焊接机器人的技术现状与发展趋势
摘要 焊接机器人逐渐走入人类社会，在人们生产、生活中发挥着重要作用。文章介绍了焊接机器人应用意义和应用状况，从机器人用焊接工艺、焊接机器人系统仿真技术、机器人专用弧焊电源技术、多机器人及外围设备的协调控制技术、焊缝跟踪技术、离线编程与路径规划技术、遥控焊接技术七个方面阐述了焊接机器人的研究现状。并对焊接机器人技术的未来发展趋势进行了阐述。
关键词 焊接机器人、技术现状、发展趋势、智能控制
0 前言
近年来，随着我国劳动力成本的逐渐提升，以廉价劳动力为支撑的“中国制造”经济模式难以为继。焊接作为工业“裁缝”是工业生产中非常重要的加工手段，焊接质量的好坏对产品质量起着决定性的影响，同时由于焊接烟尘、弧光、金属飞溅的存在，焊接的工作环境又非常恶劣。随着先进制造技术的发
展，实现焊接产品制造的自动化、柔性化与智能化已经成为必然趋势，采用机器人焊接已经成为焊接技术自动化的主要标志。
1 焊接机器人应用的重要意义
（1）焊缝质量稳定，保证其均一性。焊接参数如焊接电流、电压、焊接速度和干伸长量等对焊接结果有着决定作用。采用机器人焊接时，每条焊缝的焊接参数都是恒定的，焊缝质量受人为因素影响较小，降低了对工人操作技术的要求，因此焊接质量稳定。而人工焊接时，焊接速度、干伸长量等都是变化的，很难做到质量的均一性。
（2）改善了劳动条件。采用机器人焊接，工人只需要做一些简单的参数调节停开机操作，远离了焊接弧光、烟雾和飞溅等。对于点焊来说，工人无需搬运笨重的手工焊钳，使工人从高强度的体力劳动中解脱出来。
（3）提高劳动生产率。机器人可 24h 连续生产。随着高速高效焊接技术的应用，采用机器人焊接，效率提高得更为明显
（4）产品周期明确，容易控制产品产量。机器人的生产节拍是固定的，因此安排生产计划非常明确。
（5）缩短产品改型换代的周期，减小相应的设备投资。可实现小批量产品的焊接自动化。机器人与专机的最大区别就是可以通过修改程序以适应不同工件的生产。
2 焊接机器人技术研究现状
现阶段，国内外对焊接机器人的技术方面的研究都主要集中在七个方面：机器人用焊接工艺、焊接机器人系统仿真技术、机器人专用弧焊电源技术、多机器人及外围设备的协调控制技术、焊缝跟踪技术、机器人离线编程与路径规划技术以及遥控焊接技术。
2.1 机器人用焊接工艺
在机器人焊接方面，目前最常用的弧焊技术是气体保护焊，这种方法主要包括融化极氩弧焊和富氩混合气体保护焊。其次是钨极氩气保护焊，等离子弧焊、
切割以及机器人激光焊的数量有限，比例较低。国外先进国家的弧焊机器人已普遍采用高速、高效气体保护焊接工艺，如双丝气体保护焊、T.I.M.E焊、热丝TIG焊、热丝等离子焊等先进的工艺方法，这些工艺方法不仅有效地保证了优良的焊接接头，还使焊接速度和熔敷效率提高数倍至几十倍。
2.2 焊接机器人系统仿真技术
机器人研究的跨学科性是很多研究者对其着迷的关键点，在研发、设计和制造过程中经常会遇到动力学、运动学方面的问题，又因为机器人是多连杆空间结构、自由度较高，在研发过程中遇到的问题就会更加复杂多变了。以机械手的仿真技术为例，在设计过程中使用机器人理论、CAD和计算机图形设计等技术在计算机中以动画形式呈现出来，然后对机械手的操作臂控制、运动学正反解分析和实际运行中在环境中遇到的抗干扰和避让问题进行仿真模拟，通过这种方法可以很好地解决遇到的问题。
2.3 机器人专用弧焊电源技术
