一、什么是焊接機(jī)器人

焊接機(jī)器人是從事焊接（包括切割與噴涂）的工業(yè)機(jī)器人。根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）工業(yè)機(jī)器人屬于標(biāo)準(zhǔn)焊接機(jī)器人的定義，工業(yè)機(jī)器人是一種多用途的、可重復(fù)編程的自動(dòng)控制操作機(jī)（Manipulator），具有三個(gè)或更多可編程的軸，用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域。為了適應(yīng)不同的用途，機(jī)器人最后一個(gè)軸的機(jī)械接口，通常是一個(gè)連接法蘭，可接裝不同工具或稱末端執(zhí)行器。焊接機(jī)器人就是在工業(yè)機(jī)器人的末軸法蘭裝接焊鉗或焊（割）槍的，使之能進(jìn)行焊接，切割或熱噴涂。

二、焊接機(jī)器人的發(fā)展歷程

自從世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人UNIMATE于1959年在美國(guó)誕生以來(lái)，機(jī)器人的應(yīng)用和技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段：

第一代是示教再現(xiàn)型機(jī)器人。這類機(jī)器人操作簡(jiǎn)單，不具備外界信息的反饋能力，難以適應(yīng)工作環(huán)境的變化，在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用受到很大限制。

第二代是具有感知能力的機(jī)器人。這類機(jī)器人對(duì)外界環(huán)境有一定的感知能力，具備如聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)、觸覺(jué)等功能，工作時(shí)借助傳感器獲得的信息，靈活調(diào)整工作狀態(tài)，保證在適應(yīng)環(huán)境的情況下完成工作。

第三代是智能型機(jī)器人。這類機(jī)器人不但具有感覺(jué)能力，而且具有獨(dú)立判斷、行動(dòng)、記憶、推理和決策的能力，能適應(yīng)外部對(duì)象、環(huán)境協(xié)調(diào)地工作，能完成更加復(fù)雜的動(dòng)作，智能機(jī)器人還具備故障自我診斷及修復(fù)能力。

焊接機(jī)器人就是在焊接生產(chǎn)領(lǐng)域代替焊工從事焊接任務(wù)的工業(yè)機(jī)器人。早期的焊接機(jī)器人缺乏“柔性”，焊接路徑和焊接參數(shù)須根據(jù)實(shí)際作業(yè)條件預(yù)先設(shè)置，工作時(shí)存在明顯的缺點(diǎn)。隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、人工智能技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)的發(fā)展，焊接機(jī)器人也由單一的單機(jī)示教再現(xiàn)型向以智能化為核心的多傳感、智能化的柔性加工單元（系統(tǒng)）方向發(fā)展。

三、焊接機(jī)器人特點(diǎn)

點(diǎn)焊對(duì)焊接機(jī)器人的要求不是很高。因?yàn)辄c(diǎn)焊只需點(diǎn)位控制，至于焊鉗在點(diǎn)與點(diǎn)之間的移動(dòng)軌跡沒(méi)有嚴(yán)格要求，這也是機(jī)器人最早只能用于點(diǎn)焊的原因。點(diǎn)焊用機(jī)器人不僅要有足夠的負(fù)載能力，而且在點(diǎn)與點(diǎn)之間移位時(shí)速度要快捷，動(dòng)作要平穩(wěn)，定位要準(zhǔn)確，以減少移位的時(shí)間，提高工作效率。點(diǎn)焊機(jī)器人需要有多大的負(fù)載能力，取決于所用的焊鉗形式。對(duì)于用與變壓器分離的焊鉗，30～45kg負(fù)載的機(jī)器人就足夠了。但是，這種焊鉗一方面由于二次電纜線長(zhǎng)，電能損耗大，也不利于機(jī)器人將焊鉗伸入工件內(nèi)部焊接；另一方面電纜線隨機(jī)器人運(yùn)動(dòng)而不停擺動(dòng)，電纜的損壞較快。

