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                      ABOUT FANCHENG

                      工業機器人綜合服務商

                      焊接機器人應用現狀及發展趨勢

                      來源 : www.tianezhen.com   發布時間 : 2020/6/30 18:23:00

                      據不完全統計,全世界在役的工業機器人中大約有將近一

                      半的工業機器人用于各種形式的焊接加工領域,焊接機器人

                      用中最普遍的主要有兩種方式,即點焊和電弧焊。圖 4 所示是

                      這兩種焊接機器人在工業機器人中所占的大致比例。我們所說

                      的焊接機器人其實就是在焊接生產領域代替焊工從事焊接任

                      務的工業機器人。這些焊接機器人中有的是為某種焊接方式專

                      門設計的,而大多數的焊接機器人其實就是通用的工業機器人

                      裝上某種焊接工具而構成的。在多任務環境中,一臺機器人甚

                      至可以完成包括焊接在內的抓物、搬運、安裝、焊接、卸料等

                      多種任務,機器人可以根據程序要求和任務性質,自動更換機

                      器人手腕上的工具,完成相應的任務。因此,從某種意義上來

                      說,工業機器人的發展歷史就是焊接機器人的發展歷史。 

                          眾所周知,焊接加工一方面要求焊工要有熟練的操作技

                      能、豐富的實踐經驗、穩定的焊接水平;另一方面,焊接又是

                      一種勞動條件差、煙塵多、熱輻射大、危險性高的工作。工業

                      機器人的出現使人們自然而然首先想到用它代替人的手工焊

                      接,減輕焊工的勞動強度,同時也可以保證焊接質量和提高焊

                      接效率。 

                          然而,焊接又與其它工業加工過程不一樣,比如,電弧焊

                      過程中,被焊工件由于局部加熱熔化和冷卻產生變形,焊縫的

                      軌跡會因此而發生變化。手工焊時有經驗的焊工可以根據眼睛

                      所觀察到的實際焊縫位置適時地調整焊槍的位置、姿態和行走

                      的速度,以適應焊縫軌跡的變化。然而機器人要適應這種變化,

                      必須首先像人一樣要“看”到這種變化,然后采取相應的措施

                      調整焊槍的位置和狀態,實現對焊縫的實時跟蹤。由于電弧焊

                      接過程中有強烈弧光、電弧噪音、煙塵、熔滴過渡不穩定引起

                      的焊絲短路、大電流強磁場等復雜的環境因素的存在,機器人

                      要檢測和識別焊縫所需要的信號特征的提取并不像工業制造

                      中其它加工過程的檢測那么容易,因此,焊接機器人的應用并

                      不是一開始就用于電弧焊過程的。 

                          實際上,工業機器人在焊接領域的應用最早是從汽車裝配

                      生產線上的電阻點焊開始的。原因在于電阻點焊的過程相對比

                      較簡單,控制方便,且不需要焊縫軌跡跟蹤,對機器人的精度

                      和重復精度的控制要求比較低。圖 5 所示為不同形式的機器人

                      點焊鉗。點焊機器人在汽車裝配生產線上的大量應用大大提高

                      了汽車裝配焊接的生產率和焊接質量,同時又具有柔性焊接的

                      特點,即只要改變程序,就可在同一條生產線上對不同的車型

                      進行裝配焊接。 

                          從機器人誕生到本世紀 80 年代初,機器人技術經歷了一

                      個長期緩慢的發展過程。到了 90 年代,隨著計算機技術、微

                      電子技術、網絡技術等的快速發展,機器人技術也得到了飛速

                      發展。工業機器人的制造水平、控制速度和控制精度、可靠性

                      等不斷提高,而機器人的制造成本和價格卻不斷下降。在西方

                      社會,和機器人價格相反的是,人的勞動力成本有不斷增長的

                      趨勢。圖 6 所示是聯合國歐洲經濟委員會(UNECE)統計的從

                      1990年至2000 年的機器人價格指數和勞動力成本指數的變化

                      曲線。圖中,把 1990 年的機器人價格指數和勞動力成本指數

                      都作為參考值 100,至 2000 年,勞動力成本指數為 140,增長

                      了 40%;而機器人在考慮質量因素的情況下價格指數低于 20,

                      降低了 80%,在不考慮質量因素的情況下,機器人的價格指數

                      約為 40,降低了 60%.這里,不考慮質量因素的機器人價格是

                      指現在的機器人實際價格與過去相比較;而考慮質量因素是指

                      由于機器人制造工藝技術水平的提高,機器人的制造質量和性

                      能即使在同等價格的條件下也要比以前高,因此,如果按過去

                      的機器人同等質量和性能考慮,機器人的價格指數應該更低。

                       

