1、摘要：機器人技術是綜合了計算機、控制論、機構學、信息和傳感技術、人工智能、仿生學等多學科而形成的高新技術，當前對機器人技術的研究十分活躍。工業機器人是面向工業領域的多關節機械手或多自由度的機器人，自動執行工作的機器裝置，是靠自身動力和控制能力來實現各種功能的一種機器。焊接機器人目前已廣泛應用在汽車制造業，汽車底盤、座椅骨架、導軌、消聲器以及液力變矩器等焊接，尤其在汽車底盤焊接生產中得到了廣泛的應用。焊接機器人在制造業將成為主流。關鍵詞：焊接機器人、發展歷程、點焊機器人、弧焊機器人、發展趨勢與展望、遙控焊接技術abstract：robotics is a combination of compu

2、ter, control theory, organization, information and sensor technology, artificial intelligence, bionics and other subjects and the formation of high-tech, current research on robotics is very active. is the field of industrial robots for industrial multi-joint or multi-degree of freedom robot manipul

3、ator, automatic implementation of mechanical devices, depending on their ability to achieve power and control various functions of a machine. welding robot has been widely used in automobile manufacturing, automobile chassis, seat frames, rails, muffler, and the torque converter, such as welding, es

4、pecially in the car chassis welding production has been widely used. welding robots in the manufacturing sector will become the mainstream.keywords: welding robot, the development process, welding robots, welding robot, trends and prospects,remote welding technology.工業機器人的發展歷程自1954 年美國戴沃爾最早提出了工業機器人的

5、概念以來，工業機器人就得以不斷地發展。概括起來，工業機器人的發展歷程為3 代：第1 代：示教再現型機器人，但不具備反饋能力。挖掘機手柄自動操作機構，該機構結構簡單，能夠實現動作示教再現。第2 代：有感覺的機器人，不僅具有內部傳感器，而且具有外部傳感器， 能獲得外部環境信息。蛇形機器人就裝有內部測轉速的傳感器，以及外部測力的傳感器，該機器人能夠在不規則環境中具有一定的運動能力。第3 代：智能機器人。定義為“可自動控制的裝置，能理解指示命令，感知環境，識別對象，規劃自身操作程序來完成任務”。采用實時可適應性的運動規劃（ramp）算法的puma560 機械臂，它能在復雜動態環境中自動識別來自不同方向

6、的移動或靜止的障礙物，主動規劃路徑，進而完成預定任務。焊接機器人是從事焊接（包括切割與噴涂）的工業機器人。根據國際標準化組織（iso）工業機器人術語標準焊接機器人的定義，工業機器人是一種多用途的、可重復編程的自動控制操作機（manipulator），具有三個或更多可編程的軸，用于工業自動化領域。為了適應不同的用途，機器人最后一個軸的機械接口，通常是一個連接法蘭，可接裝不同工具或稱末端執行器。焊接機器人就是在工業機器人的末軸法蘭裝接焊鉗或焊（割）槍的，使之能進行焊接，切割或熱噴涂。組成焊接機器人主要包括機器人和焊接設備兩部分。機器人由機器人本體和控制柜（硬件及軟件）組成。而焊接裝備，以弧焊及點焊

7、為例，則由焊接電源，（包括其控制系統）、送絲機（弧焊）、焊槍（鉗）等部分組成。對于智能機器人還應有傳感系統，如激光或攝像傳感器及其控制裝置等。圖1a、b表示弧焊機器人和點焊機器人的基本組成結構形式及性能世界各國生產的焊接用機器人基本上都屬關節機器人，絕大部分有6個軸。其中，1、2、3軸可將末端工具送到不同的空間位置，而4、5、6軸解決工具姿態的不同要求。焊接機器人本體的機械結構主要有兩種形式：一種為平行四邊形結構，一種為側置式（擺式）結構，如下圖所示。側置式（擺式）結構的主要優點是上、下臂的活動范圍大，使機器人的工 焊接機器人示意圖作空間幾乎能達一個球體。因此，這種機器人可倒掛在機架上工作，以