在研发焊接机器人时，不仅要关注机器人系统的研究、设计和机器人的焊接技术，还要对弧焊电源给予重视。弧焊电源具有良好的电气性能，能够使焊接机器人的功能得到更大发挥。近年来，弧焊逆变器的技术已趋于成熟，机器人专用弧焊逆变电源大多为单片机控制的晶体管式弧焊逆变器，并配以精细的波形控制和模糊控制技术，工作频率20～50kHz，最高可达 200kHz，焊接系统动特性优良，适合于机器人自动化和智能化焊接。还有一些特殊功能的电源，如适合铝及其铝合金TIG焊的方波交流电源、带有专家系统的焊接电源等"目前有一种采用模糊控制方法的焊接电源，可以更好地保证焊缝熔宽和熔深基本一致，不仅焊缝表面美观，还能减少焊接缺陷。弧焊电源不断向数字化方向发展，其特点是：焊接参数稳定，受网路电压波动、温升、元器件老化等因素的影响小，具有较高的重复性，焊接质量稳定、成形良好"另外，利用DS、快速响应，通过主控制系统指令精确控制逆变电源的输出，使之具有输出多种电流波形和电弧电压高速稳定调节功能，适应多种焊接方法对电源的要求。
2.4 多机器人及外围设备的协调控制技术
严格来讲，焊接机器人是一个焊接机器人系统或工作站，通常包括焊机系统、机器人控制柜、机器人本体以及送丝单元等。在实际操作中，只有将变位机、焊接机器人以及弧焊电源等进行柔性化集成，才能发挥其作用。当给定多机器人系统某项任务时，首先面临的问题是如何组织多个机器人去完成任务，如何将总体任务分配给各个成员机器人，即机器人之间怎样进行有效地合作。目前，多机器人焊接的协调控制是一个目前的研究热点问题。
2.5 焊缝跟踪技术
一般情况下弧焊就能够保证机器人的焊接质量，但在焊接工作的条件、环境、或者焊接过程中加工误差，应力精度发生变化时，往往会使焊炬偏离焊缝，致使焊缝质量缺陷甚至失败。在这种情况下，就要对焊缝进行实时测查，检测焊缝偏差，调节焊接参数和焊接路径等，以保障焊缝质量。焊缝跟踪技术是以传感器技术以及焊缝跟踪控制理论为基础的。
（1）传感器技术。近些年，随着智能技术的不断发展，在原有的基本传感器的基础上出现了一种新型的传感器，智能传感器。智能传感器技术在机器人传感研究方面起到了重要的推动作用。电弧传感器的工作原理是直接从焊接电弧本身获取焊缝偏差信息，不需要任何附加装置，具有成本低、实时性强等优点。光传感器中最具吸引力的莫过于视觉传感器。它是光传感技术与计算机的图像和视
觉处理方法有机整合后产生的技术，可以有效提高弧焊机器人的适应能力。光传感器除了视觉传感器外，还包括光谱、光纤、光电、红外等种类。
（2）焊缝跟踪控制理论与方法。智能控制的雏形是模糊控制，它借鉴了人类思维的模糊性，结合模糊数学中的模糊关系、推理和决策等得出了控制动作。模糊控制具有鲁棒性和自适应等优点，能够很好地适应时变的焊接机器人系统，它为机器人焊接技术的发展和研究奠定了一个良好的技术基础。
神经网络控制是由人类大脑神经的工作机理受到启发而研究出的控制系统，对非线性的、时变的焊接系统具有很好的适应能力。机器人通过人工神经网络的硬件和软件系统能够对环境和工作进行记忆、联想和学习。和传统的专家系统不同，神经网络在对焊接参数的处理上有其独特特点：
系统在经历的环境和任务中能够进行学习，在遇到事件时，系统可以根据实验数据或经历过的事例中进行数据记录和调出，无需专家指导。
由于神经网络算法的自身特点，使用神经网络系统的机器人接收到的数据可以是模糊的或是不精确、不完整的。
输入和输出数据的关系没有直接关系时，是没有成型的算法或模型可以使用的。
2.6机器人离线编程与路径规划技术
