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1、焊接機器人的現狀及發(fā)展趨勢2 眾所周知，焊接加工一方面要求焊工要有熟練的操作技能、豐富 的實踐經驗、穩(wěn)定的焊接水平；另一方面，焊接乂是一種勞動條件差、 煙塵多、熱輻射大、危險性高的工作。工業(yè)機器人的出現使人們自然 而然首先想到用它代替人的手工焊接，減輕焊工的勞動強度，同時也 可以保證焊接質量和提薛焊接效率。 然而，焊接乂與其它工業(yè)加工過程不一樣，比如，電呱焊過程 中，被焊工件山于局部加熱熔化和冷卻產生變形，焊縫的軌跡會因此 而發(fā)生變化。手匸焊時有經驗的焊匸可以根據眼睛所觀察到的實際焊 縫位置適時地調整焊槍的位置、姿態(tài)和行走的速度，以適應焊縫軌跡 的變化。然而機器人要適應這種

2、變化，必須首先像人一樣要“看”到這 種變化，然后采取相應的措施調整焊槍的位置和狀態(tài)，實現對焊縫的 實時跟蹤。山于電弧焊接過程屮有強烈弧光、電弧噪音、煙塵、熔滴 過渡不穩(wěn)定引起的焊絲短路、大電流強磁場等復雜的環(huán)境因素的存 在，機器人要檢測和識別焊縫所需要的信號特征的提取并不像工業(yè)制 造中其它加工過程的檢測那么容易，因此，焊接機器人的應用并不是 一開始就用于電弧焊過程的。 實際上，工業(yè)機器人在焊接領域的應用最早是從汽車裝配生產 線上的電阻點焊開始的。原因在于電阻點焊的過程相對比較簡單，控 制方便，且不需要焊縫軌跡跟蹤，對機器人的精度和幣:復椿度的控制 要求比較低。圖5所示為不同形式

3、的機器人點焊鉗。點焊機器人在汽 車裝配生產線上的大量應用大大提高了汽車裝配焊接的生產率和焊 接質量，同時乂具有柔性焊接的特點，即只要改變程序，就可在同一 條生產線上對不同的車型進行裝配焊接。 從機器人誕生到本世紀80年代初，機器人技術經歷了一個長期 緩慢的發(fā)展過程。到了 90年代，隨著計算機技術、微電子技術、網 絡技術等的快速發(fā)展，機器人技術也得到了 E速發(fā)展。工業(yè)機器人的 制造水平、控制速度和控制粘度、可靠性等不斷提高，而機器人的制 造成木和價格卻不斷下降。在西方社會，和機器人價格相反的是，人 的勞動力成本有不斷增長的趨勢。圖6所示是聯合國歐洲經濟委員會 (UNECE)統(tǒng)計的從1990年至

4、2000年的機器人價格指數和勞動力成 本指數的變化曲線。圖中，把1990年的機器人價格指數和勞動力成 本指數都作為參考值100,至2000年，勞動力成本指數為140,增 長了 40%；而機器人在考慮質量因素的情況下價格指數低于20,降 低了 80%,在不考慮質量因素的情況下，機器人的價格指數約為40, 降低了 60%。這里，不考慮質量因素的機器人價格是指現在的機器 人實際價格與過去相比較；而考慮質量因素是指山于機器人制造工藝 技術水平的提鳥，機器人的制造質量和性能即使在同等價格的條件下 也要比以前高，因此，如果按過去的機器人同等質量和性能考慮，機 器人的價格指數應該更低。 由此可以看出，在西

5、方國家，由于勞動力成本的提高為企業(yè)帶 來了不小的壓力，而機器人價格指數的降低乂恰巧為其進一步推廣應 用帶來了契機。減少員工與增加機器人的設備投資，在兩者費用達到 某一平衡點的時候，采用機器人的利顯然要比采用人工所帶來的利 大，它一方面可大大提高生產設備的自動化水平，從而提高勞動生產 率，同時乂可提升企業(yè)的產品質量，提崗企業(yè)的整體競爭力。雖然機 器人?次性投資比較大，但它的口常維護和消耗相對于它的產出遠比 完成同樣任務所消耗的人工費用小。因此，從長遠看，產品的生產成 本還會大大降低。而機器人價格的降低便一些屮小企業(yè)投資購買機器 人變得輕而易舉。因此，工業(yè)機器人的應用在各行各業(yè)得到飛速發(fā)展。 根據