8、節省占地面積，方便地面物件的流動。但是這種側置式機器人，2、3軸為懸臂結構，降低機器人的剛度，一般適用于負載較小的機器人，用于電弧焊、切割或噴涂。平行四邊形機器人其上臂是通過一根拉桿驅動的。拉桿與下臂組成一個平行四邊形的兩條邊。這種結構不僅適合于輕型也適合于重型機器人。近年來點焊用機器人（負載100150kg）大多選用平行四邊形結構形式的機器人。機器人各個軸都是作回轉運動，故采用伺服電機通過擺線針輪（rv）減速器（13軸）及諧波減速器（16軸）驅動。由于交流電機沒有碳刷，動特性好，使新型機器人不僅事故率低，而且免維修時間大為增長，加（減）速度也快。一些負載16kg以下的新的輕型機器人其工具中心

9、點（tcp）的最高運動速度可達3m/s以上，定位準確，振動小。同時，機器人的控制柜也改用32位的微機和新的算法，使之具有自行優化路徑的功能，運行軌跡更加貼近示教的軌跡。點焊機器人的基本功能點焊機器人的典型應用領域是汽車工業。一般裝配每臺汽車車體大約需要完成 3000 4000 個焊點，而其中的 60 是由機器人完成的。在有些大批量汽車生產線上，服役的機器人臺數甚至高達 150 臺。汽車工業引入機器人已取得了下述明顯效益：改善多品種混流生產的柔性；提高焊接質量：提高生產率；把工人從惡劣的作業環境中解放出來。今天，機器人已經成為汽車生產行業的支柱。最初，點焊機器人只用于增強焊點作業 ( 往已拼接好

10、的工件上增加焊點 ) 。后來，為了保樣，點焊機器人逐漸被要求具有更全的作業性能。具體來說有：安裝面積小，工作空間大：快速完成小節距的多點定位。點焊對所用的機器人的要求是不很高的。因為點焊只需點位控制，至于焊鉗在點與點之間的移動軌跡沒有嚴格要求。這也是機器人最早只能用于點焊的原因。點焊用機器人不僅要有足夠的負載能力，而且在點與點之間移位時速度要快捷，動作要平穩，定位要準確，以減少移位的時間，提 高工作效率。點焊機器人需要有多大的負載能力，取決于所用的焊鉗形式。但是，這種焊鉗一方面由于二次電纜線長，電能損耗大，也不利于機器人將焊鉗伸入工件內部焊接；另一方面電纜線隨機器人運動而不停擺動，電纜的損壞較

11、快。因此，目前逐漸增多采用一體式焊鉗。這種焊鉗連同變壓器質量在70kg左右。考慮到機器人要有足夠的負載能力，能以較大的加速度將焊鉗送到空間位置進行焊接，一般都選用100150kg負載的重型機器人。為了適應連續點焊時焊鉗短距離快速移位的要求。新的重型機器人增加了可在0.3s內完成50mm位移的功能。這對電機的性能，微機的運算速度和算法都提出更高的要求。 控制器工作原理圖點焊機器人及其系統的基本構成 (1) 點焊機器人的結構形式 點焊機器人雖然有多種結構形式，但大體上都可以分為 3 大組成部分，即機器人本體、點焊焊接系統及控制系統。目前應用較廣的點焊機器人，其本體形式為直角坐標簡易型及全關節型。前

12、者可具有 1 3 個自由度，焊件及焊點位置受到限制；后者具有 5 6 個自由度，分 dc 伺服和 ac 伺服兩種形式，能在可到達的工作區間內任意調整焊鉗姿態，以適應多種形式結構的焊接。點焊機器人控制系統由本體控制部分及焊接控制部分組成。通過改變主電路晶閘管的導通角而實現焊接電流控制。(2) 點焊機器人焊接系統 焊接系統主要由焊接控制器、焊鉗 ( 含阻焊變壓器 ) 及水、電、氣等輔助部分組成，系統原理，如圖 14 所示。1) 點焊機器人焊鉗點焊機器人焊鉗從用途上可分為 c 形和 x 形兩種。 c 形焊鉗用于點焊垂直及近于垂直傾斜位置的焊縫： x 形焊鉗則主要用于點焊水平及近于水平傾斜位置的焊縫。

