机器人产业现状与“中国制造2025”

机器人产业现状与“中国制造2025”院(系)别机电及自动化学院专业机械制造及其自动化年级2015级课程名称现代制造技术组别第二组成员陶寅周菁李慧慧陈琦宋意刘冲任课老师沈剑云研究员2016年1月15日摘要机器人集现代制造技术、新型材料技术和信息控制技术为一体，是智能制造的代表性产品，其研发、制造、应用成为衡量一个国家科技创新和制造业水平的重要标志，引起了世界制造强国的高度重视。《中国制造2025》站在历史的新高度，从战略全局出发，在重点领域技术创新路线图中明确了我国未来十年机器人产业的发展重点主要为两个方向：一是开发工业机器人本体和关键零部件系列化产品，推动工业机器人产业化及应用，满足我国制造业转型升级迫切需求；二是突破智能机器人关键技术，开发一批智能机器人，积极应对新一轮科技革命和产业变革的挑战。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。特别是焊接机器人在高质高效的焊接生产中,发挥了极其重要的作用。关键词：工业机器人，焊接机器人，现代制造技术AbstractRobotsetmodernmanufacturingtechnology,newmaterialtechnologyandinformationcontroltechnologyasawhole,itisarepresentativeproductofintelligentmanufacturing,itsresearchanddevelopment,manufacturing,applicationisameasureofanationalscienceandtechnologyinnovationandmanufacturinglevelofanimportantsymbol,causingtheworldmanufacturingpowerofhighattention."Chinamade2025"inthehistoryofthenewheight,fromastrategicperspective,inthekeyareasoftechnologicalinnovationroadmapinthefuturetenyears,thefocusofthedevelopmentoftherobotindustryfocusmainlyintwodirections:first,thedevelopmentofindustrialrobotontologyandkeypartsoftheproduct,tomeettheurgentneedsofChina'smanufacturingindustrytransformationandupgrading,twokeytechnologiestodevelopanumberofintelligentrobots,activelyrespondtoanewroundoftechnologicalrevolutionandindustrialrevolution.Theresearch,developmentandapplicationofindustrialrobottechnology,haspromotedthedevelopmentoftheworldindustrytechnology.Especiallytheweldingrobotplaysanextremelyimportantroleinthehighqualityandhighefficiencyweldingproduction.KeyWord:Industrialrobot,Weldingrobots,ModernManufacturingTechnology目录2233摘要 28943目录 124883第1章调研背景 3248021.1中国工业机器人发展现状 3201751.2发展先进制造技术的必要性 410439第2章国内外工业机器人的发展现状 6121772.1国外工业机器人发展现状 675002.2我国工业机器人发展现状 619777第3章国内外机器人先进制造技术发展现状 950303.1先进制造技术的概念及发展分析 9144973.1.1数字化是发展的核心 9123863.1.2精密化是发展的关键 9264893.1.3极品化是发展的焦点 9122443.1.4自动化是发展的条件 10296483.1.5集成化是发展的方法 10242923.1.6网络化是发展的道路 1035873.1.7智能化是发展的前景 10120963.1.8绿色化是发展的方向 111683.2国内外机器人先进制造技术发展现状分析 1127209第4章焊接机器人与先进制造 12236324.1焊接机器人技术及现状 12246214.1.1焊接机器人用弧焊电源的研究 12211664.1.2焊缝跟踪技术的研究 1374384.1.3多台焊接机器人和外围设备的协调控制技术 13173314.1.4仿真技术 13154004.2焊接机器人的应用现状 