点。随着计算机控制技术、人工智能技术以及网络控制技术 的发展，焊接机器人也由单一的单机示教再现型向以智能化为核心的多传感、智 能化的柔性加工单元（系统）方向发展。1.2焊接机器人国内外应用现状焊接机器人具有焊接质量稳定、改善工人劳动条件、提高劳动生产率等特点， 广泛应用于汽车、工程机械、通用机械、金属结构和兵器工业等行业。据不完全 统计，全世界在役的工业机器人中大约有一半用于各种形式的焊接加工领域。截 止2005年全世界在役工业机器人约为 9

6、1.4万套，其中日本装备的工业机器人总 量达到了 50万台以上，成为“机器人王国”，其次是美国和德国；在亚洲，日本、 韩国和新加坡的制造业中每万名雇员占有的工业机器人数量居世界前三位。近几 年，全球机器人的数量在迅速增加，仅 2005年就达12.1万台。我国自上个世纪70年代末开始进行工业机器人的研究，经过二十多年的发 展，在技术和应用方面均取得了长足的发展，对国民经济尤其是制造业的发展起 到了重要的推动作用。据不完全统计，最近几年我国工业机器人呈现出快速增长 势头，平均每年的增长率都超过40%焊接机器人的增长率超过了 60% 2004年国 产工业机器人数量突破1400台，进口机器人数量超过9

7、000台，这其中的绝大多 数都应用于焊接领域；2005年我国新增机器人数量超过了 5000台，但仅占亚洲 新增数量的6%远小于韩国所占的15%，更远小于日本所占的69%这样的增长 速度相对于我国的经济发展速度以及经济总量来说显然是不匹配的，这说明我国 制造业的自动化程度有待进一步提高，另一方面也反映了我国劳动力成本的低廉， 制造业自动化水平以及工业机器人应用程度的提高受到限制。当前焊接机器人的应用迎来了难得的发展机遇。一方面，随着技术的发展， 焊接机器人的价格不断下降，性能不断提升；另一方面，劳动力成本不断上升， 我国经济的发展，由制造大国向制造强国迈进，需要提升加工手段，提高产品质量和增加企

8、业竞争力，这一切预示着机器人应用及发展前景空间巨大。1.3焊接机器人的发展趋势焊接机器人在高质量、高效率的焊接生产中，发挥了极其重要的作用。工业 机器人技术的研究、发展与应用，有力地推动了世界工业技术的进步。近年来， 焊接机器人技术的研究与应用在焊缝跟踪、信息传感、离线编程与路径规划、智 能控制、电源技术、仿真技术、焊接工艺方法、遥控焊接技术等方面取得了许多 突出的成果。随着计算机技术、网络技术、智能控制技术、人工智能理论以及工 业生产系统的不断发展，焊接机器人技术领域还有很多亟待我们去认真研究的问 题，特别是焊接机器人的视觉控制技术、模糊控制技术、智能化控制技术、嵌入 式控制技术、虚拟现实技

9、术、网络控制技术等方面将是未来研究的主要方向。.焊接机器人1.1焊接机器人焊接机器人是从事焊接（包括切割与喷涂）的工业机器人。根据国际标准化组 织（ISO）工业机器人术语标准 的定义，工业机器人是一种多用途的、可重复编程的自动控制操作机（Man ipulator），具有三个或更多可编程的轴，用于工业自动化领域。为了适应不同的用途， 机器人最后一个轴的机械接口，通常是一个连接法兰，可接装不同工具或称末端 执行器。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。随着电子技术、计算机技术、数控及机器人技术 的发展，自动弧焊机器人工作站，从60年代开始用于生

10、产以来，其技术已日益成 熟，主要有以下优点：1）稳定和提高焊接质量；2）提高劳动生产率；3）改善工人劳动强度，可在有害环境下工作；4）降低了对工人操作技术的要求；5）缩短了产品改型换代的准备周期，减少相应的设备投资。因此，在各行各业已得到了广泛的应用。1.2焊接机器人的组成焊接机器人主要包括机器人和焊接设备两部分。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。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。图1a、b表示弧焊机器人和点焊机器人的基本组成。1.3焊接机器人的主要

11、结构形式及性能世界各国生产的焊接用机器人基本上都属关节机器人，绝大部分有6个轴。其中，1、2、3轴可将末端工具送到不同的空间位置，而 4、5、6轴解决工具姿态 的不同要求。焊接机器人本体的机械结构主要有两种形式：一种为平行四边形结 构，一种为侧置式（摆式）结构，如图 2a、b所示。侧置式（摆式）结构的主要 优点是上、下臂的活动范围大，使机器人的工作空间几乎能达一个球体。因此， 这种机器人可倒挂在机架上工作，以节省占地面积，方便地面物件的流动。但是 这种侧置式机器人，2、3轴为悬臂结构，降低机器人的刚度，一般适用于负载较 小的机器人，用于电弧焊、切割或喷涂。平行四边形机器人其上臂是通过一根拉 杆