13、從阻焊變壓器與焊鉗的結構關系上可將焊鉗分為分離式、內藏式和一體式 3 種形式。a 分離式焊鉗 該焊鉗的特點是阻焊變壓器與鉗體相分離，鉗體安裝在機器人手臂上，而焊接變壓器懸掛在機器人的上方，可在軌道上沿著機器人手腕移動的方向移動，二者之間用二次電纜相連。其優點是減小了機器人的負載，運動速度高，價格便宜。一體式焊鉗點焊機器人焊接控制器 控制器由 z80cpu 、 eprom 及部分外圍接口芯片組成最小控制系統，它可以根據預定的焊接監控程序，完成點焊時的焊接參數輸入，點焊程序控制。焊接電流控制及焊接系統故障自診斷，并實現與本體計算機及手控示教盒的通信聯系。常用的點焊控制器主要有 3 種結構形式。a

14、中央結構型 它將焊接控制部分作為一個模塊與機器人大體控制部分共同安排在一個控制柜內，由主計算機統一管理并為焊接模塊提供數據，焊接過程控制由焊接模塊完成。b 分散結構型 分散結構型是焊接控制器與機器人本體控制柜分開，二者采用應答式通信聯系，主計算機給出焊接信號后，其焊接過程由焊接控制器自行控制，焊接結束后給主機發出結束信號，以便主機控制機器人移位，其焊接循環如下圖所示。焊接控制器與本體及示教蛻簡的聯系信號主要有焊鉗大小行程、焊接電流增/減號，焊接時間增減、焊接開始及結束，焊接系統故障等。點焊機器人焊接循環t1 - 焊接控制器控制 t2 - 機器人主控計算機控制t - 焊接周期 f - 電級壓力

15、i - 焊接電流c 群控系統 群控就是將多臺點焊機器人焊機 ( 或普通焊機 ) 與群控計算機相連，以便對同時通電的數臺焊機進行控制，實現部分焊機的焊接電流分時交錯，限制電網瞬時負載，穩定電網電壓保證焊點質量。為了適應群控的需要，點焊機器人焊接系統都應增加“焊接請求”及“焊接允許”信號，并與群控計算機相連。(3) 新型點焊機器人系統 最近，點焊機器人與 cad 系統的通信功能變得重要起來，這種 cad 系統主要用來離線示教。(4) 點焊機器人對焊接系統的要求 1) 應采用具有浮動加壓裝置的專用焊鉗，也可對普通焊鉗進行改裝。焊鉗重量要輕，可具有長、短兩種行程，以便于快速焊接及修整、更換電極、跨越障

16、礙等。2) 一體式焊鉗的重心應設計在固定法蘭盤的軸心線上。3) 焊接控制系統應能對阻焊變壓器過熱、晶閘管過熱飛晶閘管短路斷路、氣網失壓、電網電壓超限、粘電極等故障進行自診斷及自保護，除通知本體停機外，還應顯示故障種類。 含 cad 系統的點焊機器人系統 弧焊機器人的基本功能弧焊過程比點焊過程要復雜得多，工具中心點（tcp），也就是焊絲端頭的運動軌跡、焊槍姿態、焊接參數都要求精確控制。所以，弧焊用機器人除了前面所述的一般功能外，還必須具備一些適合弧焊要求的功能。雖然從理論上講，有5個軸的機器人就可以用于電弧焊，但是對復雜形狀的焊縫，用5個軸的機器人會有困難。因此，除非焊縫比較簡單，否則應盡量選用

