焊接机器人技术现状与发展趋势

焊接机器人技术现状与发展趋势摘要：近几十年来，随着自动控制理论、计算机技术、电子技术和通讯技术等的飞速发展，自动化焊接方法尤其是机器人焊接技术得到了迅速发展。用自动化焊接方法代替人工焊接已经成为全球工业制造必然的发展趋势，在一些行业中将逐步替代传统的人工焊接。自二十世纪以来，焊接自动化技术的应用在我国越来越普遍，当前在汽车工业、大型管道等产品的制造过程中，已用焊接机器人实现了大量焊接接头的连接，并且在某些具体的工业生产中尤其是汽车制造中已形成了一套高生产效率、高焊接质量的焊接自动生产线，大力推动了焊接在工业生产中的规模化、机械化和自动化。机器人焊接技术在显著提高焊接生产效率的同时，还提升了产品焊接质量，改变了工人的操作环境，很大程度上降低了工人的劳动强度。关键词：焊接机器人；控制技术；焊接技术；智能化截至目前，焊接智能机器人领域在经验方面已先后完成至少三次大规模技术更新升级，从一个仅能在原始教学和回放模式下独立操作的智能焊接机器人，到一个能够通过多传感器模式实时接收焊接信息数据的自动离线智能焊接机器人。然后逐步发展和进化为能够超越我们通常所说的多传感器模式的智能机器人，双方已经能够通过自学习编程和其他方式快速实现焊接机器人的自适应焊接，该机器人能够自动适应复杂工作环境的功能要求。1焊接机器人介绍早些年间，最开始出现的是火烙铁钎焊、锻接等简单的金属连接方法。从上世纪三十年代以后才逐步形成电弧焊、电阻焊，到后来的埋弧焊，二氧化碳保护焊。从上世纪八十年代开始，在焊接领域逐步使用机器人焊接技术，使得自动化焊接技术的步伐向前迈出了关键一步。改革开放以后，焊接机器人的应用也较为普遍，各种用途的工业机器人在各自领域得到广泛的应用。现已广泛应用于汽车零部件制造业中、重型机械结构部件、锅炉压力容器件、铁路车辆、国防兵器等方面。当前，国外焊接机器人已经逐渐形成了欧美和日本这两大体系。焊接机器人主要是指具有三个或者三个以上可自由编程的运动轴，依靠编写程序实现对机器人的控制，使机器人能够按照预先规定的作业路径及速度，把焊接工具送到指定位置的机器。焊接机器人主要包含两个部分，即机器人、软硬件及焊接相关设备。焊接机器人包含的主要优点：（1）可以稳定焊接的质量，保证其处在统一水平；（2）可以提高劳动生产效率，可以不间断连续作业，工作时间较长；（3）可以在不利于人的环境下工作；（4）操作工人的技术要求下降了；（5）能够完成人工难以进行的条件下（如外太空、海洋深水）开展焊接作业；（6）同时，可以提高经济效益。（7）柔性好、适应性强。自焊接机器人从诞生发展到现在，观其历程大致可以分为三代：第一代是指基于“示教再现”型工作方式的焊接机器人，这种焊接机器人由操作者对机器人进行引导，完成实际的焊接作业，在作业过程中，焊接机器人记忆每一个动作指令，生成一个程序。之后只要给机器人一个命令，就能完成每一个动作。这种焊接机器人在焊接生产中大量使用；第二代是指基于传感器技术的离线编程焊接机器人，这种焊接机器人通过传感器获取相关信息，进行动作轨迹优化；第三代是指装有多种传自主编程的智能焊接机器人。焊接机器人分类：（1）按用途来分，可分为：①弧焊机器人；②点焊机器人；（2）按结构坐标系特点来分，可分为：①直角坐标系；②圆柱坐标系；③球坐标系；④全关节型；（3）根据受控运动方式，可分为：①点位控制（PTP）型；②连续轨迹控制（CP）型；（4）按驱动方式，可以分为：①气压驱动；②液压驱动；③电气驱动。2焊接机器人技术研究现状2.1机器人用焊接工艺在机器人焊接和保护工艺方面，它目前是国内外最广泛使用和公认地埋弧焊工艺以及气体保护焊的重要技术基础。这种保护方法的主要类型包括熔化极氩弧焊和富氩混合物气体保护焊。除上述之外，这是一种或两种常见的焊接方法，使用的相对较多的弧焊保护方法之一可能是钨极氩弧焊。目前，一些国家认为，弧焊和机器人技术的发展远比其他发达国家和先进成熟的西方资本主义国家先进。弧焊机器人方法更被视为基于热丝等离子弧焊、热丝TIG弧焊等技术的前沿技术。2.2焊接机器人系统仿真技术机器人问题的复杂性物体问题的复杂性是多学科的，这无疑会导致今天的许多机器人研究人员更加感兴趣，使他们对机器人研究中的这两个关键点更加着迷。在实际的产品开发或生产设计过程中，我们经常会遇到一些机器人动力学。