12、驱动的。拉杆与下臂组成一个平行四边形的两条边。故而得名。早期开发的平 行四边形机器人工作空间比较小（局限于机器人的前部），难以倒挂工作。但80 年代后期以来开发的新型平行四边形机器人 （平行机器人），已能把工作空间扩大 到机器人的顶部、背部及底部，又没有测置式机器人的刚度问题，从而得到普遍 的重视。这种结构不仅适合于轻型也适合于重型机器人。近年来点焊用机器人（负 载100150kg）大多选用平行四边形结构形式的机器人。上述两种机器人各个轴都是作回转运动，故采用伺取电机通过摆线针轮（RV减速器（13轴）及谐波减速器（16轴）驱动。在80年代中期以前，对于电 驱动的机器人都是用直流伺服电机，而80

13、年代后期以来，各国先后改用交流伺服 电机。由于交流电机没有碳刷，动特性好，使新型机器人不仅事故率低，而且免 维修时间大为增长，加（减）速度也快。一些负载16kg以下的新的轻型机器人其 工具中心点（TCP的最高运动速度可达3m/s以上，定位准确，振动小。同时， 机器人的控制柜也改用32位的微机和新的算法，使之具有自行优化路径的功能， 运行轨迹更加贴近示教的轨迹。14（1）点焊机器人的特点（1）点焊机器人的基本功能 点焊对所用的机器人的要求是不很高的。因为点焊只需点位控制，至于焊钳在点与点之间的移动轨迹没有严格要求。这也是机 器人最早只能用于点焊的原因。点焊用机器人不仅要有足够的负载能力，而且在

14、点与点之间移位时速度要快捷，动作要平稳，定位要准确，以减少移位的时间， 提高工作效率。点焊机器人需要有多大的负载能力，取决于所用的焊钳形式。对 于用与变压器分离的焊钳，3045kg负载的机器人就足够了。但是，这种焊钳一 方面由于二次电缆线长，电能损耗大，也不利于机器人将焊钳伸入工件内部焊接； 另一方面电缆线随机器人运动而不停摆动，电缆的损坏较快。因此，目前逐渐增 多采用一体式焊钳。这种焊钳连同变压器质量在70kg左右。考虑到机器人要有足 够的负载能力，能以较大的加速度将焊钳送到空间位置进行焊接，一般都选用100150kg负载的重型机器人。为了适应连续点焊时焊钳短距离快速移位的要求。 新的重型机

15、器人增加了可在0.3s内完成50mm位移的功能。这对电机的性能，微 机的运算速度和算法都提出更高的要求。（2）点焊机器人的焊接装备 点焊机器人的焊接装备，由于采用了一体化焊钳， 焊接变压器装在焊钳后面，所以变压器必须尽量小型化。对于容量较小的变压器 可以用50Hz工频交流，而对于容量较大的变压器，已经开始采用逆变技术把50H z工频交流变为600700Hz交流，使变压器的体积减少、减轻。变压后可以直接用600700Hz交流电焊接，也可以再进行二次整流，用直流电焊接。焊接参数由 定时器调节，参见图1b。新型定时器已经微机化，因此机器人控制柜可以直接控 制定时器，无需另配接口。点焊机器人的焊钳，通

16、常用气动的焊钳，气动焊钳两 个电极之间的开口度一般只有两级冲程。而且电极压力一旦调定后是不能随意变 化的。近年来出现一种新的电伺服点焊钳，如图4所示。焊钳的张开和闭合由伺 服电机驱动，码盘反馈，使这种焊钳的张开度可以根据实际需要任意选定并预置。 而且电极间的压紧力也可以无级调节。这种新的电伺服点焊钳具有如下优点：1）每个焊点的焊接周期可大幅度降低，因为焊钳的张开程度是由机器人精确控制的，机器人在点与点之间的移动过程、 焊钳就可以开始闭合；而焊完一点后， 焊钳一边张开，机器人就可以一边位移，不必等机器人到位后焊钳才闭会或焊钳 完全张开后机器人再移动；2）焊钳张开度可以根据工件的情况任意调整，只要

17、不发生碰撞或干涉尽可能 减少张开度，以节省焊钳开度，以节省焊钳开合所占的时间。3）焊钳闭合加压时，不仅压力大小可以调节，而且在闭合时两电极是轻轻闭 合，减少撞击变形和噪声。1.4（ 2）弧焊机器人的特点弧焊机器人的基本功能弧焊过程比点焊过程要复杂得多，工具中心点（TC P）,也就是焊丝端头的运动轨迹、焊枪姿态、焊接参数都要求精确控制。所以， 弧焊用机器人除了前面所述的一般功能外，还必须具备一些适合弧焊要求的功能。虽然从理论上讲，有5个轴的机器人就可以用于电弧焊，但是对复杂形状 的焊缝，用5个轴的机器人会有困难。因此，除非焊缝比较简单，否则应尽量选 用6轴机器人。弧焊机器人除前面图2提及的在作“