14216434.2.1焊接机器人在汽车生产中的应用 14290064.2.2焊接机器人在造船中的应用 15265444.3焊接机器人的先进技术 16254054.3.1TCP(TooICenterPoint工具中心点)自动校零技术 16180274.3.2双丝焊接技术 1714274.3.3激光/电弧复合焊接技术 1739584.3.4伺服焊钳技术的汽车装焊工艺中的应用 18223784.4焊接机器人的发展趋势 18234594.4.1机器人操作机结构 18214844.4.2机器人控制系统 19206504.4.3机器人传感技术 1931564.4.3网络通信功能 19234464.4.5机器人遥控和监控技术 20243834.4.6虚拟机器人技术 20223744.4.7机器人性能价格比 2079934.4.8多智能体调控技术 2018905结论 21第1章调研背景1.1中国工业机器人发展现状[1-3]我国工业机器人从二十世纪80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，863机器人技术主题对机器人技术发展作了重要战略调整，从单纯的研发机器人技术向机器人技术与自动化工艺装备扩展，将中心任务定义为“研究和开发面向先进制造的机器人制造单元及系统，自动化装备、特种机器人，促进传统机器的智能化和机器人产业的发展，提高我国自动化技术的整体水平”。通过“七五”、“八五”科技攻关，目前已基本掌握了机器人操作机的优化设计制造技术，解决了工业机器人控制、驱动系统的设计技术，机器人软件的设计和编程等关键技术，还掌握了弧焊、点焊及大型机器人自动生产线（工作站）与周边配套设备的开发和制造技术，掌握了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、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人。其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线上获得规模应用，弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线上。“十五”期间，根据“有所为，有所不为”，“重创新、抓应用、建环境、促发展、见效益”的指导思想，显现了有以机器人技术为主向基础装备和成套装备研发方向的转移。总体来看，我国的工业机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有差距；在应用规模上，我国已安装的国产工业机器人，约占全球已安装台数的0.5%。以上原因主要是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，“一客户，一次重新设计”，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问题，对产品进行全面规划，搞好标准化、系列化、通用化、模块化设计，积极推进产业化进程。纵观目前经济发展现状，我国机器人市场增长非常迅猛，从销售量上更是充分说明了这个不争的事实。在中国市场上占有35%的市场份额的ABB公司2004年在中国卖出了600台机器人。而该公司在过去9年中一共才在中国大陆市场销售2000台机器人。专家预测，中国机器人到2010年拥有量将达到17300台，到2015年，市场容量将达到十几万台（套）。汽车制造、工程机械及电机、电子等行业的企业是中国今后对机器人需求最大的产业，其中所需机器人的品种以点焊、弧焊、喷漆、装配、搬运、冲压等为主。我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下，也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机器人，6000米水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种；在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基础，但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品。1.2发展先进制造技术的必要性长期以来，由于我国人口众多、劳动力价格低廉、生产技术水平又相对落后，工业机器人的应用受到了很大限制。改革开放后，随着大量外资、合资企业的出现以及国内企业技术水平的不断提高，特别是汽车业的快速发展，我国工业机器人应用情况发生了相当大的变化。据统计，“九·五”期间，我国工业机器人的需求量以每年30％以上的速度快速增长。至2000年时，我国工业机器人的拥有量已达3500台左右，主要包括点焊、弧焊、喷漆、注塑、装配、搬运、冲压等各类机器人，销售额为6．7亿元。2005年时拥有量达到7000台，年销售额增长到28.7亿元。近几年来，随着经济的快速增长，特别是汽车业的高速发展，我国每年新增的工业机器人台数以及总拥有量都在快速增长。