机器人焊接智能化技术

1. 引言

随着先进制造技术的发展，实现焊接产品制造的自动化、柔性化与智能化已成为必然趋势[1 -8]。目前，采用机器人焊接已成为焊接自动化技术现代化的主要标志。焊接机器人由于具有通用性强、工作可靠的优点，受到人们越来越多的重视。在焊接生产中采用机器人技术，可以提高生产率、改善劳动条件、稳定和保证焊接质量、实现小批量产品的焊接自动化[9]。

从60年代诞生和发展到现在，焊接机器人的研究经历了三个阶段，即示教再现阶段、离线编程阶段和自主编程阶段。随着计算机控制技术的不断进步，使焊接机器人由单一的单机示教再现型向多传感、智能化的柔性加工单元（系统）方向发展，实现由第二代向第三代的过渡将成为焊接机器人追求的目标[9,10]。

目前，国内外大量应用弧焊机器人系统从整体上看基本都属于第一代或准二代的焊接由于焊接路径和焊接参数是根据实际作业条件预先设置的，在焊接时缺少外部信息传感和实时调整控制功能，这类弧焊机器人对焊接作业条件的稳定性要求严格，焊接时缺乏“柔性”，表现出明显的缺点。在实际弧焊过程中，焊接条件是经常变化的，如加工和装配上的误差会造成焊缝位置和尺寸的变化，焊接过程中工件受热及散热条件改变会造成焊道变形和熔透不均[9,1 2]。为了克服机器人焊接过程中各种不确定性因素对焊接质量的影响，提高机器人作业的智能化水平和工作的可靠性，要求弧焊机器人系统不仅能实现空间焊缝的自动实时跟踪，而且还能实现焊接参数的在线调整和焊缝质量的实时控制。

2. 机器人焊接智能化技术的主要构成

现代焊接技术具有典型的多学科交叉融合特点[5,11]，采用机器人焊接则是相关学科技术成果的集中体现。将智能化技术引入焊接机器人所涉及的主要技术构成可见图1 所示。其中包括：

1）焊接机器人对于焊接任务的自主规划技术；

2）焊接机器人的运动轨迹控制技术；

3）焊接动态过程的信息传感、建模与智能控制技术；

4）机器人焊接系统的集成与控制，将上述焊接任务规划、轨迹跟踪控制、传感系统、过程模型、智能控制等子系统的软硬件集成设计、统一优化调度与控制，涉及焊接柔性制造系统的物料流、信息流的管理与控制，多机器人与传感器、控制器的多智能单元与复杂系统的控制等。

下面对以上相关方面的主要技术研究与发展现状分别作简要叙述。

3. 机器人焊接任务自主规划技术[13-16]

如前所述，国内外弧焊机器人多属示教--再现型，它无法满足焊接生产日益复杂的需要，还存在许多问题有待研究。有关弧焊机器人的研究逐步向自主化过渡，出现了弧焊机器人的离线编程技术，一个较为完整的弧焊机器人离线编程系统应包括焊接作业任务描述(语言编程或图形仿真)、操作手级路径规划、运动学和动力学算法及优化、针对焊接作业任务的关节级规划、规划结果动画仿真、规划结果离线修正、与机器人的通讯接口(downloading)、利用传感器自主规划路径及进行在线路径修正等几大部分组成。其关键技术通常包括视觉传感器的设计以及焊缝信息的获取问题、规划控制器的设计问题。

在1987年的自动化及机器人焊接国际会议上，专家对离线编程的发展进行了总结，其中最有代表性的工作是WRAPS系统。K.H.Goh等人在一个焊接工作站FANUC/WESTWOOD 上建立了基于专家系统的焊接机器人自适应离线编程和控制系统—WRAPS，它包括焊接数据库、离线编程、计算机仿真和焊接专家系统。它还配有视觉传感器进行焊前接头检测和焊后缺陷检测，从而构成了一个完整的专家焊接机器人系统。

国内哈工大研究人员对焊接机器人的无碰路径规划、具有冗余度弧焊机器人自主规划以及焊接工艺参数联合规划问题的研究工作[14-16]，设计开发了离线规划与仿真系统模块结构如图2所示。

图2 离线规划及仿真系统的结构

弧焊机器人规划系统都包含了CAD输入系统、焊接专家系统、自主规划系统以及模拟仿真系统等。从更广泛的意义上讲，一个更完善的弧焊机器人规划系统应该还包括反馈控制系统、焊前传感系统以及焊后检测系统。

4．机器人焊接的焊缝跟踪与导引技术

就机器人焊接作业而言，焊接机器人的运动轨迹控制主要指初始焊位导引与焊缝跟踪控制技术。在弧焊机器人的各种应用领域，适应能力都是影响焊接质量和焊接效率的最重要因素。弧焊机器人的适应能力即采用从焊接工件检测到的传感器的输入信号实时控制和修正机器人的操作，以适应变化了的焊接条件和环境。

瑞典和美国公司曾先后研制出激光扫描和结构光视觉传感器用于焊缝跟踪系统。国内哈工大的吕伟新、张炯博士研制了基于激光扫描和高性能线阵CCD敏感器的视觉系统，见图4，实现实时视觉控制[13]。

在初始焊位机器人视觉导引技术研究方面，吕伟新博士基于激光扫描视觉系统，设计了局部

搜索算法，实现了对一定工件焊缝特征在一定范围的自主导引[13]。郭振民和李金泉分别采用视觉伺服和图象识别技术探讨了机器人焊接初始焊位导引和焊缝识别与实时跟踪问题。

5．焊接熔池动态过程的视觉传感、建模与智能控制技术

机器人焊接的高质量关键在于实现对于焊接动态过程的有效精确的控制。由于焊接过程的复杂性，实践表明经典的控制方法有效性受到较大的限制。受熟练焊工操作技艺的启发，近年来，模拟焊工操作的智能控制方法已被引入焊接动态过程，主要涉及熔池动态视过程的视觉传感、建模与智能控制。

5．1 焊接过程的传感技术

焊接过程的传感，是实现焊接过程质量控制的关键环节。未来焊接发展的趋势是焊接自动化、机器人化及智能化，而传感技术是这一发展中最重要的部分。焊接传感器按其使用目的可分为测量和检测操作环境、检测和监控焊接过程两大类。在传感原理方面，主要分为声学、力学、电弧、光学传感等。

声学传感器主要用于GMAW过程熔滴过渡的检测、等离子穿孔焊等。力学传感主要指近年来发展起来的熔池振荡法。电弧传感器由于直接检测电弧自身的特性(电流，弧压)，不需要外加传感器以及外加传感器所需的保护和去噪装置，使应用变得简单。目前的应用领域主要是焊缝跟踪和熔敷控制。与其它传感方法相比，光学传感器不与焊接回路接触，信号的检测不影响正常焊接过程，是将来最有发展前景的传感技术之一。利用焊接区的红外热辐射传感

焊接过程信息是光学传感中一种自成体系的方法，这方面的研究成果也较多[16]。

5．2焊接熔池的视觉传感

对于焊接过程，直接视觉是一种最好的非接触式传感形式。直接视觉传感技术的主要优点是不接触工件，不干扰正常的焊接过程，获取的信息量大，通用性强。并且由于它可以得到焊接过程动态熔池的二维或三维信息，与其它焊接过程信息检测方法相比，这种方法检测到的熔池信息直接反映焊接过程熔化金属的动态行为，更适合焊接过程的质量控制。

直接视觉传感在焊接中的应用包括离线确定被焊工件的位置；在线补偿由于固定精度、机器人各部分的容差、焊接过程中的焊件变形引起的焊接路径偏差；焊接过程控制中的焊接接头和熔池几何形状的实时传感；熔滴过渡形式的监测等。

近年来，随着计算机视觉技术的发展，利用机器视觉正面直接观察焊接熔池，通过图象处理获取熔池的几何形状信息对焊接质量进行闭环控制，已成为重要的研究方向[17-21]。根据视觉检测系统中成像光源是辅助光源还是焊接区自身产生的光源，直接视觉检测系统可分为主动式和被动式两大类。

