工业焊接机器人应用及发展趋势研究

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摘要：工业焊接机器人是目前装备制造业和其他大型行业应用较为广泛的一种焊接方式，其运动、结构等都有极高的技术含量，通过对运动、结构分析来达到深入了解，同时，对其在装备制造等大型行业的应用进行研究，分析其主要的应用方向，对高新技术在其目前焊接机器人的应用提升及前沿方向做了一定分析。

关键词：工业机器人；焊接；智能化；发展目前，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。

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，改变其空间位置，并将其传送到指定的位置。机身也被称作支柱，它是用于增加手臂运动范围的支架。底座和行走机构是整个工业机器人的基本部件，用于决定和变更整个机器人的位置。驱动系统是工业焊接机器人的动力源，包括驱动器、减速器和探测部件。焊接机器人的精确度和完成任务的速度取决于硬件系统，而机器人的操作方式、操作控制的方便程度取决于其软件系统，软件系统可以划分为系统软件和应用软件。系统软件是由机械人生产厂家提供的，与机器人相似的操作系统，可以为机器人提供各种指令和方式。本软件由使用者撰写，是一种执行某项具体工作的程式。其功能包括：与机器人进行交流，为其提供指令、程序环境、监视和管理，以及对其进行实时监测。根据系统的软件功能，可以将系统的软件划分为等级。软件等级是区分其优劣的一个重要指标。计算机程序设计语言是计算机辅助设计软件中的一个关键环节，它的发展与计算机技术的发展是同步的，同时,也是基于系统软件的等级体系。

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。

1.4生产线

焊接机器人流水线是由多个工位（单元）通过工件传输线路相连而构成的流水线。该流水线仍保留了单一工位的特性，即每台仅可使用所选工件夹和焊接机械手的程式，并在变更工装和工序前，不得再焊其它工件。还有柔性焊接生产线。软线还包含多个工位，不同之处在于，被焊工件都装卡于一种固定的板架上，而软线可与任何一种机械相结合，并可自行锁定。焊接机器人系统首先识别出货盘的号码或货品，并在焊接时将其卸下。通过这种方式，每个零件都能进行无调整的焊接。在焊接软线上，通常有一条轨道式的子母车，它能把已经完成的工件从储存工位卸下来，再送到有空位的焊工工作站。也可以把焊接好的工件从工作台上移出，然后送到已加工的零件上。整个柔性焊接生产线由单台计算机进行控制。因此，在一天内，将大量的零件装配好，放到仓库中，可以实现无人或少人操作。根据工厂的特殊情况和需要，选择什么样的自动化生产方法。专用焊机主要用于批量大、修改速度慢、焊缝数量少、长、形状规则（直线、圆形）的产品；通常，采用机器人进行焊接，适合中、小批量生产，且焊缝数量较少。特别是在产品种类繁多、批量极小的场合，而目前国外公司正积极推行“无（少）货”“JIT”的管理模式，在此背景下，采用柔性焊丝更合适。

2工业机器人在装备制造加工及大型行业中的应用

在中国现代装备制造业发展中，工业机器人技术能够充分适应循环经济发展与提高时间效率发展的实际需要，并满足对高柔性物料机器人的快速加工制造需求，具备生产效率更高、成本低、柔性能好用等独特优势，可以完全取代现有传统机器人的加工设备。和传统CNC、FMC机等工业其他辅助加工辅助装置相比，工业机器人具有的综合使用维护成本相对较低、智能化集成程度相对较高、灵活性相对较高强、安装占用空间相对较小等优势，能够适应现代生产的要求，能够适应多品种、小批量、现场加工的要求。在实际的装备板材加工中，采用工业机器人是为了减少加工困难、提高加工效率、提高加工精度等目的。具体体现在以下几个方面。

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。

2.5工程机械中的应用

在工程机械领域，各类工程机械零件中，焊接机器人的应用越来越广泛。例如，挖掘机的动臂、斗杆、挖斗、X型起重机、主平台、履带梁等，此外，还有装填手的前后车架、自动手之间、推土机后桥箱、站台门方柜、构架、前车架、后转向机、支腿，以及履带起重机、泵车、平地机以及摊铺机等，设备与重点部位的连接上也有了专用的焊接机器人——变位机集成系统。该技术具备安全可靠的特性，具备电弧追踪、接触传感、焊缝专家系统等智能特性，有效地缓解了中厚钢板焊接技术中工件体积大、焊接脚体积大、焊接斜坡处加工的工件组对精度不够的难题。

2.6煤炭机械行业应用

在小型煤矿的开发过程中，合理地应用各种机械性技术，不经济但却能够有效提升矿山开发的效益，降低企业人工的作业投入量，减少了企业生产成本，同时，也能够较大幅度地降低矿山事故灾害的发生率。近年来，随着中国社会主义市场经济建设的进一步迅速发展，机械行业生产的自动化技术水平日益提高，矿井作业的综合机械化的程度随之也在逐渐提高。煤矿设备具有结构复杂、焊接工艺复杂、品种少、生产规模大等问题。如果用传统的机器人来进行自动焊接，不仅效果不理想，而且还不能提高工作效率。为了解决这个问题，国内很多公司都在电弧焊机器人的应用上进行了合作，目前已经实现了30多种不同类型的自动焊接，包括推杆、连杆、顶梁、底座、中间槽等。在此基础上，完成了液压支架的自动制造和自主研发，并将大量的焊接机器人设备投入大型液压支架零件的制造中。针对目前生产中出现的品种多、批量少的问题，川崎机器人开发的离线软件可以轻松高效地解决。

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。

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作者:王林 马世强 单位:新疆生产建设兵团兴新职业技术学院