焊接机器人的发展历史及趋势

文献综述

题目焊接机器人的发展历史与趋势

系统的应用研究

学生姓名

专业班级机械设计08-3班

学号 200802010315

院（系）机电工工学院

指导教师(职称)

完成时间 2012年3月20日

焊接机器人的发展历史与趋势

摘要

本文简单地介绍了焊接机器人技术发展的历程及我国焊接机器人技术研究的现状，论述了焊接机器人技术发展的趋势及研究的热点问题，即随着智能机器人技术和人工智能理论的进一步发展，多智能体焊接系统、焊接机器人中基于PC的控制器和模糊逻辑与神经网络的融合技术将成为研究的热点问题。

关键词：焊接机器人/焊缝跟踪/多智能体

The history of development and trends of the welding robot

Abstract

This paper briefly introduces the development course of welding robot technology and Chinese welding robot technology research present situation and discusses the trend of the development of the welding robot technology and research hot spot problems. That is as intelligent robotics and artificial intelligence theory further development. The multi-agent welding systems, welding robot based on PC controller and fuzzy logic and neural network of fusion technology will become the focus of research problems.

Keywords:Welding robot,Seam tracking,Multi-agent

1.焊接机器人的基本概念

焊接机器人，英文名称：welding robot 定义：具有三个或三个以上可自由编程的轴，并能将焊接工具按要求送到预定空间位置，按要求轨迹及速度移动焊接工具的机器。包括弧焊机器人、激光焊接机器人、点焊机器人等。应用学科：机械工程（一级学科）；焊接与切割（二级学科）；焊接与切割工艺装备与设备（三级学科）焊接机器人是从事焊接（包括切割与喷涂）的工业机器人。根据国际标准化组织（ISO）工业机器人术语标准焊接机器人的定义，工业机器人是一种多用途的、可重复编程的自动控制操作机（Manipulator），具有三个或更多可编程的轴，用于工业自动化领域。为了适应不同的用途，机器人最后一个轴的机械接口，通常是一个连接法兰，可接装不同工具或称末端执行器。焊接机器人就是在工业机器人的末轴法兰装接焊钳或焊（割）枪的，使之能进行焊接，切割或热喷涂。

随着电子技术、计算机技术、数控及机器人技术的发展，自动弧焊机器人工作站, 从60年代开始用于生产以来，其技术已日益成熟，主要有以下

1.1优点：

（1）稳定和提高焊接质量；

（2）提高劳动生产率；

（3）改善工人劳动强度，可在有害环境下工作；

（4）降低了对工人操作技术的要求；

（5）缩短了产品改型换代的准备周期，减少相应的设备投资。

因此，在各行各业已得到了广泛的应用。

1.2组成

焊接机器人主要包括机器人和焊接设备两部分。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有传感系统，如激光或摄像传感器及其控制装置等。图1a、b表示弧焊机器人和点焊机器人的基本组成。

1.3结构形式及性能

世界各国生产的焊接用机器人基本上都属关节机器人，绝大部分有6个轴。其中，1、2、3轴可将末端工具送到不同的空间位置，而4、5、6轴解决工具姿态的不同要求。焊接机器人本体的机械结构主要有两种形式：一种为平行四边形结构，一种为侧置式（摆式）结构，如图2a、b所示。侧置式（摆式）结构的主要优点是上、下臂的活动范围大，使机器人的工作空间几乎能达一个球体。

焊接机器人示意图

因此，这种机器人可倒挂在机架上工作，以节省占地面积，方便地面物件的流动。但是这种侧置式机器人，2、3轴为悬臂结构，降低机器人的刚度，一般适用于负载较小的机器人，用于电弧焊、切割或喷涂。平行四边形机器人其上臂是通过一根拉杆驱动的。拉杆与下臂组成一个平行四边形的两条边。故而得名。早期开发的平行四边形机器人工作空间比较小（局限于机器人的前部），难以倒挂工作。但80年代后期以来开发的新型平行四边形机器人（平行机器人），已能把工作空间扩大到机器人的顶部、背部及底部，又没有测置式机器人的刚度问题，从而得到普遍的重视。这种结构不仅适合于轻型也适合于重型机器人。近年来点焊用机器人（负载100～150kg）大多选用平行四边形结构形式的机器人。