                          由此可以看出,在西方國家,由于勞動力成本的提高為企

                      業帶來了不小的壓力,而機器人價格指數的降低又恰巧為其進

                      一步推廣應用帶來了契機。減少員工與增加機器人的設備投

                      資,在兩者費用達到某一平衡點的時候,采用機器人的利顯然

                      要比采用人工所帶來的利大,它一方面可大大提高生產設備的

                      自動化水平,從而提高勞動生產率,同時又可提升企業的產品

                      質量,提高企業的整體競爭力。雖然機器人一次性投資比較大,

                      但它的日常維護和消耗相對于它的產出遠比完成同樣任務所

                      消耗的人工費用小。因此,從長遠看,產品的生產成本還會大

                      大降低。而機器人價格的降低使一些中小企業投資購買機器人

                      變得輕而易舉。因此,工業機器人的應用在各行各業得到飛速

                      發展。根據 UNECE 的統計,2001 年全世界有 75 萬臺工業機器

                      人用于工業制造領域,其中 38.9 萬在日本、19.8 萬在歐盟、

                      9 萬在北美,7.3 萬在其余國家。至 2004 年底全世界在役的工

                      業機器人至少有約 100 萬。 

                          由于機器人控制速度和精度的提高,尤其是電弧傳感器的

                      開發并在機器人焊接中得到應用,使機器人電弧焊的焊縫軌跡

                      跟蹤和控制問題在一定程度上得到很好解決,機器人焊接在汽

                      車制造中的應用從原來比較單一的汽車裝配點焊很快發展為

                      汽車零部件和裝配過程中的電弧焊。機器人電弧焊的最大的特

                      點是柔性,即可通過編程隨時改變焊接軌跡和焊接順序,因此

                      最適用于被焊工件品種變化大、焊縫短而多、形狀復雜的產品。

                      這正好又符合汽車制造的特點。尤其是現代社會汽車款式的更

                      新速度非?,采用機器人裝備的汽車生產線能夠很好地適應

                      這種變化。圖 7 所示為機器人電弧焊用于焊接汽車底盤。 

                          另外,機器人電弧焊不僅用于汽車制造業,更可以用于涉

                      及電弧焊的其它制造業,如造船、機車車輛、鍋爐、重型機械

                      等等。因此,機器人電弧焊的應用范圍日趨廣泛,在數量上大

                      有超過機器人點焊之勢。 

                          隨著汽車輕量化制造技術的推廣,一些高強合金材料和輕

                      合金材料(如鋁合金、鎂合金等)在汽車結構材料中得到應用。

                      這些材料的焊接往往無法用傳統的焊接方法來解決,必須采用

                      新的焊接方法和焊接工藝。其中高功率激光焊和攪拌摩擦焊等

                      最具發展潛力。因此,機器人與高功率激光焊和攪拌摩擦焊的

                      結合將成為必然趨勢。事實上,像上海大眾等國內最具實力的

                      汽車制造商在他們的新車型制造過程中已經大量使用機器人

                      激光焊接。圖 8 所示為其汽車車頂的機器人激光焊接。 

                          和機器人電弧焊相比,機器人激光焊的焊縫跟蹤精度要求

                      更高。根據一般的要求,機器人電弧焊(包括 GTAW 和 GMAW)的

                      焊縫跟蹤精度必須控制在電極或焊絲直徑的 1/2 以內,在具有

                      填充絲的條件下焊縫跟蹤精度可適當放寬。但對激光焊而言,