（1）主动式直接视觉传感

为了减小弧光对图象质量的影响，主动式直接视觉检测方法采用激光等辅助光源对焊接区进行人工照明，以提高图象的质量。由于激光具有单波长，方向性好，相干性好等特点，所以

采用激光作为辅助光源可以获得较清晰的图象。主动视觉由于其所需设备较为昂贵，系统较为复杂，常常限制了其应用推广。这里不作详细介绍。可见文[14，15]的参考文献。

（2）被动式直接视觉传感

目前作为焊接过程视觉图象传感的一种实用技术，研究较多的是不另加辅助光源，而是利用弧光本身照明焊接区，即被动式直接视觉检测方法。

对被动式直接视觉传感较为深入的研究起步于八十年代中期，国内外研究工作者曾直接利用电弧光照射熔池前方的工件间隙获取焊接区焊缝信息，根据熔池前方不同远近处电弧光强度的闪烁来实现焊接过程中的焊缝跟踪；利用带有CCD摄像机的微型计算机控制系统对脉冲MIG/MAG焊熔池行为进行了观察和控制的研究；美国Ohio大学开发了一套放置在焊炬内部与电极同轴观测焊接熔池的集成化视觉传感系统，在TIG焊熔池观察和MIG焊焊缝跟踪等方面进行了初步的研究。

文献[19]设计了熔池正反两面视觉图象同时同幅传感系统图3，获得了脉冲GTAW熔池正反两面的清晰图象图4，并对图象二维特征尺寸提取进行了较深入的研究。

文献[21]在上述系统的基础上，获取了脉冲GTAW填丝熔池图象图5。并对图象进行了三维形状特征恢复的处理算法研究。文献[19-21]的结果可以认为是近期计算机视觉传感技术在焊接熔池动态过程中的较为系统和成功应用研究工作。

5.3 焊接熔池动态过程的建模

由于焊接熔池动态过程的非线性、不确定性、时变性和强耦合性，采用传统的过程建模方法

建立的数学模型不可能作为有效的可控模型，这也是长期以来焊接过程控制成为困扰着焊接界和控制界的一大难题的主要原因。

目前认为，对焊接熔池动态过程的建模方法一般有如下几种：

(1)基于对焊接熔池金属热传导理论推导的解析数学模型，这种模型一般是由若干偏微分方

程组描述，与实际过程偏差较大，最主要的问题是难以用于焊接过程控制系统设计。一般只用于焊接热过程的数值模拟与分析；

(2)采用经典或现代控制理论的系统辨识方法获得的数学模型，如传递函数、差分方程等形式。一般可用于限定范围的焊接过程实时控制；

(3)基于神经网络逼近理论的人工神经网络建模方法获得焊接过程的神经网络模型，这种建

模方法对过程的知识要求较少，通常只根据过程的输入输出数据就可以进行网络模型的学习，得到的模型便于系统的在线学习与控制；

(4)基于模糊集合、粗糙集合理论的知识建模方法，这种方法可以借助于焊工经验，也可以

直接基于实验数据测量的处理提取知识规律，给出以人类知识形式描述的模型，有助于对焊接过程变化规律的理解和智能系统的应用。

文献[22]对脉冲GTAW熔池动态过程传统数学模型进行了辨识与分析。文献[20]对脉冲GT AW熔池动态过程进行了模糊逻辑和神经网络的建模方法研究，给出了相应的模型如图所

示，并验证了模型用于过程实时控制的有效性。

1）脉冲GTAW对接过程模糊控制规则的提取[20]：模糊控制规则是模糊控制系统设计的基础.控制对象模糊控制规则的提取属于模糊系统辨识问题，文[20]采用C-均值动态聚类算法来提取脉冲GTAW对接过程模糊控制规则。选取脉冲GTAW对接过程的被控变量为熔池反面最大熔宽，控制量为脉冲占空比，根据过程动态实验结果[20]，采用C-均值动态聚类方法提取模糊控制规则如表1：

2）脉冲GTAW熔池背面熔宽神经网络模型BNNM[19]，其输入向量包括当前时刻熔池正面最大熔宽Wfmax(t)和最大半长Lfmax(t)以及工艺参数等17个输入参数，模型的输出为熔池反面最大宽度Wbmax(t)。确定BNNM模型的隐含层处理单元个数为24。所得的BNNM模型结构如图6所示，图7是训练样本的期望输出值与BNNM模型输出值的对比曲线，模型输出的的平均相对误差为4.25%，均方误差为3.04%，模型满足精度要求。

图7 BNNM模型检验结果

5．4 焊接动态过程的智能控制

由于焊接过程是一个多参数相互耦合的时变的非线性系统，影响焊缝成形质量的因素众多，并带有显著的随机性，很难用精确的数学模型来描述，这使得已往的一些线性控制方法，在不同程度上存在适应性差、对经验依赖性大等缺点。因此，在焊接过程控制中引入了智能控制方法是非常适合的途径。已有采用专家系统、模糊控制和神经网络控制的方法。

专家系统利用被控对象领域的专业知识和经验，采用人工智能专家系统的知识表示及推理技术得出控制动作。

模糊控制是智能控制的较早形式，它吸取了人的思维具有模糊性的特点，使用模糊数学中的隶属函数、模糊关系、模糊推理和决策等工具得出控制动作。

神经网络控制是研究和利用人脑的某些结构和机理以及人的知识和经验对系统控制。它是神经网络作为人工智能的一种途径在控制领域的渗透。随着模式识别的自组织能力和映射以及决策能力的日益增强，神经网络用于智能控制设计和实现表现出巨大的潜在优势。

从80年代中期国外开始研究模糊控制在焊接中的应用，曾有研究人员应用自组织模糊控制的方法进行了MIG焊焊缝跟踪的研究；利用视觉传感器传感熔池信息，采用Fuzzy控制方法控制脉冲MIG焊的熔宽；利用模糊控制进行了弧焊机器人的参数规划工作；对脉冲熔化极气体保护焊焊接过程中的电弧电压参数进行模糊控制以及对CO2焊接工艺参数的模糊控制过程进行的研究等。

人工神经网络(ANN)控制是研究和利用人脑的某些结构和机理以及人的知识和经验对系统的控制。由于用神经网络设计的控制系统适应性、鲁棒性均较好，能处理象焊接这样的高维数、非线性、强干扰、不确定、难建模的复杂过程的控制问题，所以在焊接质量控制中采用神经网络建立焊接过程模型可以解决线性控制方法所不能克服的问题。这样建立的模型不同于已往固定结构的数学模型，不对焊接过程作任何假设，因此所建模型能较真实的反映系统特性。

ANN应用于焊接领域已经取得了一些成果，曾有对低碳钢进行GTAW工艺实验，实验值与期望值达到良好吻合；采用ANN建立了TIG焊熔池尺寸估测系统，在其设计的神经网络估测器中导出了焊接区表面温度与焊接熔池尺寸之间的关系，可对焊接过程中的正面熔宽、背面熔宽、熔深进行同步预测的研究；另外神经网络在焊缝跟踪和焊接区图象处理等方面也得

到了应用。进入九十年代以来，国内焊接界这方面的研究也逐步兴起，已有对基于ANN技术的焊接质量控制进行了研究，针对GTAW工艺建立的焊接过程的静态模型和动态模型，实现了对GTAW焊接过程散热条件急剧变化情况下对正面熔宽的智能控制。

文献[19-20]基于神经网络的学习适应的特点，设计了单个神经元自学习控制系统，实现了对于脉冲GTAW堆焊熔池动态特征的有效控制；设计了神经网络自学习和专家系统相结合的多变量智能控制系统图8，实现了对于脉冲GTAW对接熔池正反面熔宽动态变化的有效控制；文献[21]设计模糊神经网络自适应智能控制系统图9，实现了对于脉冲GTAW对接填丝熔池正反面熔宽以及正面焊缝余高的有效控制；设计模糊神经网络自适应智能控制系统，实现了对于脉冲GTAW对接填丝熔池正反面熔宽以及正面焊缝余高的有效控制；

6．智能化机器人焊接柔性制造单元/系统

弧焊机器人柔性加工单元系统集成及优化技术研究主要目的是将焊接质量实时控制与机器人技术结合起来，研究实现具有冗余自由度的弧焊机器人运动控制系统及相应的船形焊位姿协调控制技术；同时将高精度激光扫描焊缝跟踪、熔透及焊缝成形智能控制、机器人焊接电源等子系统通过网络集成为具有实时传感、通讯、调度功能的弧焊机器人柔性加工单元，研究在中央监控计算机控制下的多品种小批量柔性焊接加工系统的优化模型及控制策略，实现对空间曲线焊缝机器人焊接的质量智能控制。