上述两种机器人各个轴都是作回转运动，故采用伺服电机通过摆线针轮（RV）减速器（1～3轴）及谐波减速器（1～6轴）驱动。在80年代中期以前，对于电驱动的机器人都是用直流伺服电机，而80年代后期以来，各国先后改用交流伺服电机。由于交流电机没有碳刷，动特性好，使新型机器人不仅事故率低，而且免维修时间大为增长，加（减）速度也快。一些负载16kg以下的新的轻型机器人其工具中心点（TCP）的最高运动速度可达3m/s以上，定位准确，振动小。同时，机器人的控制柜也改用32位的微机和新的算法，使之具有自行优化路径的功能，运行轨迹更加贴近示教的轨迹。

2.工业机器人技术发展的历程

第一台Unimate型Robot在美国问世至今已45年了，机器人技术正在以超乎一般人所预料的速度向前发展，对机器人这一概念的理解及定义也在变化。1984年末著名科学家钱学森指出：“所谓机器人，就是指那些有特定功能的自动机，它是机电一体化的，具有人工智能因素的80年代高技术，是新技术革命的重要内容之一。”这是最有权威和精辟归纳的定义，也为20年来的实践所证实其远见卓识。机器人是人类20世纪的重大发明之一。据国外专家预测，2l世纪将是机器人技术革命的世纪，机器人作为全面延伸和扩展人的体力和智力的手段将实现“当代最高意义上的自动化”。机器人的应用和普及正在改变人类的生产方式、生活方式和作战方式。在非常规和极端制造过程中，工业机器人是不可缺少的自动化装备。

与发达国家相比，我国的机器人技术与产业有很大差距，但是随着我国国民经济的持续发展，适应加快实现经济结构调整和产业升级，提高整个工业的自动化水平和满足人民生活的需要，我国机器人技术将取得更大的发展。

2.1国外工业机器人技术的发展

机器人是最典型的机电一体化数字化装备，技术附加值很高，应用范围很广，作为先进制造业的支撑技术和信息化社会的新兴产业，将对未来生产和社会发展起越来越重要的作用。国外专家预测，机器人产业是继汽车、计算机之后出现的新的大型高技术产业。据国际机器人联合会(IFR)统计，世界机器人市场前景看好，从20世纪下

半叶起，世界机器人产业一直保持着稳步增长的良好势头。进入90年代，机器人产品发展速度加快，年增长率平均在10％左右，2000年增长率上升到15％，预计2l世纪初，工作在各领域的工业机器人将突破100万台。正如(21世纪日本创建机器人社会技术发展战略报告》指

势竞争力方面是极为重要的战略高技术领域。培育未来机器人产业是支撑2l世纪日本产业竞争力的产业战略之一，具有非常重要的意义。”最近，韩国也将智能机器人作十大战略产业之一列入国家发展规划(2003～2007年)，现正在实施中。

机器人广泛应用于各行各业。主要进行焊接、装配、搬运、加工、喷涂、码垛等复杂作业。目前，全球现役工业机器人83万台。过去l0年，机器人的价格降低约80％，现

在继续下降，而欧美劳动力成本上涨了40％。现役机器人的平均寿命在l0年以上，可能高达l5年，它们还易于重新使用。由于机器人及自动化成套装备对提高制造业自动化水平，提高产品质量和生产效率、增强企业市场竞争力、改善劳动条件等起到了重大的作用，加之成本大幅度降低和性能的迅速提高，其增长速度较快。据国际机器人联合会及联合国欧洲经济委员会(UCENE)统计，如表1所示，2001年机器人安装量为7．8万台套，年增长率9％。

机器人的应用主要有两种方式，一种是机器人工作单元，另一种是带机器人的生产线，并且后者在国外已经成为机器人应用的主要方式。以机器人为核心的自动化生产线适应了现代制造业多品种、少批量的柔性生产发展方向，具有广阔的市场发展前景和强劲生命力，已开发出多种面向汽车、电气机械等行业的自动化成套装备和生产线产品。在发达国家，机器人自动化生产线已形成一个巨大的产业，年市场容量约为l00O亿美元。像国际上著名公司ABB、Comau、KUKA、BOSCH、NDC、SWISSL0G、村田等都是机器人自动化生产线及物流与仓储自动化设备的集成供应商。