                      焊接時激光照射在工件表面的光斑直徑通常在 0.6 以內,遠小

                      于焊絲直徑(通常大于 1.0),而激光焊接時通常又不加填充焊

                      絲,因此,激光焊接中若光斑位置稍有偏差,便會造成偏焊、

                      漏焊。因此,上海大眾的汽車車頂機器人激光焊除了在工裝夾

                      具上采取措施防止焊接變形外,還在機器人激光焊槍前方安裝

                      了德國 SCOUT 公司的高精度激光傳感器用于焊縫軌跡的跟蹤。

                       

                          工業機器人的結構形式很多,常用的有直角坐標式、柱面

                      坐標式、球面坐標式、多關節坐標式、伸縮式、爬行式等等,

                      根據不同的用途還在不斷發展之中。焊接機器人根據不同的應

                      用場合可采取不同的結構形式,但目前用得最多的是模仿人的

                      手臂功能的多關節式的機器人,這是因為多關節式機器人的手

                      臂靈活性最大,可以使焊槍的空間位置和姿態調至任意狀態,

                      以滿足焊接需要。理論上講,機器人的關節愈多,自由度也愈

                      多,關節冗余度愈大,靈活性愈好;但同時也給機器人逆運動

                      學的坐標變換和各關節位置的控制帶來復雜性。因為焊接過程

                      中往往需要把以空間直角坐標表示的工件上的焊縫位置轉換

                      為焊槍端部的空間位置和姿態,再通過機器人逆運動學計算轉

                      換為對機器人每個關節角度位置的控制,而這一變換過程的解

                      往往不是唯一的,冗余度愈大,解愈多。如何選取最合適的解

                      對機器人焊接過程中運動的平穩性很重要。不同的機器人控制

                      系統對這一問題的處理方式不盡相同。 

                          一般來講,具有 6 個關節的機器人基本上能滿足焊槍的位

                      置和空間姿態的控制要求,其中 3 個自由度(XYZ)用于控制焊

                      槍端部的空間位置,另外 3 個自由度(ABC)用于控制焊槍的空

                      間姿態。因此,目前的焊接機器人多數為 6 關節式的。 

                          對于有些焊接場合,工件由于過大或空間幾何形狀過于復

                      雜,使焊接機器人的焊槍無法到達指定的焊縫位置或焊槍姿

                      態,這時必須通過增加 1~3 個外部軸的辦法增加機器人的自

                      由度。通常有兩種做法:一是把機器人裝于可以移動的軌道小

                      車或龍門架上,擴大機器人本身的作業空間;二是讓工件移動

                      或轉動,使工件上的焊接部位進入機器人的作業空間。也有的

                      同時采用上述兩種辦法,讓工件的焊接部位和機器人都處于最

                      佳焊接位置。 

                          焊接機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去有了不少改進,尤其

                      是液晶圖形顯示屏的采用使新的焊接機器人的編程界面更趨

                      友好、操作更加易。然而機器人編程時焊縫軌跡上的關鍵點坐

                      標位置仍必須通過示教方式獲取,然后存入程序的運動指令

                      中。這對于一些復雜形狀的焊縫軌跡來說,必須花費大量的時

                      間示教,從而降低了機器人的使用效率,也增加了編程人員的

                      勞動強度。目前解決的方法有 2 種: 