根据焊接环境与过程传感器信息获取、特征提取、决策控制、工艺过程实施的特点，可将机器人焊接智能化技术系统的三级交互式分层结构——即组织级、协调级和执行级：

在对柔性制造系统中基于实时专家系统环境进行的程序控制和通讯进行了研究的基础上，对弧焊机器人系统基于知识的控制进行了研究，提出了建模、焊接规划、程序生成及通讯四个模块。

一般地，按照生产过程中物质流（或能量流）连续或离散的不同形态，可将制造系统分为三类：连续型、离散型、混杂型。焊接柔性制造单元/系统（Welding Flexible Manufacturing Cell / System）在宏观上具有离散性，在微观上具有连续性。由于微观连续焊接过程的控制已取得较多的成果，因而从适应小批量、多品种的焊接产品出发，研究大系统的离散生产过程，对于提高焊接柔性制造系统的利用率及提高焊接产品质量具有重要的意义。

离散事件动态系统与Petri网（PN）理论建模与控制已成为现代制造系统设计理论的重要的研究方向[25]。

文献[23-24]结合柔性制造系统离散控制理论，对具有多传感信息的焊接柔性加工单元的组建、集成及实时调度控制技术进行系统化研究。设计开发了一套完整的九自由度弧焊机器人运动控制系统，在开放结构系统设计思想指导下，实现了空间焊缝协调控制和焊接柔性加工单元（WFMC）的集成调度。将工件初始定位空间导引技术、激光扫描焊缝实时跟踪技术、熔透及焊缝成形智能控制技术、九自由度弧焊机器人系统控制技术及焊接机器人专用电源技术结合起来，研究了焊接柔性加工系统集成方法及通讯控制的实现，建立了一套完整的、具有多传感控制功能的焊接柔性加工单元系统及相应中央监控软件平台图10。

图10 智能化弧焊机器人WFMC信息系统分级递阶结构

根据焊接柔性加工单元具有控制过程的实时性、突发性、同步性及离散性等特点，文献[23-24]采用离散事件动态理论对其进行分析研究，结合WFMC传感及控制信息流的特点，将Petri 网理论引入到焊接加工过程中，系统地探讨了单元信息流建模及控制方法，同时对Petri网模型的理论特性进行了分析，在此基础上研究了焊接柔性加工单元中央监控系统优化调度的实现。

7．结束语

焊接柔性制造系统包括各种机器人（焊接机器人、搬运机器人等）、各种工装设备和各种生产资源，它们是分布式人工智能（DAI）中的多智能体系统（MAS）典型代表。在焊接柔性制造系统中，不同功能结点上的局部推理和决策非常重要，所以，在这些结点上引入Agent 的概念，利用多个Agent间的相互协调来达到实际生产设备或生产任务间的协调是很有意义的。在焊接柔性制造系统中，将机器人、变位机、传感器、协调器等单元视为系统中协调工作的多智能体，研究在网络环境中分散的、松散耦合的，在地理上或逻辑上分散的并且具有相对独立性的智能子系统之间通过网络彼此互连，共享资源，相互协作，共同完成一个或多个控制作业任务的技术，从而实现焊接柔性制造系统智能协调控制是有意义的发展方向[26]。

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*陈善本，焊接学会机器人与自动化专业委员会主任，上海交通大学教授

焊接机器人主要技术指标

焊接机器人主要技术指标 选择和购买焊接机器人时，全面和确切地了解其性能指标十分重要。使用机器人时，掌握其主要技术指标更是正确使用的前提。各厂家在其机器人产品说明书上所列的技术指标往往比较简单，有些性能指标要根据实用的需要在谈判和考察中深入了解。 焊接机器人的主要技术指标可分为两大部分，机器人的通用指标和焊接机器人的专门指标。 (1) 机器人通用技术指标 1) 自由度数这是反映机器人灵活性的重要指标。一般来说，有3 个自由度数就可以达到机器人工作空间任何一点，但焊接不仅要达到空间某位置，而且要保证焊枪( 割具或焊钳) 的空间姿态。因此，对弧焊和切割机器人至少需要5 个自由度，点焊机器人需要6 个自由度。 2) 负载指机器人末端能承受的额定载荷，焊枪及其电缆、割具及气管、焊钳及电缆、冷却水管等都属负载。因此，弧焊和切割机器人的负载能力为6 ～10kg，点焊机器人如使用一体式变压器和焊钳一体式焊钳，其负载能力应为60 ～90kg ，如用分离式焊钳，其负载能力应为40 ～50kg。 3) 工作空间厂家所给出的工作空间是机器人未装任何末端操作器情况下的最大可达空间，用图形来表示。应特别注意的是，在装上焊枪( 或焊钳) 等后，又需要保证焊枪姿态。实际的可焊接空间，会比厂家给出的小一层，需要认真地用比例作图法或模型法核算一下，以判断是否满足实际需要。 4) 最大速度这在生产中是影响生产效率的重要指标。产品说明书给出的是在各轴联动情况下，机器人手腕末端所能达到的最大线速度。由于焊接要求的速度较低，最大速度只影响焊枪( 或焊钳) 的到位、空行程和结束返回时间。一般情况下，焊接机器人割机器人要视不同的切割方法而定。 5) 点到点重复精度这是机器人性能的最重要指标之一。对点焊机器人，从工艺要求出发，其精度应达到焊钳电极直径的1／2 以下，即+ 1 ～2mm 。对弧焊机器人，则应小于焊丝直径的1／2 ，即0．2 ～0．4mm 。 6) 轨迹重复精度这项指标对弧焊机器人和切割机器人十分重要，但各机器人厂家都不给出这项指标，因为测量比较复杂。但各机器人厂家内部都做这项测量，应坚持索要其精度数据，对弧焊和切割机器人，其轨迹重复精度应小于

工业机器人在汽车焊接中的应用

工业机器人在汽车焊接中的应用焊接技术作为制造业的传统基础工艺与技术，在工业中应用的历史并不长，但它的发展却是非常迅速的。焊接机器人是在工业机器人基础上发展起来的先进焊接设备，是从事焊接（包括切割与喷涂）的工业机器人，主要用于工业自动化领域，其广泛应用于汽车及其零部件制造、摩托车、工程机械等行业，在汽车生产的冲压、焊装、涂装、总装四大生产工艺过程都有广泛应用，其中应用最多的以弧焊、点焊为主。 典型的焊接机器人系统有如下几种形式：焊接机器人工作站、焊接机器人生产线、焊接专机。焊接机器人系统一般适合中、小批量生产，被焊工件的焊缝可以短而多，形状较复杂。柔性焊接线特别适合产品品种多，每批数量又很少的情况下采用。焊接专机适合批量大、改型慢的产品，对焊缝数量较少、较长，形状规矩的工件也较为适用，至于选用哪种自动化焊接生产形式，需根据企业的实际情况而定。 在汽车领域的典型应用 纵观整个汽车工业的焊接现状，不难分析出汽车工业的焊接发展趋势为：发展自动化柔性生产系统。而工业机器人，因集自动化生产和灵活性生产特点于一身，故轿车生产近年来大规模、迅速地使用了机器人。在焊接方面，主要使用的是点焊机器人和弧焊机器人。特别是近几年，国内的汽车生产企业非常重视焊接的自动化。如一汽引进的捷达车身焊装车间的13条生产线的自动化率达80%以上，各条线都由计算机(可编程控制器PLC-3)控制，自动完成工件的传送和焊接。焊接由R30型极坐标式机器人和G60肘节式机器人共61台进行，机器人驱动由微机控制，数字和文字显示，磁带记录仪输入和输出程序。机器人的动作采用点到点的序步轨迹，具有很高的焊接自动化水平，既改善了工作条件，提高了产品质量和生产率，又降低材料消耗。 类似的高水平的生产线，在上海、武汉等地都有引进。但这些毕竟还远不能适应我国民族汽车工业迅速发展的需要，我们必须坚持技术创新，大力加速发展高效节能的焊接新材料、新工艺和新设备，发展应用机器人技术，发展轻便灵巧的智能设备，建立高效经济的焊接自动化系统，必须用计算机及信息技术改造传统产业，提高档次。 新松机器人深度服务汽车行业大市场 作为国内唯一的“机器人国家工程研究中心”，新松机器人自动化股份有限公司从事机器人及自动化前沿技术的研制、开发与应用。其系列机器人应用主要涵盖点焊、弧焊、搬运、装配、涂胶、喷涂、浇铸、注塑、水切割等各种自动化作业，广泛应用于汽车及其零部件制造、摩托车、工程机械、冶金、电子装配、物流、烟草、五金交电、军事等行业。目前，机器人系列技术及应用、自动化成套技术装备、仓储物流自动化技术装备已形成新松公司三大主导产业领域，旨在为用户提供卓越的技术和服务。迄今已累计向市场推出了800多台机器人系统，是市场上极具竞争力的“机器人及自动化技术和服务”解决方案提供商，也是国内进行机器人研究开发与产业化应用的主导力量。 新松公司的机器人产业应用主要是承担各类汽车车身自动冲压线、白车身焊装线、汽车总装线、发动机装配线、工装夹具及输送系统的设计制造；焊装线钢结构、管网工程的设计制造；焊装线工艺设计、平面布置、机器人选型、机器人用自动焊钳设计与选型、非标机