2.2国内工业机器人技术的发展

我国工业机器人起步于70年代初。经过20多年的发展，大致可分为3个阶段：70年

代的萌芽期，80年代的开发期，90年代的实用化期。

我国的机器人研究开发工作始于上世纪70年代初，到现在已经历了30年的历程。

前l0年处于研究单位自行开展研究工作状态，发展比较缓慢。1985年后开始列入国家有关计划，发展比较快。特别是在“七五”、“八五”、“九五”机器人技术国家攻关、“863”高技术发展计划的重点支持下，我国的机器人技术取得了重大发展。在机器人基础技术方面：诸如机器人机构的运动学、动力学分析与综合研究，机器人运动的控制算法及机器人编程语言的研究，机器人内外部传感器的研究与开发，具有多传感器控制系统的研究，离线编程技术、遥控机器人的控制技术等均取得长足进展，并在实际工作中得到应用。在机器人的单元技术和基础元部件的研究开发方面：诸如交直流伺服电机及其驱动系统、测速发电机、光电编码器、液压(气动)元部件、滚珠丝杠、直线滚动导轨、谐波减速器、RV减速器、十字交叉滚子轴承、薄壁轴承等均开发出一些样机或产品。但这些元部件距批量化生产还有一段距离。

在机器人控制装置的研制方面：已开发出具有双CPU、多CPU和分级分层控制的机器人控制装置多台，主控计算机的档次也逐渐升级。

在机器人操作机研制方面：已开发出一些先进的操作机和特种机器人，~tlAGV (自动导引车)，壁面爬行机器人，重复定位精度为±0．024mm的装配机器人。可潜入海底6000m的水下机器人，移动机器人，移动遥控机器人，主从操作机器人等，有些已达实用化水平并用于实际工程。在机器人的应用工程方面：目前国内已建立了多条弧焊机器人生产线，装配机器人生产线，喷涂生产线和焊装生产线。国内的机器人技术研发力量已经具备了大型机器人工程设计和实施的能力，整体性能已达到国际同类产品的先进水平，而整体价格仅为国外同类

产品的三分之二甚至一半，具有很好的性能价格比和市场竞争力。

2.3机器人焊接技术研究现状

在国外焊接机器人研究与应用大力发展的同时，特别是进入20世纪90年代以来，随着我国国民经济连续快速的增长，一些骨干企业加紧进行技术改造，用先进设备武装自己，在机器制造业中焊接机器人的数量也急剧增加，形成一股“机器人热”。这些变化极大地推动了国内目前对焊接机器人的应用研究。总的看来，主要是以机器人焊接智能化为核心来进行的。

2.3.1 焊接机器人与周边焊接设备的柔性化集成

随着机器人控制技术的发展和焊接机器人应用范围的扩大，尤其为适应现代产品更新换代快和多品种fl,~tL量的需要，要求焊接机器人与变位机、弧焊电源等周边设备实现柔性化集成在焊接过程中，焊接机器与周边设备的柔性化协调控制，有助于减少辅助时间，是提高生产效率的关键之一。在球形或椭球形工件的径向焊缝、马鞍形焊缝或复杂形状工件的周边的卷边接头等状态下焊接时，为了使整条焊缝在焊接时都能使熔池水平或稍微下坡状态，焊接时变位机必须不断地变换工件位置和姿态。即变位机在焊接过程中不是静止不动的，而是要做相应的协调运动。弧焊电源和工装夹具等也要在机器人统一控制下做相应的协调运动，才能保证整个系统高效率、高质量地工作。

2.3.2 机器人专用弧焊电源的研究

在弧焊机器人的设计、研究工作中只把注意力放在机器人本体或焊接操作系统方面的研究是不够的。焊接系统包括点焊和弧焊系统，其核心是焊接电源及执行机构。同样，它在弧焊机器人的焊接工艺中也有极其重要的作用只有研制出电器性能良好的专用弧焊电源，才能充分发挥焊接机器人高效优质的优势。近几年来，电子技术特别是计算机技术和控制技术的发展，为我们在弧焊机器人专用弧焊电源研究方面开辟了广阔天地。弧焊机器人在焊接过程中为了得到稳定性和高质量的焊接效果，需借助微处理机和反馈控制系统进行精密的闭环控制，包括对电源的静、动特性的无级控制等，优化静特性的斜率或在短弧焊和脉冲焊时优化电流、陡度及短路电流上升速度。总之，近年来，弧焊逆变器的技术已趋于成熟，机器人用的专用弧焊电源大多为单片微机控制的晶体管式IGBT式弧焊逆变器，并配以精细的波形控制和模糊控制技术。

3.焊接机器人技术发展展望

3.1Pc机与焊接机器人的结合应用

近几年，随着微电子技术的大力发展，以Pc机为代表的计算机软硬件得到了空前的发展，制造业也以建立FMS为目标，向“开放的工厂自动化”方向发展。为顺应这一趋势，焊缝跟踪控制系统中弧焊机器人的控制器必须由专用的控制器向基于PC机的