例如，2006年我国工业机器人新安装台数为5770台，2007年为6581台，2008年则达到7500台。截止到2008年末，我国已拥有31400台工业机器人。广泛采用工业机器人，不仅可以有效提高产品质量，而且对保障人身安全、改善劳动环境、减轻劳动强度、提高劳动生产率、节约材料消耗以及降低生产成本都有十分重要的意义。从制造业的发展历程看，我国正处于工业化过程中，生产手段必然要经历机械化、自动化、智能化、信息化的变革，工业制成品也将经历数量、质量、柔性低成本的发展阶段。目前制造业普遍需要技术和设备升级改造，以增强竞争力，提高经济效益，因此，机器人产业的发展空间很大。机器人工作站，特别是机器人自动化生产线的不断出现，不仅大大增强了企业竞争力，也给用户带来了显著效益。随着企业自动化水平的不断提高，机器人自动化生产线的市场肯定会越来越大，将逐渐成为自动化生产线的主要形式。实际上，随着国民经济的快速发展以及生产技术的不断进步和劳动力成本的不断上升，如何进一步提高生产率、提高产品质量、降低劳动强度、改善劳动条件已经成为不少企业不得不考虑的问题。作为先进制造业中不可替代的重要装备和手段，工业机器人的应用和普及自然成为企业较理想的选择。在国际上，工业机器人的应用水平已经成为衡量一个国家制造业水平和科技水平的重要标志。国内外工业机器人的发展现状2.1国外工业机器人发展现状工业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，以四自由度机器人为例，平均单机价格从1991年的10.3万美元降至1997年的6.5万美元，再降到2002年的3.8万美元。从1960-2006年底，全球累计安装工业机器人175万台（套），其中2006年新安装工业机器人67478台，比2005年增加9%。2006年，安装的工业机器人中60%的是关节型机器人，直角坐标机器人有2005年的20%上升到22%，圆柱坐标型机器人由2005年的12%下降到4%，水平多关节机器人由2005年8%上升到13%，直角坐标机器人新安装24148台，比2005年增加4%，圆柱坐标机器人15509台，比2005年下降了71%，Scara机器人1867台，比2005年增加了48%。机械结构向模块化、可重构化发展，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。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、智能化、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。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、切割、点胶机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而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，多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。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。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。2.2我国工业机器人发展现状我国工业机器人从二十世纪80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，863机器人技术主题对机器人技术发展作了重要战略调整，从单纯的研发机器人技术向机器人技术与自动化工艺装备扩展，将中心任务定义为“研究和开发面向先进制造的机器人制造单元及系统，自动化装备、特种机器人，促进传统机器的智能化和机器人产业的发展，提高我国自动化技术的整体水平”。通过“七五”、“八五”科技攻关，目前已基本掌握了机器人操作机的优化设计制造技术，解决了工业机器人控制、驱动系统的设计技术，机器人软件的设计和编程等关键技术，还掌握了弧焊、点焊及大型机器人自动生产线（工作站）与周边配套设备的开发和制造技术，掌握了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、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人。其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线上获得规模应用，弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线上。“十五”期间，根据“有所为，有所不为”，“重创新、抓应用、建环境、促发展、见效益”的指导思想，显现了有以机器人技术为主向基础装备和成套装备研发方向的转移。