                          一是示教編程時只是粗略獲取幾個焊縫軌跡上的幾個關

                      鍵點,然后通過焊接機器人的視覺傳感器(通常是電弧傳感器

                      或激光視覺傳感器)自動跟蹤實際的焊縫軌跡。這種方式雖然

                      仍離不開示教編程,但在一定程度上可以減輕示教編程的強

                      度,提高編程效率。但由于電弧焊本身的特點,機器人的視覺

                      傳感器并不是對所有焊縫形式都適用。 

                          二是采取完全離線編程的辦法,使機器人焊接程序的編

                      制、焊 縫軌跡坐標位置的獲取、以及程序的調試均在一臺計算

                      機上獨立完成,不需要機器人本身的參與。機器人離線編程早

                      在多年以前就有,只是由于當時受計算機性能的限制,離線編

                      程軟件以文本方式為主,編程員需要熟悉機器人的所有指令系

                      統和語法,還要知道如何確定焊縫軌跡的空間位置坐標,因此,

                      編程工作并不輕松省時。隨著計算機性能的提高和計算機三維

                      圖形技術的發展,如今的機器人離線編程系統多數可在三維圖

                      形環境下運行,編程界面友好、方便,而且,獲取焊縫軌跡的

                      坐標位置通?梢圆捎谩疤摂M示教”(virtual Teach-in)的

                      辦法,用鼠標輕松點擊三維虛擬環境中工件的焊接部位即可獲

                      得該點的空間坐標;在有些系統中,可通過 CAD 圖形文件中事

                      先定義的焊縫位置直接生成焊縫軌跡,然后自動生成機器人程

                      序并下載到機器人控制系統。從而大大提高了機器人的編程效

                      率,也減輕了編程員的勞動強度。目前,國際市場上已有基于

                      普通 PC 機的商用機器人離線編程軟件。如 Workspace5、

                      RobotStudio 等。圖 9 所示為筆者自行開發的基于 PC 的三維

                      可視化機器人離線編程系統。該系統可針對ABB公司的IRB140

                      機器人進行離線編程,程序中的焊縫軌跡通過虛擬示教獲得,

                      并在三維圖形 

                          環境中可讓機器人按程序中的軌跡作模擬運動,以此檢驗

                      其準確性和合理性。所編程序可通過網絡直接下載給機器人控

                      制器。 

                          我國的工業機器人從 80 年代“七五”科技攻關開始起

                      步,目前已基本掌握了機器人操作機的設計制造技術、控制系

                      統硬件和軟件設計技術、運動學和軌跡規劃技術,生產了部分

                      機器人關鍵元器件,開發出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等

                      機器人;弧焊機器人已應用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的

                      來看,我國的工業機器人技術及其工程應用的水平和國外比還

                      有一定的距離,如:可靠性低于國外產品;機器人應用工程起

                      步較晚,應用領域窄,生產線系統技術與國外比有差距;應用

                      規模小,沒有形成機器人產業。 

                          當前我國的機器人生產都是應用戶的要求,單戶單次重新

                      設計,品種規格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期

                      長、成本也不低,而且質量、可靠性不穩定。因此迫切需要解

                      決產業化前期的關鍵技術,對產品進行全面規劃,搞好系列化、

                      通用化、模塊化設計,積極推進產業化進程。 

                          3、焊接機器人發展趨勢 

                          目前國際機器人界都在加大科研力度,進行機器人共性技

                      術的研究。從機器人技術發展趨勢看,焊接機器人和其它工業

                      機器人一樣,不斷向智能化和多樣化方向發展。具體而言,表

                      現在如下幾個方面: 

                          1)機器人操作機結構: 

                          通過有限元分析、模態分析及仿真設計等現代設計方法的

                      運用,實現機器人操作機構的優化設計。 

                          探索新的高強度輕質材料,進一步提高負載/自重比。例

                      如,以德國 KUKA 公司為代表的機器人公司,已將機器人并聯

                      平行四邊形結構改為開鏈結構,拓展了機器人的工作范圍,加

                      之輕質鋁合金材料的應用,大大提高了機器人的性能。此外采

                      用先進的 RV 減速器及交流伺服電機,使機器人操作機幾乎成

                      為免維護系統。 

                          機構向著模塊化、可重構方向發展。例如,關節模塊中的

                      伺服電機、減速機、檢測系統三位一體化;由關節模塊、連桿

                      模塊用重組方式構造機器人整機;國外已有模塊化裝配機器人

                      產品問市。 

                          機器人的結構更加靈巧,控制系統愈來愈小,二者正朝著

                      一體化方向發展。 

                          采用并聯機構,利用機器人技術,實現高精度測量及加工,

                      這是機器人技術向數控技術的拓展,為將來實現機器人和數控

                      技術一體化奠定了基礎。意大利 COMAU 公司,日本 FANUC 等公

                      司已開發出了此類產品。 

                          2)機器人控制系統: 