18、之”字形拐角焊或小直径圆焊缝焊接 时，其轨迹应能贴近示教的轨迹之外，还应具备不同摆动样式的软件功能，供编 程时选用，以便作摆动焊，而且摆动在每一周期中的停顿点处，机器人也应自动 停止向前运动，以满足工艺要求。此外，还应有接触寻位、自动寻找焊缝起点位 置、电弧跟踪及自动再引弧功能等。（2）弧焊机器人用的焊接设备 弧焊机器人多采用气体保护焊方法 （MAG MIG TIG），通常的晶闸管式、逆变式、波形控制式、脉冲或非脉冲式等的焊接电 源都可以装到机器人上作电弧焊。由于机器人控制柜采用数字控制，而焊接电源 多为模拟控制，所以需要在焊接电源与控制柜之间加一个接口。近年来，国外机 器人生产厂都有自己特定

19、的配套焊接设备，这些焊接设备内已经播人相应的接口 板、所以在图1a中的弧焊机器人系统中并没有附加接口箱。 应该指出，在弧焊机 器人工作周期中电弧时间所占的比例较大，因此在选择焊接电源时，一般应按持 续率100%来确定电源的容量。送丝机构可以装在机器人的上臂上，也可以放在机器人之外，前者焊枪到 送丝机之间的软管较短，有利于保持送丝的稳定性，而后者软管校长，当机器人 把焊枪送到某些位置，使软管处于多弯曲状态，会严重影响送丝的质量。所以送 丝机的安装方式一定要考虑保证送丝稳定性的问题。、焊接机器人的发展据不完全统计，全世界在役的工业机器人中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，焊接

20、机器人应用中最普遍的主要有两种方式，即点 焊和电弧焊。我们所说的焊接机器人其实就是在焊接生产领域代替焊工从事焊接 任务的工业机器人。这些焊接机器人中有的是为某种焊接方式专门设计的，而大 多数的焊接机器人其实就是通用的工业机器人装上某种焊接工具而构成的。在多 任务环境中，一台机器人甚至可以完成包括焊接在内的抓物、 搬运、安装、焊接、 卸料等多种任务，机器人可以根据程序要求和任务性质，自动更换机器人手腕上 的工具，完成相应的任务。因此，从某种意义上来说，工业机器人的发展历史就是焊接机器人的发展历史。2.1、焊接机器人国内外应用现状从机器人诞生到本世纪80年代初，机器人技术经历了一个长期缓慢的发展过

21、 程。到了 90年代，随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展，机器 人技术也得到了飞速发展。工业机器人的制造水平、控制速度和控制精度、可靠 性等不断提高，而机器人的制造成本和价格却不断下降。在西方社会，和机器人 价格相反的是，人的劳动力成本有不断增长的趋势。 把1990年的机器人价格指数 和劳动力成本指数都作为参考值100,至2000年，劳动力成本指数为140,增长 了 40%而机器人在考虑质量因素的情况下价格指数低于20,降低了 80%在不考虑质量因素的情况下，机器人的价格指数约为40,降低了 60%.这里，不考虑质 量因素的机器人价格是指现在的机器人实际价格与过去相比较；而考虑质

22、量因素 是指由于机器人制造工艺技术水平的提高，机器人的制造质量和性能即使在同等 价格的条件下也要比以前高，因此，如果按过去的机器人同等质量和性能考虑， 机器人的价格指数应该更低。由此可以看出，在西方国家，由于劳动力成本的提高为企业带来了不小的压 力，而机器人价格指数的降低又恰巧为其进一步推广应用带来了契机。减少员工 与增加机器人的设备投资，在两者费用达到某一平衡点的时候，采用机器人的利 显然要比采用人工所带来的利大，它一方面可大大提高生产设备的自动化水平， 从而提高劳动生产率，同时又可提升企业的产品质量，提高企业的整体竞争力。 虽然机器人一次性投资比较大，但它的日常维护和消耗相对于它的产出远比

23、完成 同样任务所消耗的人工费用小。因此，从长远看，产品的生产成本还会大大降低。 而机器人价格的降低使一些中小企业投资购买机器人变得轻而易举。因此，工业 机器人的应用在各行各业得到飞速发展。 根据UNECE勺统计，2001年全世界有75 万台工业机器人用于工业制造领域， 其中38.9万在日本、19.8万在欧盟、9万在 北美，7.3万在其余国家。至2004年底全世界在役的工业机器人至少有约 100万。我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步，目前已基本掌握了 机器人操作机的设计国的工业机制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动 学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、

24、弧焊、点焊、 装配、搬运等机器人；弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如：可靠性低于国外 产品；机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距； 应用规模小，没有形成机器人产业。当前我国的机器人生产都是应用户的要求， 单户单次重新设计，品种规格多、 批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不 稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系 列化、通用化、模块化设计，积极推进产业化进程。2.2、焊接机器人在焊接生产中的应用众所周知，焊接加工一方面要求焊工要有熟

25、练的操作技能、丰富的实践经验、 稳定的焊接水平；另一方面，焊接又是一种劳动条件差、烟尘多、热辐射大、危 险性高的工作。工业机器人的出现使人们自然而然首先想到用它代替人的手工焊 接，减轻焊工的劳动强度，同时也可以保证焊接质量和提高焊接效率。然而，焊接又与其它工业加工过程不一样，比如，电弧焊过程中，被焊工件 由于局部加热熔化和冷却产生变形，焊缝的轨迹会因此而发生变化。手工焊时有 经验的焊工可以根据眼睛所观察到的实际焊缝位置适时地调整焊枪的位置、姿态 和行走的速度，以适应焊缝轨迹的变化。然而机器人要适应这种变化，必须首先 像人一样要“看”到这种变化，然后采取相应的措施调整焊枪的位置和状态，实 现对焊