以上原因主要是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，“一客户，一次重新设计”，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问题，对产品进行全面规划，搞好标准化、系列化、通用化、模块化设计，积极推进产业化进程。我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下，也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机器人，6000米水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种；在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基础，但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品。总体来看，我国的工业机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有差距；在应用规模上，我国已安装的国产工业机器人，约占全球已安装台数的0.5%。国内外机器人先进制造技术发展现状3.1先进制造技术的概念及发展分析3.1.1数字化是发展的核心数字化包括以设计为中心的数字制造、以控制为中心的数字制造和以管理为中心的数字制造。对数字化制造设备而言，其控制参数均为数字化信号；对数字化制造企业而言，各种信息（如图形、数据、知识和技能等）均以数字形式通过网络在企业内传递，在多种数字化技术的支持下，企业对产品信息、工艺信息和资源信息进行分析、规划与重组，实现对产品设计和产品功能的仿真，对加工过程与生产组织过程仿真或完成原型制造，从而实现生产过程的快速重组和对市场的快速反应。虚拟制造技术（VM）已经在现代制造领域起到非常重要的影响，如美国波音公司在设计波音777飞机时，对整机设计、部件测试、整机装配及试飞均采用ＶＭ技术，使该机型的开发周期由8年缩短为5年；美国克莱斯勒公司开发93LH系列汽车采用VM技术，使开发时间从36个月缩短为24个月。对全球制造业而言，在数字制造环境下，用户借助网络发布信息，各类企业通过网络应用电子商务，实现优势互补，形成动态联盟,迅速协同设计并制造出相应的产品。3.1.2精密化是发展的关键现代超精密机械中对精度要求极高，如人造卫星的仪表轴承，其圆度、圆柱度和表面粗糙度等均达到纳米级。基因操作机械的移动距离为纳米级，移动精度为0.1nm，细微加工、纳米加工技术可达纳米以下的要求，如果借助于扫描隧道显微镜与原子力显微镜的加工，则可达0.1。显然，没有先进制造技术，就没有先进电子技术装备。先进制造技术与先进信息技术是相互渗透、相互支持、紧密结合的。纳米技术将精密化发展推向了极致，纳米技术激发出过去从未有过的活力。在纳米尺度上，出现了一系列在纳米范畴以上不可估量的新概念、新性质和新功能。纳米技术可用来测量、控制和操纵纳米尺度物质，以改变其性质和功能，并逐步扩大其应用的宽带和广度。3.1.3极品化是发展的焦点极品化是指生产特需产品的制造技术，其必须达到“极”的要求。例如能在高温、高压、高湿、强冲击、强磁场和强腐蚀等条件下工作，或有高硬度、大弹性等特点，或极大、极小、极厚、极薄和奇形怪状的产品等，都属于特需产品。“微机电系统”就是其中之一。这是工业发达国家高度关注的前沿科技，亦即所谓微系统微制造。3.1.4自动化是发展的条件自动化是减轻、强化、延伸和取代人的有关劳动的技术或手段。自动化总是伴随有关机械或工具来实现的。可以说，机械是一切技术的载体，也是自动化技术的载体。从控制理论、控制技术到控制系统、控制元件等，都有了极大的发展。近年来,工业机器人在适应性、专用化、高精度、高速度、模拟性、灵活性、易操作、易控制和自动化等方面取得了较大的发展，自动化已成为先进制造技术发展的前提条件。3.1.5集成化是发展的方法集成化主要指现代技术的集成、加工技术的集成和企业的集成等。集成化使专业、学科间的界限逐渐淡化和消失。先进制造技术的不断发展在冷热加工之间，加工、检测、物流和装配过程之间，设计、材料应用和加工制造之间的界限均逐渐淡化，逐步走向一体化。例如CAD、CAPP和CAM的出现、精密成形技术的发展、快速原型件制造技术的产生、机器人加工工作站及FMS的出现，现代制造系统使得自动化技术与传统工艺密不可分。很多新材料的配制和成型是同时完成的，很难划清材料应用与制造技术的界限。3.1.6网络化是发展的道路网络化是先进制造技术发展的必由之路。制造业在市场竞争中，面临多方面的压力，如采购成本不断提高、产品更新速度加快、市场需求不断变化、全球化所带来的冲击日益加强等。制造技术的网络化会导致新的制造模式，即虚拟制造组织，形成动态的“虚拟企业”或“企业联盟”,此时，各企业致力于自己的核心业务，实现优势互补、资源优化动态组合与共享。