                          重點研究開放式,模塊化控制系統。向基于 PC 機的開放

                      型控 

                          制器方向發展,便于標準化、網絡化;器件集成度提高,

                      控制柜日見小巧,且采用模塊化結構;大大提高了系統的可靠

                      性、易操作性和可維修性?刂葡到y的性能進一步提高,已由

                      過去控制標準的 6 軸機器人發展到現在能夠控制 21 軸甚至 27

                      軸,并且實現了軟件伺服和全數字控制。 

                          人機界面更加友好,語言、圖形編程界面正在研制之中。

                      機器人控制器的標準化和網絡化,以及基于 PC 機網絡式控制

                      器已成為研究熱點。 

                          編程技術除進一步提高在線編程的可操作性之外,離線編

                      程的實用化將成為研究重點,在某些領域的離線編程已實現實

                      用化。 

                          3)機器人傳感技術: 

                          機器人中的傳感器作用日益重要,除采用傳統的位置、速

                      度、加速度等傳感器外,裝配、焊接機器人還應用了激光傳感

                      器、視覺傳感器和力傳感器,并實現了焊縫自動跟蹤和自動化

                      生產線上物體的自動定位以及精密裝配作業等,大大提高了機

                      器人的作業性能和對環境的適應性。 

                          遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的

                      融合技術來進行環境建模及決策控制。為進一步提高機器人的

                      智能和適應性,多種傳感器的使用是其問題解決的關鍵。其研

                      究熱點在于有效可行的多傳感器融合算法,特別是在非線性及

                      非平穩、非正態分布的情形下的多傳感器融合算法。另一問題

                      就是傳感系統的實用化。 

                          4)網絡通信功能: 

                          日本 YASKAWA 和德國 KUKA 公司的最新機器人控制器已實

                      現了與 Canbus、Profibus 總線及一些網絡的聯接,使機器人

                      由過去的獨立應用向網絡化應用邁進了一大步,也使機器人由

                      過去的專用設備向標準化設備發展。 

                          5)機器人遙控和監控技術 

                          在一些諸如核輻射、深水、有毒等高危險環境中進行焊接

                      或其它作業,需要有遙控的機器人代替人去工作。當代遙控機

                      器人系統的發展特點不是追求全自治系統,而是致力于操作者

                      與機器人的人機交互控制,即遙控加局部自主系統構成完整的

                      監控遙控操作系統,使智能機器人走出實驗室進入實用化階

                      段。美國發射到火星上的“索杰納”機器人就是這種系統成功

                      應用的最著名實例。多機器人和操作者之間的協調控制,可通

                      過網絡建立大范圍內的機器人遙控系統,在有時延的情況下,

                      建立預先顯示進行遙控等。 

                          6)虛擬機器人技術: 

                          虛擬現實技術在機器人中的作用已從仿真、預演發展到用

                      于過程控制,如使遙控機器人操作者產生置身于遠端作業環境

                      中的感覺來操縱機器人;诙鄠鞲衅、多媒體和虛擬現實以

                      及臨場感技術,實現機器人的虛擬遙操作和人機交互。 

                          7)機器人性能價格比: 

                          機器人性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性、便于

                      操作和維修),而單機價格不斷下降。由于微電子技術的快速

                      發展和大規模集成電路的應用,使機器人系統的可靠性有了很

                      大提高。過去機器人系統的可靠性 MTBF 一般為幾千小時,而

                      現在已達到 5 萬小時,可以滿足任何場合的需求。 

                          8)多智能體調控技術: 