与运动学相关的机器人问题也可能是因为这些机器人问题通常需要具有复杂多维轴的连杆的空间结构，并且对自由度的要求很高。在设计和开发产品的过程中会遇到什么样的机器人问题，无疑会变得更加复杂和多变。以三维动画和仿真计算机建模新技术和新方法在微操作器设计中的应用为例，现代智能机器人理论、CAD模型方法和二维计算机图形设计理论基础等一系列现代专业技术知识主要用于其整个模型设计的制作和实现，并在其微型计算机软件模型中首次以2D计算机动画的形式呈现，然后运用在其对微型机械手所设计出的机器人操作臂的精确控制、运动学正反解算及分析计算方法中和机器人实际功能的仿真运行中活动中对机器人在现实运动的环境状态下操作中所容易出现遇到的一些抗干扰的问题和一些自动避让的问题都来了进行一些动态和仿真化的设计模拟，通过综合应用这种动态设计模拟方法我们也可以从中得到一个很好的程度上地来解决各种现实所遇到的问题。2.3机器人专用弧焊电源技术在今后研发新型焊接自动化机器人时，不仅首先要特别关注焊接机器人系统技术的系统研究、设计工作和机器人本身的自动焊接控制技术，还要同时对等离子弧焊电源控制技术给予高度重视。弧焊机器人电源控制器具有较良好可靠的机械电器性能，能够真正使弧焊接用机器人产品的电气功能优势得到了更大发挥。2.4多台焊接机器人及外围设备的协调控制技术严格定义，焊接机器人是指小型焊接机器人系统单元或自动工作站，通常包括自动焊机系统、机器人控制柜、机器人本体单元和机器人送丝单元系统。在项目的实际过程操作实践中，只有自动定位器、焊接机器人系统和等离子弧焊电源管理系统等子系统真正灵活、集成，才能进一步发挥作用。2.5焊缝跟踪技术通常在正常工作条件下使用的冷弧焊枪应基本上能够实现并确保机器人焊缝的良好焊缝质量，但有时当焊接加热工作条件的温度与机器人正常焊接操作中使用的焊接温度的环境温度之间存在一些异常温度变化时，焊炬会经常偏离焊缝，结果，机器人在焊接后存在焊接质量问题。如果无法处理此类异常焊接条件，则需要考虑通过软件远程在线实时自动在线检测焊接参数，检测各种焊接偏差，调整和计算最佳焊接工艺参数方案和优化焊接工艺路径设计参数等。从而实现焊接质量的全面有效保证。焊缝在线自动跟踪与监测系统的技术理论是基于焊缝传感器技术原理的应用，以及焊缝在线自动追踪分析与自动控制方法的基础理论分析与研究。3焊接机器人主要技术焊接机器人发展的过程中，主要需要借助于一些关键的技术，比如焊缝跟踪、多机器人协调控制等，这些技术的进步能够在一定程度上完善焊接机器人的功能，促进焊接机器人在各个行业与领域的应用。3.1焊缝跟踪技术焊接机器人在应用过程中，焊缝跟踪技术是其中的关键技术，该技术的应用与发展需要充分考虑生产的环境因素，进而来调整焊缝的路径以及相关参数，从而提高焊接作业的质量，保证焊接的可靠性与稳定性，促进生产的顺利进行。在焊缝跟踪技术的研究与探索上，相关人员积极引入了传感器技术与控制技术，同时借助于模糊数学、神经网络等理论，实现焊缝跟踪理论与实践的结合，促进该技术的发展。随着技术的进步，信息共享正在逐步实现，使得相关人员可以积极获得研究所需要的各种资料和信息，实现对焊缝跟踪系统的完善与优化，促进技术的进步。3.2离线编程与路径规划技术离线编程与路径规划技术是当前焊接机器人智能化、自动化发展的关键技术，该技术直接影响着焊接机器人程序的设定，还需要结合规划算法等，实现对机器人程序的修改与调整等。焊接机器人相关操作的完成，需要在一定的程序指令下来完成，机器人内部的控制系统在接收到相关的焊接任务以后，需要根据焊接的相关参数、路径、轨迹等来完成任务，机器人需要根据任务的特点，来进行智能化的编程，保证程序与任务的高度一致性，顺利完成相关焊接任务。3.3多机器人协调控制技术我国工业、制造业生产过程中，技术性要求逐步提高，很多操作任务无法通过单台焊接机器人来完成，往往需要多台焊接机器人的相关协调与配合，使得机器人可以在生产过程中发挥其最大的功能与作用。多台机器人的协调需要借助于多机器人协调控制技术，实现在相关任务下机器人的协调作业，协调控制技术中涉及了多智能体的群体体系结构、群体行为控制等相关方面，使得其控制技术的专业性与统一性更强，尤其要保证多台机器人直接的协调与配合。近年来，随着我国工业规模的扩大，多机器人协调控制技术的研究具有必要性与紧迫性。