3.1.7智能化是发展的前景近20年来，制造系统正在由原先的能量驱动型转变为信息驱动型，这就要求制造系统不但要具备柔性，而且还要表现出某种智能，以便应对大量复杂信息的处理、瞬息万变的市场需求和激烈竞争的复杂环境，因此智能制造越来越受到重视。与传统的制造相比，智能制造系统的突出之处在制造诸环节中，以一种高度柔性与集成的方式，借助计算机模拟的人类专家的智能活动，进行分析、判断、推理、构思和决策，取代或延伸制造环境中人的部分脑力劳动，同时收集、存储、处理、完善、共享、继承和发展人类专家的制造智能。近年来，物联网技术在各领域的快速发展和广泛应用，为机械系统状态监测技术的发展提供了新的环境，这给机械系统状态监测技术的发展带来了新的机遇和挑战。3.1.8绿色化是发展的方向日趋严格的环境与资源的约束，使绿色制造业显得越来越重要,它将是21世纪制造业的重要特征，与此相应，绿色制造技术也将获得快速的发展。制造业的产品从构思开始到设计、制造、销售、使用与维修，再到回收、再制造等各阶段，都必须充分顾及环境保护与改善。不仅要保护与改善自然环境，还要保护与改善社会环境、生产环境以及生产者的身心健康。主要体现在：绿色产品设计技术；绿色制造技术；产品的回收和循环再制造。其实，保护与改善环境也是保护与发展生产力。因此，发展与采用新技术时，必须树立科学的发展观，使制造业不断迈向绿色制造。3.2国内外机器人先进制造技术发展现状分析在国外，工业机器人技术日趋成熟，已经成为一种标准设备被工业界广泛应用。从而，相继形成了一批具有影响力的、著名的工业机器人公司，其中包括：瑞典的ABB，日本的FANUC、YASKAWA、MOTOMAN。德国的KUKA，美国的AdeptTechnology，意大利COMAU，这些公司已经成为其所在国家的支柱企业。我国的工业机器人研究开始于20世纪70年代，由于当时经济体制等因素的制约，发展比较缓慢，研究和应用水平也比较低。1985年，随着工业发达国家开始大量应用和普及工业机器人，我国在“七·五”科技攻关计划中将工业机器人列入了发展计划，由当时的机械工业部牵头组织了点焊、弧焊、喷漆、搬运等型号的工业机器人攻关，其他部委也积极立项支持，形成了中国工业机器人第一次高潮。进入20世纪90年代后，为了实现高技术发展与国家经济主战场的密切衔接，863计划确定了特种机器人与工业机器人及其应用工程并重、以应用带动关键技术和基础研究的发展方针。经过广大科技工作者的辛勤努力，开发了7种工业机器人系列产品，102种特种机器人，实施了100余项机器人应用工程[4]。在20世纪90年代末期，我国建立了9个机器人产业化基地和7个科研基地，包括沈阳自动化研究所的新松机器人公司、哈尔滨工业大学的博实自动化设备有限公司、北京机械工业自动化研究所机器人开发中心、海尔机器人公司等。产业化基地的建设带来了产业化的希望，为发展我国机器人产业奠定了基础。经过广大科技人员的不懈努力，我国目前已经能够生产具有国际先进水平的平面关节型装配机器人、直角坐标机器人、弧焊机器人、点焊机器人、搬运码垛机器人和AGV自动导引车等一系列产品，其中一些品种实现了小批量生产。一批企业根据市场的需求，自主研制或与科研院所合作，进行机器人产业化开发。如奇瑞汽车与哈工大合作进行点焊机器人的产业化开发、西安北村精密数控与哈工大合作进行机床上下料搬运机器人的产业化开发、昆山华恒与东南大学等合作开发弧焊机器人、广州数控开发焊接机器人、盐城宏达开发弧焊机器人。但是，我国目前还没有像日本的FANUC和德国的KUKA那样的形成规模的工业机器人制造厂，工业机器人产业目前在我国还仅仅处于萌芽阶段。随着我国现代制造业的发展。我国工业机器人的需求量在快速增长。工业机器人作为最典型的机电一体化数字化装备，技术附加值很高，应用范围很广，作为先进制造业的支撑技术和信息化社会的新兴产业，将对未来生产和社会发展起着越来越重要的作用。国外专家预测，机器人产业是继汽车、计算机之后出现的一种新的大型高技术产业。随着我国工业企业自动化水平的不断提高，工业机器人市场也会越来越大，这就给工业机器人的研究、开发、生产商带来巨大商机。然而机遇也意味着挑战，目前全球各大工业机器人供应商都已大力开拓中国市场。因此中国必须大力发展机器人产业，通过发挥中国生产制造优势，提高自主创新能力，寻求有特色的发展道路，在国家相关政策的支持下扶持和鼓励一大批民族的机器人产业成长壮大。焊接机器人与先进制造4.1焊接机器人技术及现状4.1.1焊接机器人用弧焊电源的研究电源之于电器相当于食物之于人类，所以说电源对任何一种电器来说都是至关重要的，作为一种智能电器，焊接机器人也不例外，它是否能够保持高效率地工作，一个好的电源非常重要。因此，焊接机器人用弧焊电源的研究一直是焊接机器人研究的重中之重。逆变电源与晶闸管电源是当前的弧焊机器人通常使用的两种电源。另外，由于全数字化焊机具有焊接参数波动小，不容易受温度升高等因素的干扰，而且具有重复性较高的优点，所以它将是弧焊机器人焊接电源的一个重要的研究方向[5]。4.1.2焊缝跟踪技术的研究想要保证焊接的质量和效率，焊接条件是否稳定是一个非常重要的因素。