摘要：随着科技的飞速发展，我国焊接机器人在焊接领域做了相关的研究。综述了国内外焊接机器人技术发展概况以及我国焊接机器人的应用现状。针对焊接机器人价格昂贵、编程复杂、寻位及清枪时间过长等问题，提出了我国焊接机器人技术的研究重点及发展趋势，即焊接机器人用弧焊电源技术、传感技术、焊缝自动识别与跟踪技术、焊缝成形质量控制技术、遥控焊接技术、离线编程与仿真技术以及多台焊接机器人及外围设备的协调控制技术。
关键词：焊接机器人；智能化焊接；传感技术
引言
目前，焊接在各行各业都有所应用。焊接的现场环境相对来说较为恶劣，焊接过程中产生的有害气体、弧光等会对焊工的身体造成一定的伤害。另一方面焊接工艺过程相对来说比较复杂，在人工焊接过程中焊工需要长时间保持某一固定的姿态，其工作强度较大、焊接生产效率不高、焊接质量不太稳定。近几十年来，随着自动控制理论、计算机技术、电子技术和通讯技术等的飞速发展，自动化焊接方法尤其是机器人焊接技术得到了迅速发展。用自动化焊接方法代替人工焊接已经成为全球工业制造必然的发展趋势，在一些行业中将逐步替代传统的人工焊接。自二十世纪以来，焊接自动化技术的应用在我国越来越普遍，当前在汽车工业、大型管道等产品的制造过程中，已用焊接机器人实现了大量焊接接头的连接，并且在某些具体的工业生产中尤其是汽车制造中已形成了一套高生产效率、高焊接质量的焊接自动生产线，大力推动了焊接在工业生产中的规模化、机械化和自动化。机器人焊接技术在显著提高焊接生产效率的同时，还提升了产品焊接质量，改变了工人的操作环境，很大程度上降低了工人的劳动强度。焊接过程中采用优良的焊接工艺是保证焊接产品质量和提高焊接生产效率的关键要素和重要手段。当前关于焊接机器人的研究，科研院所主要进行焊接机器人传感技术、焊接机器人电动机技术、机器人变位机技术、不同机器人共同焊接的协调控制技术、机器人本体机械结构优化的研究；高职院校主要进行焊接机器人示教-再现操作、焊接机器人基本功能运用及焊接机器人调试和故障排除等的探索。
1国内外发展状况
从1959年美国发明首台工业机器人到今天，工业机器人技术的发展经历了突飞猛进的变化。依据焊接机器人的发展历史来看，可以简单的概括为经历了三代:
第一代焊接机器人是“示教-再现”型机器人
目前，这种焊接机器人普遍应用于各种实际焊接生产线中。这种机器人操作简便，只需要焊接操作人员通过编辑焊接程序完成机器人示教工作，再让机器人进行再现焊接。但这类机器人不能够对外界的信息进行反馈，其应变能力差，很难适应外界环境的变化。第二代“感知”型焊接机器人。
第二代焊接机器人主要是基于一定的传感技术而发展起来的
这代机器人对外界环境有一定的感知能力，能够获取作业过程中的一些信息，并能对信息进行分析和处理，控制机器人的动作。随着焊接电子信息及传感器技术广泛研究和离线编程技术的高速发展，这类机器人现在已投入生产应用阶段，将逐渐替代第一代傻瓜式焊接机器人。
第三代“智能”型焊接机器人
这类机器人自身配有如同人五官的各类功能传感器，可自主编程，有逻辑思维、判断和决策能力，对焊接环境的变化具有高度自适应性。由于当前机器人人工智能技术发展不完善，这种机器人处在探索阶段。目前，国内外焊接工业生产中应用的绝大多数焊接机器人，主要属于第一代“示教-再现”或者准二代“感知”型机器人。这两种焊接机器人虽然能相对准确地再现示教的内容，但具有对焊接环境条件进行认知和精确应变的能力。我国当前的生产制造、焊前下料、工装夹具等很难保证焊接机器人焊接要求的精度，即使发达国家也只能在某些特定产品的局部工位上达到规定的要求。再加上焊接本身是一个涉及电、磁、热、光等的工艺，其生产过程具有一定的特殊性和复杂性，这使得现有的第一代或第二代“感知”型焊接机器人在应用中受到了极大的约束。
2对焊接机器人的探索研究
2.1焊接机器人的传感技术
传感器在焊接机器人焊接过程中所起的作用越来越重要，一方面一些速度、加速度、位移传感器被用于实时测定焊接过程中的焊接速度、位移等；另一方面，为了保证焊接自动化生产过程中焊接结构的装配精确、实现焊接过程中的准确定位等，还需配置一些位置传感器，如接近式位置传感器。除此之外，在机器人自动焊中为了实现焊接熔池及焊缝成型的实时监测，焊接机器人中还需配置激光、视觉传感器等。
2.2焊接机器人与焊接变位的协调控制方法
在具体的工业应用中，尤其是焊接生产线中，仅仅一台焊接机器人无法完成某一复杂结构的焊接，这需要若干台甚至大量焊接机器人之间、焊接机器人与焊接变位机之间能够协同工作，提高产品焊接效率。
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2.3焊接机器人本体结构的进一步优化
当前对于焊接机器人，人们在不断开发各种强度高、密度轻的材料，用于降低焊接机器人自重、提高机器人的负载能力，使焊接机器人更高效率、更节能的进行焊接生产。
3焊接机器人技术发展趋势
