工业机器人焊接关键技术分析及应用分析

西安思源学院 杨宏伟 吕建新 王 娜 张 伟

近年来，随着机器人技术的日益成熟和发展，促进了焊接制造领域的技术更替。本文主要介绍了焊接机器人近年来的发展状况、关键性技术研究和应用，同时对焊接机器人市场应用前景进行了展望。

机器人作为智能制造的前沿装备，应用日趋广泛。国内机器人的应用从之初的数万台在短短几年内突涨到20万台，且还会继续有大增的空间，增长速度之快令人瞠目。在整个工业机器人当中，焊接机器人几乎占据半壁江山，它作为近代工业前沿的先行者，在传统焊接制造基础上的改型应用已经深入工业领域的方方面面，成为现代制造技术无可替代的重要角色。尤其在焊接领域工作环境非常复杂的情况下，诸如焊接过程中出现的烟气、粉沫、尘粒、弧光害、金液溅射，焊接场景非常恶劣，产能计量配比偏低、招工十分困难、利薄耗大已经成为焊接行业发展的瓶颈。将传统焊接形式与智能机器人相结合、促成机器人柔性焊接已经成为机械制造焊接加工的当务之急。

1 机器人焊接的关键技术

在机器人焊接过程的若干个环节中，当以开始进行焊接时的位置确定及引导、焊接缝隙识别和跟踪、金属高温熔化形成熔池的监测、焊缝熔透情况控制及焊接缺陷鉴定识别几个关键点，机器人焊接系统可通过传感器感知系统、传感器电弧焊接系统、传感器声学系统等诸多传感形式，使机器人焊接过程能够感知到焊接状态的变化情况，进行判断和决策，达到焊接过程质量控制之目的。

1.1 传感技术在焊接过程的应用

传感器是感知物理量变化的重要装置，它在机器人智能焊接过程中发挥了很大作用，诸如传感器视觉感知、传感器声音感知、传感电弧感知、传感器光谱强度感知、传感器温度场感知等感知技术，这些感知传感在焊接监控中发挥着很重要作用。不同的传感器在传感过程中作用机理也不相同。

（1）以电弧焊接过程的声音作为参照进行传感，此类型传感器传感正是利用了焊接过程中电弧电流电压大小的变化情况，从而感知到熔池瞬时状态的变化情况及焊接质量随之变化情况，此方法可用于监控焊接过程中电弧的波动情况、较准确预测和判断高温熔滴形成的类型。

机器人焊接时，通过前沿传感系统，连续采集机器人焊接的过程电流和过程电压，实时监控机器人焊质量及焊缝变化情况，因此该传感系统主要应用于机器人焊接熔透情况的预测、机器人焊接过程中缺陷形成原因分析等，寻找机器人电弧电流电压与焊接弧长的规律，从而进行有效的机器人焊接焊缝跟踪感知。

（2）以温度变化作为参照，传感焊接过程中温度分布情况，可以获得高温金液熔池变化数据，不会轻易受弧光影响，对熔透状态进行预测，使焊接质量有较大的提升。电弧光谱特点是信息比较丰富、与电弧不接触，该方法是对焊缝缺陷进行分析的佳选择。

（3）在几个主要焊接传感系统中，以视觉为物理量的传感系统，在检测焊接状态过程中，始终没有和检测对象接触，采用的非接触传感，检测的信息量大、检测的精度较高、并且能够快速做出响应，常常被用于焊接过程的导入和导出、焊接缝隙的随机跟踪、机器人焊接过程的实时监控。

以视觉为物理量的传感器，按照辅助光源的有无，分为主动式为主的视觉传感器和被动式为主的视觉传感器。常常把被动式视觉传感系统应用在对焊接环境的识别、熔池状况的监控。而主动式视觉传感器一般用在机器人焊接过程中位置确认和焊接缝隙的跟踪和控制。

1.2 机器人焊接位置导引及焊缝确定

机器人焊接过程中的路径导引是在传感系统建立的机器人坐标系基础上通过关节轴移动到达焊接起始点。

（1）可采用一目多位的方式恢复特征点空间坐标位置。

（2）基于主动视觉传感系统测量模型参数获取特征点的空间坐标。

1.3 焊缝跟踪技术

焊接机器人在焊接时，为保证焊缝轨迹的准确性，需要进行焊接缝隙实时跟踪，机器人焊接时要能够及时改变调整机器人焊接姿态情形，向着缩小焊接热变形、减小轨迹偏差的方向补偿，这样能够确保焊接质量，该技术目前已经普遍用于机器人焊接的生产环节。

