焊接机器人技术应用及发展前景

王奕琼 马玉婷 朱俊儒 陆正萍

摘要：目前，焊接技术应用十分广泛，常用于船舶、机械焊接、航空航天等制造行业。但由于焊接过程中易产生的有害气体和焊枪使用中产生的刺眼弧光，焊工们的安全受到了威胁。为了避免这种安全隐患且提升焊接环境，有些工厂会选择采用焊接机器人去代替一部分工人。随着电子制造技术和计算机网络技术的发展，焊接机器人在制造行业发展迅速。机器人对衡量一个国家创新能力和产业竞争力具有十分重要的意义。本文基于焊接机器人的基本知识，对焊接机器人的技术研究及未来前景进行深入研究。

关键词：焊接机器人;研究现状;应用发展趋势;焊接技术

1.前言

焊接技术在人类的早期工具制造中就可看到雏形，其焊接方法主要是钎焊、铸焊和锻焊。但古代的焊接技术并不发达，虽给当时的人们带来便利，但同时具有许多缺点。如热源单一、温度较低、能源不集中等，只能进行一些简单工具的制造。随着时代的发展，我们进行了一次次的工业革命，焊接技术也在一次次的革命中不断更新。由于焊接的工作环境较为恶劣，工人们在进行焊接操作时可能会造成烧伤、触电、吸入有毒气体、视力损害等伤害。因此，伴随着制造业的发展，应尽可能减少工人在恶劣工作环境下的工作，工业智能化已成为必然趋势。焊接机器人的出现使我们摆脱了传统的人工焊接，在焊接领域的作用越来越突出。目前，焊接机器人的研究成为当代制造业的热点，对焊接工艺的发展有着积极的推动作用。不仅是国家的创新能力和产业竞争力的衡量标准，而且为开启新一轮科技革命打下基础。 [1]

2.焊接机器人

2.1焊接机器人组成

焊接机器人有生产效率高、稳定、灵活度高等特点，在工业生产领域表现尤为突出。 它主要由以下几方面构成：第一，手腕，这是进行各种焊接工作的主要部位，就像人类的手腕一样，十分灵活，可以完成各项复杂精密的焊接工作;第二，臂部，它是手腕和机身的重要连接部位，臂部长度可以灵活调整以应对不同的操作空间;第三，机座，具有支撑作用，并保证机器人工作时的稳定性，在制造工业中，有固定型机器人也有移动型机器人，其分别主要在于前者机座固定在地面后者的机座可随意移动。[2-3]

2.2焊接机器人特点

焊接机器人与人工相比具有工作状态稳定、工作效率高、工作环境要求较低等优点。由于机器人的工作状态较为稳定，焊接质量可以得到有效保障，在运行焊接机器人之前，只要规划好工作的内容和焊缝轨迹，就可以保证其在不断电的状态下能稳定工作[4]。其次，机器人代替工人，可以减少工人在较差工作条件下工作，也可以保证在工人无法正常工作的条件下仍然保持稳定的工作状态。最后，机器人不同于工人每天有限度的工作时间，它可以24小时都在运行，使生产率大大提高。焊接机器人在具有以上几个方面优点的同时也有一些缺点和挑战：第一，焊接机器人在运行之前，若焊接参数选择不当，焊件可能会出现缺陷，造成焊件废品率增加。第二，投资较大，回收周期较长。

3.焊接机器人技术研究现状

3.1 TCP自动校零技术：

金属碰撞造成的磨损，工具的更换等问题经常出现在在机器人的使用过程中。机器人是高精确度，高效率的工具。当焊缝轨迹发生偏移时，能够准确而迅速的进行校正。但问题是，对于安装在末端的工具，机器人的校正系统往往是不凑效的。一旦出现这样的情况，将会导致时间和人力资源的浪费。TCP自动校零技术组成分为固定支座和激光传感器两部分。传感器会储存焊枪以不同方式经过TCP支座时产生的数据，然后传送给中央处理器，记录到的数据会与设定值进行比较。若校零程序发现TCP偏离，则该程序将被激活，会根据设定参数自动调整每根轴的角度，完成 TCP复位工作。

3.2  焊接机器人的焊缝跟踪技术

利用焊接过程中传感器的初始信号，及时控制、修正机器人的运作，以此来应对不断变化的焊接环境和不必要的牺牲。我国和其他国家均在焊缝跟踪技术方面有所研究。如瑞典公司研制出激光扫描，美国公司将结构光视觉传感器应用于焊缝跟踪系统。徐州博汇智能装备有限公司的王波也对智能化机器人焊接技术的焊缝识别、引导、跟踪技术进行的研究，得出电弧跟踪多用于较厚材料，且需配合智能化焊接机器人的多重功能使用，在检查焊缝情况的同时进行焊接，电弧焊接可以检测到产品的任何位置;而激光跟踪多用于薄板，是通过机器人自身的视觉系统和传感器对产品焊缝的位置进行判断，确定焊接作业方法，并完成焊接工作[5]。