焊接机器人毕业论文

第1章绪论 1.1课题研究的目的及意义 焊接是制造业中最重要的工艺技术之一。它在机械制造、核工业、航空航天、能源交通、石油化工及建筑和电子等行业中的应用越来越广泛。随着科学技术的发展，焊接已从简单的构件连接方法和毛坯制造手段，发展成为制造业中一项基础工艺，一种生产尺寸精确的产品的生产手段。传统的手工焊接已不能满足现代高技术产品制造的质量、数量要求。因此，保证焊接产品质量的稳定性、提高生产率和改善劳动条件已成为现代焊接制造工艺发展亟待解决的问题。电子技术、计算机技术、数控及机器人技术的发展为焊接过程自动化提供了十分有利的技术基础，并已渗透到焊接各领域中。近20年来，在半自动焊、专机设备以及自动焊接技术方面已取得了许多研究和应用成果，表明焊接过程自动化已成为焊接技术新的生长点之一。从21世纪先进制造技术的发展要求看，焊接自动化生产已是必然趋势。焊接机器人的诞生是焊接自动化革命性的进步，它突破了焊接刚性自动化的传统方式，开拓了一种柔性自动化的生产方式，从而使中小批量的产品自动化焊接成为可[1]。 焊接机器人已经广泛应用于汽车、工程机械、摩托车等行业，极大地提高了焊接生产的自动化水平，使焊接生产效率和生产质量产生了质的飞跃。同时改善了工人的劳动环境[2]。但是，现在焊接领域中自动化程度最高的手臂式机器人在使用时有两个局限性：一个是它的活动范围较小，因为它像一个手臂，手臂长1.5~2米，也就是其活动半径，所以焊接的工件不能太长，最大范围也不能超过2米。二是它必须用编程或示教进行工作，对不规则的焊缝，特别是在焊接过程中焊缝发生形变时，则很难适应。然而，许多大型工件体积非常庞大，而且必须在工地和现场进行焊接。例如：石化工业中的大型储油罐、球罐，造船业中的各种轮船，对这类产品的焊接，就很难实现自动化，许多建设工作仍然采用人工焊接[3]。因此，给焊接机器人加装各种传感器，使它们具有焊接路径自主获取、焊缝跟踪以及焊接参数在线调整等能力，具有很高的实用价值。机器人焊接过程的自主化和智能化已经成为科研工作者的一个研究重点。移动焊接机器人由于其良好的移动性、强的磁吸附力以及较高的智能，成为解决大型焊接结构件自动化焊接的有效方法[4]。尽管自主移动机器人的实用化研究还不够完善，但移动机器人是解决无轨道，无导向，无范围限制焊接的良好方案。 1.2国内外研究现状 自1962年美国推出世界上第一台Unimate型和Versatra型工业机器人以来，越来越多的工业机器人投入生产使用中。这其中大约有半数是焊接机器人。焊接机器人是在工业机器人上装备焊接系统，如送丝机、软管、焊枪、焊炬或焊钳，并配备相

焊接智能化与智能化焊接机器人技术研究

龙源期刊网 https://www.wendangku.net/doc/f316402039.html, 焊接智能化与智能化焊接机器人技术研究 作者：莫明朝 来源：《中国科技纵横》2017年第09期 摘要：随着我国科学技术的不断发展，机器人焊接智能化技术也逐渐提升，越来越多的 制造企业都提高了对焊接智能化技术的重视度，机器人已经不再是稀有产品，采用智能化机器人来代替人工焊接已经成为触手可及的梦想，本文就针对焊接智能化与智能化焊接机器人技术进行了分析和研究。 关键词：焊接智能化；焊接机器人技术；分析研究 中图分类号：TG409 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）09-0081-02 近几年，伴随各种智能化技术的普及，焊接生产过程也逐渐朝着智能化、自动化的方向发展，当前，采用焊接机器人技术进行焊接已经成为我国实现焊接智能化的重要标志，相对于传统的焊接技术来说，机器人焊接技术主要具有自动化程度高、焊接速度快、焊接质量佳等优势，但是从当前的现状看，我国的机器人焊接技术还存在成本高、焊接时间长等问题，只有解决这些问题，才能进一步拓展我国智能化机器人焊接技术的应用范围。 1 焊接智能化与智能化焊接机器人技术的研究现状 1.1 焊接路径规划技术 焊接机器人的焊接路径主要包括三种，即在线自主编程法、手工示教法和离线编程法。以下是具体分析： 1.1.1 在线自主编程法 在线自主编程法主要是通过视觉传感器来实现对焊缝的自动识别，同时绘制出焊缝在机器人基坐标下的三维图形，这样就能达到机器人焊接在线自主规划路径的目的，这种方式可以避免人工焊接中因观察失误而导致的问题，能有效提升焊接机器人的智能化水平，将成为当前以及今后一段时间我国焊接路径规划技术的发展方向，为了避免在线自主编程法在应用过程中出现误差，一些著名学者在现有的视觉传感技术之上进行了更进一步的研究，以缩小焊缝定位的误差，当前，利用在线自主编程法进行焊接路径的规划已经能够将误差控制在合理的范围之内，基本能符合一般电弧焊接技术的需求。 1.1.2 手工示教法 所谓手工示教法，指的就是通过操作工人手动操作示教盒，实现对焊接轨迹的在线控制的一种方法，这种焊接路径规划技术主要具有适应性强、灵活性高、操作便捷等优势，在焊接机

焊接机器人智能化发展

焊接机器人的智能化发展 林祥礼 摘要：本文简要介绍了焊接机器人的发展过程，在此基础上主要介绍基于焊接环境和过程视觉信息获取而展开的焊接机器人智能化技术发展及应用现状。 关键字：焊接机器人；视觉；智能化 0 引言 自从1959年第一台工业机器人U N I M A T E在美国诞生以来到现在，工业机器人经历了三个阶段，即示教再现阶段、离线编程阶段和自主编程阶段。据不完全统计，全世界在役的工业机器人中大约有将近一半以上用于各种形式的焊接加工领域。因此，从某种意义上来说，工业机器人的发展历史就是焊接机器人的发展历史。目前，国内外大量应用的焊接机器人系统从整体上看基本都属于第一代或准二代的[1]。由于焊接路径和焊接参数是根据实际作业条件预先设置的，在焊接时缺少外部信息传感和实时调整控制功能,这类弧焊机器人对焊接作业条件的稳定性要求严格，焊接时缺乏柔性，表现出明显的缺点。在实际弧焊过程中，焊接条件是经常变化的。如加工和装配上的误差会造成焊缝位置和尺寸的变化，焊接过程中工件受热及散热条件改变会造成焊道变形和熔透不均等诸多问题。 为了克服机器人焊接过程中各种不确定性因素对焊接质量的影响，提高机器人作业的智能化水平是焊接机器人发展的必然趋势。从模拟焊工观察、判断与施焊操作的功能研究智能型焊接机器人关键技术，焊接环境的视觉信息获取与利用是智能化机器人的关键技术和主要标志之一。 1 机器人焊接智能化技术的主要构成 机器人智能化焊接技术集成了多门学科，具有典型的学科融合特点。将智能化技术引入焊接机器人所涉及的主要技术构成如图1所示。焊接机器人的智能化技术包括：焊接机器人对于焊接任务的自主规划技术；焊接机器人的导引跟踪运动轨迹控制技术；焊接环境识别以及焊接动态过程的信息传感、建模与智能控制技术；机器人焊接系统的集成与控制，将上述焊接任务规划、轨迹跟踪控制、传感系统、过程模型、智能控制等子系统的软硬件集成设计、统一优化调度与控制，涉及焊接柔性制造系统的物料流、信息流的管理与控制，多机器人与传感器、控制器的多智能单元协调以及基于网络通讯的远程控制技术等。