机器人离线编程系统是机器人编程语言的拓广，它利用计算机图形学的成果，建立起机器人及其工作环境的模型，利用一些规划算法，通过对图形的控制和操作，在不使用实际机器人的情况下进行轨迹规划，进而产生机器人程序。自动编程技术的核心是焊接任务、焊接参数、焊接路径和轨迹的规划技术。针对弧焊应用，自动编程技术可以表述为在编程各阶段中辅助编程者完成独立的具有一定实施目的和结果的编程任务技术，具有智能化程度高、编程质量和效率高等特点。离线编程技术的理想目标是实现全自动编程，即只需输入工件模型，离线编程系统中的专家系统会自动制定相应的工艺过程，并最终生成整个加工过程的机器人程序。目前，还不能实现全自动编程，自动编程技术是当前研究的重点。
2.7遥控焊接技术
遥控焊接是指人离开现场在安全环境中对焊接设备和焊接过程进行远程监视和控制，从而完成完整的焊接工作。如核电站设备的维修，海洋工程建设以及未来的空间站建设中都要用到焊接，这些环境中的焊接工作不适合人亲临现场，而目前的技术水平还不可能实现完全的自主焊接，因此需要采用遥控焊接技术。目前美国、欧洲、日本等对遥控焊接进行了深入的研究，国内哈尔滨工业大学也正在进行这方面的研究。
3 焊接机器人技术的发展趋势
3.1 虚拟现实
虚拟现实技术是一种包括 3D 电脑图形学技术、多功能传感器的交互接口技术和高清显示技术在内的对事件的现实性从空间和时间上进行分解后重新组合的技术，它能够被用在临场感通讯和遥控机器人等方面。另外，虚拟现实技术还能够被用于焊接过程的模拟，这样一来我们就可以在实际焊接之前先在电脑上先完成c数字化d焊接过程，再用已经完成的数字化操作来指导实际的焊接工作。这一仿真过程可以让用户在还没有进行后期焊接就可先了解未来产品的情况，进而达到有效预测评价生产系统的性能的效果，而且实际操作前先进行仿真实验，可以对各种工艺方案进行比较，进而选取和优化多机器人焊接轨迹。
3.2 焊接机器人控制系统
开放式、模块化控制系统将是焊接机器人控制系统研究的重点方向。其他的研究热点还有基于PC机网络式控制器以及机器人控制器的标准化和网络化。离线编程的实用化将是在线编程的可操作性之外的编程技术的研究重点。
3.3 多传感器信息智能融和技术
随着传感器种类和数量愈来愈多地使用在机器人系统中，诸如静电电容式距离传感器、超声波触觉传感器、基于光纤陀螺惯性测量的 3D 运动传感器等各种新型传感器如雨后春笋般出现。但是，我们都知道单一传感信号在输入信息方面的可靠性不是特别保准，而智能机器人对这一条件有要求很高，所以它就无法达到其要求，在此情形下多传感器智能信息融合技术便出现了，它可以
对各种信息进行综合的处理，并通过这些信息正确理解环境，进而达到机器人系统可以准而快地处理获得的各种信息的目的。
4结论
不可否认，焊接机器人技术在以前和当前的工业发展中均扮演中十分重要的角色，在未来肯定还会继续甚至扮演越来越重要的角色。最近几年，我国在机器人弧焊电源、仿真技术与离线编程、信息传感、智能控制、焊缝跟踪等方
面进行了大量研究，并对多项技术进行了攻关。相信在不久的将来，焊接机器人将为我们在越来越广的领域提供更加优质高效的服务。
参考文献
[1]施春芳．焊接机器人技术现状和发展趋势的研究
[J]．中国科技投资，2012，6（24）.
[2]王田苗，陶永．服务机器人技术研究现状与发展趋势
[J]．中国科学：信息科学，2012，30（2）.
[3]朱万辉.七自由度焊接机器人控制系统设计
[D]．安徽工业大学，2012.