3.4遥控焊接技术遥感焊接技术主要应用于一些特定的环境中，比如高危、恶劣环境中，需要借助于焊接机器人进行环境的远程监控，实现对环境中风险因素的识别与控制，通过对相关数据的分析，对焊接机器人采取一定的操作，使得其能够更好地完成相关操作。但是，遥感焊接技术中涉及了许多相关的理论知识，其专业性较强，需要相关人员具备多方面的知识，扩大其应用范围，比如遥感焊接技术在核辐射区域的应用等。3.5焊缝识别与导引技术通过一定的视觉方法，采集相关的焊接区图像，借助于必要的信号传输与处理模块，将采集的信号进行传输，图像处理器经过必要的处理后，可以得到具体的运算数值，可以为焊接机器人的焊接操作提供必要的指导。3.6焊接工艺技术焊接机器人工艺技术中，除了气体保护焊方式，还涉及了其他的方式，如钨极氢气保护焊、等离子弧焊、切割、机器人激光焊等。在焊接操作中要结合焊接任务的特点选择恰当的焊接工艺。4焊接机器人技术的发展趋势4.1多传感器信息智能融合技术近年来，传感器技术应用的产品变得越来越频繁，但仅单一的传感器信息不能为智能机器人系统应用所需的系统的定位精度和操作可靠性提供充分和有效的传感器信息支持。在此应用案例中，创建了结合多种智能传感器信息的信息融合分析技术，该技术综合利用这些多种智能传感器分析信息，快速做出科学、正确的决策和判断。4.2虚拟现实技术虚拟现实技术是一种基于特定时间节点和地理空间对自然事件的虚拟现实特征进行分解和再现的虚拟现实技术。通过使用虚拟现实、现场传感技术、多媒体技术软件等，可以直接实现远程人机交互，基本实现远程虚拟和远程智能机器人。4.3多智能焊接机器人系统多机器人智能焊接多机器人系统是基于多单体智能机器技术的创新开发和应用。通过交叉协作，多个智能机器人共同完成彼此相关的各种工作程序和生产任务，以确保共同目标的实现。在智能系统的研究和设计中，我们不应追求建立复杂、精确和庞大的智能单一系统，而必须从各种物理、逻辑特性和信息功能特性出发，合理设计或划分一组或多个具有或必须具有独立功能关系的系统智能单元。每个系统单元的子系统应相互连接和协作，并交换有用的信息，以协调同一全球任务的完成。4.4智能化控制技术当模糊计算机网络技术和神经网络被设计为独立的系统时，或多或少会存在固有的和一些潜在的功能缺陷。影响其实际应用功能特性和技术实现设计性能的主要限制因素是：训练对象的样本数量、神经元数量、训练系统的拓扑和代数结构参数等，并且基本上可以确保他们最终获得的一般训练和测试结果，他们仍然不能真正确保他们的功能可靠性，并且他们可以在完全离线的工作状态环境中操作。由于其结构参数的不当选择或模式设置，其功能可靠性的收敛仍然可能在最终工作中造成问题。在模糊隶属关系矩阵控制算法的研究过程中，模糊解、模糊关系矩阵的计算、隶属关系函数及其选择算法等许多问题都是需要研究者继续研究并努力解决的新技术问题。所以，可以预见研究工作将逐步把这一两种理论研究和技术成果进行交叉结合使用及交叉使用，形成相互了的优势互补或互补，这样使得我们现在不仅已既已经能够各自独立地解决本属于我们这一两种主要研究方向技术领域及其所自身的固有性质的一些理论问题，还能在实践中更好地发挥体现出的它们的本身应有的科学技术及综合优势作用。4.5移动操作发展目前，焊接机器人大多是固定的、单手操作的，这导致其操作与实际生产要求非常不一致，增加了焊接生产的难度，造成很多不便。这种不可移动的操作限制了焊接机器人的半径和可达范围。如果机械手在使用过程中伸得太远，在焊接负载自动焊枪时会降低机械手的刚度，导致末端执行机构抖动，对焊接质量影响很大，使焊接电弧稳定性受到威胁，气体保护效果降低。因此，工业焊接机器人也需要不断朝着移动操作的方向发展，并不断提高运动精度、通讯效率等，使焊接效率得到有效的提高。4.6其他发展趋势在产品制造过程中，经常会遇到各种空间位置的焊缝，特别是异型结构的焊接件。面对这种情况，不可能实现自动化、智能化焊接，只能依靠手工焊接。如果能够开发出基于人工智能的视觉识别焊接技术，则可以智能地识别焊接位置信息，实现机器人与被识别信息的实时信息交换与通信，以及机器人与被识别信息之间的信息交互。通过控制系统的操作，将交换通信处理后反馈给焊接设备，实现任意位置焊缝的智能焊接。这也是未来智能制造焊接技术发展的必然趋势。因此，无论