开放通用型控制器过渡。PC机与焊接机器人的结合应用，不但能够解决了专用控制器计算负担重、实时性差等问题，同时能够将其他领域如图像处理、声音识别、最优控制、人工智能等先进的研究成果应用到该系统的实时操作中。另外．PC机具有良好的开放性、安全性和联网性、标准的实时多任务操作系统、标准的总线结构及标准接口等，可以打破机器人专用控制器结构封闭的局面，开发出结构开放、功能模块化的标准化焊接机器人系统。系统中应用PC机的方式一般是在原来的机器人专用控制器中配置与PC机通讯的总线及接口板，加上相应的通讯软件和开发相应的应用软件及接口板，用户即可在Pc机上编程读取机器人跟踪焊缝的当前位置，对机器人的运动进行实时控制，从而监控焊接机器人的工作状态。

3.2焊缝智能跟踪与控制技术的研究

弧焊过程中，焊缝跟踪和熔深控制涉及的工艺因素多，存在很多不确定的因素，是一个典型的时变非线眭系统、难以建立精确的数学模型。因此，采用与模型无关的人工神经网络或模糊控制技术更为台适。日本学者Y．Suga等采用BP神经网络进行焊缝图象信息的处理，从而在弧焊过程中实现焊缝的自动跟踪。哈尔滨工业大学借助于神经网络构成自学习模糊控制器，成功地实现脉冲GTAW 焊的正面熔宽控制。 J。华南理工大学分别用BP神经网络和模糊控制技术进行TIG焊熔竟控制。

但是神经网络和模糊控制单独使用时，都存在一定的缺陷神经网络的拓扑结构、神经元个数及训练样本数等的选择，对其一般化能力有较大影响，目前，这方面尚没有统一的理论指导。在离线训练过程中，有时因网络参数选择不好会产生不收敛的现象。实际控制系统中，由于时变参数、扰动等因素，一般要求神经网络控制器能在线训练，丽收敛和训练时间等问题都还难得到可靠的保证，对于实时性要求较高的场合不太适应。在模糊控制中+隶属函数的选择、模糊关系矩阵计算、解模糊化等都是十分困难的问题。一张理想的模糊控制表必须通过反复精心整理才能投人使用。量化因子和比例因子的选择也影响着整个系统的品质。模糊逻辑表达定量知识的能力较差，控制精度不太高。自适应、自学习的能力较差，易产生振荡现象随着人工智能技术的发展，神经网络和模糊逻辑技术的融合已成为当前人们的研究热点。抻经网络具有很强的自学习、自适应、大规模并行运算和精确计算的能力。而模糊逻辑在专家可预见的论域上有很好的收敛性，在进行模糊量的运算上有优势。因此，二者结合

可以优势互补，从而大大提高综台性能。神经网络模糊控制器的构造方法可分为两类：其一以现成的神经网络拓扑结构实现模糊控制中的模糊化、模糊推理和解模糊化三个步骤。其二就是构造模糊神经元，使其具有单独处理模糊语言变量的能力，由这些模糊神经元可构成不同的拓扑结构。神经网络模糊控制器的快速实时算法、稳定性、鲁棒性等问题，需要结合弧焊机器人系统及弧焊工艺加以深人的研究。

3.3 多智能体焊接机器人系统的研究

目前的工业生产系统正向大型、复杂、动态和开放的方向发展，为了解决传统工业系统和多机器人技术在许多关键问魃上遇到的严重挑战，将分布式人工智能和多智能体系统理论充分应用于工业生产系统和多机器人系统，便产生了一门新兴的机器人技术领域——多智能体机器人系统。焊接是工业生产的一大领域，焊接机器人的发展基本上同步于整个机器人行业的发展。所以，多智能体机器人的研究与发展将要很快应用于焊接机器人领域。随着工业生产系统向大型、复杂、动态和开放的方向发展以及焊接过程向高度自动化及完全智能化的方向发展，多智能体焊接机器人系统终将成为热点的研究领域。但要把这些研究成果应用于生产实际，还有待做出更大的努力。

4.结束语

工业机器人技术的研究、发展与应用，有力地推动了世界工业技术的进步。特别是焊接机器人在高质高效的焊接生产中，发挥了极其重要的作用。我国焊接机器人技术的研究应用虽然较晚，但借鉴于国外的成熟技术，得到了迅速的发展。近年来，我国在焊缝跟踪、智能控制、信息传感、周边设备及机器人专用电源等方面进行了大量的研究与应用，取得了许多优秀的成果。

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