6、UNECE的統(tǒng)計，2001年全世界有75萬臺工業(yè)機器人用于工業(yè) 制造領域，其中38.9萬在II木、19.8萬在歐盟、9萬在北美，7.3萬 在其余國家。至2004年底全世界在役的工業(yè)機器人至少有約100萬。 山于機器人控制速度和精度的提高，尤其是電弧傳感器的開發(fā) 并在機器人焊接屮得到應用，使機器人電弧焊的焊縫軌跡跟蹤和控制 問題在一定程度上得到很好解決，機器人焊接在汽車制造屮的應用從 原來比較單?的汽車裝配點焊很快發(fā)展為汽車零部件和裝配過程屮 的電弧焊。機器人電弧焊的垠大的特點是柔性，即可通過編程隨時改 變焊接軌跡和焊接順序，因此最適用于被焊工件品種變化大、焊縫短 而多、形狀復雜的產品。這iE

7、好乂符合汽車制造的特點。尤其是現代 社會汽車款式的更新速度非常快，采用機器人裝備的汽車生產線能夠 很好地適應這種變化。圖7所示為機器人電弧焊用于焊接汽車底盤。 另外，機器人電弧焊不僅用于汽車制造業(yè)，更可以用于涉及電 弧焊的其它制造業(yè)，如造船、機車車輛、鍋爐、覓型機械等等。因此, 機器人電弧焊的應用范I韋I「I趨廣泛，在數量上大有超過機器人點焊Z 勢。 隨著汽車輕量化制造技術的推廣，一些高強合金材料和輕合金 材料（如鋁合金、鎂合金等）在汽車結構材料屮得到應用。這些材料的 焊接往往無法用傳統(tǒng)的焊接方法來解決，必須采用新的焊接方法和焊 接工藝。其中高功率激光焊和攪拌摩擦焊等最具發(fā)展?jié)摿ΑＲ虼?，機

8、 器人與高功率激光焊和攪拌摩擦焊的結合將成為必然趨勢。事實上， 像上海大眾等國內最具實力的汽車制造商在他們的新車型制造過程 屮已經大量使用機器人激光焊接。圖8所示為其汽車車頂的機器人激 光焊接。 和機器人電弧焊相比，機器人激光焊的焊縫跟蹤粘度要求更高。 根據一般的要求，機器人電弧焊（包括GTAW和GMAW）的焊縫跟蹤 粘度必須控制在電極或焊絲直徑的1/2以內，在具有填充絲的條件下 焊縫跟蹤精度可適肖放寬。但對激光焊而言，焊接時激光照射在工件 表面的光斑直徑通常在0.6以內，遠小于焊絲直徑（通常大于1.0）, 而激光焊接時通常乂不加填充焊絲，因此，激光焊接屮若光斑位置稍 有偏差，便會造成偏焊、

9、漏焊。因此，上海大眾的汽車車頂機器人激 光焊除了在工裝夾具上采取措施防止焊接變形外，還在機器人激光焊 槍前方安裝了德國SCOUT公司的高精度激光傳感器用于焊縫軌跡 的跟蹤。 工業(yè)機器人的結構形式很多，常用的有直角坐標式、柱面坐標 式、球面坐標式、多關節(jié)坐標式、伸縮式、爬行式等等，根據不同的 用途還在不斷發(fā)展Z屮。焊接機器人根據不同的應用場介可采取不同 的結構形式，但U前用得最多的是模仿人的手臂功能的多關節(jié)式的機 器人，這是因為多關節(jié)式機器人的手臂靈活性最大，可以使焊槍的空 間位置和姿態(tài)調至任意狀態(tài)，以滿足焊接需要。理論上講，機器人的 關節(jié)愈多，自由度也愈多，關節(jié)冗余度愈大，靈活性愈好；但同時

10、也 給機器人逆運動學的坐標變換和各關節(jié)位置的控制帶來復雜性。因為 焊接過程中往往需要把以空間直角坐標表示的工件上的焊縫位置轉 換為焊槍端部的空間位置和姿態(tài)，再通過機器人逆運動學計算轉換為 對機器人每個關節(jié)角度位置的控制，而這…變換過程的解往往不是唯 一的，兀余度愈大，解愈多。如何選取最合適的解對機器人焊接過程 屮運動的平穩(wěn)性很匝要。不同的機器人控制系統(tǒng)對這?問題的處理方 式不盡相同。 - ?般來講，具有6個關節(jié)的機器人基本上能滿足焊槍的位置和 空間姿態(tài)的控制要求，其屮3個自山度(XYZ)用于控制焊槍端部的空 間位置，另外3個自山度(ABC)用于控制焊槍的空間姿態(tài)。因此，U 前的焊接機器人多數

