焊接机器人及系统介绍 焊接机器人系统组成和编程方法及发展趋势

一、什么是焊接机器人？焊接机器人是从事焊接的工业机器人，包括切割和喷涂。根据国际标准化组织(ISO)对工业机器人属于标准焊接机器人的定义，工业机器人是具有三个或三个以上可编程轴的多用途、可重复的可编程自动控制机械手，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连接法兰，可以连接不同的工具或末端执行器。焊接机器人是将焊钳或焊(割)枪附在工业机器人最后一根轴的法兰上，以便进行焊接、切割或热喷涂。

二、焊接机器人的发展自从1959年世界上第一台工业机器人UNIMATE在美国诞生以来，机器人的应用和技术发展经历了三个阶段：

第一代是教学和复制机器人。这种机器人操作简单，不具备外界信息的反馈能力，难以适应工作环境的变化，因此在现代工业生产中的应用受到很大限制。

第二代是具有感知能力的机器人。这种机器人对外界环境有一定的感知能力，具有听觉、视觉、触觉等功能。工作时，它可以根据传感器获得的信息灵活地调整自己的工作状态，从而保证在适应环境的条件下完成工作。

第三代是智能机器人。这种机器人不仅具有感官能力，还具有独立判断、行动、记忆、推理和决策的能力。它能适应外界物体和环境并协调工作，能完成更复杂的动作。智能机器人还具有故障自诊断和修复能力。

焊接机器人是在焊接生产领域代替焊工的工业机器人。早期的焊接机器人缺乏“灵活性”，焊接路径和焊接参数必须根据实际工况预先设定，工作时存在明显的缺点。随着计算机控制技术、人工智能技术和网络控制技术的发展，焊接机器人也从单机示教再现型发展到以智能为核心的多传感器、智能化柔性加工单元(系统)。

三、焊接机器人的特点点焊对焊接机器人的要求不是很高。因为点焊只需要点控制，所以对焊钳在点之间的移动轨迹没有严格的要求，这也是机器人最早只能用于点焊的原因。点焊用机器人不仅要有足够的负载能力，而且要在点到点的移动中快速、稳定、准确，以减少移动时间，提高工作效率。点焊机器人需要多大的负载能力取决于所用焊钳的类型。对于与变压器分离的焊钳，负载30 ~ 45 kg的机器人就足够了。但这种焊钳一方面由于二次电缆长，功耗大，不利于机器人将焊钳伸入工件内进行焊接；另一方面，电缆随着机器人的移动不断摆动，电缆很快损坏。

因此，目前集成式焊钳逐渐增多。这个焊钳和变压器的质量约为70kg。考虑到机器人要有足够的负载能力，能以较大的加速度将焊钳送到空间进行焊接，一般选择负载100 ~ 150 kg的重型机器人。为了满足连续点焊时焊钳短距离快速移动的要求。新型重型机器人具有在0.3s内完成50mm位移的功能，这对电机的性能、微机的运算速度和算法提出了更高的要求。

四、焊接机器人的优点1)稳定和提高焊接质量，可以用数字形式体现出来；

2)提高劳动生产率；

3)提高工人的劳动强度，可以在有害环境下工作；

4)降低了对工人操作技术的要求；

5)缩短产品升级的准备期，减少相应的设备投资。

五、焊接机器人的系统组成焊接机器人主要包括机器人和焊接设备。机器人由机器人本体和控制柜(硬件和软件)组成。焊接设备，如电弧焊和点焊，由焊接电源，(包括其控制系统)、送丝机(电弧焊)、焊枪(钳子)等部分组成。智能机器人还应该有传感系统，如激光或摄像传感器及其控制装置。图1a和b示出了弧焊机器人和点焊机器人的基本部件。

六、激光焊接机器人系统组成七、焊接机器人的结构设计由于所设计的焊接机器人工作在准平面、狭小的空间环境中，为了保证机器人能够根据电弧传感器的偏差信息跟踪焊缝的自动焊接，要求所设计的机器人结构紧凑、运动灵活、工作稳定。研制了一种小型移动焊接机器人。根据机器人各结构的运动特点，采用模块化设计方法，将机器人机构分为轮式移动平台、焊枪调节机构和电弧传感器三部分。其中，轮式移动平台由于惯性大、响应慢，主要对焊缝进行粗跟踪，焊枪调节机构负责焊缝的精确跟踪，电弧传感器完成焊缝偏差的实时识别。此外，机器人控制器和电机驱动器集成在机器人移动平台上，使其更小。同时，为了减少恶劣焊接环境下粉尘对运动部件的影响，采用了全封闭结构，提高了系统可靠性。

八、焊接机器人的编程方法目前焊接机器人的编程方法主要以在线示教为主，但编程器的界面相比过去有了很大的改进，尤其是LCD图形显示屏的采用，使得新型焊接机器人的编程界面更加友好，操作更加简便。但是机器人在编程时，焊接轨迹上关键点的坐标位置仍然必须通过示教获得，然后存储在程序的运动指令中。示教一些复杂的焊接轨迹需要花费大量的时间，降低了机器人的效率，增加了程序员的劳动强度。目前，有两种解决方案：

一种是在示教编程时只粗略获取几条焊缝轨迹上的几个关键点，然后由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。虽然这种方法仍然离不开编程教学，但可以在一定程度上减轻编程教学的强度，提高编程效率。但是由于弧焊本身的特点，机器人的视觉传感器并不适用于所有的焊缝形式。

二是采用完全离线的编程方法，使机器人焊接程序的编制、焊缝轨迹坐标位置的获取和程序的调试都可以在一台计算机上独立完成，无需机器人本身的参与。机器人离线编程很多年前就有了。但由于当时计算机性能的限制，离线编程软件主要是基于文本的。程序员需要熟悉机器人的所有指令系统和语法，还需要知道如何确定焊接轨迹的空间坐标。因此，编程并不容易，也不省时。随着计算机性能的提高和计算机三维图形技术的发展，当今大多数机器人离线编程系统都可以运行在三维图形环境中，编程界面友好方便。而且焊缝轨迹的坐标位置通常可以通过“虚拟示教”获得，在3D虚拟环境中用鼠标点击工件的焊接部分，即可获得该点的空间坐标。在某些系统中，可以通过CAD图形文件中预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中。从而大大提高了机器人的编程效率，降低了程序员的劳动强度。目前国际市场上有基于普通PC的商用机器人离线编程软件。如Workspace5、RobotStudio等。图9是作者开发的基于PC机的三维视觉机器人离线编程系统。该系统可用于ABB IRB140机器人的离线编程。可以通过虚拟示教获得程序中的焊缝轨迹，在三维图形环境中模拟机器人按照程序中的轨迹运动，以检验其准确性和合理性。该程序可以通过网络直接下载到机器人控制器。

九、焊接机器人的发展趋势在高质量、高效率的焊接生产中发挥了极其重要的作用。工业机器人技术的研究、开发和应用，有力地推动了世界工业技术的进步。近年来，焊接机器人技术的研究和应用在焊缝跟踪、信息传感、离线编程和路径规划、智能控制、电源技术、仿真技术、焊接技术和远程焊接技术等方面取得了许多突出的成果。随着计算机技术、网络技术、智能控制技术、人工智能理论和工业生产系统的不断发展，焊接机器人技术领域仍有许多问题需要认真研究，特别是焊接机器人的视觉控制技术、模糊控制技术、智能控制技术、嵌入式控制技术、虚拟现实技术和网络控制技术将是今后的主要研究方向。

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