3.3焊接机器人傳感技术

人类智慧的标志之一是感知外部世界并根据感知到的信息采取行动的能力。为了使焊接机器人系统智能化，需要深入了解并把握外部焊接环境、焊接方向和焊接位置的智能传感技术。

如何保证焊接质量最重要的一个过程就是焊接过程的传感。机器人传感器可以看作是机器人的“感觉器官”，它让机器人可以像人类一样拥有对外界的感知能力，通过所感知到的内容进行信息处理，做出相应的决策，引导机器人的行为。随着智能机器人焊接技术的不断研究和发展，传感器技术的应用变得十分必要。智能焊接机器人的视觉传感器部分可以从外界获取丰富的操作信息，有效提高机器人的操作灵敏度和焊接精度，直接保证焊接质量[6]。

4.焊接机器人应用研究现状

4.1焊接机器人与船舶业

21世纪，船舶业已经成为在水运和海洋资源开发领域向世界各国提供技术和装备的现代化综合产业。它不仅是高质量设备制造业的重要组成部分，也是实施海洋能源战略的重要基础和支持。造船离不开焊接，焊接是整个造船过程中最关键、最昂贵、最耗时的过程。传统造船业的焊接是依靠工人的劳动，工人们在车间中进行焊接、切割和涂装等各种工作。造船仍然是一个手工加工的过程，许多船厂的设施优化不佳，而且对于更复杂的制造技术不够灵活。为了提供解决方案，造船业正在兴起，其目的就是改善其研发环境，开发先进的工具，使该行业的技术发展更加容易。

目前，焊接机器人技术在造船业中的应用在各国都被深入研究，广西科技大学的郭正强同学[8]有以下观点，他认为在各关节处安装驱动电机会出现末端执行器运动惯量大、累计误差大、动力学性能不佳等问题。为改善上述问题，需要深入研究闭链式造船焊接机器人机构，可以结合传统再生运动链法和新型平面基础闭环子结构替换法，其单调的结构形式会有所改变，同时造船焊接任务的工程机械构型也会有极大丰富。

除了国内的一些关于焊接机器人在造船业方面的研究，国外也有许多研究案例。Cadiz大学[7]为西班牙的Navantia公司关于机器人FASE Ⅱ项目中的两个 FANUC ARCMate 100iC MIG 焊接机器人的生产率问题提供了解决方案，首先构建一个包含每个焊接要件信息参数的数据库，接着用坐标测量臂在现实世界中捕获3D信息，然后使用模板和所捕获到的3D信息自动生成优化的焊接程序软件，使模板可以适应现实世界的坐标和方向，最后，FTP接口将优化的焊接程序传输到每个机器人，进行即使焊接操作。该方案极大缩短了焊接机器人的编程时间，从数个小时缩短到几分钟，显著的提高了生产率。

4.2焊接机器人与汽车制造业

1885年德国人卡尔·本茨研制出了世界上第一辆内燃机汽车，1914年福特汽车公司开始大批量生产汽车，通过装配线把复杂的技术简化、程序化。自1914年批量生产汽车至今已有一百多年，在这期间，汽车制造快速发展，汽车生产制造的自动化程度也越来越高，一直走在世界制造业发展的前列。经过长期的生产使用，工业机器人在汽车制造领域发挥越来越重要的作用。汽车的制造离不开焊接，如车身焊接就是汽车生产制造中极为重要的一环。汽车大批量生产会使焊接工程浩大，若只通过人力焊接，生产周期较长，此时焊接机器人就发挥了极好的作用，它可以优化操作效率和产品质量，减轻工人的劳动强度。除此之外，焊接机器人可以突破传统的一条生产线主要生产同一种车型的限制，在一个工位可以焊接多款车型，具有很高的灵活性。

焊接装配作为汽车制造极为重要的一道工序，芬兰阿托尔大学的Valtteri Tuominen[8]专注于汽车行业对测量辅助焊接单元（MAWC）进行了理论研究，MAWC首次回答了工业4.0对于制造系统灵活性和可重构性的需求，MAWC基于两个处理机器人，一个焊接机器人和一个光学测量系统，全部集成在一个焊接单元。通过测量系统与焊接机器人之间的配合，將焊接基于实际的零件进行精准的焊接。在传统的测量技术无法满足复杂的焊接工艺时，MAWC采用多摄像机测量技术的新开发系统，满足了灵活性的要求。同时，MAWC技术可以在一个制造系统中生产多个低批量生产产品，也提高了生产线的利用率。

4.3焊接机器人与管道焊接

管道因其自身独特特点，广泛应用于多个行业，如煤炭行业的通风和瓦斯排放管线，石油化工行业的原油及废渣输送管线，公用事业中的生活供水及燃气输管线。对于金属材料的管道，由于原材料的长度、形状有限，在生产过程中难免需采用一些工艺方法如焊接，以便于产品可以投入使用。有些管道因用于输送有毒流体、剧毒流体以及一些特殊介质流体，故焊接质量要有极大的保证。传统的焊接手工方法通常取决于工人的操作水平，因而焊接质量难以保证，但焊接机器人可以显著提高焊接质量，在管道焊接领域尤为重要。