焊接机器人离线编程应用技术

焊接机器人离线编程应用技术 一、引述 随着国内外机械装备制造事业飞速发展，对各种机械设备的生产周期、产品质量、制 造成本，提出了更高的要求。为了适应这种形势，设法提高及保证焊接接头质量的稳定性，机器人的柔性优势正是解决这一问题的的良好方案。 二、机器人系统简介 通用工业机器人，按其功能划分，一般由 3 个相互关连的部分组成：机械手总成、 控制器、示教系统（即示教盒）。机械手总成是机器人的执行机构，它由驱动器、传动机构、机器人臂、关节、末端操作器、以及内部传感器等组成，它的任务是精确地保证末端 操作器所要求的位置，姿态和实现其运动；控制器是机器人的神经中枢，它由计算机硬件、软件和一些专用电路构成，其软件包括控制器系统软件、机器人专用语言、机器人运动学、动力学软件、机器人控制软件、机器人自诊断、自保护功能软件等，它处理机器人工作过 程中的全部信息和控制其全部动作；示教系统是机器人与人的交互接口，在示教过程中它 将控制机器人的全部动作，并将其全部信息送入控制器的存储器中，它实质上是一个专用 的智能终端。 三、机器人编程的类型与应用方法 目前的机器人编程可以分为示教编程与离线编程两种方式。示教编程是指操作人员利 用示教盒控制机器人运动，使焊枪到达完成焊接作业所需位姿，并记录下各个示教点的位 姿数据，随后机器人便可以在“再现”状态完成这条焊缝的焊接。离线编程是利用三维图 形学的成果，在计算机的专业软件中建立起机器人及其工作环境的模型，通过软件功能对 图形的控制和操作，在不使用实际机器人的情况下进行编程，进而自动计算出符合机器人 语言的文本程序，再通过计算机的仿真模拟运行后将最终的数据程序传至机器人控制系统 直接使用。示教编程与离线各有特点。在示教过程中，编程效果受操作人员水平及状态的 影响较大，示教时，为了保证轨迹的精度，通常在一段较短（如100mm）的样条曲线焊缝 上需要示教数十个数据点，以保证焊接机器人运行平滑及收弧点位置的一致。每段在线示 教编程都需要花很长的时间。因要尽量保证示教点在焊缝轨迹上，并且要让焊枪姿态的连 续变化，对操作人员的水平要求很高。另外，示教的精度完全靠示教者的经验目测决定， 对于复杂路径难以保证示教点的精确结果。而离线编程是将机器人所有编程的工作内容在

焊接机器人的应用

焊接机器人的应用 焊接机器人技术的发展 我国开发工业机器人晚于美国和日本，起于20世纪70年代，早期是大学和科研院所的自发性的研究。到80年代中期，全国没有一台工业机器人问世。而在国外，工业机器人已经是个非常成熟的工业产品，在汽车行业得到了广泛的应用。鉴于当时的国内外形势，国家“七五”攻关计划将工业机器人的开发列入了计划，对工业机器人进行了攻关，特别是把应用作为考核的重要内容，这样就把机器人技术和用户紧密结合起来，使中国机器人在起步阶段就瞄准了实用化的方向。与此同时于1986年将发展机器人列入国家"863"高科技计划。在国家"863"计划实施五周年之际，邓小平同志提出了"发展高科技，实现产业化"的目标。在国内市场发展的推动下，以及对机器人技术研究的技术储备的基础上，863主题专家组及时对主攻方向进行了调整和延伸，将工业机器人及应用工程作为研究开发重点之一，提出了以应用带动关键技术和基础研究的发展方针，以后又列入国家"八五"和"九五"中。经过十几年的持续努力，在国家的组织和支持下，我国焊接机器人的研究在基础技术、控制技术、关键元器件等方面取得了重大进展，并已进入使用化阶段，形成了点焊、弧焊机器人系列产品，能够实现小批量生产。 焊接机器人的应用状况 我国焊接机器人的应用主要集中在汽车、摩托车、工程机械、铁路机车等几个主要行业。汽车是焊接机器人的最大用户，也是最早用户。早在70年代末，上海电焊机厂与上海电动工具研究所，合作研制的直角坐标机械手，成功地应用于上海牌轿车底盘的焊接。一汽是我国最早引进焊接机器人的企业，1984年起先后从KUKA公司引进了3台点焊机器人，用于当时“红旗牌”轿车的车身焊接和“解放牌”车身顶盖的焊接。1986年成功将焊接机器人应用于前围总成的焊接，并于1988年开发了机器人车身总焊线。80年代末和90年代初，德国大众公司分别与上海和一汽成立合资汽车厂生产轿车，虽然是国外的二手设备，但其焊接自

焊接机器人的行业中广泛应用

焊接机器人的行业中广泛应用 焊接机器人是从事焊接（包括切割与喷涂）的工业机器人，它主要包括机器人和焊接设备两部分。其中，机器人由机器人本体和控制柜（硬件及软件）组成；而焊接装备，以弧焊及点焊为例，则由焊接电源（包括其控制系统）、送丝机（弧焊）、焊枪（钳）等部分组成。对于智能机器人，还应配有传感系统，如激光或摄像传感器及其控制装置等。 1、点焊机器人的特点 由于采用了一体化焊钳，焊接变压器装在焊钳后面，所以点焊机器人的变压器必须尽量小型化。对于容量较小的变压器可以用50Hz工频交流，而对于容量较大的变压器，工业上已经开始采用逆变技术把50Hz工频交流变为600～700Hz交流，使变压器的体积减少、减轻。变压后可以直接用600～700Hz交流电焊接，也可以再进行二次整流，用直流电焊接，焊接参数由定时器调节。目前，新型定时器已经微机化，因此机器人控制柜可以直接控制定时器，无需另配接口。点焊机器人的焊钳，用电伺服点焊钳，焊钳的张开和闭合由伺服电机驱动，码盘反馈，使焊钳的张开度可以根据实际需要任意选定并预置，而且电极间的压紧力也可以无级调节。 电伺服点焊钳具有如下优点： （1）每个焊点的焊接周期可大幅度降低，因为焊钳的张开程度是由机器人精确控制的，机器人在点与点之间的移动过程，焊钳就可以开始闭合；而焊完一点后，焊钳一边张开，机器人就可以一边位移，不必等机器人到位后，焊钳才闭合或焊钳完全张开后机器人再移动。 （2）焊钳张开度可以根据工件的情况任意调整，只要不发生碰撞或干涉，可尽可能减少张开度，以节省焊钳开度，节省焊钳开合所占的时间。 （3）焊钳闭合加压时，不仅压力大小可以调节，而且在闭合时两电极是轻轻闭合，可减少撞击变形和噪声。 2、弧焊机器人的特点 弧焊机器人多采用气体保护焊方法（MAG、MIG、TIG），通常的晶闸管式、逆变式、波形控制式、脉冲或非脉冲式等的焊接电源都可以装到机器人上作电弧焊。由于机器人控制柜采用数字控制，而焊接电源多为模拟控制，所以需要在焊接电源与控制柜之间加一个接口。 近年来，国外机器人生产厂都有自己特定的配套焊接设备，在这些焊接设备内已经插入相应的接口板，所以弧焊机器人系统中并没有附加接口箱。应该指出的是，在弧焊

