焊接机器人智能化技术研究现状与展望

焊接机器人智能化技术研究现状与展望

李志佳

中国船舶重工集团公司第七一八研究所，河北邯郸 056000

摘要：焊接机器人主要是从事焊接、切割、热喷涂等工艺的工业机器人，近年来，工业快速发展，带动了工业机器人的发展，焊接机器人的数量占工业机器人的40%，2020年焊接机器人的市场规模超过150亿元。然而，与国外焊接机器人相比，我国焊接机器人的自动化水平、可靠性、稳定性还存在一定的差距，导致我国焊接机器人水平偏低。通过探讨焊接机器人传感技术、焊缝跟踪技术、焊接路径规划技术与焊缝成形质量控制技术等关键智能化技术研究现状及当前焊接机器人面临的问题，对未来焊接机器人的发展前景进行分析，希望促进我国焊接机器人智能化发展。

关键词：焊接机器人；智能化技术；传感技术

焊接被誉为“工业裁缝”，是工业生产重要的环节。由于焊接工作环境恶劣，面临焊接烟尘、弧光、金属飞溅等情况，增加了焊接的危险性。随着计算机技术、数控技术、电力电子技术、传感技术以及机器人技术的发展，促进了自动焊接机器人，自从上个世纪六十年代开始，焊接机器人开始应用在工业领域。与人工焊接相比，焊接机器人通过控制系统可以控制焊接电流、电压、焊接速度、焊接伸缩长度等相关参数，降低焊接操作技术要求，提高焊接质量，保证焊接的一致性。焊接机器人改善了焊工的劳动环境，让焊接工人远离弧光、烟雾和飞溅，缩短了工业产品更新周期，减少了企业的成本。因此，焊接机器人广泛应用在船舶制造、航天、汽车、电子设备等制造领域，取得了良好的经济效益和社会效益。根据《中国制造2025》提出，将大力发展智能装备、智能产品，推动生产过程智能化，培育新型生产方式，促进中国制造向中国智造方向发展[1]。

1焊接机器人概述

1.1焊接机器人构成

焊接机器人集计算机技术、电子技术、传感技术、控制技术以及人工智能技术为一体的自动化设备。焊接机器人主要由执行系统、控制系统、动力系统、传递设备系统等构成。执行系统主要负责焊接任务，主要负责传递力或力矩并执行具体动作的机械结构，包括机器人的手、机身、臂等部分；控制系统主要根据焊接任务要求，让机器人的执行元件按照规定的程序和焊接轨迹进行作业，并在规定的动作完成电焊、喷涂、切割等作业的计算机系统；动力系统主要负责为焊接机器人提供动力，主要以液压系统和电动系统为主；传感系统是焊接机器人的关键系统，主要负责监测焊接过程的焊缝边缘、宽度、焊缝等相关参数，并将焊接机器人执行情况反馈给控制系统，如果出现焊接缺陷，则系统会发出警告信息，执行系统对焊接任务进行修正。

1.2焊接机器人优势

与传统的焊接工艺相比，焊接机器人具有以下优势：第一，提高了焊接质量和稳定性。焊接机器人安装了视觉传感器、焊缝跟踪传感器、力学传感器等传感设备和控制系统，可以控制焊接过程，降低焊接过程的人为因素的影响，让每一个焊接件的参数保持恒定，确保焊接质量的稳定性。第二，改善了焊工的作业环境。焊机机器人带有焊缝跟踪器，可以调节焊接枪，让焊枪对准焊缝位置，提高焊接的精度，焊工只需要调节相关参数，就可以远离焊接过程的飞溅、弧光和烟雾等环节，让焊工从高强度的工作解放出来。第三，提高焊接工作效率。焊接机器人可以24小时作业，大大提高了焊接效率。第四，焊接机器人有助于缩短产品更新换代周期，减少生产成本。

2焊接机器人智能化技术研究现状

2.1焊接传感技术

    焊接传感技术是焊接机器人智能化的前提和发展，通过传感技术，将焊接过程的各项参数传入控制系统，焊接机器人按照系统预设的程序完成焊接任务。焊接机器人安装了位置传感器、速度传感器等传统感应器外，还安装视觉传感器、力矩传感器、焊缝跟踪传感器等。视觉传感器是焊接机器人的眼睛，通过视觉传感器，可以监测焊接零部件的运动状态、焊接接头、焊缝位置、焊接熔滴状态等的信息，并将其上传到控制系统，并创建三维图像，为计算机控制中心发布指令提供参考。目前国外研究发现一种多种传感器在线焊接缺陷监测系统，将电流电压传感装置、声音传感装置、光谱传感器和视觉传感器等四种传感装置安装的焊接机器人执行元件，对焊接状态信息进行采集，并将信息融合在一起，对焊接质量进行实时控制[2]。

2.2焊缝跟踪技术

   焊接机器人在焊接过程中，受到加工精度、温度、夹具等因素的影响，可能导致焊接机器人偏离控制程序预设的程序轨迹，从而导致焊接质量不符合质量要求，造成焊件报废现象。焊缝跟踪技术，通过传感系统采集到焊枪的工作轨迹，如果发现焊接轨迹与实际程序预设的轨迹出现偏差，则系统将信息反馈到控制系统，控制系统及时调整焊接路径和焊接参数，对焊接就行进行纠偏。焊缝跟踪技术包括视觉跟踪技术、超声波技术、电弧跟踪技术等。