26、缝的实时跟踪。由于电弧焊接过程中有强烈弧光、电弧噪音、烟尘、熔滴 过渡不稳定引起的焊丝短路、大电流强磁场等复杂的环境因素的存在，机器人要 检测和识别焊缝所需要的信号特征的提取并不像工业制造中其它加工过程的检测 那么容易，因此，焊接机器人的应用并不是一开始就用于电弧焊过程的。实际上，工业机器人在焊接领域的应用最早是从汽车装配生产线上的电阻点 焊开始的。原因在于电阻点焊的过程相对比较简单，控制方便，且不需要焊缝轨 迹跟踪，对机器人的精度和重复精度的控制要求比较低。点焊机器人在汽车装配 生产线上的大量应用大大提高了汽车装配焊接的生产率和焊接质量，同时又具有 柔性焊接的特点，即只要改变程序，就可在同一

27、条生产线上对不同的车型进行装 配焊接。工业机器人的结构形式很多，常用的有直角坐标式、柱面坐标式、球面坐标 式、多关节坐标式、伸缩式、爬行式等等，根据不同的用途还在不断发展之中。 焊接机器人根据不同的应用场合可采取不同的结构形式，但目前用得最多的是模 仿人的手臂功能的多关节式的机器人，这是因为多关节式机器人的手臂灵活性最 大，可以使焊枪的空间位置和姿态调至任意状态，以满足焊接需要。理论上讲， 机器人的关节愈多，自由度也愈多，关节冗余度愈大，灵活性愈好；但同时也给 机器人逆运动学的坐标变换和各关节位置的控制带来复杂性。因为焊接过程中往 往需要把以空间直角坐标表示的工件上的焊缝位置转换为焊枪端部的空

28、间位置和 姿态，再通过机器人逆运动学计算转换为对机器人每个关节角度位置的控制，而 这一变换过程的解往往不是唯一的，冗余度愈大，解愈多。如何选取最合适的解 对机器人焊接过程中运动的平稳性很重要。不同的机器人控制系统对这一问题的 处理方式不尽相同。一般来讲，具有6个关节的机器人基本上能满足焊枪的位置和空间姿态的控 制要求，其中3个自由度(XYZ)用于控制焊枪端部的空间位置，另外3个自由度(ABC) 用于控制焊枪的空间姿态。因此，目前的焊接机器人多数为6关节式的。对于有些焊接场合，工件由于过大或空间几何形状过于复杂，使焊接机器人 的焊枪无法到达指定的焊缝位置或焊枪姿态， 这时必须通过增加13个外部轴

29、的 办法增加机器人的自由度。通常有两种做法：一是把机器人装于可以移动的轨道 小车或龙门架上，扩大机器人本身的作业空间；二是让工件移动或转动，使工件 上的焊接部位进入机器人的作业空间。也有的同时采用上述两种办法，让工件的 焊接部位和机器人都处于最佳焊接位置。由于机器人控制速度和精度的提高，尤其是电弧传感器的开发并在机器人焊 接中得到应用，使机器人电弧焊的焊缝轨迹跟踪和控制问题在一定程度上得到很 好解决，机器人焊接在汽车制造中的应用从原来比较单一的汽车装配点焊很快发 展为汽车零部件和装配过程中的电弧焊。机器人电弧焊的最大的特点是柔性，即 可通过编程随时改变焊接轨迹和焊接顺序，因此最适用于被焊工件品

30、种变化大、 焊缝短而多、形状复杂的产品。这正好又符合汽车制造的特点。尤其是现代社会 汽车款式的更新速度非常快，采用机器人装备的汽车生产线能够很好地适应这种 变化。另外，机器人电弧焊不仅用于汽车制造业，更可以用于涉及电弧焊的其它制 造业，如造船、机车车辆、锅炉、重型机械等等。因此，机器人电弧焊的应用范 围日趋广泛，在数量上大有超过机器人点焊之势。2.3、焊接机器人的编程方法焊接机器人的编程方法目前还是以在线示教方式（Teach-in）为主，但编程器的界面比过去有了不少改进，尤其是液晶图形显示屏的采用使新的焊接机器人的 编程界面更趋友好、操作更加易。然而机器人编程时焊缝轨迹上的关键点坐标位 置仍必

31、须通过示教方式获取，然后存入程序的运动指令中。这对于一些复杂形状 的焊缝轨迹来说，必须花费大量的时间示教，从而降低了机器人的使用效率，也 增加了编程人员的劳动强度。目前解决的方法有2种：一是示教编程时只是粗略获取几个焊缝轨迹上的几个关键点，然后通过焊接 机器人的视觉传感器（通常是电弧传感器或激光视觉传感器）自动跟踪实际的焊缝 轨迹。这种方式虽然仍离不开示教编程，但在一定程度上可以减轻示教编程的强 度，提高编程效率。但由于电弧焊本身的特点，机器人的视觉传感器并不是对所 有焊缝形式都适用。二是采取完全离线编程的办法，使机器人焊接程序的编制、焊缝轨迹坐标位 置的获取、以及程序的调试均在一台计算机上独

