智能化机器人焊接技术应用

智能化机器人焊接技术应用

王记兵 1，徐大鹿 2，王川 3，孙中华 4，马志承 5，赵健 6

1 、 3沈阳仪表研学研究院有限公司 辽宁 沈阳 110168

2、4、5、6沈阳汇博热能设备有限公司 辽宁 沈阳 110168

摘要：我国工业机器人产业大而不强，机器人密度远小于韩国、日本、德国、美国，核心技术也不具备，国产智能机器人亟待自强。要发展焊接机器人技术，一方面要依赖国内庞大的市场需求，另一方面要不断开发核心技术，提升机器人寿命、精度、质量。同时，要多利用现有市场上的技术，不断创新。

关键词：智能化、机器人、焊接技术

引言：智能化机器人焊接技术的出现，无疑是焊接领域的一大突破，其不仅较好的融合了现代的科学技术，而且形成了更加科学的操作流程，能够确保智能化机器人的焊接水平十分直接有效。但是现阶段的智能化机器人焊接技术依然存在一定的问题，如果不能对这些问题加以切实的改善和调整，很可能会影响到智能化机器人焊接技术在未来的应用和发展。因而当代的科学家应当对它的科学技术进行进一步的深化和完善，使其切实满足时代发展的需求。

1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。

2焊接智能化与智能化焊接机器人技术的现状

2.1焊接路径规划技术

离线编程法、在线自主编程法以及手工示教法是焊接机器人重要的焊接方法。首先，离线编程法。也称为虚拟示教法，借助交互式三维图形软件来对周围环境和机器人进行创建的。通过创建出适合的模拟环境，从而进行虚拟示教工作。最后对示教结果进行深入探讨，从中找到焊接方法，这类方法的特点是能够提高焊接自动化技术水平，合理利用机器人，降低资金的投入。由于离线编程法找到的焊接方法极易存在和实际状况不符的现象，所以在应用过程中，需要通过校正处理，方可运用。和经济较发达的国家比较，我国在设计焊接方法上面应用的离线编程法水平偏低，还需要进一步完善。其次，在线自主编程法。在线自主编程法是借助视觉传感器来完成辨别焊缝自动化技术工作的，从而对机器人的坐标三维图形进行焊缝，实现机器人焊接在线自主计划方法的目标。利用这种方法能够有效的预防因为人工焊接造成的事故问题，从根本上提高焊接机器人的智能化水平，促进我国焊接路径规划技术的快速发展。为了提高在线自主编程法在使用过程中的正确率，很多学者对已有的视觉传感技术进行了深入分析，进而缩短焊缝定位的错误率。现阶段，在计划焊缝路径过程中，在线自主编程法被广泛应用，可以很好的把误差控制在标准范围，满足一般电弧焊接技术的基本要求。最后，手工示教法。手工示教法指的是工作人员手动操作示教盒，从而完成对焊接轨迹的掌控，这类焊接路径规划技术的适应能力极强，灵敏度也很高，便于操作，广泛应用于焊接机器人工作。由于手工示教法必须人工进行操作，所以极易被人工影响，对整体路径规划的精准度和质量带来一定误差。正因如此，才使得焊接机器人技术的使用范围非常小。

2.2焊缝跟踪技术

首先，视觉跟踪法。借助视觉传感器来获取清楚的焊缝图像，对图像进行深入分析，从而找到焊缝的中心线，实现焊缝的跟踪目标。这类方法被广泛应用，能够对全部的接头局面进行焊缝追踪，在焊缝追踪方面普遍使用。获得图像、对图像进行研究处理、找到特点、追踪掌控焊枪端部是视觉跟踪法的工作流程。获得焊接图像的方法有两种：第一，被动视觉传感方法，第二，主动视觉传感方法。被动视觉传感方法指的是借助自然光和弧光来对焊缝位置进行照射，随后选用过滤技术来获取清楚的焊缝图像。而主动视觉传感方法是借助激光来对焊缝位置进行照射，随后选用CCD来获取焊接图像，这种方法的优势在于图像的分辨率高，防止受到外界因素的困扰。其次，电弧跟踪法。在电弧跟踪法中，一般会选择电弧传感器来对电信号进行检测，并结合信号的变化情况来对焊缝进行判断，降低焊缝的错误率。电弧跟踪法不会因为粉尘和阳光而影响运行，焊枪具有良好的焊接效果，投资少，实用性强，但是使用范围会受到限制。从发展中可以看出，电弧跟踪技术正逐渐迈向磁控电弧技术，减少了焊枪的复杂性，从而实现焊接电弧的周期性。

3焊接机器人智能技术发展的创新思路

3.1融入仿生学知识

人类的文明和技术其实都是观察自身和其他物种的行为而发展起来的，比如飞机的设想是源自于鸟类，轮船的发明和鱼类有关，机器人的发明也是在人类自身行为方式的基础上进行的。人类在不同的环境下会有不同的行为，比如在水下和地上行动方式和轨迹都不相同。开发自主移动的机器人要注意引入这方面的思维，比如轨道焊接机器人可以在船舶等大型设施上操作，也可以将导轨引入生产线，在不同的生产环境下对导轨进行优化设计。自主行走机器人也要考虑稳定性，一旦失去平衡就会摔倒。

3.2发展机器人的自主学习模式

机器人通过感知环境，以INPUT的方式自主学习，这减少了人类示教的工作量，这样就能够在大型甲板等区域实现自动化焊接，能够有效解决机器人系统复杂、结构庞大、功能单一、自主性差的问题。通过发展自主编程技术，机器人能够利用视觉或其他传感器的数据规划焊接路径，在非结构环境中，机器人也能实现自主焊接，真正实现观察和决策，逐步实现智能化。

3.3提高每个零部件的精度

我国机器人行业和日本、德国的差距在于精益求精的态度。焊接是一项高精度的工作，在系统设计、总体构成、部件选材方面都必须要坚持精益求精的精神，在细节部分反复实验，才能实现科技的进步。智能机器人行业必须要有工匠精神，比如：要多次筛选取材，切不可敷衍了事，或为了降低成本随意取材，导致机器人性能下降。

结束语：目前，随着科技水平的不断提升，以及计算机技术的不断发展，机器人在制造业中发挥着越来越重要的作用。传统的焊接机器人被广泛用于汽车、建筑、工程、制造等领域，但是在核电、军事、空间结构和海洋工程等极限作业领域，需要焊接机器人具有可移动性和智能化特点，传统工业生产线大批量工业焊接机器人显然不符合未来发展的需求，提高焊接机器人的智能化水平依然是焊接工作者持续奋斗的目标。

作者简介：王记兵，1974—，高级工程师，从事焊接技术与装备研究。

参考文献：

[1]程艳艳.智能化机器人焊接技术的研究发展[J].时代农机，2016，43（11）：73+76.

[2]张嘉强.智能化机器人焊接技术研究[J].科技展望，2016，26（04）：67.