焊接机器人离线编程应用技术经验

焊接机器人离线编程应用 技术经验 Jenny was compiled in January 2021

焊接机器人离线编程应用技术 一、引述 随着国内外机械装备制造事业飞速发展，对各种机械设备的生产周期、产品质量、制造成本，提出了更高的要求。为了适应这种形势，设法提高及保证焊接接头质量的稳定性，机器人的柔性优势正是解决这一问题的的良好方案。 二、机器人系统简介 通用工业机器人，按其功能划分，一般由3个相互关连的部分组成：机械手总成、控制器、示教系统（即示教盒）。机械手总成是机器人的执行机构，它由驱动器、传动机构、机器人臂、关节、末端操作器、以及内部传感器等组成，它的任务是精确地保证末端操作器所要求的位置，姿态和实现其运动；控制器是机器人的神经中枢，它由计算机硬件、软件和一些专用电路构成，其软件包括控制器系统软件、机器人专用语言、机器人运动学、动力学软件、机器人控制软件、机器人自诊断、自保护功能软件等，它处理机器人工作过程中的全部信息和控制其全部动作；示教系统是机器人与人的交互接口，在示教过程中它将控制机器人的全部动作，并将其全部信息送入控制器的存储器中，它实质上是一个专用的智能终端。 三、机器人编程的类型与应用方法 目前的机器人编程可以分为示教编程与离线编程两种方式。示教编程是指操作人员利用示教盒控制机器人运动，使焊枪到达完成焊接作业所需位姿，并记录下各个示教点的位姿数据，随后机器人便可以在“再现”状态完成这条焊缝的焊接。离线编程是利用三维图形学的成果，在计算机的专业软件中建立起机器人及其工作环境的模型，通过软件功能对图形的控制和操作，在不使用实际机器人的情况下进行编程，进而自动计算出符合机器人语言的文本程序，再通过计算机的仿真模拟运行后将最终的数据程序传至机器人控制系统直接使用。示教编程与离线各有特点。在示教过程中，编程效果受操作人员水平及状态的影响较大，示教时，为了保证轨迹的精度，通常在一段较短（如100mm）的样条曲线焊缝上需要示教数十个数据点，以保证焊接机器人运行平滑及收弧点位置的一致。每段在线示教编程都需要花很长的时间。因要尽量保证示教点在焊缝轨迹上，并且要让焊枪姿态的连续变化，对操作人员的水平要求很高。另外，示教的精度完全靠示教者的经验目测决定，对于复杂路径难以保证示教点的精确结果。而离线编程是将机器人所有编程的工作内容在计算机软件在完成，过程一般包括：机器人及设备的作业任务描述、建立变换方程、求解未知矩阵及编制任务程序等。在进行图形仿真以后，根据动态仿真的结果，对程序做适当的修正，以达到满意效果，最后在线控制机器人运动以完成作业。节省了在机器人上编程的时间、离线编程的程序易于修改、通过仿真模拟后，防止昂贵的设备发生碰撞而损坏、结合CAD软件系统和其它人工智能技术与机器人系统一体化，来提高工作效率和焊接质量。由此看来当焊缝是直线或者简单曲线，焊缝上方没有干涉物且焊缝的精度要求不太高的情况下，采用在线示教的编程方式是非常理想的，但在许多复杂的作业应用中不是那么令人满意了。

工业机器人焊接技术大全.

焊接 焊接是指通过适当的物理化学过程使两个分离的固态物体产生原子（分子）间结合力而连接成一体的连接方法。 常用的焊接方法可分为三大类：熔化焊、压力焊、钎焊。熔化焊中又分为气焊、电弧焊、电渣焊、等离子弧焊等等。本文主要介绍电弧焊中的手工电弧焊、埋弧自动焊和氩弧焊。 在化工机械制造中，据统计，化工装置焊接的构件量，约占整个装置重量的75％左右。各种容器、塔器、换热器、反应器、钢结构等大多数采用焊接方法制造。由于化工、炼油、制药等生产工艺复杂，操作压力高，温度范围广，要求密封性好，腐蚀性强，所以对焊接要求特别严格。因此，提高焊接技术水平，规范焊接工艺，确保焊接质量，对保证长期、安全、高效率生产有着重要的意义。 第一节电弧焊 电弧焊是利用电弧的热量加热并熔化金属进行焊接的。 一、焊接电弧 焊接电弧是一种强烈的持久的气体放电现象。在这种气体放电过程中产生大量的热能和强烈的光辉。通常，气体是不导电的，但是在一定的电场和温度条件下，可以使气体离解而导电。焊接电弧就是在一定的电场作用下，将电弧空间的气体介质电离，使中性分子或原子离解为带正电荷的正离子和带负电荷的电子（或负离子），这两种带电质点分别向着电场的两极方向运动，使局部气体空间导电，而形成电弧。 焊接电弧的引燃一般采用两种方法：接触引弧和非接触引弧。手工电弧焊是采用接触引弧的。引弧时，焊条与工件瞬时接触造成短路。由于接触面的凹凸不平，只是在某些点上接触，因而使接触点上电流密度相当大；此外，由于金属表面有氧化皮等污物，电阻也相当大，所以接触处产生相当大的电阻热，使这里的金属迅速加热熔化，并开始蒸发。当焊条轻轻提起时，焊条端头与工件之间的空间内充满了金属蒸气和空气，其中某些原子可能已被电离。与此同时，焊条刚拉开一瞬间，由于接触处

焊接机器人智能化技术研究

焊接机器人智能化技术研究 发表时间：2018-10-15T09:55:07.960Z 来源：《知识-力量》2018年10月中作者：平苏丰 [导读] 机器人焊接已经成为自动化焊接的主要标志，实现机器人焊接过程智能化是机器人焊接技术发展的必然趋势。本文从焊接传感技术（山东省特种设备检验研究院有限公司） 摘要：机器人焊接已经成为自动化焊接的主要标志，实现机器人焊接过程智能化是机器人焊接技术发展的必然趋势。本文从焊接传感技术、焊缝跟踪技术、焊接路径规划技术与焊缝成形质量控制技术四个方面介绍机器人焊接智能化关键技术的研究现状及其面临的问题，也展望了焊接机器人智能化技术的发展趋势。 关键词：焊接；智能化；发展趋势 随着先进制造技术的发展，实现焊接产品制造的自动化、柔性化与智能化已成为必然趋势。从60年代诞生和发展到现在，焊接机器人的研究经历了三个阶段，即示教再现阶段、离线编程阶段和自主编程阶段。随着计算机控制技术的不断进步，使焊接机器人由单一的单机示教再现型向多传感、智能化的柔性加工单元（系统）方向发展，实现由第二代向第三代的过渡将成为焊接机器人追求的目标。 一、焊接机器人技术发展过程 随着先进制造技术的发展，实现焊接产品制造的自动化、柔性化与智能化已成为必然趋势。从60年代诞生和发展到现在，焊接机器人的研究经历了三个阶段，即示教再现阶段、离线编程阶段和自主编程阶段。随着计算机控制技术的不断进步，使焊接机器人由单一的单机示教再现型向多传感、智能化的柔性加工单元（系统）方向发展，实现由第二代向第三代的过渡将成为焊接机器人追求的目标。目前，国内外大量应用的弧焊机器人系统从整体上看基本都属于第一代或准二代的。由于焊接路径和焊接参数是根据实际作业条件预先设置的，焊接时缺少外部信息传感和实时调整控制的功能，这类弧焊机器人对焊接作业条件的稳定性要求严格，焊接时缺乏“柔性”，表现出明显的缺点。在实际弧焊过程中，焊接条件是经常变化的，如加工和装配上的误差会造成焊缝位置和间隙的变化，焊接过程中工件受热及散热条件改变会造成焊道变形和熔透不均。为了克服机器人焊接过程中各种不确定性因素对焊接质量的影响，提高机器人作业的智能化水平和工作的可靠性，要求弧焊机器人系统不仅能实现空间焊缝的自动实时跟踪，而且还能实现焊接参数的在线调整和焊缝质量的实时控制。研究智能化机器人焊接技术，改进目前工业生产中示教再现型焊接机器人的适应或智能化功能，一方面是目前高技术产品复杂焊接工艺及其焊接质量、效率的迫切要求；另外，随着人类探索空间的扩展，在极端环境，如太空、深水以及核环境下的焊接制造也对发展自主智能型焊接机器人提出了强烈的技术需求。 二、焊接机器人技术发展现状 1.焊接传感技术 焊接过程的传感是机器人焊接智能控制行为的前提条件，如同人工智能行为的感知功能，机器人通过传感器实时获取焊接过程的各种状态信息来实现机器人焊接的智能控制行为。研究学者对焊接过程的传感技术的研究开展了许多的工作，开发了许多种类的传感器，用于对焊接过程进行感知，进而智能控制焊接过程。已有的研究表明，单一的传感器在反映焊接状态的全面性与准确性存在不足，采用多传感信息融合技术能获取更多的焊接过程状态信息，能更全面和真实的表达焊接过程。焊接过程中的各类传感器基于传感原理对焊接传感器进行分类，主要包括:视觉传感、电弧传感、声学传感、光谱传感、温度传感等。视觉传感方法可以识别焊接接头类型，获取焊缝位置、焊接过程熔滴过渡、熔池动态特征等信息，并且不与焊接回路接触，不干扰正常焊接过程，是最有发展前景的传感方法之一。 2.多传感信息融合技术 多传感信息融合技术是在焊接过程中采用多个传感器，从多角度、多方面对焊接过程进行传感，然后使用信息融合技术对多传感信息进行融合处理，获取更加准确、全面的焊接过程状态的融合信息。该方法对错误信息的容错能力较强、更加真实全面的描述焊接过程状态，因此能够更加准确控制焊接质量，是未来传感技术发展的趋势。目前针对焊接过程的多传感信息融合技术的研究才刚刚起步，已展现出一定的优势。 3.焊缝跟踪技术 焊接过程的跟踪与纠偏是智能化焊接必须面对与解决的问题之一。实际焊接过程中，受到加工精度、装配精度与热变形等因素的影响，使焊枪偏离焊接轨迹，从而导致焊接质量下降甚至工件报废。所以智能化焊接要求在焊接时，利用传感器检测出焊缝偏差信息，并根据偏差信息实时反馈调整焊接路径与焊接参数。根据焊缝跟踪中所用到的传感器种类的不同可以分为视觉、电弧、超声波、接触式感应跟踪等，其中视觉跟踪和电弧跟踪是焊缝跟踪技术研究的重点。 4.离线编程法 离线编程法也称为虚拟示教法，是利用交互式三维图形软件对机器人、工件及其环境进行建模，并在模拟环境中进行虚拟示教，进而将示教结果转化实际焊接路径的方法。该方法能够提高机器人的使用效率和焊接自动化水平，降低成本。但通过离线编程获取的焊接路径在实际焊接时仍需要进行校准与修正才能使用。目前，国内对于焊接路径规划的离线编程还处于研究试验阶段，而国外一些工业机器人厂家已经开发离线编程软件用于实际生产。 5.电弧跟踪法 电弧跟踪法是利用电弧传感器测量焊接过程中电信号的变化来检测出焊缝偏差信息，从而实现焊接过程纠偏的方法。该方法不受焊接飞溅、弧光、烟尘等干扰，焊枪可达性好，信号检测的实时性较强，成本较低，在焊缝跟踪中取得较广泛的应用。电弧跟踪方法主要用于几何特征比较明显的焊缝跟踪，其工作原理是在V型坡口对接焊试验中，控制电弧周期性摆动，当焊枪位置出现偏差时，电信号在周期内呈非对称分布，根据检测到的电信号变化情况，获取焊枪位置偏差信息，并反馈给控制系统实现焊接过程纠偏。 三、焊接机器人技术发展趋势 智能化技术是保证焊接机器人获取更高焊接质量与生产效率的关键技术，是解决焊接机器人在船舶、航空航天、机械制造等领域进一步深入应用的关键。从上述的研究现状可以看出焊接机器人智能化技术取得了较大的进展，但仍然还有许多问题需要解决。焊接机器人各方面智能化关键技术中:(1)焊接传感技术将由单一传感方法向多传感信息融合方法发展，以确保焊接状态信息的准确性与完整性;(2)研制出