而我们都知道，绝对的稳定条件是不可能的，所以是否可以实时检测出由于焊接条件波动引起的焊缝偏差会直接影响焊接的质量，因此也就离不开焊缝跟踪技术的支持。焊缝跟踪技术的研究主要以以下两种技术为主[6]。首先，传感器技术，目前研究的比较多的有光学传感器和电弧传感器这两种，其中前者又以视觉传感器的研究比较密集，这主要是因为它可以获得非常多的信息并使用电脑视觉等前沿技术进行分析处理，由此可以在很大程度上使得弧焊机器人更好地适应焊接环境。另外，后者中的旋转电弧传感器由于其在偏差检测时比较灵敏而得到的关注度比较高。其次，焊缝跟踪控制理论与方法。模糊数学和神经网络为焊缝跟踪技术的研究取得突破提供了很好的基础。当前使用的通用型焊接模糊控制器就是将由模糊数学中的一系列工具得到的模糊控制理论和实际焊接过程相结合而发展而来的。模糊控制虽然拥有比较优质的控制规则，但是其综合定量知识的能力还不够好。神经网络控制是研究和利用人脑的某些结构和机理以及人的知识经验对系统进行控制，它使用的是并行式的处理方式和分布式的信息存储，因此能够储存大量的信息，而且它的容错性比较强，所以从自动化的方面来看十分适合焊缝跟踪中的跟踪智能控制和视觉模式识别。4.1.3多台焊接机器人和外围设备的协调控制技术众所周知，焊接机器人并不是一个独立的工作单元，而是包含变位机及控制柜等元件的工作站或者系统，所以想要提高焊接效率，就必须使得系统的各个元件协调工作[7]。存在于很多工件焊缝处的横焊等焊接位置能在很大程度上影响焊接品质和焊缝成形的效果，而仅仅依靠调节机器人位置和姿势以达到恰当的焊接位点不仅在技术上是很难的，而且也会给相应操作员带来诸多不便。这个时候如果可以通过控制变位机做协调运动使得将要被焊接的位点一直处于水平的位置，并且工装夹具和弧焊电源等其他元件也做相应的协调运动，焊接的质量和效率肯定会大大提升。4.1.4仿真技术焊接机器人是一种多自由度、多连杆的复杂空间结构体而我们在其研制、设计及试验过程中，不可避免地要对其动力学、运动学性能进行分析以及进行轨迹规划设计，而由于其复杂的空间结构导致其动力学和运动学问题非常复杂，很难进行计算。如果可以不使用整个机器人作为仿真对象，而使用焊接机械手替代，然后再使用电脑图形技术等技术在电脑中形成几何图形，并进行演示，并以此对其中会遇到的一些问题进行模拟并加以解决，这样就可以避免很多不必要的无用功。4.2焊接机器人的应用现状4.2.1焊接机器人在汽车生产中的应用我国工业机器人的最初应用是在汽车和工程机械行业，主要用于汽车及工程机械的喷涂及焊接。目前，由于机器人技术以及研发的落后，工业机器人还主要应用在制造业，非制造业使用的较少。据统计，近几年国内厂家所生产的工业机器人超过50%是提供给汽车生产行业。可见，汽车工业的发展是近几年我国工业机器人增长的源动力之一。焊接机器人在汽车生产中发挥着不可替代的作用。焊接机器人是在工业机器人基础上发展起来的先进焊接设备，是从事焊接（包括切割与喷涂）的工业机器人，主要用于工业自动化领域，其广泛应用于汽车及其零部件制造、摩托车、工程机械等行业，在汽车生产的冲压、焊装、涂装、总装四大生产工艺过程都有广泛应用，其中应用最多的以弧焊、点焊为主。目前，焊接工业机器人在一汽、上汽、东风沈阳中顺、金杯通用、重庆长安、湖南长丰等众多整车制造企业广泛应用。据统计，每辆汽车车身上，大约有3000～4000个电阻点焊焊点，电阻点焊技术的应用实现了汽车车身制造的量产化与自动化。据统计，2005年美洲地区汽车及汽车零部件制造业对工业机器人的需求占该地区所有行业对工业机器人需求的比例高达61%。同样，亚洲地区的该比例也达到33%，位于各行业之首。虽然2005年由于德国、意大利和西班牙三国对汽车工业投资趋缓，直接导致欧洲地区汽车工业对工业机器人需求占所有行业对工业机器人需求的比例下降到了46%，但汽车工业仍然是欧洲地区使用工业机器人最普及的行业。目前，汽车制造业是制造业所有行业中人均拥有工业机器人密度最高的行业，如2004年德国制造业中每一万名工人中拥有工业机器人的数量为162台，而在汽车制造业中每一万名工人中拥有工业机器人的数量则为1140台；意大利的数据更能说明问题，2004年意大利制造业中每一万名工人中拥有工业机器人的数量为123台，而在汽车制造业中每一万名工人中拥有工业机器人的数量则高达1600台。多年来，我国汽车零部件生产一直是手工焊、专机焊占据焊接生产的主导地位，劳动强度大，作业环境恶劣，焊接质量不易保证，而且生产的柔性也很差，无法适应现代汽车生产的需要。近年来由于焊接机器人的大量应用，提高了零部件生产的自动化水平及生产效率，同时使生产更具有柔性，焊接质量也得到了保证。近年来，焊接机器人在大连华克、上海华克、上海龙马神、南京新迪、长春佛吉亚、上海汇众等零部件及配件生产企业也有着典型的应用。在汽车零部件的生产中广泛采用了点焊、凸焊、缝焊、对焊及电弧焊等焊接工艺。如横梁总成托架点焊，传动轴平衡片凸焊，汽车燃油箱缝焊，汽车轮圈连续闪光对焊，汽车转向臂、消声器、净化器壳体的电弧焊等。随着市场竞争加剧，汽车行业面临品种多、批量少的改型性新车型需求，要求焊接机器人系统必须高度柔性化。