32、立完成，不需要机器人本身的参 与。机器人离线编程早在多年以前就有，只是由于当时受计算机性能的限制，离 线编程软件以文本方式为主，编程员需要熟悉机器人的所有指令系统和语法，还 要知道如何确定焊缝轨迹的空间位置坐标，因此，编程工作并不轻松省时。随着 计算机性能的提高和计算机三维图形技术的发展，如今的机器人离线编程系统多 数可在三维图形环境下运行，编程界面友好、方便，而且，获取焊缝轨迹的坐标 位置通常可以采用“虚拟示教”（virtual Teach-i n）的办法，用鼠标轻松点击三维虚拟环境中工件的焊接部位即可获得该点的空间坐标；在有些系统中，可通过 CAD图形文件中事先定义的焊缝位置直接生成焊缝轨

33、迹，然后自动生成机器人程 序并下载到机器人控制系统。从而大大提高了机器人的编程效率，也减轻了编程 员的劳动强度。目前，国际市场上已有基于普通PC机的商用机器人离线编程软件。 如Workspace5 RobotStudio等。图9所示为笔者自行开发的基于 PC的三维可视 化机器人离线编程系统。该系统可针对 ABB公司的IRB140机器人进行离线编程， 程序中的焊缝轨迹通过虚拟示教获得，并在三维图形环境中可让机器人按程序中的轨迹作模拟运动，以此检验其准确性和合理性。所编程序可通过网络直接下载 给机器人控制器。2.4、焊接机器人技术的研究现状机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、

34、人工智能、 仿生学等多学科而形成的高新技术，当前对机器人技术的研究十分活跃。从目前 国内外研究现状来看，焊接机器人技术研究主要集中在焊缝跟踪技术、离线编程 与路径规划技术、多机器人协调控制技术、专用弧焊电源技术、焊接机器人系统 仿真技术、机器人用焊接工艺方法、遥控焊接技术等七个方面。2.4.1、焊缝跟踪技术的研究焊接机器人施焊过程中，由于焊接环境各种因素的影响，如：强弧光辐射、 高温、烟尘、飞溅、坡口状况、加工误差、夹具装夹精度、表面状态和工件热变 形等，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接条件的变化要求弧焊机器人能够实时 检

35、测出焊缝的偏差，并调整焊接路径和焊接参数，保证焊接质量的可靠性。焊缝 跟踪技术的研究以传感器技术与控制理论方法为主，其中传感技术的研究又以电弧传感器和光学传感器为主。电弧传感器是从焊接电弧自身直接提取焊缝位置偏 差信号，实时性好，焊枪运动灵活，符合焊接过程低成本自动化的要求，适用于 熔化极焊接场合。电弧传感的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，来探测焊炬高度和左右偏差。电弧传感器一般分为三类：并列双丝 电弧传感器、摆动电弧传感器、旋转式扫描电弧传感器，其中旋转电弧传感器比 前两者的偏差检测灵敏度高，控制性能较好。光学传感器的种类很多，主要包括 红外、光电、激光、视觉、光谱

36、和光纤式，光学传感器的研究又以视觉传感器为 主，视觉传感器所获得的信息量大，结合计算机视觉和图像处理的最新技术，大 大增强弧焊机器人的外部适应能力。激光跟踪传感具有优越的性能，成为最有前 途、发展最快的焊接传感器。另一方面，由于近代模糊数学和神经网络的出现以 及应用到焊接这个复杂的非线性系统中，使得焊缝跟踪进入了智能焊缝跟踪的新 时代。2.4.2、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，进而产生机器人程序。自动编 程技术的

37、核心是焊接任务、焊接参数、焊接路径和轨迹的规划技术。针对弧焊应 用，自动编程技术可以表述为在编程各阶段中，能够辅助编程者完成独立的、具 有一定实施目的和结果的编程任务的技术，具有智能化程度高、编程质量和效率 高等特点。离线编程技术的理想目标是实现全自动编程， 即只需输入工件的模型, 离线编程系统中的专家系统会自动制定相应的工艺过程，并最终生成整个加工过 程的机器人程序。目前，还不能实现全自动编程，自动编程技术是当前研究的重 点。243、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成一 体的系统。它包含两方面的内容，即多机器人合作与多机器人协调。当给定

38、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。对于由紧耦合子任务组成的复杂任务而言， 协调问题尤其突出 智能体技术是解决这一问题的最有力的工具，多智能体系统是研究在一定的网络 环境中，各个分散的、相对独立的智能子系统之间通过合作，共同完成一个或多 个控制作业任务的技术。多机器人焊接的协调控制是目前的一个研究热点问题244、专用弧焊电源的研究在焊接机器人系统中，电器性能良好的专用弧焊电源直接影响焊接机器人的