武汉理工大学机电工程学院的熊家浩、傅中涛等人[9]对于交叉管道的焊接提出了一种双机器人焊接的新方法。该方法在焊缝数学模型的基础上，通过有关的数学理论和MATLAB编程生成了交叉管道的相交曲线轨迹，然后对轨迹进行分解，分为焊接和协同两条轨迹，最后将分解后的两条轨迹导入机器人工作室仿真平台，实现了双机器人的协同焊接。

5.焊接机器人的发展前景

近年来，随着自动化生产需求的不断增加，工业机器人已走进了我国的许多制造行业。过去20年间，我国的各行各业发展迅速，在这其中工业机器人行业发展尤为迅速，我国的工业机器人市场已连续七年居于首位。中国作为全球机器人销量第一大国，在世界范围内影响深远，同时，与日本和韩国一样，具有完整的机器人产业链。

工业机器人分类众多，其中运用最为广泛的属焊接机器人，国际机器人联合会曾表明当前世界超过半数的机器人都是焊接机器人，焊接机器人在工业制造有着极为重要的作用。我国是工业制造大国，中国制造已响彻全球，近年来伴随着我国人口红利的消失，机器人逐渐取代工人成为制造车间的“主力队员”。我国虽拥有了完整的机器人生产链，但由于我国的企业起步晚，发展较为缓慢，在一些关键技术上，我国同国外的企业仍有很大差距，我国众多企业所使用的焊接机器人大多还是从美日韩等国进口，国产产品使用率在市场中较低。我国虽然在焊接机器人制造上存在差距，但我们的国产焊接机器人正在一点一点的进步，根据海关总署的数据资料显示，中国焊接机器人的出口数量正在逐年增加，焊接机器人进口逐步偏向高端化，出口主要为中低端产品。这种进出口情况从侧面可以表明，国产焊接机器人在中低端市场上已渐渐代替进口焊接机器人，国产焊接机器人在行业竞争中优势突显。我国的许多焊接机器人生产企业也投入了大量的资金和精力研发属于自己的焊接机器人，如走在国产机器人前列的埃斯顿自动化集团关于2021年度非公开发行A股股票预案，如表2。

综上可见，我国的焊接机器人研究将会不断发展，当前时代是属于工业4.0（第四次工业革命）的时代，在工业4.0时代智能化水平直线上升。焊接作为工业制造中的一种常见工艺方法，随着人工智能技术的不断发展，焊接机器人也在向着自动化迈进，面对日益增长的产品需求，自动化焊接机器人可以很好的应对，用最短的时间去制造更高质量的产品。由此可见，我国焊接机器人在自动化水平有着极大的发展空间。

6.结语

在工业制造技术不断发展进步的情况下，焊接技术也有了极大的提升，焊接机器人凭借生产效率高、焊接质量稳定、焊接精度高的优势逐步取代了传统的手工焊接。机器人取代人工已成必然趋势，但随着焊接需求的不断变化增长，焊接机器人也需要呈现出多元化的特点，焊接机器人的研究仍要继续。

（基金项目：2020年江苏大学京江学院项目“焊接机器人臂选材研究”，项目編号：202013986020Y）

参考文献：

[1]肖润泉，许燕玲，陈善本，杨乘东.焊接机器人关键技术及应用发展现状[J].金属加工（热加工），2020（10）：24-31.

[2]胥刚，朱双华，程泊静，黄志勇.变胞汽车焊接机器人动态焊接工艺参数的设计与优化研究[J].内燃机与配件，2019（09）：113-118.

[3]李旭.焊接机器人在汽车制造中的应用[J].中国金属通报，2020（01）：56-57.

[4]杨文.机器人在焊接作业中的应用现状及未来趋势分析[J].科技视界，2020（34）：108-109.

[5] 王波-.智能化机器人焊接技术研究 《百科论坛电子杂志》2020年14期

[6]廖凯，陈坚泽，李超.机器人视觉传感技术及应用研究综述[J].现代信息科技，2020，4（11）：159-162.

[7] Pedro L. Galindo， Arturo Morgado-Estévez， José Luis Aparicio， et al. ROBOT 2017： Third Iberian Robotics Conference：43-52

[8] Tuominen， V. The measurement-aided welding cell—giving sight to the blind. Int J Adv Manuf Technol 86， 371-386 （2016）. https：//doi.org/10.1007/s00170-015-8193-9

[9] Xiong， J.， Fu， Z.， Chen， H. et al. Simulation and trajectory generation of dual-robot collaborative welding for intersecting pipes. Int J Adv Manuf Technol 111， 2231-2241 （2020）. https：//doi.org/10.1007/s00170-020-06124-w