11、為6關節(jié)式的。 對于有些焊接場合，工件由于過大或空間兒何形狀過于復雜， 使焊接機器人的焊槍無法到達指定的焊縫位詈或焊槍姿態(tài)，這時必須 通過增加1?3個外部軸的辦法增加機器人的自由度。通常有兩種做 法：一是把機器人裝于可以移動的軌道小車或龍門架上，擴大機器人 本身的作業(yè)空間；二是讓工件移動或轉動，使工件上的焊接部位進入 機器人的作業(yè)空間。也有的同時采用上述兩種辦法，讓工件的焊接部 位和機器人都處于最佳焊接位置。 焊接機器人的編程方法H前還是以在線示教方式(Teach-in)為 主，但編程器的界面比過去有了不少改進，尤其是液晶圖形顯示屏的 采用使新的焊接機器人的編程界面更趨友好

12、、操作更加易。然而機器 人編程時焊縫軌跡上的關鍵點坐標位置仍必須通過示教方式獲取，然 后存入程序的運動指令屮。這對于一些復雜形狀的焊縫軌跡來說，必 須花費大量的時間示教，從而降低了機器人的使用效率，也增加了編 程人員的勞動強度。H前解決的方法有2種： 一是示教編程時只是粗略獲取兒個焊縫軌跡上的兒個關鍵點， 然后通過焊接機器人的視覺傳感器(通常是電弧傳感器或激光視覺傳 感器)自動跟蹤實際的焊縫軌跡。這種方式雖然仍離不開示教編程， 但在一?定程度上可以減輕示教編程的強度，提高編程效率。但山于電 弧焊木身的特點，機器人的視覺傳感器并不是對所有焊縫形式都適 二是采取完全離線編程的辦

13、法，使機器人焊接程序的編制、焊 縫軌跡坐標位置的獲取、以及程序的調試均在?臺計算機上獨立完 成，不需要機器人木身的參與。機器人離線編程早在多年以前就有， 只是山于當時受計算機性能的限制，離線編程軟件以文本方式為主， 編程員需要熟悉機器人的所有指令系統(tǒng)和語法，還要知道如何確定焊 縫軌跡的空間位置坐標，因此，編程工作并不輕松省吋。隨著計算機 性能的提鳥和計算機三維圖形技術的發(fā)展，如今的機器人離線編程系 統(tǒng)多數可在三維圖形環(huán)境下運行，編程界面友好、方便，而且，獲取 焊縫軌跡的坐標位置通常可以采用“虛擬示教”(virtual Teach-in)的辦 法，用鼠標輕松點擊三維虛擬環(huán)境屮工

14、件的焊接部位即可獲得該點的 空間坐標；在有些系統(tǒng)中，可通過CAD圖形文件中事先定義的焊縫 位置自接生成焊縫軌跡，然后自動生成機器人程序并下載到機器人控 制系統(tǒng)。從而大大提高了機器人的編程效率，也減輕了編程員的勞動 強度。H前，國際市場上已有基于普通PC機的商用機器人離線編程 軟件。如Workspace5x Robotstudio等。圖9所示為筆者自行開發(fā) 的基于PC的三維可視化機器人離線編程系統(tǒng)。該系統(tǒng)可針對ABB 公訶的IRB140機器人進行離線編程，程序屮的焊縫軌跡通過虛擬示 教獲得，并在三維圖形環(huán)境屮町讓機器人按程序中的軌跡作模擬運 動，以此檢 機器人教育在線J _

15、a hre仁”www.YRobot” target="_blank"www.YRobot/a _科技… a hre仁"www.yrobot/" target="_blank”www.yrobot//a 機器人的發(fā)展 美國是機器人的誕生地，早在1962年就研制出世界上第一臺工業(yè)機 器人，比起號稱”機器人王國”的R本起步至少要早五六年。經過30 多年的發(fā)展，美國現已成為lit界上的機器人強國Z…，基礎雄厚，技 術先進。綜觀它的發(fā)展史，道路是曲折的，不平坦的。 山于美國政府從60年代到70年代中的十兒年期間，并沒有把工 業(yè)機器人列入匝點發(fā)展項目，只是在兒所大學和少數公司開展了一些