焊接机器人发展现状及发展趋势!

焊接机器人发展现状 我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步，目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，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，我国的工业机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、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模块化设计，积极推进产业化进程。 焊接机器人的编程方法目前还是以在线示教方式为主，但编程器的界面比过去有了不少改进，尤其是液晶图形显示屏的采用使新的焊接机器人的编程界面更趋友好、操作更容易。然而，机器人编程时焊缝轨迹上的关键点坐标位置仍必须通过示教方式获取，然后存入程序的运动指令中。这对于一些复杂形状的焊缝轨迹来说，必须花费大量的时间示教，从而降低了机器人的使用效率，也增加了编程人员的劳动强度。目前解决的方法有两种：一是示教编程时只是粗略获取几个焊缝轨迹上的几个关键点，然后通过焊接机器人的视觉传感器通常是电弧传感器或激光视觉传感器自动跟踪实际的焊缝轨迹。这种方式虽然仍离不开示教编程但在一定程度上可以减轻示教编程的强度，提高编程效率。由于电弧焊本身的特点，机器人的视觉传感器并不是对所有焊缝形式都适用。二是采取完全离线编程的办法，使机器人焊接程序的编制、焊缝轨迹坐标位置的获取、以及程序的调试均在一台计算机上独立完成，不需要机器人本身的参与。机器人离线编程早在多年以前就有，只是由于当时受计算机性能的限制，离线编程软件以文本方式为主，编程员需要熟悉机器人的所有指令系统和语法，还要知道如何确定焊缝轨迹的空间位置坐标，因此，编程工作并不轻松省时。随着计算机性能的提高和计算机三维图形技术的发展，机器人离线编程系统多数可在三维图形环境下运行，编程界面友好、方便，获取焊缝轨迹的坐标位置通常可以采用“虚拟示教”的办法，用鼠标轻松点击三维虚拟环境中工件的焊接部位即可获得该点的空间坐标；在有些系统中，可通过图形文件中事先定义的焊缝位置直接生成焊缝轨迹，然后自动生成机器人程序并下载到机器人控制系统。从而大大提高了机器人的编程效率，也减轻了编程员的劳动强度。目前，国际市场上已有基于普通机的商用机器人离线编程软件，通过虚拟示教获得，并在三维图形环境中可让机器人按程序中的轨迹作模拟运动，以此检验其准确性和合理性。所编程序可通过网络直接下载给机器人控制器。 焊接机器人发展趋势 目前国际机器人界都在加大科研力度，进行机器人共性技术的研究。从机器人技术发展趋势看，焊接机器人和其它工业机器人一样，不断向智能化和多样化方向发展。具体而言，表现在如下几个方面： 1)．机器人操作机结构： 通过有限元分析、模态分析及仿真设计等现代设计方法的运用，实现机器人操作机构的优化设计。 探索新的高强度轻质材料，进一步提高负载/自重比。例如，以德国KUKA公司为代表的机器人公司，已将机器人并联平行四边形结构改为开链结构，拓展了机器人的工作范围，加之轻质铝合金材料的应用，大大提高了机器人的性能。此外采用先进的RV减速器及交流伺服电机，使机器人操作机几乎成为免维护系统。

机器人焊接前沿技术—焊接1301 徐昀华

焊接前沿技术作业 学院：材料科学与工程学院 专业班级：焊接1301班 姓名：徐昀华 学号： 130200308 任课教师：常云龙 完成日期： 2016.11.1

焊接机器人技术现状和发展趋势摘要 机器人逐渐走入人类社会，在人们生产、生活中发挥着重要作用。本文主要从国内外工业机器人的发展、我国焊接机器人应用现状、焊接机器人系统研究、焊接机器人的发展及趋势等方面进行分析。 关键字：焊接机器人；汽车应用；发展趋势 一．国内外焊接机器人发展现状 机器人技术作为先进制造技术的典型代表和主要技术手段，它在提升企业技术水平、稳定产品质量、提高生产效率、实现文明生产等方面具有重大作用。大工业革命曾使人沦落为机器的奴隶，而机器人的诞生和广泛推广应用又重新使人类恢复了尊严。 国外 随着计算机技术的不断提高和制造技术的不断发展，国外焊接机器人技术得到了飞速的发展，其准确度和可靠不断提高，与此同时，造价却不断下降。西方发达国家也将发展焊接机器人作为研究的重点。日本仅用了10 年左右的时间，便形成了自己的机器人产业，韩国的机器人发展也极其迅速，截止到2005年全世界的在役工业机器人约为914000套，日本占了其中的60% 左右，大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。尽管美国和德国等老牌工业强国在数量上不如日本，但其技术底蕴身后，制作的焊接机器人水平较高，因此在国际市场上还是占有一定的优势。 国内 我国焊接机器人的应用主要集中在汽车、摩托车、工程机械、铁路机车等主要行业。汽车是焊接机器人的最大用户，也是最早的用户。早在20 世纪70年代末，上海电焊机厂与上海电动工具研究所合作研制了直角坐标机械手，成功应用于上海牌轿车底盘的焊接。一汽公司是我国最早引进焊接机器人的企业，1984 年起先后从KUKA 公司引进了3 台点焊机器人，用于当时“红旗牌”轿车的车身焊接和“解放牌”车身顶盖的焊接。1986 年成功地将焊接机器人应用于前围总成的焊接，并于1988 年开发了机器人车身总焊线。20 世纪80 年代末和20 世