[4]宋金虎．我国焊接机器人的应用与研究现状
[J]．电焊机，2009,39（4）
[5]吕超荣.焊接机器人技术现状与发展趋势的研究
[J]．综述-研究，2015（1）
焊接机器人的技术现状与发展趋势
摘要 焊接机器人逐渐走入人类社会，在人们生产、生活中发挥着重要作用。文章介绍了焊接机器人应用意义和应用状况，从机器人用焊接工艺、焊接机器人系统仿真技术、机器人专用弧焊电源技术、多机器人及外围设备的协调控制技术、焊缝跟踪技术、离线编程与路径规划技术、遥控焊接技术七个方面阐述了焊接机器人的研究现状。并对焊接机器人技术的未来发展趋势进行了阐述。
关键词 焊接机器人、技术现状、发展趋势、智能控制
0 前言
近年来，随着我国劳动力成本的逐渐提升，以廉价劳动力为支撑的“中国制造”经济模式难以为继。焊接作为工业“裁缝”是工业生产中非常重要的加工手段，焊接质量的好坏对产品质量起着决定性的影响，同时由于焊接烟尘、弧光、金属飞溅的存在，焊接的工作环境又非常恶劣。随着先进制造技术的发
展，实现焊接产品制造的自动化、柔性化与智能化已经成为必然趋势，采用机器人焊接已经成为焊接技术自动化的主要标志。
1 焊接机器人应用的重要意义
（1）焊缝质量稳定，保证其均一性。焊接参数如焊接电流、电压、焊接速度和干伸长量等对焊接结果有着决定作用。采用机器人焊接时，每条焊缝的焊接参数都是恒定的，焊缝质量受人为因素影响较小，降低了对工人操作技术的要求，因此焊接质量稳定。而人工焊接时，焊接速度、干伸长量等都是变化的，很难做到质量的均一性。
（2）改善了劳动条件。采用机器人焊接，工人只需要做一些简单的参数调节停开机操作，远离了焊接弧光、烟雾和飞溅等。对于点焊来说，工人无需搬运笨重的手工焊钳，使工人从高强度的体力劳动中解脱出来。
（3）提高劳动生产率。机器人可 24h 连续生产。随着高速高效焊接技术的应用，采用机器人焊接，效率提高得更为明显
（4）产品周期明确，容易控制产品产量。机器人的生产节拍是固定的，因此安排生产计划非常明确。
（5）缩短产品改型换代的周期，减小相应的设备投资。可实现小批量产品的焊接自动化。机器人与专机的最大区别就是可以通过修改程序以适应不同工件的生产。
2 焊接机器人技术研究现状
现阶段，国内外对焊接机器人的技术方面的研究都主要集中在七个方面：机器人用焊接工艺、焊接机器人系统仿真技术、机器人专用弧焊电源技术、多机器人及外围设备的协调控制技术、焊缝跟踪技术、机器人离线编程与路径规划技术以及遥控焊接技术。
2.1 机器人用焊接工艺
在机器人焊接方面，目前最常用的弧焊技术是气体保护焊，这种方法主要包括融化极氩弧焊和富氩混合气体保护焊。其次是钨极氩气保护焊，等离子弧焊、
切割以及机器人激光焊的数量有限，比例较低。国外先进国家的弧焊机器人已普遍采用高速、高效气体保护焊接工艺，如双丝气体保护焊、T.I.M.E焊、热丝TIG焊、热丝等离子焊等先进的工艺方法，这些工艺方法不仅有效地保证了优良的焊接接头，还使焊接速度和熔敷效率提高数倍至几十倍。
2.2 焊接机器人系统仿真技术
机器人研究的跨学科性是很多研究者对其着迷的关键点，在研发、设计和制造过程中经常会遇到动力学、运动学方面的问题，又因为机器人是多连杆空间结构、自由度较高，在研发过程中遇到的问题就会更加复杂多变了。以机械手的仿真技术为例，在设计过程中使用机器人理论、CAD和计算机图形设计等技术在计算机中以动画形式呈现出来，然后对机械手的操作臂控制、运动学正反解分析和实际运行中在环境中遇到的抗干扰和避让问题进行仿真模拟，通过这种方法可以很好地解决遇到的问题。
2.3 机器人专用弧焊电源技术
