焊接机器人的应用及发展现状

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1、.华 中 科 技 大 学研究生课程考试答题本考生 考生* 系、年级 类 别 考试科目 考试日期 年 月 日评 分题 号得 分题 号得 分总 分：评卷人：注意：1、无评卷人签名试卷无效 2、必须用钢笔或者圆珠笔阅卷，使用红色。用铅笔阅卷无效题号回 答 容得分焊接机器人的应用与开展【论文摘要】：简要介绍了机器人焊接技术开展历程、应用现状，从焊缝跟踪技术、离线编程与路径规划技术、多机器人协调控制技术、专用弧焊电源技术、焊接机器人系统仿真技术、机器人用焊接工艺方法、遥控焊接技术等七个方面论述了焊接机器人技术的研究现状，并对焊接机器人技术的未来开展趋势做出了展望，其中视觉控制技术、模糊控制技术、神经网络

2、控制及嵌入式控制技术将是焊接机器人智能化技术开展的主要方向。【关键词】：焊接机器人；技术现状；智能化；控制技术；开展趋势前言 1、 焊接机器人的开展历程自从世界上第一台工业机器人UNIMATE于1959年在美国诞生以来，机器人的应用和技术开展经历了三个阶段：第一代是示教再现型机器人。这类机器人操作简单，不具备外界信息的反应能力，难以适应工作环境的变化，在现代化工业生产中的应用受到很大限制。第二代是具有感知能力的机器人。这类机器人对外界环境有一定的感知能力，具备如听觉、视觉、触觉等功能，工作时借助传感器获得的信息，灵活调整工作状态，保证在适应环境的情况下完成工作。第三代是智能型机器人。这类机器人

3、不但具有感觉能力，而且具有独立判断、行动、记忆、推理和决策的能力，能适应外部对象、环境协调地工作，能完成更加复杂的动作，智能机器人还具备故障自我诊断及修复能力。焊接机器人就是在焊接生产领域代替焊工从事焊接任务的工业机器人。早期的焊接机器人缺乏柔性，焊接路径和焊接参数须根据实际作业条件预先设置，工作时存在明显的缺点。随着计算机控制技术、人工智能技术以及网络控制技术的开展，焊接机器人也由单一的单机示教再现型向以智能化为核心的多传感、智能化的柔性加工单元系统方向开展。2、 焊接机器人国外应用现状焊接机器人具有焊接质量稳定、改善工人劳动条件、提高劳动生产率等特点，广泛应用于汽车、工程机械、通用机械、金

4、属构造和兵器工业等行业。据不完全统计，全世界在役的工业机器人约有一半用于各种形式的焊接加工领域。截止2005年全世界在役工业机器人约为91.4万套，其中日本装备的工业机器人总量到达了50万台以上，成为机器人王国，其次是美国和德国；在亚洲，日本、国和新加坡的制造业中每万名雇员占有的工业机器人数量居世界前三位。近几年，全球机器人的数量在迅速增加，仅2005年就达12.1万台。我国自上个世纪70年代末开场进展工业机器人的研究，经过二十多年的开展，在技术和应用方面均取得了长足的开展，对国民经济尤其是制造业的开展起到了重要的推动作用。据不完全统计，最近几年我国工业机器人呈现出快速增长势头，平均每年的增长

5、率都超过40%,焊接机器人的增长率超过了60%；2004年国产工业机器人数量突破1400台，进口机器人数量超过9000台，这其中的绝大多数都应用于焊接领域；2005年我国新增机器人数量超过了5000台，但仅占亚洲新增数量的6%，远小于国所占的 15%，更远小于日本所占的69%。这样的增长速度相对于我国的经济开展速度以及经济总量来说显然是不匹配的，这说明我国制造业的自动化程度有待进一步提高，另一方面也反映了我国劳动力本钱的低廉，制造业自动化水平以及工业机器人应用程度的提高受到限制。当前焊接机器人的应用迎来了难得的开展机遇。一方面，随着技术的开展，焊接机器人的价格不断下降，性能不断提升；另一方面，