39、 使用性能。目前，弧焊机器人一般采用熔化极气体保护焊 （MIG焊、MAG旱、CO焊） 或非熔化极气体保护焊（TIG、等离子弧焊）方法，熔化极气体保护焊焊接电源主要 使用晶闸管电源与逆变电源。近年来，弧焊逆变器的技术已趋于成熟，机器人用 的专用弧焊逆变电源大多为单片微机控制的晶体管式弧焊逆变器，并配以精细的 波形控制和模糊控制技术，工作频率在 2050kHz,最高的可达200kHz,焊接系 统具有十分优良的动特性，非常适合机器人自动化和智能化焊接。还有一些特殊 功能的电源，如适合铝及其铝合金 TIG焊的方波交流电源、带有专家系统的焊接 电源等。目前有一种采用模糊控制方法的焊接电源，可以更好保证焊

40、缝熔宽和熔 深的基本一致，不仅焊缝表面美观，而且还能减少焊接缺陷。弧焊电源不断向数 字化方向发展，其特点是焊接参数稳定，受网路电压波动、温升、元器件老化等 因素的影响很小，具有较高的重复性，焊接质量稳定、成型良好。另外，利用DSP 的快速响应，可以通过主控制系统的指令精确控制逆变电源的输出，使之具有输 出多种电流波形和弧压高速稳定调节的功能，适应多种焊接方法对电源的要求。2.4.5、仿真技术的研究机器人在研制、设计和试验过程中，经常需要对其运动学、动力学性能进行 分析以及进行轨迹规划设计，而机器人又是多自由度、多连杆空间机构，其运动 学和动力学问题十分复杂，计算难度和计算机都很大。若将机械手作

41、为仿真对象, 运用计算机图形技术CAD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，这样就可以很好地解决 研发机械手过程中出现的问题 。2.4.6、机器人用焊接工艺方法的研究目前，弧焊机器人普遍采用气体保护焊方法，主要是熔化极气体保护焊，其 次是钨极氩气保护焊，等离子弧焊、切割及机器人激光焊数量有限、比例较低。 国外先进国家的弧焊机器人已普遍采用高速、高效气体保护焊接工艺，如双丝气 体保护焊、T.I.M.E焊、热丝TIG焊、热丝等离子焊等先进的工艺方法，这些工 艺方法不

42、仅有效地保证了优良的焊接接头，还使焊接速度和熔敷效率提高数倍至 几十倍。247、遥控焊接技术的研究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。 目前美国、欧洲、日本等国对遥控焊接进行了深入的研究，国内哈尔滨工业大学 也正在进行这方面的研究 。2.5、焊接机器人最新进展随着计算机技术、微电子技术、网络技术等快速发展，机器人技术也得到了 飞速发展。制造价格不断降低

43、，而其质量与性能却在迅速提高。工业机器人。工业机器人已广泛地应用于各种自动化生产线， 由操作机（机 械本体）、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成， 是一种仿人操作、自动控 制，可重复编程，能在一维空间完成各种作业的机电一体化自动生产设备，工业 机器人包括模仿人类关节结构的关节型工业型机器人、直角坐标型机器人、圆柱 坐标型机器人、球坐标型机器人、喷漆机器人、焊接机器人等等。（1）机器人操作机：通过有限元分析、模态分析及仿真设计等现代设计方法， 机器人操作机已实现了优化设计。（2）并联机器人：采用并联机构，利用机器人技术，实现高精度测量及加工， 这是机器人技术向数控技术的拓展，为将来实现机器人

44、和数控技术一体化奠定了 基础。（3）控制系统：控制系统的性能进一步提高，已由过去控制标准的6轴机器 人发展到现在能够控制21轴甚至27轴，并且实现了软件伺服和全数字控制。（4）传感系统：激光传感器、视觉传感器和力传感器在机器人系统中已得到成功应用，并实现了焊缝自动跟踪和自动化生产线上物体的自动定位以及精密装 配作业等，大大提高了机器人的作业性能和对环境的适应性。日本KAWASALIYASKAWAFANL（和瑞典ABB德国KLKA BEIS等公司都推出了该类产品。先进机器人。近年来，人类活动领域不断扩大，机器人应用也从制造领域 向非制造领域发展。在海洋开发，消防、战斗系统，宇宙探测，采掘，建筑，

45、医 疗服务，娱乐等行业都提出了自动化和机器人化的要求，如核事故机器人、医用 机器人、消防机器人、仿生机器人、军用机器人、太空机器人等。三、焊接机器人的发展趋势3.1、焊接机器人的发展趋势目前国际机器人界都在加大科研力度，进行机器人共性技术的研究。从 机器人技术发展趋势看，焊接机器人和其它工业机器人一样，不断向智能化和多 样化方向发展。具体而言，表现在如下几个方面 ：3.1.1、机器人操作机结构:通过有限元分析、模态分析及仿真设计等现代设计方法的运用，实现机器人 操作机构的优化设计。探索新的高强度轻质材料，进一步提高负载/自重比。例如，以德国KUKA公 司为代表的机器人公司，已将机器人并联平行四