因此，目前逐漸增多采用一體式焊鉗。這種焊鉗連同變壓器質(zhì)量在70kg左右?？紤]到機(jī)器人要有足夠的負(fù)載能力，能以較大的加速度將焊鉗送到空間位置進(jìn)行焊接，一般都選用100～150kg負(fù)載的重型機(jī)器人。為了適應(yīng)連續(xù)點(diǎn)焊時(shí)焊鉗短距離快速移位的要求。新的重型機(jī)器人增加了可在0.3s內(nèi)完成50mm位移的功能。這對(duì)電機(jī)的性能，微機(jī)的運(yùn)算速度和算法都提出更高的要求。

四、焊接機(jī)器人優(yōu)點(diǎn)

1）穩(wěn)定和提高焊接質(zhì)量，能將焊接質(zhì)量以數(shù)值的形式反映出來(lái)；

2）提高勞動(dòng)生產(chǎn)率；

3）改善工人勞動(dòng)強(qiáng)度，可在有害環(huán)境下工作；

4）降低了對(duì)工人操作技術(shù)的要求；

5）縮短了產(chǎn)品改型換代的準(zhǔn)備周期，減少相應(yīng)的設(shè)備投資。

五、焊接機(jī)器人的系統(tǒng)組成

焊接機(jī)器人主要包括機(jī)器人和焊接設(shè)備兩部分。機(jī)器人由機(jī)器人本體和控制柜（硬件及軟件）組成。而焊接裝備，以弧焊及點(diǎn)焊為例，則由焊接電源，（包括其控制系統(tǒng)）、送絲機(jī)（弧焊）、焊槍（鉗）等部分組成。對(duì)于智能機(jī)器人還應(yīng)有傳感系統(tǒng)，如激光或攝像傳感器及其控制裝置等。圖1a、b表示弧焊機(jī)器人和點(diǎn)焊機(jī)器人的基本組成。

六、激光焊接機(jī)器人系統(tǒng)組成

七、焊接機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于所設(shè)計(jì)的焊接機(jī)器人是在準(zhǔn)平面、空間狹窄的環(huán)境下工作，為了保證機(jī)器人能根據(jù)電弧傳感器的偏差信息，跟蹤焊縫自動(dòng)焊接，要求所設(shè)計(jì)的機(jī)器人應(yīng)該結(jié)構(gòu)緊湊、移動(dòng)靈活且工作穩(wěn)定．文中針對(duì)狹窄空間特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了一種小型移動(dòng)焊接機(jī)器人，根據(jù)機(jī)器人各結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，運(yùn)用模塊化設(shè)計(jì)方法，把機(jī)器人機(jī)構(gòu)分為輪式移動(dòng)平臺(tái)、焊炬調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和電弧傳感器三部分。其中，輪式移動(dòng)平臺(tái)由于其慣性大，響應(yīng)慢，主要對(duì)焊縫進(jìn)行粗跟蹤，焊炬調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)焊縫精確跟蹤，電弧傳感器完成焊縫偏差實(shí)時(shí)識(shí)別．另外，機(jī)器人控制器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器集成安裝于機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)上，使其體積更小。同時(shí)，為了減少惡劣焊接環(huán)境下粉塵對(duì)運(yùn)動(dòng)部件影響，采用全封閉式結(jié)構(gòu)，提高其系統(tǒng)可靠性。

八、焊接機(jī)器人的編程方法

焊接機(jī)器人的編程方法目前還是以在線示教方式（Teach-in）為主，但編程器的界面比過(guò)去有了不少改進(jìn)，尤其是液晶圖形顯示屏的采用使新的焊接機(jī)器人的編程界面更趨友好、操作更加易。然而機(jī)器人編程時(shí)焊縫軌跡上的關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)位置仍必須通過(guò)示教方式獲取，然后存入程序的運(yùn)動(dòng)指令中。這對(duì)于一些復(fù)雜形狀的焊縫軌跡來(lái)說(shuō)，必須花費(fèi)大量的時(shí)間示教，從而降低了機(jī)器人的使用效率，也增加了編程人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。目前解決的方法有2種：