                          這是目前機器人研究的一個嶄新領域。主要對多智能體的

                      群體體系結構、相互間的通信與磋商機理,感知與學習方法,

                      建模和規劃、群體行為控制等方面進行研究。 

                          近年來,人類的活動領域不斷擴大,機器人應用也從制造

                      領域向非制造領域發展。像海洋開發、宇宙探測、采掘、建筑、

                      醫療、農林業、服務、娛樂等行業都提出了自動化和機器人化

                      的要求。這些行業與制造業相比,其主要特點是工作環境的非

                      結構化和不確定性,因而對機器人的要求更高,需要機器人具

                      有行走功能,對外感知能力以及局部的自主規劃能力等,是機

                      器人技術的一個重要發展方向。 

                          可以預見,在 21 世紀各種先進的機器人系統將會進入人

                      類生活的各個領域,成為人類良好的助手和親密的伙伴。 

                          4、挑戰與對策 

                          進入 21 世紀,世界經濟結構正在發生重大而深刻的變革,

                      但制造業依然是世界各發達與發展中國家加快經濟發展、提高

                      國家綜合競爭力的重要途徑。 

                          我國是一個制造業大國,尚處于工業化進程之中,在未來

                      相當長的時期里,制造業仍將在國民經濟中占主導地位。在新

                      一輪國際產業結構調整中,我國正逐步成為世界最重要的制造

                      業基地之一。 

                          然而目前我國裝備制造業的整體水平與發達國家相比尚

                      有較大的差距,尤其是在戰略必爭裝備技術與競爭前核心技

                      術、基礎制造裝備與成套關鍵裝備制造技術等方面差距更大,

                      這種差距又主要體現在先進裝備的自主設計與獨立制造能力

                      差,成套與系統集成、優化能力差,技術創新和集成創新能力

                      差。這些差距已經成為制約我國制造業乃至其他行業經濟發展

                      的關鍵瓶頸問題之一。 

                          21 世紀基礎制造裝備的水平主要體現在高精度、高效率、

                      低成本和高柔性等幾個方面。高效率、高精度工藝的一個典型

                      例子是精密成形技術,其目的是盡量減少切削,甚至免除切削,

                      減少原材料的浪費,同時提高制造效率。精密成形技術在工業

                      發達國家已得到廣泛應用。柔性自動化仍是機床業發展的重要

                      趨勢之一。柔性自動化的進一步發展是敏捷生產設備。為適應

                      敏捷生產模式,人們正在探求設備自身的結構重組以及生產單

                      元的動態重組問題。 

                          另外,國外在大型、成套裝備方面有很大優勢,并且在成

                      套裝備的高技術化方面,取得了巨大的進展,已經實現了數控

                      化、柔性自動化,并大量采用工業機器人,正向著智能化、集

                      成化的方向發展。 

                          隨著我國貿易溶入全球化,我國裝備制造業從來沒有像今

                      天這樣直接地面對國際同行的有力競爭和挑戰。如何適應激烈

                      的國際競爭和快速變化的世界市場需求,不斷以高質量、低成

                      本、快速響應的手段在新的市場競爭中求得生存和發展,已是

                      我國裝備制造業不容回避的問題。同時溶入全球化也為我們提

                      供了前所未有的機遇,我們必須抓住機遇迎頭趕上。 

                          在“十五”期間,我國曾把包括焊接機器人在內的示教再

                      現型工業機器人的產業化關鍵技術作為重點研究內容之一,其

                      中包括焊接機器人(把弧焊與點焊機器人作為負載不同的一個

                      系列機器人,可兼作弧焊、點焊、搬運、裝配、切割作業)產

                      品的標準化、通用化、模塊化、系列化設計;弧焊機器人用激

                      光視覺焊縫跟蹤裝置的開發,激光發射器的選用,CCD 成象系

                      統,視覺圖象處理技術,視覺跟蹤與機器人協調控制;焊接機

                      器人的離線示教編程及工作站系統動態仿真等。 

                          在新的歷史時期,面對新的機遇和挑戰,只有一方面緊跟

                      世界科技發展的潮流,研究與開發具有自主知識產權的基礎制

                      造裝備;另一方面,仍然通過引進和消化,吸收一些現有的先

                      進技術,踩在別人的肩膀上,盡快縮短和別人的差距。并通過

                      應用研究和二次開發,實現技術創新和關鍵設備的產業化,提

                      高我國制造業在國際競爭舞臺上的地位。 

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