焊接机器人的应用

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焊接机器人的应用 焊接机器人技术的发展 我国开发工业机器人晚于美国和日本，起于20世纪70年代，早期是大学和科研院所的自发性的研究。到80年代中期，全国没有一台工业机器人问世。而在国外，工业机器人已经是个非常成熟的工业产品，在汽车行业得到了广泛的应用。鉴于当时的国内外形势，国家“七五”攻关计划将工业机器人的开发列入了计划，对工业机器人进行了攻关，特别是把应用作为考核的重要内容，这样就把机器人技术和用户紧密结合起来，使中国机器人在起步阶段就瞄准了实用化的方向。与此同时于1986年将发展机器人列入国家"863"高科技计划。在国家"863"计划实施五周年之际，邓小平同志提出了"发展高科技，实现产业化"的目标。在国内市场发展的推动下，以及对机器人技术研究的技术储备的基础上，863主题专家组及时对主攻方向进行了调整和延伸，将工业机器人及应用工程作为研究开发重点之一，提出了以应用带动关键技术和基础研究的发展方针，以后又列入国家"八五"和"九五"中。经过十几年的持续努力，在国家的组织和支持下，我国焊接机器人的研究在基础技术、控制技术、关键元器件等方面取得了重大进展，并已进入使用化阶段，形成了点焊、弧焊机器人系列产品，能够实现小批量生产。 焊接机器人的应用状况 我国焊接机器人的应用主要集中在汽车、摩托车、工程机械、铁路机车等几个主要行业。汽车是焊接机器人的最大用户，也是最早用户。早在70年代末，上

海电焊机厂与上海电动工具研究所，合作研制的直角坐标机械手，成功地应用于上海牌轿车底盘的焊接。一汽是我国最早引进焊接机器人的企业，1984年起先后从KUKA公司引进了3台点焊机器人，用于当时“红旗牌”轿车的车身焊接和“解放牌”车身顶盖的焊接。1986年成功将焊接机器人应用于前围总成的焊接，并于1988年开发了机器人车身总焊线。80年代末和90年代初，德国大众公司分别与上海和一汽成立合资汽车厂生产轿车，虽然是国外的二手设备，但其焊接自动化程度与装备水平，让我们认识到了与国外的巨大差距。随后二汽在货车及轻型车项目中都引进了焊接机器人。可以说90年代以来的技术引进和生产设备、工艺装备的引进使我国的汽车制造水平由原来的作坊式生产提高到规模化生产，同时使国外焊接机器人大量进入中国。由于我国基础设施建设的高速发展带动了工程机械行业的繁荣，工程机械行业也成为较早引用焊接机器人的行业之一。近年来由于我国经济的高速发展，能源的大量需求，与能源相关的制造行业也都开始寻求自动化焊接技术，焊接机器人逐渐崭露头角。铁路机车行业由于我国货运、客运、城市地铁等需求量的不断增加，以及列车提速的需求，机器人的需求一直处于稳步增长态势。据2001年统计，全国共有各类焊接机器人1040台，汽车制造和汽车零部件生产企业中的焊接机器人占全部焊接机器人的76%。在汽车行业中点焊机器人与弧焊机器人的比例为3：2，其他行业大都是以弧焊机器人为主，主要分布在工程机械（10%）、摩托车（6%）、铁路车辆（4%）、锅炉（1%）等行业。焊接机器人也主要分布在全国几大汽车制造厂，从中还能看出，我国焊接机器人的行业分布不均衡，也不够广泛。 进入21世纪由于国外汽车巨头的不断涌入，汽车行业迅猛发展，我国汽车行业的机器人安装台数迅速增加，2002、2003、2004年每年都有近千台的数量增长。估计我国目前焊接机器人的安装台数在4000台左右。汽车行业焊接机器人所占的比例会进一步提高。

机器人焊接智能化技术.

机器人焊接智能化技术 随着先进制造技术的发展，实现焊接产品制造的自动化、柔性化与智能化已成为必然趋势[1-8]。目前，采用机器人焊接已成为焊接自动化技术现代化的主要标志。焊接机器人由于具有通用性强、工作可靠的优点，受到人们越来越多的重视。在焊接生产中采用机器人技术，可以提高生产率、改善劳动条件、稳定和保证焊接质量、实现小批量产品的焊接自动化[9]。 从60年代诞生和发展到现在，焊接机器人的研究经历了三个阶段，即示教再现阶段、离线编程阶段和自主编程阶段。随着计算机控制技术的不断进步，使焊接机器人由单一的单机示教再现型向多传感、智能化的柔性加工单元（系统）方向发展，实现由第二代向第三代的过渡将成为焊接机器人追求的目标[9,10]。 目前，国内外大量应用弧焊机器人系统从整体上看基本都属于第一代或准二代的焊接由于焊接路径和焊接参数是根据实际作业条件预先设置的，在焊接时缺少外部信息传感和实时调整控制功能，这类弧焊机器人对焊接作业条件的稳定性要求严格，焊接时缺乏“柔性”，表现出明显的缺点。在实际弧焊过程中，焊接条件是经常变化的，如加工和装配上的误差会造成焊缝位置和尺寸的变化，焊接过程中工件受热及散热条件改变会造成焊道变形和熔透不均[9,12]。为了克服机器人焊接过程中各种不确定性因素对焊接质量的影响，提高机器人作业的智能化水平和工作的可靠性，要求弧焊机器人系统不仅能实现空间焊缝的自动实时跟踪，而且还能实现焊接参数的在线调整和焊缝质量的实时控制。 2. 机器人焊接智能化技术的主要构成 现代焊接技术具有典型的多学科交叉融合特点[5,11]，采用机器人焊接则是相关学科技术成果的集中体现。将智能化技术引入焊接机器人所涉及的主要技术构成可见图 1 所示。其中包括： 图1机器人焊接智能化技术构成

焊接机器人离线编程应用技术经验

精心整理 焊接机器人离线编程应用技术 一、引述 随着国内外机械装备制造事业飞速发展，对各种机械设备的生产周期、产品质量、制造成本，提出了更高的要求。为了适应这种形势，设法提高及保证焊接接头质量的稳定性，机器人的柔性优势正是解决这一问题的的良好方案。 二、机器人系统简介 通用工业机器人，按其功能划分，一般由3个相互关连的部分组成：机械手总成、控制器、 教者的经验目测决定，对于复杂路径难以保证示教点的精确结果。而离线编程是将机器人所有编程的工作内容在计算机软件在完成，过程一般包括：机器人及设备的作业任务描述、建立变换方程、求解未知矩阵及编制任务程序等。在进行图形仿真以后，根据动态仿真的结果，对程序做适当的修正，以达到满意效果，最后在线控制机器人运动以完成作业。节省了在机器人上编程的时间、离线编程的程序易于修改、通过仿真模拟后，防止昂贵的设备发生碰撞而损坏、结合CAD 软件系统和其它人工智能技术与机器人系统一体化，来提高工作效率和焊接质量。由此看来当焊缝是直线或者简单曲线，焊缝上方没有干涉物且焊缝的精度要求不太高的情况下，采用在线示教的编程方式是非常理想的，但在许多复杂的作业应用中不是那么令人满意了。

因此，机器人离线编程及仿真是提高机器人焊接系统柔性化的一项关键技术，是现代机器人焊接制造业的一个重要方法。一般工业机器人焊接时，机器人对焊接过程动态变化、焊件变形和随机因素干扰等不具有自适应能力。随着焊接产品的高质量、多品种、小批量等要求增加，又对机器人焊接技术提出了更高要求。这就需要对本体机器人焊接系统进行二次开发，包括给焊接机器人配置适当的传感器，柔性周边设备以及相应软件功能，如焊缝跟踪传感、焊接过程传感与实时控制、焊接变位机构。这些功能大大扩展了基本的焊接机器人的功能，这样的焊接机器人系统智能程度的高低由所配置的传感器、控制系统以及软硬件所决定。根据目前的整体技术还不太容易满足机器人焊接的所有智能要求，但这是个重要的发展趋势。 其它 发那科公司的Roboguide以及日本OTC公司使用的离线模拟仿真软件就叫OTC。国内机器人厂家暂时还没有完全自主知识产权的模拟仿真软件。因为这些机器人公司业务主体是机器人与控制系统，而并非专业的软件公司，这些机器人厂家为了使自己的机器人更加适应市场需求，同时出于对机器人系统技术保护的考虑，而开发了只可用于自己公司机器人系统的离线模拟示教软件。这些软件虽然没有三维建模功能，但可以导入其它CAD软件设计的模型文件，通过虚拟示教方式离线编程，对于简单焊缝的作业倒也实用。