针对目前机器人技术的发展状况，焊接机器人与其它的一些工业机器人相似，都将向着通用化、智能化、柔性化等的方向不断发展。具体的表现包括以下几个部分：
3.1焊接机器人系统的智能化
焊接机器人的焊接过程是一个较为复杂的过程，设涉及到电、磁、热、光等多方面的问题，各种因素基本都是一个非线性的过程，很难建立一个精确的数学模型实现智能控制。由于人工神经网络具有十分强大的自我学习能力、自适应性、大信息容量高速计算等的特点，使其逐渐用于焊接机器人系统将成为焊接机器人复杂智能化系统的发展方向。
3.2焊接机器人通用型控制转变
基于PC机控制的焊接机器系统，能把声音识别、图像处理、人工智能等一系列的研究成果更好的应用于实际工程生产中。同时，还有效的解决了焊机专用控制器的实时性差等的不足。
3.3智能焊接机器人调控技术的发展
随着当前生产系统的不断发展和升级以及焊接过程中的机械化与智能化，多智能焊接机器人调控技术的发展是重要发展方向之一。当前关于焊接机器人的研究，多智能焊接机器人调控技术仍是一个全新的研究方向。
3.4焊接机器人的多元化
焊接机器个性化、网络化、精密化、柔性化等，无论是控制系统与传感技术，还是虚拟机技术与焊接机器人性价比问题，都将是焊接机器人今后研究的重点方向。但是要把这些研究成果广泛的应用到焊接实际生产中，还需要继续不断的探索。由此可以看出，已知的相关报道中很少有关于焊接机器人各工艺参数对焊缝成型和焊接质量影响的系统研究。
4焊接机器人控制系统的研究
4.1焊接机器人的关键技术
焊接机器人的重要组成部分包括传感器、控制器和执行器。其中传感器的作用日益重要，焊接机器人系统中的激光传感器和力传感器等都是相对于早期机器人较为先进的技术，这些传感器的应用能够实现焊缝跟踪和自动定位等，大大提高了焊接机器人的工作性能和对工作环境的适应性。为进一步提高焊接机器人的智能化和适应性，控制系统中还应用了很多其他技术。例如，目前的技术水平还不能达到完全的自主焊接的程度，所以极为需要采用遥控焊接技术。通过遥控焊接，可以使人在离开现场的安全环境中对焊接设备和焊接过程进行远程监视和控制，从而完成整套的焊接工作。遥控焊接在一些不适合人类亲临现场的环境中就显得尤为重要了。
4.2焊接机器人的控制系统
机器人控制系统是机器人的核心，是根据控制指令以及传感器所采集的信息来控制焊接机器人完成设定的动作或指令。焊接机器人的控制系统重点研究开放式、模块化控制系统。同时，开放式机器人控制器也是当前控制系统的主流和发展趋势。现阶段应用最为广泛的便是伺服控制系统。伺服控制系统是用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统，其作用是使输出的机械位移或转角准确地跟踪输入的位移或转角。伺服控制系统的控制柜相对小巧，通过模块化结构的改变大大提高了系统的可靠性、易操作性及其可维修性。控制系统的性能进一步提高，并且实现了软件伺服和全数字控制。机器人控制器的标准化、网络化以及网络式控制器已成为目前研究的热点。
4.3遥控焊接技术
伴随经济与科技的发展，焊接作业的范围正在向核环境、地下、太空、深水、高温、极寒等极限环境延伸，在保证焊接质量的情况下，最大限度地提高人类活动的舒适度，降低人类活动的危险性，成为如今焊接发展的趋势之一，遥控焊接技术的出现有效解决了上述问题。如今遥控焊接机器人发展的热点是人机互交控制，即操作者远程遥控焊接机器人完成焊接任务。由于受技术水平的限制，目前全自动遥控焊接机器人鲜有研究，但是遥控焊接技术的自动化水平正在不断提高，其发展方向是全自动化遥控焊接机器人。在视觉传感、计算机辅助编程等技术的推动下，遥控焊接技术越来越高效、优质、稳定，其应用范围在不断扩大。
4.4离线编程与仿真技术
目前机器人焊接生产领域采用的焊接编程方法主要是示教编程，此种编程方式对编程人员及焊接机器人均存在一定的安全风险。同时，焊接产品的制造正朝着多品种、小批量且复杂化的柔性制造方向发展，焊接编程的作业空间向太空、深水、核环境等极限环境延伸，这些因素均不利于示教编程的实施。离线编程与仿真技术的出现，可有效解决上述问题。
5结语
综上所述，我国在焊接领域还要继续深入研究。对于很多在实际应用中可能出现的问题考虑并不是很深刻。所以，在我国工业制造的智能化转变中，这种焊接机器人的研发和应用就显得尤为重要。另一方面，还要加强对焊接机器人的实际应用，及时发现问题，解决问题。可以想象，在未来焊接机器人会向着集成化方向发展，具有感知环境变化的适应能力，智能水平大幅提高。
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论文作者:张成武
论文发表刊物:《防护工程》2018年第2期
论文发表时间:2018/5/30
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