一是示教編程時(shí)只是粗略獲取幾個(gè)焊縫軌跡上的幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，然后通過(guò)焊接機(jī)器人的視覺(jué)傳感器（通常是電弧傳感器或激光視覺(jué)傳感器）自動(dòng)跟蹤實(shí)際的焊縫軌跡。這種方式雖然仍離不開(kāi)示教編程，但在一定程度上可以減輕示教編程的強(qiáng)度，提高編程效率。但由于電弧焊本身的特點(diǎn)，機(jī)器人的視覺(jué)傳感器并不是對(duì)所有焊縫形式都適用。

二是采取完全離線編程的辦法，使機(jī)器人焊接程序的編制、焊縫軌跡坐標(biāo)位置的獲取、以及程序的調(diào)試均在一臺(tái)計(jì)算機(jī)上獨(dú)立完成，不需要機(jī)器人本身的參與。機(jī)器人離線編程早在多年以前就有，只是由于當(dāng)時(shí)受計(jì)算機(jī)性能的限制，離線編程軟件以文本方式為主，編程員需要熟悉機(jī)器人的所有指令系統(tǒng)和語(yǔ)法，還要知道如何確定焊縫軌跡的空間位置坐標(biāo)，因此，編程工作并不輕松省時(shí)。隨著計(jì)算機(jī)性能的提高和計(jì)算機(jī)三維圖形技術(shù)的發(fā)展，如今的機(jī)器人離線編程系統(tǒng)多數(shù)可在三維圖形環(huán)境下運(yùn)行，編程界面友好、方便，而且，獲取焊縫軌跡的坐標(biāo)位置通?？梢圆捎谩疤摂M示教”（virtual Teach-in）的辦法，用鼠標(biāo)輕松點(diǎn)擊三維虛擬環(huán)境中工件的焊接部位即可獲得該點(diǎn)的空間坐標(biāo)；在有些系統(tǒng)中，可通過(guò)CAD圖形文件中事先定義的焊縫位置直接生成焊縫軌跡，然后自動(dòng)生成機(jī)器人程序并下載到機(jī)器人控制系統(tǒng)。從而大大提高了機(jī)器人的編程效率，也減輕了編程員的勞動(dòng)強(qiáng)度。目前，國(guó)際市場(chǎng)上已有基于普通PC機(jī)的商用機(jī)器人離線編程軟件。如Workspace5、RobotStudio等。圖9所示為筆者自行開(kāi)發(fā)的基于PC的三維可視化機(jī)器人離線編程系統(tǒng)。該系統(tǒng)可針對(duì)ABB公司的IRB140機(jī)器人進(jìn)行離線編程，程序中的焊縫軌跡通過(guò)虛擬示教獲得，并在三維圖形環(huán)境中可讓機(jī)器人按程序中的軌跡作模擬運(yùn)動(dòng)，以此檢驗(yàn)其準(zhǔn)確性和合理性。所編程序可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)直接下載給機(jī)器人控制器。

九、焊接機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)

焊接機(jī)器人在高質(zhì)量、高效率的焊接生產(chǎn)中，發(fā)揮了極其重要的作用。工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的研究、發(fā)展與應(yīng)用，有力地推動(dòng)了世界工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步。近年來(lái)，焊接機(jī)器人技術(shù)的研究與應(yīng)用在焊縫跟蹤、信息傳感、離線編程與路徑規(guī)劃、智能控制、電源技術(shù)、仿真技術(shù)、焊接工藝方法、遙控焊接技術(shù)等方面取得了許多突出的成果。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、智能控制技術(shù)、人工智能理論以及工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的不斷發(fā)展，焊接機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域還有很多亟待我們?nèi)フJ(rèn)真研究的問(wèn)題，特別是焊接機(jī)器人的視覺(jué)控制技術(shù)、模糊控制技術(shù)、智能化控制技術(shù)、嵌入式控制技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)等方面將是未來(lái)研究的主要方向。