46、边形结构改为开链结构，拓展了 机器人的工作范围，加之轻质铝合金材料的应用，大大提高了机器人的性能。此 外采用先进的RV减速器及交流伺服电机，使机器人操作机几乎成为免维护系统。机构向着模块化、可重构方向发展。例如，关节模块中的伺服电机、减速机、 检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机；国外 已有模块化装配机器人产品问市。机器人的结构更加灵巧，控制系统愈来愈小，二者正朝着一体化方向发展。 采用并联机构，利用机器人技术，实现高精度测量及加工，这是机器人技术 向数控技术的拓展，为将来实现机器人和数控技术一体化奠定了基础。意大利 COMA公司，日本FANU（等公司已开发出了此类

47、产品。3.1.2、机器人控制系统:重点研究开放式，模块化控制系统。向基于 PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日见小巧， 且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。控制系统 的性能进一步提高，已由过去控制标准的6轴机器人发展到现在能够控制 21轴甚 至27轴，并且实现了软件伺服和全数字控制。人机界面更加友好，语言、图形编程界面正在研制之中。机器人控制器的标 准化和网络化，以及基于PC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，在某些领域的离线编程已实现实用化。3.1.3、机器

48、人传感技术：机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感 器外，装配、焊接机器人还应用了激光传感器、视觉传感器和力传感器，并实现 了焊缝自动跟踪和自动化生产线上物体的自动定位以及精密装配作业等，大大提 高了机器人的作业性能和对环境的适应性。遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制。为进一步提高机器人的智能和适应性，多种传感器的使用是 其冋题解决的关键。其研究热点在于有效可行的多传感器融合算法，特别是在非 线性及非平稳、非正态分布的情形下的多传感器融合算法。另一问题就是传感系 统的实用化。3.1.4、网络通信功能：日本YASKAW和

49、德国KUKA公司的最新机器人控制器已实现了与Can busProfibus总线及一些网络的联接，使机器人由过去的独立应用向网络化应用迈进 了一大步，也使机器人由过去的专用设备向标准化设备发展。3.1.5、机器人遥控和监控技术在一些诸如核辐射、深水、有毒等高危险环境中进行焊接或其它作业，需要 有遥控的机器人代替人去工作。当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治 系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成 完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射 到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。多机器人和 操作者之间的协调控制

50、，可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。3.1.6、虚拟机器人技术：虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使 遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。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。3.1.7、机器人性能价格比：机器人性能不断提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修），而单 机价格不断下降。由于微电子技术的快速发展和大规模集成电路的应用，使机器 人系统的可靠性有了很大提高。过去机器人系统的可靠性MTBL般为几千小时，而现在已达到5万小时，可以满足任

51、何场合的需求。3.1.8、多智能体调控技术：这是目前机器人研究的一个崭新领域。主要对多智能体的群体体系结构、相 互间的通信与磋商机理，感知与学习方法，建模和规划、群体行为控制等方面进 行研究。近年来，人类的活动领域不断扩大，机器人应用也从制造领域向非制造领域 发展。像海洋开发、宇宙探测、采掘、建筑、医疗、农林业、服务、娱乐等行业 都提出了自动化和机器人化的要求。这些行业与制造业相比，其主要特点是工作 环境的非结构化和不确定性，因而对机器人的要求更高，需要机器人具有行走功 能，对外感知能力以及局部的自主规划能力等，是机器人技术的一个重要发展方 向。可以预见，在21世纪各种先进的机器人系统将会进入

52、人类生活的各个领域， 成为人类良好的助手和亲密的伙伴。3.2、焊接机器人的技术展望为了适应工业生产系统向大型、复杂、动态和开放方向发展的需要，国际机器 人界都在加大科研力度，对机器人技术进行深入研究。从机器人技术发展趋势看， 智能化控制技术将是焊接机器人技术发展的主要方向。3.2.1、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，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踪特征参量，进行数据识别和计算，通 过逆运动学求解得到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， 调整机器人的位姿。视觉控制的关键在于视觉测量，在焊接过程中视觉技术分为 直接视觉传感

53、和间接视觉传感二种形式。直接视觉传感技术是一种常用的非接触 式传感形式，其主要优点是不接触工件，不干扰正常的焊接过程，获取的信息量 大，通用性强。早先，研究人员直接利用电弧光照射熔池前方的工件间隙获取焊 接区焊缝信息，根据熔池前方不同远近处电弧光强度的闪烁来实现焊接过程中的 焊缝跟踪；典型的例子是利用带有 CCD摄像机的微型计算机控制系统对焊接熔池 行为进行观察和控制；现在，基于激光三角形的视觉系统具有高度的灵活性，价 格低，精度高，获取信息能力强，且不受周围噪声和电弧产生的高温影响，其获 得的信息可以用于多种自适应功能。弧焊中使用激光视觉系统可以抗电弧辐射、 火焰、热金属飞溅、振动、冲击和高