（1）被动式为主的视觉传感器，能够及时提取焊接缝隙边缘区域和金液熔池区域的图像信息，从而使机器人焊接过程中的轨迹能够随着关节移动而纠偏。

（2）主动式视觉传感器处理后的激光条纹图像，机器人焊接视觉传感器所采集的图像信息都是关于焊缝特征的变化情况，通过观测和分析可以得到焊接空间坐标的焊缝轨迹路径。

1.4 熔池监控技术

图1 不同侧向焊接融池监控图示

在机器人焊接时所产生熔池的形态，能够反映出机器人焊接过程中重要信息数据，这些重要参数是机器人焊接质量得以保证的前提。对机器人焊接过程所形成的熔池形态进行监控，从而为机器人焊接提供重要的技术参数。结合之前的分析，我们对焊接缝隙形成情况、金液熔池的熔宽、金液熔池深度等特征，在监控装置监视下，注意到机器人焊接过程中的金液熔池动态波动情况，依次对焊接机器人焊接姿态进行调整，从而大大减少了机器人焊接过程的缺陷，促进了机器人焊接质量的提高。

本文以被动式视觉传感系统作为研究对象，详实地采集焊接缝隙边缘区域和金液熔池区域图像信息，在机器人焊接金液熔池状态监控检测方面优势明显。以所采集的金液熔池图像信息为蓝本，绘制焊接金液熔透状态预测模型图，如图1a、1b图示。对三光路形式的视觉传感系统，分别采用了采集金液熔池正前方、斜后方、斜下方金液熔池图像信息。而图1c所示，在对GTAW机器人焊接金液熔池动态情况及焊缝成形规律分析方面有独到之处。

2 机器人焊接实际应用

在机械制造领域，材料焊接工序和机加工工序同等重要，都属于改变材料尺寸和形状、保证安装精度和使用性能的主要工作内容，但就目前焊接应用的内外情形来看，存在很大不协调因素。

其一普通焊接技术难度大、劳动力成本高、焊接工作环境恶劣，人们追求健康工作和快乐生活的目标越来越希望远离焊接恶劣的工作环境，这样就很容易导致焊接性质的企业劳动力流失严重，施工队伍不稳定，此情此景就迫切需要替代劳动力生产的智能化设备的参与，机器人焊接正是在这样背景下应运而生的。

其二就生产成本而言，机器人自动化焊接设备替代人工操作方式施焊，技术难度降低了，只要进行过专业培训就可以胜任焊接操作，降低了生产过程的劳动力成本，减少了焊接所带来的的健康危害等负面影响。在今后的焊接行业机器人智能化焊替代人工焊接已经成为不争的事实。

2.1 机器人焊接在汽车制造业的应用

汽车是一个高精度、高强度、高安全性的动态设备，焊接作业占到制造工作量的三分之一，焊接效率的提高、焊接质量的优化是汽车制造业的不老话题，机器人焊接技术在汽车行业的渗透，大大加速了制造周期的前移，在保证制造质量的前提下，生产成本明显降低，赢得了更多市场。尤其采用机器人施焊的铆焊、氩弧焊、激光埋弧焊等已广泛得以应用并且取得了较明显的经济效益。

2.2 机器人焊接在船舶制造业的应用

典型的劳动密集型产业如船舶制造业，目前自动化焊接程度还是较低，焊接的工作主要还是依赖人工实施，焊接的工作环境差，有烟尘气毒等的污染，焊接质量主要依赖人工技能熟练程度，劳动强度大，迫切需要机器人焊接替代人工焊接。

3 未来机器人焊接趋势

以ABB等知名机器人焊接为例，目前大多还依赖于示教器焊接再现，制约机器人焊接技术广泛应用的两大瓶颈：其一是机器人焊接技术的隐秘性；其二就是传感器价格居高不下。对这些问题的研究是未来机器人功能进化、市场扩展的必要环节。

3.1 机器人传感技术研究方向

传感器在机器人焊接检测方面举足轻重，但目前市场化的传感器在焊接恶劣的环境下，检测功能大打折扣，同时在焊接头狭小的空间安装传感器几乎不可能，传感器本身也存在功能单一、型号多样化，不能很好的进行串口对接，因此未来焊接用的传感器在小型化方面、缩减成本方面、智能化研究方面应该有所突破。

3.2 机器人焊接主要部件开发

就目前而言，大多数机器人制造厂家仅仅是对机器人本体进行改造和加工，技术研究比较成熟了。但对机器人核心部件的研究和开发尚属空白，对机器人核心部件的获取主要依赖进口，在技术不成熟的情况下只能高价买进，导致机器人市场售价居高不下，未来的工作重心，必然要转向对机器人核心部件的开发研究上来，使我国尽早脱离依赖进口的尴尬。

结束语：目前智能技术的更新及制造业劳动力成本的提高，迫使机器人焊接走向前台已经成为行业发展的必然。机器人在全球多个国家得到普及。在今后的机器人焊接作业中，有望传感技术、传感跟踪技术、实时性和鲁棒性技术能够充分融入到智能焊接过程，通过技术更新和软件技术开发使得机器人焊接质量更稳定、生产率更高、制作成本降低，成为支撑焊接工业的先行技术。