6、劳动力本钱不断上升，我国经济的开展，由制造大国向制造强国迈进，需要提升加工手段，提高产品质量和增加企业竞争力，这一切预示着机器人应用及开展前景空间巨大。3、 焊接机器人的开展趋势焊接机器人在高质量、高效率的焊接生产中，发挥了极其重要的作用。工业机器人技术的研究、开展与应用，有力地推动了世界工业技术的进步。近年来，焊接机器人技术的研究与应用在焊缝跟踪、信息传感、离线编程与路径规划、智能控制、电源技术、仿真技术、焊接工艺方法、遥控焊接技术等方面取得了许多突出的成果。随着计算机技术、网络技术、智能控制技术、人工智能理论以及工业生产系统的不断开展，焊接机器人技术领域还有很多亟待我们去认真研究的问题，特

7、别是焊接机器人的视觉控制技术、模糊控制技术、智能化控制技术、嵌入式控制技术、虚拟现实技术、网络控制技术等方面将是未来研究的主要方向。二、焊接机器人的开展 据不完全统计，全世界在役的工业机器人约有将近一半的工业机器人用于各种形式的焊接加工领域，焊接机器人应用中最普遍的主要有两种方式，即点焊和电弧焊。我们所说的焊接机器人其实就是在焊接生产领域代替焊工从事焊接任务的工业机器人。这些焊接机器人中有的是为*种焊接方式专门设计的，而大多数的焊接机器人其实就是通用的工业机器人装上*种焊接工具而构成的。在多任务环境中，一台机器人甚至可以完成包括焊接在的抓物、搬运、安装、焊接、卸料等多种任务，机器人可以根据程序

8、要求和任务性质，自动更换机器人手腕上的工具，完成相应的任务。因此，从*种意义上来说，工业机器人的开展历史就是焊接机器人的开展历史。2.1、 焊接机器人国外应用现状从机器人诞生到本世纪80年代初，机器人技术经历了一个长期缓慢的开展过程。到了90年代，随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速开展，机器人技术也得到了飞速开展。工业机器人的制造水平、控制速度和控制精度、可靠性等不断提高，而机器人的制造本钱和价格却不断下降。在西方社会，和机器人价格相反的是，人的劳动力本钱有不断增长的趋势。把1990年的机器人价格指数和劳动力本钱指数都作为参考值100，至2000年，劳动力本钱指数为140，增长了40

9、%；而机器人在考虑质量因素的情况下价格指数低于20，降低了80%，在不考虑质量因素的情况下，机器人的价格指数约为40，降低了60%.这里，不考虑质量因素的机器人价格是指现在的机器人实际价格与过去相比拟；而考虑质量因素是指由于机器人制造工艺技术水平的提高，机器人的制造质量和性能即使在同等价格的条件下也要比以前高，因此，如果按过去的机器人同等质量和性能考虑，机器人的价格指数应该更低。由此可以看出，在西方国家，由于劳动力本钱的提高为企业带来了不小的压力，而机器人价格指数的降低又恰巧为其进一步推广应用带来了契机。减少员工与增加机器人的设备投资，在两者费用到达*一平衡点的时候，采用机器人的利显然要比采用

10、人工所带来的利大，它一方面可大大提高生产设备的自动化水平，从而提高劳动生产率，同时又可提升企业的产品质量，提高企业的整体竞争力。虽然机器人一次性投资比拟大，但它的日常维护和消耗相对于它的产出远比完成同样任务所消耗的人工费用小。因此，从长远看，产品的生产本钱还会大大降低。而机器人价格的降低使一些中小企业投资购置机器人变得轻而易举。因此，工业机器人的应用在各行各业得到飞速开展。根据UNECE的统计，2001年全世界有75万台工业机器人用于工业制造领域，其中38.9万在日本、19.8万在欧盟、9万在北美，7.3万在其余国家。至2004年底全世界在役的工业机器人至少有约100万。我国的工业机器人从80

11、年代七五科技攻关开场起步，目前已根本掌握了机器人操作机的设计国的工业机制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了局部机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人；弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如：可靠性低于国外产品；机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距；应用规模小，没有形成机器人产业。当前我国的机器人生产都是应用户的要求，单户单次重新设计，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、本钱也不低，而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的