54、温，这种传感器正在成为智能自适应焊接机 器人焊接优先选用的视觉系统 。3.2.2、模糊控制技术由于焊接机器人系统具有非线性和时变特点，难以用精确的数学模型进行描 述，用传统的控制方法难以实现最佳控制，而模糊控制具有自适应和鲁棒性等特 点，它为机器人焊接控制提供了一个理想的控制方法。模糊控制是智能控制的较 早形式，它吸取了人的思维具有模糊性的特点，使用模糊数学中的隶属函数、模 糊关系、模糊推理和决策等工具，巧妙地综合了人们的直觉经验，从而在其他经 典控制理论和现代控制理论不太奏效的场合能够实现较满意的控制。将模糊控制 理论和实际焊接过程相结合，发展成为专用焊接控制器，进一步发展成为了通用 型焊接

55、模糊控制器。模糊控制具有较完善的控制规则，但模糊控制综合定量知识 的能力较差，当对象动态特性发生变化，或者受到随机干扰的影响都会影响模糊 控制的效果。因此，在模糊控制理论方面，人们对常规模糊控制进行了改进，设 计了一些高性能模糊控制器，有效解决精度较低、自适应能力有限及设备产生振 荡现象等问题。3.2.3、神经网络控制技术神经网络控制是研究和利用人脑的某些结构、机理以及人的知识和经验对系统 进行控制，它是神经网络作为人工智能的一种途径在控制领域的渗透。用神经网络设计的控制系统适应性、鲁棒性均较好，能处理时变、多因素、非线性等复杂 焊接过程的控制问题。人工神经网络具有很强的自学习、自适应能力，信

56、息存储 量大，容错性好，能够实现并行联想搜索解空间和完成自适应推理，提高智能系 统的智能水平、知识处理能力及强壮性。因此，在机器人焊接质量控制中可采用 神经网络建立焊接过程模型从而解决线性控制方法所不能克服的问题，弥补传统 专家系统以及模糊控制的不足，现在焊接机器人神经网络控制系统中使用较多的 是前馈式多层神经网络。324、 嵌入式控制技术嵌入式系统以其小型、专用、易携带、可靠性高的特点，已经在焊接机器人 控制领域得到了应用，嵌入式控制系统具备网络和人机交互能力，可以取代以往基 于微处理器的控制方式。嵌入式控制器具有液晶显示器，可以替代CRT显示器在控制系统中所扮演的角色，键盘响应也具有很高的

57、实时性，满足信息的输入和对 控制系统的干预等工作。经实验和实际应用表明，嵌入式控制器比基本的模糊控 制器具有更好的控制性能。嵌入式为焊接工艺的在线监测提供了新的技术方法， 它能确保焊接质量“零缺陷”的目标得以实现。3.3、焊接机器人未来研究的热点及发展方向工业机器人性能不断提高，而单机价格不断下降。机械结构向模块化、可重构化发展。工业机器人控制系统向基于 PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、 网络化。机器人中的多传感器系统日益重要。虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制。微型和微小机器人技术是机器人研究的一个新领域和重点发展方向。当代遥控机器人系统的发展特点不是追求

58、全自动系统，而是致力于操作者 与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统， 使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。机器人化机械研究开发包括并联机构机床（VMT与机器人化加工中心（RVIC） 的开发研究，以及机器人化无人值守和具有自适应能力的多机遥控操作的人型散料输送设备的研究开发。这种开发的新型装置已成为国防研究的热点之一。结论挑战与对策进入21世纪，世界经济结构正在发生重大而深刻的变革，但制造业依然是 世界各发达与发展中国家加快经济发展、提高国家综合竞争力的重要途径。我国是一个制造业大国，尚处于工业化进程之中，在未来相当长的时期里， 制造业仍将在国民经济中占主导地

59、位。在新一轮国际产业结构调整中，我国正逐 步成为世界最重要的制造业基地之一。然而目前我国装备制造业的整体水平与发达国家相比尚有较大的差距，尤其是在 战略必争装备技术与竞争前核心技术、基础制造装备与成套关键装备制造技术等 方面差距更大，这种差距又主要体现在先进装备的自主设计与独立制造能力差， 成套与系统集成、优化能力差，技术创新和集成创新能力差。这些差距已经成为 制约我国制造业乃至其他行业经济发展的关键瓶颈问题之一。21世纪基础制造装备的水平主要体现在高精度、高效率、低成本和高柔性等 几个方面。高效率、高精度工艺的一个典型例子是精密成形技术，其目的是尽量 减少切削，甚至免除切削，减少原材料的浪费

60、，同时提高制造效率。精密成形技 术在工业发达国家已得到广泛应用。柔性自动化仍是机床业发展的重要趋势之一。 柔性自动化的进一步发展是敏捷生产设备。为适应敏捷生产模式，人们正在探求 设备自身的结构重组以及生产单元的动态重组问题。另外，国外在大型、成套装备方面有很大优势，并且在成套装备的高技术化 方面，取得了巨大的进展，已经实现了数控化、柔性自动化，并大量采用工业机 器人，正向着智能化、集成化的方向发展。随着我国贸易溶入全球化，我国装备制造业从来没有像今天这样直接地面对 国际同行的有力竞争和挑战。如何适应激烈的国际竞争和快速变化的世界市场需 求，不断以高质量、低成本、快速响应的手段在新的市场竞争中求