工业焊接机器人应用及智能发展趋势研究

工业焊接机器人应用及智能发展趋势研究

黄君辉,黄凤龙,李建鑫

中车齐齐哈尔车辆有限公司 黑龙江齐齐哈尔 161002

摘要：目前，全球50%的机器人是用来进行焊接的。无论是汽车制造、电子制造、工程机械、城市建设，都需要焊接机器人。在这一背景下，我国作为全球最大的工业生产国家，其对焊接机器人的需求和依赖性尤其突出。

关键词：工业焊接；智能发展

1 工业焊接机器人构成和运动分析

1.1 工业机器人

工业机器人是指多个关节或多个自由度的机械设备，它是一种能够自主完成工作的机械，依靠自己的动力和控制能力，完成多种工作。工业机器人技术是当今世界上最活跃、最具代表性的一种技术，它包括机械学、控制理论与技术、计算机、传感、人工智能、仿生学。常见的工业机器人的工作是由硬件构成与部分软件所构成，其中按硬件构成分为机械系统、传感器系统、驱动设备系统以及部分计算机控制器；至于软件，则是指各种程序。

1.2 组成部分

手部还被称作抓持设备或终端效果设备，用以直接抓取工件或工具。特殊的工具，如焊枪、喷枪、电钻、电动螺丝、螺丝等，都可以用作特殊的手。工业机器人所用的双手有机械式、真空式、磁式和粘性式。腕部是将双手和手臂连接起来的一种装置，用于支持和调节终端的位置，并决定物体的位置。臂部用于支撑手腕的零件，包括操作者的动力铰链和连接件，用于承载工件和刀具的载荷，

1.3 工作站（单元）

在整个焊接过程中，若工件不需进行移动，可采用夹具将其紧固到工作台上。但是，在实际应用中，由于焊接过程中存在着大量的变形，使得焊缝处于最佳位置（姿势）。在此条件下，可将移位机和机械手分开移动，也就是在移位机上进行移位，然后进行机器人的重新焊接；也可以是同步移动，也就是移动机器人和移动机器人的同步移动。此时，由于机械臂的移动和机械臂的复合动作，使得焊枪的运动达到了与焊缝轨迹和焊枪姿态一致的目的。事实上，此时，变位机的轴已经变成了机器人的一部分，这样的焊接机器人系统可以有7～20根或者更多的轴线。最新的机械手控制箱可能是由两个机械手组成，在12个轴线上进行协同动作。一台为焊接机器人，一台为移动机器人。

2 工业机器人在装备制造加工及大型行业中的应用

2.1 对某些非直线的坡口进行加工，以提高加工效率与精确性

在实际应用中，为了保证板材在焊接过程中的熔融，要对其进行切削加工。有些直角的斜面可以采用导轨式切削机和铣削机来完成，但有些不是直线的坡口则需要采用斜面机械来实现，以提高其加工效率和精确度。

2.2 加工某些具有两面或多边形的零件，以提高生产率

在生产过程中，一些板材材料要求双面或多边形的坡口，这些要求进行两面或多边形加工的工件又可分为非直型和直线型两种。在确定加工过程中，非直线坡口件的选择是由机械手来完成；在确定直角或多边形坡口的时候，可以选用铣边机、导轨切割机和切割机。在采用铣边机时，在加工两面或多边形的直线斜角时，需要对工件进行多次的翻转和装夹；在采用导轨切削机床时，需要多次调整，从而降低了工作效率。采用斜槽切削机械手进行切削时，由于该机械手能灵活地调节多个角度，不需要对工件进行翻转、重新装夹，只需要一次装夹就能完成多个坡口的加工，降低了工人的劳动强度，提高了工作效率。