在研发焊接机器人时，不仅要关注机器人系统的研究、设计和机器人的焊接技术，还要对弧焊电源给予重视。弧焊电源具有良好的电气性能，能够使焊接机器人的功能得到更大发挥。近年来，弧焊逆变器的技术已趋于成熟，机器人专用弧焊逆变电源大多为单片机控制的晶体管式弧焊逆变器，并配以精细的波形控制和模糊控制技术，工作频率20～50kHz，最高可达 200kHz，焊接系统动特性优良，适合于机器人自动化和智能化焊接。还有一些特殊功能的电源，如适合铝及其铝合金TIG焊的方波交流电源、带有专家系统的焊接电源等"目前有一种采用模糊控制方法的焊接电源，可以更好地保证焊缝熔宽和熔深基本一致，不仅焊缝表面美观，还能减少焊接缺陷。弧焊电源不断向数字化方向发展，其特点是：焊接参数稳定，受网路电压波动、温升、元器件老化等因素的影响小，具有较高的重复性，焊接质量稳定、成形良好"另外，利用DS、快速响应，通过主控制系统指令精确控制逆变电源的输出，使之具有输出多种电流波形和电弧电压高速稳定调节功能，适应多种焊接方法对电源的要求。
2.4 多机器人及外围设备的协调控制技术
严格来讲，焊接机器人是一个焊接机器人系统或工作站，通常包括焊机系统、机器人控制柜、机器人本体以及送丝单元等。在实际操作中，只有将变位机、焊接机器人以及弧焊电源等进行柔性化集成，才能发挥其作用。当给定多机器人系统某项任务时，首先面临的问题是如何组织多个机器人去完成任务，如何将总体任务分配给各个成员机器人，即机器人之间怎样进行有效地合作。目前，多机器人焊接的协调控制是一个目前的研究热点问题。
2.5 焊缝跟踪技术
一般情况下弧焊就能够保证机器人的焊接质量，但在焊接工作的条件、环境、或者焊接过程中加工误差，应力精度发生变化时，往往会使焊炬偏离焊缝，致使焊缝质量缺陷甚至失败。在这种情况下，就要对焊缝进行实时测查，检测焊缝偏差，调节焊接参数和焊接路径等，以保障焊缝质量。焊缝跟踪技术是以传感器技术以及焊缝跟踪控制理论为基础的。
（1）传感器技术。近些年，随着智能技术的不断发展，在原有的基本传感器的基础上出现了一种新型的传感器，智能传感器。智能传感器技术在机器人传感研究方面起到了重要的推动作用。电弧传感器的工作原理是直接从焊接电弧本身获取焊缝偏差信息，不需要任何附加装置，具有成本低、实时性强等优点。光传感器中最具吸引力的莫过于视觉传感器。它是光传感技术与计算机的图像和视
觉处理方法有机整合后产生的技术，可以有效提高弧焊机器人的适应能力。光传感器除了视觉传感器外，还包括光谱、光纤、光电、红外等种类。
（2）焊缝跟踪控制理论与方法。智能控制的雏形是模糊控制，它借鉴了人类思维的模糊性，结合模糊数学中的模糊关系、推理和决策等得出了控制动作。模糊控制具有鲁棒性和自适应等优点，能够很好地适应时变的焊接机器人系统，它为机器人焊接技术的发展和研究奠定了一个良好的技术基础。
神经网络控制是由人类大脑神经的工作机理受到启发而研究出的控制系统，对非线性的、时变的焊接系统具有很好的适应能力。机器人通过人工神经网络的硬件和软件系统能够对环境和工作进行记忆、联想和学习。和传统的专家系统不同，神经网络在对焊接参数的处理上有其独特特点：
系统在经历的环境和任务中能够进行学习，在遇到事件时，系统可以根据实验数据或经历过的事例中进行数据记录和调出，无需专家指导。
由于神经网络算法的自身特点，使用神经网络系统的机器人接收到的数据可以是模糊的或是不精确、不完整的。
输入和输出数据的关系没有直接关系时，是没有成型的算法或模型可以使用的。
2.6机器人离线编程与路径规划技术