17、6軸機器人。弧焊機器人應具備不同擺動樣式的軟件功能，供編程時選用，以便作擺動焊，而且擺動在每一周期中的停頓點處，機器人也應自動停止向前運動，以滿足工藝要求。此外，還應有接觸尋位、自動尋找焊縫起點位置、電弧跟蹤及自動再引弧功能等。1 弧焊機器人概述 1) 弧焊機器人的應用范圍 弧焊機器人的應用范圍很廣，除汽車行業之外，在通用機械、金屬結構等許多行業中都有應用。弧焊機器人應是包括各種焊接附屬裝置在內的焊接系統，而不只是一一臺以規劃的速度和姿態攜帶焊槍移動的單機。下圖1為焊接系統的基本組成，圖 2 為適合機器人應用的弧焊方法。 2) 弧焊機器人的作業性能 在弧焊作業中，要求焊槍跟蹤工件的焊道運動，并

18、不斷填充金屬形成焊縫。因此，運動過程中速度的穩定性和軌跡精度是兩項重要的指標。一般情況下，焊接速度約取 5 50mms 、軌跡精度約為 i 0.2 0.5mm 。由于焊槍的姿態對焊縫質量也有一定影響，因此希望在跟蹤焊道的同時，焊槍姿態的可調范圍盡量大。作業時，為了得到優質焊縫，往往需要在動作的示教以及焊接條件 ( 電流、電壓、速度 ) 的設定上花費大量的勞力和時間。圖1弧焊機器人系統的基本組成3) 弧焊機器人的分類 從機構形式劃分，既有直角坐標型的弧焊機器人，也有關節型的弧焊機器人。對于小型、簡單的焊接作業，機器人有 4 、5 軸即可以勝任了，對于復雜工件的焊接，采用 6 軸機器人對調整焊槍的

19、姿態比較方便。對于特大型工件焊接作業，為加大工作空間，有時把關節型機器人懸掛起來，或者安裝在運載小車上使用。 圖 2為適合機器人應用的弧焊方法弧焊機器人系統的構成 弧焊機器人可以被應用在所有電弧焊、切割技術范圍及類似的工藝方法中。最常用的應用范圍是結構鋼和 ct ni 鋼的熔化極活性氣體保護焊 (c02 氣體保護焊、 mag 焊 ) ，鋁及特殊合金熔化極惰性氣體保護焊 (mig) ，cr ni 鋼和鋁的加冷絲和不加冷絲的鎢極惰性氣體保護焊 (tig) 以及埋弧焊。除氣割、等離子弧切割及等離子弧噴涂外還實現了在激光切割上的應用。前面提過一套完整的弧焊機器人系統，它包括機器人機械手、控制系統、焊接

20、裝置、焊件夾持裝置。夾持裝置上有兩組可以輪番進入機器人工作范圍的旋轉工作臺。(1) 弧焊機器人基本結構 弧焊用的工業機器人通常有 5 個自由度以上，具有 6 個自由度的機器人可以保證焊槍的任意空間軌跡和姿態。圖 3為典型的弧焊機器人的主機簡圖。點至點方式移動速度可達 60m min 以上，其軌跡重復精度可達到 +0.2mm ，它們可以通過示教和再現方式或通過編程方式工作。這種焊接機器人應具有直線的及環形內插法擺動的功能。如圖 4 的 6 種擺動方式，以滿足焊接工藝要求，機器人的負荷為 5kg 。圖 3典型弧焊機器人的主機簡圖 圖 4弧焊機器人的 6 種擺動方式 a) 直線單擺 b) l形 c)