2.3 对一些钣金件成形后进行切割余料加工，以提高产品切割余料的精度

板材板件在弯曲时，因工艺尺寸的限制，部分产品的折弯线至边角距离过短时需添加余料，在弯折完成后移除；有的工件在弯折线附近有长孔或圆孔，为了避免弯曲时出现孔洞变形，要添加多余的材料：一些工件的边沿不规则，需在加工后添加余料进行折弯。这些零件在弯曲后要切掉剩余的部分。此外，有时还可以利用切割机器人对管道的相贯线进行下料等。

2.4 船舶制造中应用

船用焊接技术是现代造船制造的技术核心，其焊接工时间约占船舶项目总工时间的30%～40%，而焊接费用则占船舶项目总费用的30%～50%。焊缝品质将是反映整个造船品质的一个关键因素，其焊缝效率也将直接关系到整个制造周期以及整体施工费用。所以，焊缝自动化将成为船舶工业的一个主要方面，同时，也是影响整个造船工业的一个主要方面，并且随着焊缝技术的进一步发展，这种发展趋势也将会越来越明显。

3 焊接工机器人智能化发展的趋势

在工程机械工业中，在各种工程机械零件中，焊接机器人的使用日益广泛。该系统具有稳定可靠的特点，具有电弧跟踪、接触传感、焊接专家数据库等智能化特点，有效地解决了焊接过程中工件尺寸大、焊脚尺寸大、焊坡口加工和工件组对精度差等问题。随着焊接机器人的使用越来越广泛，它的自动化、智能化程度也越来越高。近年来，随着机器人焊接技术的发展，其应用范围不断扩大，从生产效率、精度要求、可操作性和适应性等方面都显示出了未来的发展趋势。

3.1 机器人示教再现与离线编程技术

目前，广泛用于工业生产的焊接机器人大多采用示教复制或离线编程的方法来完成焊接操作，在采用某种感知技术的情况下，可以实现对焊接机器人的基本要求，但是它的智能化水平还很高，主要包括示教、自动规划焊接路径规划、自动生成焊接任务参数、人机交互设计、利用虚拟现实技术实现焊接工作站离线编程等。

3.2 焊接过程传感与适应性控制技术

焊接机器人可以通过感知、提取、加工环境，并通过视觉、触觉等感知信息，实现闭环控制，并能根据环境的改变，实现自动定位、自动跟踪焊缝等。高智商的机器人必须具备判断、融合和决策的能力。未来的焊接智能化发展趋势是在复杂的工作环境下，更加灵活地进行各种复杂的工作。

3.3 用于焊接工作站/生产线的多机器人协作技术

利用多机器人协同作业技术，将多个作业或焊接作业与定位、安装、检测等作业结合起来，可以大幅提升生产效率，确保产品质量，降低人工干预，使生产空间更加紧凑。同时，对多个参与操作的机械手或移动轴进行协同控制，在工艺过程中避免了它们之间的运动干扰和碰撞，从而提高了生产的安全性，降低了生产线出现故障的概率。

3.4 用于极限环境的焊接机器人遥控技术

在核、太空、深海环境等许多特种作业环境条件中，焊接的工作都要用远距离的控制和机器人操作进行，而在极端环境条件下，辐射、气压、水压、重力、高温腐蚀等诸多因素带来的环境特殊性，导致了焊接的工作环境从焊接机器结构、电气的设计、传感、控制、工艺操作等各方面均有了很好的解决办法。

4 结语

综上所述，焊接机器人在机械、电气、电控和自动化等方面都有广泛的应用。通过对焊接机器人的构成和运动分析研究，可以对详细运动有一定了解，对以后的分析研究有一定帮助，通过对其在装备制造及大型行业的应用分析，对目前的焊接机器人有一定认识，对以后的应用分析延伸提供方向，对其目前及未来发展方向和技术分析得出前沿研究重点，对以后科研深入研究和企业应用都有一定的指导意义。

参考文献

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[5] 赖长川.机器人电弧焊缝跟踪系统研究[D].黑龙江:哈尔滨工业大学,2017.