机器人离线编程系统是机器人编程语言的拓广，它利用计算机图形学的成果，建立起机器人及其工作环境的模型，利用一些规划算法，通过对图形的控制和操作，在不使用实际机器人的情况下进行轨迹规划，进而产生机器人程序。自动编程技术的核心是焊接任务、焊接参数、焊接路径和轨迹的规划技术。针对弧焊应用，自动编程技术可以表述为在编程各阶段中辅助编程者完成独立的具有一定实施目的和结果的编程任务技术，具有智能化程度高、编程质量和效率高等特点。离线编程技术的理想目标是实现全自动编程，即只需输入工件模型，离线编程系统中的专家系统会自动制定相应的工艺过程，并最终生成整个加工过程的机器人程序。目前，还不能实现全自动编程，自动编程技术是当前研究的重点。
2.7遥控焊接技术
遥控焊接是指人离开现场在安全环境中对焊接设备和焊接过程进行远程监视和控制，从而完成完整的焊接工作。如核电站设备的维修，海洋工程建设以及未来的空间站建设中都要用到焊接，这些环境中的焊接工作不适合人亲临现场，而目前的技术水平还不可能实现完全的自主焊接，因此需要采用遥控焊接技术。目前美国、欧洲、日本等对遥控焊接进行了深入的研究，国内哈尔滨工业大学也正在进行这方面的研究。
3 焊接机器人技术的发展趋势
3.1 虚拟现实
虚拟现实技术是一种包括 3D 电脑图形学技术、多功能传感器的交互接口技术和高清显示技术在内的对事件的现实性从空间和时间上进行分解后重新组合的技术，它能够被用在临场感通讯和遥控机器人等方面。另外，虚拟现实技术还能够被用于焊接过程的模拟，这样一来我们就可以在实际焊接之前先在电脑上先完成c数字化d焊接过程，再用已经完成的数字化操作来指导实际的焊接工作。这一仿真过程可以让用户在还没有进行后期焊接就可先了解未来产品的情况，进而达到有效预测评价生产系统的性能的效果，而且实际操作前先进行仿真实验，可以对各种工艺方案进行比较，进而选取和优化多机器人焊接轨迹。
3.2 焊接机器人控制系统
开放式、模块化控制系统将是焊接机器人控制系统研究的重点方向。其他的研究热点还有基于PC机网络式控制器以及机器人控制器的标准化和网络化。离线编程的实用化将是在线编程的可操作性之外的编程技术的研究重点。
3.3 多传感器信息智能融和技术
随着传感器种类和数量愈来愈多地使用在机器人系统中，诸如静电电容式距离传感器、超声波触觉传感器、基于光纤陀螺惯性测量的 3D 运动传感器等各种新型传感器如雨后春笋般出现。但是，我们都知道单一传感信号在输入信息方面的可靠性不是特别保准，而智能机器人对这一条件有要求很高，所以它就无法达到其要求，在此情形下多传感器智能信息融合技术便出现了，它可以
对各种信息进行综合的处理，并通过这些信息正确理解环境，进而达到机器人系统可以准而快地处理获得的各种信息的目的。
4结论
不可否认，焊接机器人技术在以前和当前的工业发展中均扮演中十分重要的角色，在未来肯定还会继续甚至扮演越来越重要的角色。最近几年，我国在机器人弧焊电源、仿真技术与离线编程、信息传感、智能控制、焊缝跟踪等方
面进行了大量研究，并对多项技术进行了攻关。相信在不久的将来，焊接机器人将为我们在越来越广的领域提供更加优质高效的服务。
参考文献
[1]施春芳．焊接机器人技术现状和发展趋势的研究
[J]．中国科技投资，2012，6（24）.
[2]王田苗，陶永．服务机器人技术研究现状与发展趋势
[J]．中国科学：信息科学，2012，30（2）.
[3]朱万辉.七自由度焊接机器人控制系统设计
[D]．安徽工业大学，2012.
[4]宋金虎．我国焊接机器人的应用与研究现状
[J]．电焊机，2009,39（4）
[5]吕超荣.焊接机器人技术现状与发展趋势的研究
[J]．综述-研究，2015（1）