焊接机器人系统的柔性化，即适应于不同零件的焊接夹具；能短时间内快速调换气、电信号以及配管、配线改换；控制程序必须能预置和快速转换，最大程度地发挥机器人特点，以使一套机器人系统能根据需要焊接多种零件和适应产品多样化和改进的要求。柔性控制系统的主控系统采用PLC为主控单元，配以远程I/O模块，通过机器人的远程I/O模块，实现对机器人、夹具、夹具工作平台及周边装置的控制。PLC程序采用结构化方式编制，各个子程序分别对应于一个功能，对于不同工件，只需调用或修正不同子程序，不需重新编程。不同产品的焊接内容及夹具气缸的动作关系的设计和操作完成后，可以长时间储存，更换产品时可直接调用。操作控制采用触摸屏，减少了大量复杂的连线，同时可以为不同工件专门设计不同的操作及状态显示界面，如金杯副车架、后桥及派力奥横梁、摆臂等多种产品。随着科学与技术的发展，工业机器人的应用领域也不断扩大。目前，工业机器人不仅应用于传统制造业如采矿、冶金、石油、化学、船舶等领域，同时也已开始扩大到核能、航空、航天、医药、生化等高科技领域以及家庭清洁、医疗康复等服务业领域中。而且，随着人类生活水平的提高及文化生活的日益丰富多彩，未来各种专业服务机器人和家庭用消费机器人将不断贴近人类生活，其市场将繁荣兴旺。4.2.2焊接机器人在造船中的应用进入20世纪80年代后，我国机器人技术的开发与研究得到政府的重视和支持，“七五”期间，国家投入资金对工业机器人及其零部件进行攻关，完成了示教再现式工业机器人成套技术的开发。从1985年哈尔滨工业大学研制成功我国第一台HY—l型焊接机器人，到1999年国家863计划智能机器人主题专家验收通过了由一汽集团、哈尔滨工业大学和沈阳自动化研究所联合开发的HT一100A型点焊机器人，国内的焊接机器人已开始走向实用化阶段。863计划实施以来，智能机器人技术跟踪世界机器人技术的前沿，取得了一大批科研成果，成功研制出了一批特种机器人。从20世纪90年代起，我国的工业机器人在实践中迈进了一大步，先后研制出了点焊、弧焊、装配、切割、搬运等各种用途的工业机器人。为我国机器人产业的大规模应用奠定了基础。船板下料机器人、船体对接机器人等船舶工业应用的机器人，不仅在“九五”期间得到了国家863计划的支持，同时也受到了企业的欢迎和应用。移动焊接机器人由于其移动性、强的磁吸附力以及较高的智能，已成为解决大型焊接结构件自动化焊接的有效方法，在大型舰船舱体、甲板、船身、管道的焊接中已有应用。2000年国家863计划“机器人应用工程及其产业化开发”项目在长春通过了验收，标志着我国具有自主知识产权的工业机器人实现了技术和应用上的跨越，使我国工业机器人自主设计、制造和应用的整体技术水平跻身国际先进行列。国外船厂采用焊接机器人技术的决心和成效已给船舶焊接带来了全新的概念，但在我国焊接机器人仍然以引进为主。据不完全统计，我国大约有70家工厂近500台焊接机器人在生产中使用，其中弧焊机器人约占53％，点焊机器人约占46％，其他约占1％。已建成的机器人焊接柔性生产线5条，机器人焊接工作站约300。焊接机器人主要集中在汽车(65％)、摩托车(15％)及工程机械(16％)三个主要行业，其他行业(包括电器、自行车、机车、航空航天等)仅占4％。在我国用于船舶制造的焊接机器人几乎仍是空白，我国船舶焊接的机械化、自动化率很低。1996年日本、韩国的造船焊接机械化自动化率已达到94．9％和82％，而我国的造船焊接机械化自动化率在2000年仅为60．52％，2003年为73．65％。当前国内船舶焊接机械化自动化的发展情况仍处于以推广CO：半自动焊为主体，并向专用机械化焊接的过渡阶段，而国外船厂则处于以专用机械化焊接为主，并处于示教型机器人焊接向智能型机器人焊接发展，进而向无人监视化发展的阶段。然而近年来，我国已有大型船舶企业开始尝试机器人焊接技术用于船舶结构焊接。为了满足管子车间的技术进步需求及生产需要，摆脱对进口设备的依赖，江苏科技大学、上海外高桥造船有限公司和昆山华恒焊接设备技术有限公司合作将工业机器人、数字化焊接电源、主从控制技术等高新技术集成应用到传统的管子焊接生产，用2台焊接机器人及1台开口钳式变位机为主导设备，成功研发了国内第l条船用管一管、管一法兰主从机器人焊接生产线，于2007年投人生产应用。该系统大大提高了劳动生产率和产品焊接质量，减轻了工人劳动强度，可满足各种管径的焊接，解决了管子自动化生产的难题。4.3焊接机器人的先进技术4.3.1TCP(TooICenterPoint工具中心点)自动校零技术[8]机器人的工具中心点就是焊枪的焊丝的端点,因此TCP的零位精度直接影响着焊接质的稳定性。但在实际生产中不可避免会发生焊枪与夹具之间的碰撞等不可预见性因素导致TCP位t偏离。通常的做法是利用手动进行机器人T校零,但一般全过程需要30min才能完成影响生产效率。TCP自动校零是用在机器人焊接中的一项新技术,它的硬件设施是由一梯形固定支座和一组激光传感器组成。当焊枪以不同姿态经过TCP支座时,激光传感器都将记录下的数据传递到CPU与最初设定值进行比较与计算。