21、 三角形 d) u形 e) 臺形 f) 高速圓弧擺動弧焊機器人的控制系統不僅要保證機器人的精確運動，而且要具有可擴充性，以控制周邊設備確保焊接工藝的實施。(2) 弧焊機器人周邊設備 弧焊機器人只是焊接機器人系統的一部分，還應有行走機構及小型和大型移動機架。通過這些機構來擴大工業機器人的工作范圍，同時還具有各種用于接受、固定及定位工件的轉胎、定位裝置及夾具。在最常見的結構中，工業機器人固定于基座上 ，工件轉胎則安裝于其工作范圍內。所有這些周邊設備其技術指標均應適應弧焊機器人的要求。即確保工件上的焊縫的到位精度達到 +02mm 。以往的周邊設備都達不到機器人的要求。為了適應弧焊機器人的發展，新型的

22、周邊設備由專門的工廠進行生產。焊槍固定如圖：焊槍分別繞y 軸和z 軸先后旋轉 和 角度到達圖示黑線所示位置。 和 在各自的范圍內變動從而引起焊槍末端點wl 在服務球的球面上到達不同的點，若假定焊槍不繞自身軸線旋轉，則每一組 和 值確定一個焊槍的姿態。對于此焊接機器人若每一組 和 對應的焊槍末端點wl在服務球球冠上存在運動學逆解，就稱該點為球冠上的可達點。所有可達點的集合所組成的區域稱為服務區，服務區的面積與整個球冠面積的比值稱為點wl的靈活度，而將靈活度為1 的所有工作空間中的點的集合稱為靈活工作空間。由于 和 的值可以確定焊槍的姿態，因此當 和 分別變化時，將每一組 和 的值所對應的焊槍末端

23、點wl求逆解，若逆解存在則稱此位姿可達，記為d ( ，) = 1; 若逆解不存在則稱此位姿不可達，記為d ( ，) = 0。在焊接工業機器人中，當 轉角范圍為 /2，/2， 轉角范圍為0，2，此時定義機器人工作空間內任意一點的靈活度為:公式中d( ，) 定義如上所述，a 為當 保持不變 在自身范圍內變動所取得的點數，b 為保持不變 在自身范圍內變化時所取得的點數。若工作空間內一點，對每一組 和 所對應的位姿機器人都存在逆解，則機器人在該點的靈活度為1。由于受到機器人關節轉角范圍及機械結構的限制，機器人工作空間內靈活度為1 的點很少，因此機器人的靈活工作空間就很小，而靈活工作空間的大小由機器人工

24、作空間和焊槍的長度決定。又由于焊槍的長度是一定的，要使機器人在一定工作范圍內具有更大的靈活工作空間，必須加大機器人的工作空間，這樣就使得機器人的結果尺寸變得很大，帶來許多問題4。當知道滿足焊接工作要求的和 具體范圍時，根據靈活度計算公式就能計算機器人工作空間任意點的靈活度，并且定義靈活度大于0 95 的工作空間內的所有點構成的工作空間為靈活工作空間。機器人腕點工作空間圖已由仿真得出（下圖），由于腕關節的影響，機器人焊槍焊頭的實際工作空間要比腕點的工作空間大，但是多出的工作空間的靈活性很小可以略去不計，因此取焊槍焊頭的工作空間與腕點工作空間仿真結果相同。機器人的靈活工作空間就是求腕點工作空間仿真

25、圖中靈活度大于0 95 的所有的點構成的空間。機器人腕點工作空間圖遙控焊接技術的研究 遙控焊接是指人在離開現場的安全環境中對焊接設備和焊接過程進行遠程監視和控制,從而完成完整的焊接工作。在核電站設備的維修、海洋工程建設以及未來的空間站建設中都要用到焊接,這些環境中的焊接工作不適合人類親臨現場,而目前的技術水平還不可能實現完全的自主焊接,因此需要采用遙控焊接技術。目前美國、歐洲、日本等國對遙控焊接進行了深入的研究，國內哈爾濱工業大學也正在進行這方面的研究。發展趨勢與展望焊接機器人作為焊接自動化的一個重要載體必將在我國得到更加廣泛的應用，而焊縫跟蹤是弧焊機器人應用的一個重要的研究方向。在各種傳感方法中視覺傳感是很有前途的傳