2.2.1视觉跟踪技术

视觉跟踪技术是通过视觉传感装置采集到焊接二维图像和三维图像，确定焊缝中心位置，对焊缝进行全程跟踪。这种跟踪技术可以完成对焊接机器人所有的接头进行跟踪，并通过激光对焊缝进行照明，采集焊接区域的清晰图像，从而了解到焊接质量。目前，有学者根据焊接机器人自动缝跟踪要求，提出了基于焊缝特种点的检测焊缝跟踪算法，通过视觉跟踪技术获取焊接区域数据信息，并通过高斯过滤器对原始数据进行过滤，根据焊缝特点采集完成相关点的数据信息并生产焊接规划路径。

2.2.2超声波技术

   在焊接过程中，会产生弧光、烟雾等现象，视觉跟踪技术对焊接区域进行跟踪时，受到强光、磁场等因素的影响，造成摄像机采集图像不清晰，影响到成像的精确度和清晰度。超声波技术具有良好的向异性，可以透过不透明物质，根据材料和声学差异对超声波反射情况和穿透时间能量的变化，扫描系统将不透明物质反映在荧光屏，通过荧光屏反映内部焊接质量缺陷。超声波技术可以降低焊接时强光、磁场等因素对追踪过程的影响，对焊接过程中进行跟踪和纠偏。目前，国内发明的一种焊接机器人超声波焊缝跟踪检测方法，对采用超声波技术对焊缝跟踪方法和流程进行了探讨。

2.2.3电弧跟踪技术

   电弧跟踪技术是根据电弧传感器采集焊接过程的电信号判断焊接偏差信息，对焊接过程进行纠偏。这种跟踪技术不容易受到焊接环境的影响，采集信号准确性、实时性比较好，目前已经在焊接过程中广泛应用。电弧跟踪技术是根据几何特征信息跟踪焊缝信息，控制电弧周期的摆动。如果在焊接过程中，焊枪位置出现偏差，传感器采集的电信号则会出现不对称的信号，控制系统根据电信号分布情况，则对焊枪位置偏差进行分析。根据偏差信息分析焊枪的平焊缝、角焊缝、塔接焊缝等信息，控制系统根据这些信息调整焊接轨迹，确保焊接质量。通过试验证明，通过电弧纠偏技术，焊接机器人高度跟踪误差地域0.72mm，左右方向跟踪误差小于0.27mm。电弧跟踪技术实时性、灵活性和可达性比较好，可以最大限度确保焊接参数的稳定性，有助于改善斜角焊缝和厚板开坡口多道焊缝表面形成融合，且焊机成本低。目前，电弧跟踪技术逐渐向磁控方向发展，这种控制方式不需要焊枪做复杂的周期性运动，仅仅转变磁场，则可以完成周期性的纠偏跟踪。

2.3焊接路径规划技术

焊接路径规划技术包括人工示范、离线编程和在线自主编程三种方式。

2.3.1人工示范

    人工示范是通过人工操作示范控制焊枪末端生产的焊接轨迹的编程方式，这种编程方式比较简单，适应性强，可以广泛应用在焊接机器人生产领域。但是这种人工示范方式，受到人为因素影响比较大，路径规划效率低，无法适合大规模的焊接生产。

2.3.2离线编程

离线编程技术是通过计算机三维图像软件对焊接机器人、焊接环境、焊接件等进行模拟，模拟焊接工作场景，将模拟常见转化为实际焊接路径。这种焊接方式提高了焊接的准确性和自动化水平。但是离线编程方式只是模拟路径，在实践过程中，受到工件、焊接温度等因素的影响，还需要进行纠偏和校正焊接路径。

2.3.3在线自主编程

    在线自主编程是通过视觉传感器采集焊接机器人的三维坐标信息，根据三维坐标信息对焊接机器人的路径进行规划。这种编程方式对焊接机器人的自动化、智能化水平比较高，焊接机器人必须可以完成信息采集、分析和决策行为[3]。目前，焊接机器人在线自主编程方法在焊缝三维坐标重建技术取得了一定的进展，但实际生产过程中，对焊接参数还需要进一步规划。

3焊接机器人智能化技术

焊接机器人在工业制造领域发挥重要作用，工业机器人经过五十多年的发展，从过去的单一机器人逐渐发展到现代自适应性的智能化焊接机器人，对焊接机器人提出了更高的要求，焊接机器人不仅具备感知能力、分析能力、判断能力，而且还要具备决策能力，可以根据内部环境、外部环境，协调焊接工作，实现焊接工作的自动化、智能化工作。

4  结束语

   焊接机器人智能化发展是未来焊接自动化的趋势，当前我国焊接机器人智能化水平比较低，还无法实现焊接机器人的自动化、智能化作业。因此，必须加快焊接机器人的智能化领域关键技术的研究，为焊接机器人的智能化发展提供技术支撑。

参考文献：

[1]雷会涛.焊接机器人智能化技术研究现状与展望[J].中国科技投资,2019(14):213-213.

[2]聂云鹏,张培磊,庄乔乔,等.焊接机器人智能化关键技术与研究现状[J].热加工工艺,2017,46(15):7-10.

[3]徐加奇,季昌祥.焊接机器人智能化技术研究现状与展望[J].明日,2018(48):0035-0035.

作者简介：李志佳（1983.8.29-），男，汉族，河北邯郸人，本科，助理工程师，

研究方向：机械设计制造及其自动化。