当TCP发生偏离时,机器人会自动运行校零程序,自动对每根轴的角度进行调整,并在最少的时间内恢复TCP零位。4.3.2双丝焊接技术[9]近年来由于我国汽车、集装箱、机车车辆、工程机械等行业的高速发展,对高速焊和高熔敷效率焊接的需求越来越多。双丝焊是近年来发展起来的一种高速高效焊接方法,焊接薄板时可以显著提高焊接速度,达到3-6m/min,焊接厚板时可以提高熔敷效率。除了高速高效外,双丝焊接还有其他的工艺特点:在熔敷效率增加时保持较低的热输人,热影响区小,焊接变形小,焊接气孔率低等。由于焊接速度非常高,特别适合采用机器人焊接,因此可以说机器人的应用也推动了这一先进焊接技术的发展。目前双丝焊主要有两种方式:一种是Twinacr法,另一种为Tandem法。焊接设备的基本组成类似,都是由两个焊接电源、两个送丝机和一个共用的送双丝的电缆。为了防止同相位的两个电弧的相互干扰,常采用脉冲MIG/脉冲MAG焊法,并保持两个电弧轮流交替燃烧。这样一来,就要求一个协同控制器保证两个电源的输出电流波形相位相差1800。当焊接参数设置到最佳时,脉冲电弧能得到无短路、几乎无飞溅的过渡过程,真正做到“l个脉冲过渡1个熔滴”,每个熔滴的大小几乎完全相同,其大小是由电功率来决定。Twinarc法的主要生产厂家有德国的SKS、Benzel和Nimark公司,美国的Miller公司。Tandem法的主要厂家有德国的aoos、奥地利Fronius和美国Lineoln公司。据德国ClooS公司介绍,采用Tandem法焊接2一3mm薄板时,焊接速度可达6“扩min,焊接smm以上厚板时,熔敷效率可达24k/s。4.3.3激光/电弧复合焊接技术激光/电弧复合焊接技术是激光焊接与气体保护焊的联合,两种焊接热源同时作用于一个焊接熔池。该技术的研究最早出现在20世纪70年代末,但由于激光器的昂贵价格,限制了其在工业中的应用。随着激光器和电弧焊设备性能的提高,以及激光器价格的不断降低,同时为了满足生产的迫切需求,激光/电弧复合焊接技术近年来成为焊接领域最重要的研究课题之一。激光/电弧复合焊接技术有多种形式的组合,有激光汀TIG、激光/MAG等。激光/电弧复合焊接技术之所以受到青睐是由于其兼各热源之长而补各自之短,具有1+l＞2或更多的“协同效应”。与激光焊接相比,对装配间隙的要求降低,因而降低了焊前工件制备成本.另外由于有填充焊丝消除了激光焊接时存在的固有缺陷,焊缝更加致密。与电弧焊相比提高了电弧的稳定性和功率密度,提高了焊接速度和焊缝熔深,热影响区变小,降低了工件的变形,消除了起弧时的熔化不良缺陷。在这点上特别适合铝及其合金的焊接。激光/电弧复合焊接技术是对激光焊接的重大发展,焊接同样板厚的材料可降低激光功率一半左右,因此大大降低了企业的投资成本,该技术的发展对推动激光焊接的普及将起重要的作用。4.3.4伺服焊钳技术的汽车装焊工艺中的应用伺服机器人焊钳,就是利用伺服电机替代压缩空气做为动力源的一种新型焊钳。它具有以下优点:(l)提高车身的表面质量伺服焊钳由于采用的是伺服电机,电极的动作速度在接触到工件前,可由高速准确地调整到低速,这样,就可以形成电极对工件的软接触,减轻电极冲击所造成的压痕,从而也减轻了后序车身表面修磨处理量,提高了车身质量。而且,应用伺服控制技术可以对焊接参数进行数字化控制管理,可以保证提供出最适焊接参数数据,保证焊接质量。(2)改善作业环境由于电极对工件的是软接触,可以减轻冲击噪声,也不会出现使用气动焊钳时所造成的排气噪。改善了现场的作业环境。(3)高生产效率伺服焊钳的加压开放动作由机器人来自动控制。与气动焊钳相比,伺服焊钳的动作路径可以控制到最短化,缩短生产节拍,提高生产效率。目前,从投资的角度来考虑,购买伺服焊钳设备的一次投人较高,因此,伺服焊钳还不能被广泛采用。但是,考虑到伺服焊钳的优势,如伺服焊钳的软接触化,对工件的冲击可减轻,从而可以相对减少焊接夹具夹紧机构的数量,削减夹具的费用等,也可以减少生产线的整体投资额,伺服焊钳仍有其广阔的应用空间。因此,随着发展,伺服焊钳会越来越多应用生产线上。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。特别是焊接机器人在高质高效的焊接生产中,发挥了极其重要的作用。4.4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，焊接机器人和其他工业机器人一样，在不断向智能化和多样化方向发展。4.4.1机器人操作机结构通过有限元分析.模态分析和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减速器和交流伺服电机,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，两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COMAU公司﹑日本FANUC公司等已开发出了此类产品。4.4.2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