12、关键技术，对产品进展全面规划，搞好系列化、通用化、模块化设计，积极推进产业化进程。2.2、 焊接机器人在焊接生产中的应用众所周知，焊接加工一方面要求焊工要有熟练的操作技能、丰富的实践经历、稳定的焊接水平；另一方面，焊接又是一种劳动条件差、烟尘多、热辐射大、危险性高的工作。工业机器人的出现使人们自然而然首先想到用它代替人的手工焊接，减轻焊工的劳动强度，同时也可以保证焊接质量和提高焊接效率。然而，焊接又与其它工业加工过程不一样，比方，电弧焊过程中，被焊工件由于局部加热熔化和冷却产生变形，焊缝的轨迹会因此而发生变化。手工焊时有经历的焊工可以根据眼睛所观察到的实际焊缝位置适时地调整焊枪的位置、姿态和行

13、走的速度，以适应焊缝轨迹的变化。然而机器人要适应这种变化，必须首先像人一样要看到这种变化，然后采取相应的措施调整焊枪的位置和状态，实现对焊缝的实时跟踪。由于电弧焊接过程中有强烈弧光、电弧噪音、烟尘、熔滴过渡不稳定引起的焊丝短路、大电流强磁场等复杂的环境因素的存在，机器人要检测和识别焊缝所需要的信号特征的提取并不像工业制造中其它加工过程的检测则容易，因此，焊接机器人的应用并不是一开场就用于电弧焊过程的。实际上，工业机器人在焊接领域的应用最早是从汽车装配生产线上的电阻点焊开场的。原因在于电阻点焊的过程相比照拟简单，控制方便，且不需要焊缝轨迹跟踪，对机器人的精度和重复精度的控制要求比拟低。点焊机器人

14、在汽车装配生产线上的大量应用大大提高了汽车装配焊接的生产率和焊接质量，同时又具有柔性焊接的特点，即只要改变程序，就可在同一条生产线上对不同的车型进展装配焊接。工业机器人的构造形式很多，常用的有直角坐标式、柱面坐标式、球面坐标式、多关节坐标式、伸缩式、爬行式等等，根据不同的用途还在不断开展之中。焊接机器人根据不同的应用场合可采取不同的构造形式，但目前用得最多的是模仿人的手臂功能的多关节式的机器人，这是因为多关节式机器人的手臂灵活性最大，可以使焊枪的空间位置和姿态调至任意状态，以满足焊接需要。理论上讲，机器人的关节愈多，自由度也愈多，关节冗余度愈大，灵活性愈好；但同时也给机器人逆运动学的坐标变换和

15、各关节位置的控制带来复杂性。因为焊接过程中往往需要把以空间直角坐标表示的工件上的焊缝位置转换为焊枪端部的空间位置和姿态，再通过机器人逆运动学计算转换为对机器人每个关节角度位置的控制，而这一变换过程的解往往不是唯一的，冗余度愈大，解愈多。如何选取最适宜的解对机器人焊接过程中运动的平稳性很重要。不同的机器人控制系统对这一问题的处理方式不尽一样。一般来讲，具有6个关节的机器人根本上能满足焊枪的位置和空间姿态的控制要求，其中3个自由度(*YZ)用于控制焊枪端部的空间位置，另外3个自由度(ABC)用于控制焊枪的空间姿态。因此，目前的焊接机器人多数为6关节式的。对于有些焊接场合，工件由于过大或空间几何形状过于复杂，使焊接机器人的焊枪无法到达指定的焊缝位置或焊枪姿态，这时必须通过增加13个外部轴的方法增加机器人的自由度。通常有两种做法：一是把机器人装于可以移动的轨道小车或龙门架上，扩大机器人本身的作业空间；二是让工件移动或转动，使工件上的焊接部位进入机器人的作业空间。也有的同时采用上述两种方法，让工件的焊接部位和机器人都处于最正确焊接位置。由于机器人控制速度和精度的提高，尤其是电弧传感器的开发并在机器人焊接中得到应用，使机器人电弧焊的焊缝轨迹跟踪和控制问题在一定程度上得到很好解决，机器人焊接在汽车制造中的应用从原来比拟单一的汽车