16、 研究工作。對于企業(yè)來說，在只看到眼前利益，政府乂無財政支持的 情況下，寧愿錯過良機，固守在使用剛性自動化裝置上，也不愿冒著 風險，去應用或制造機器人。加上，當時美國失業(yè)率高達6?65%, 政府擔心發(fā)展機器人會造成更多人失業(yè)，因此不予投資，也不組織研 制機器人，這不能不說是美國政府的戰(zhàn)略決策錯誤。70年代后期， 美國政府和企業(yè)界雖有所覓視，但在技術路線上仍把覓點放在研究機 器人軟件及軍事、宇宙、海洋、核工程等特殊領域的筒級機器人的開 發(fā)上，致使H本的工業(yè)機器人后來居上，并在工業(yè)生產的應用上及機 器人制造業(yè)上很快超過了美國，產品在國際市場上形成了較強的競爭 力。 進入80年代

17、Z后，美國才感到形勢緊迫，政府和企業(yè)界才對機器 人真正重視起來，政策上也有所體現，-?方而鼓勵工業(yè)界發(fā)展和應用 機器人，另一方面制訂計劃、提高投資，增加機器人的研究經費，把 機器人看成美國再次工業(yè)化的特征，使美國的機器人迅速發(fā)展。 80年代中后期，隨著各大廠家應用機器人的技術D臻成熟，第一 代機器人的技術性能越來越滿足不了實際需要，美國開始生產帶有視 覺、力覺的第二代機器人，并很快占領了美國60%的機器人市場。 盡管美國在機器人發(fā)展史上走過一條重視理論研究，忽視應用開發(fā)研 究的曲折道路，但是美國的機器人技術在國際上仍?直處于領先地 位。其技術全面、先進，適應性也很強。具體表現在： （1）

18、性能可靠，功能全面，精確度高； （2） 機器人語言研究發(fā)展較快，語言類型多、應用廣，水平高 居世界Z首； （3） 智能技術發(fā)展快，其視覺、觸覺等人工智能技術已在航天、 汽車工業(yè)屮廣泛應用； （4） 高智能、高難度的軍用機器人、太空機器人等發(fā)展迅速， 主要用于掃雷、布雷、偵察、站崗及太空探測方面。 早在1966年,美國Unimation公司的尤尼曼特機器人和AMF公 司的沃莎特蘭機器人就已經率先進入英國市場。1967年英國的兩家 大機械公司還特地為類國這兩家機器人公司在英國推銷機器人。接 著，英國Hall Automation公司研制出自己的機器人RAMP。70年 代初期，山于英國政

19、府科學研究委員會頒布了否定人工智能和機器人 的Lighthall報告，對工業(yè)機器人實行了限制發(fā)展的嚴厲措施，因而 機器人工業(yè)?蹶不振，在西歐差不多居于末位。 但是，國際上機器人蓬勃發(fā)展的形勢很快使英政府意識到：機器 人技術的落后，導致其商品在國際市場上的竟爭力大為下降。于是， 從70年代末開始，英國政府轉而采取支持態(tài)度，推行并實施了一系 列支持機器人發(fā)展的政策和措施，如廣泛宣傳使用機器人的重要性、 在財政上給購買機器人企業(yè)以補貼、積極促進機器人研究單位與企業(yè) 聯合等，使英國機器人開始了在生產領域廣泛應用及大力研制的興盛 時期。 法國不僅在機器人擁有量上居于壯界前列，而且在機器人

20、應 用水平和應用范圍上處于世界先進水平。這主要歸功于法國政府?開 始就比較朿視機器人技術，特別是把匝點放在開展機器人的應用研究 o 法國機器人的發(fā)展比較順利，主要原因是通過政府大力支持的 研究計劃，建立起一個完整的科學技術體系。即由政府組織一些機器 人基礎技術方面的研究項H,而山工業(yè)界支持開展應用和開發(fā)方面的 工作，兩者相輔相成，使機器人在法國企業(yè)界很快發(fā)展和普及. 德國工業(yè)機器人的總數占世界第三位，僅次于FI木和美國。這里所 說的徳國，主要指的是原聯邦德國。它比英國和瑞典引進機器人大約 晚了五六年。其所以如此，是因為徳國的機器人工業(yè)一起步，就遇到 了國內經濟不景氣。但是德國的社會環(huán)境卻

21、是有利于機器人工業(yè)發(fā)展 的。因為戰(zhàn)爭，導致勞動力短缺，以及國民技術水平高，都是實現使 用機器人的有利條件。到了 70年代屮后期，政府采用行政手段為機 器人的推廣開辟道路；在”改善勞動條件計劃”中規(guī)定，對于一些有危 險、有毒、有害的工作崗位，必須以機器人來代替普通人的勞動。這 個讓劃為機器人的應用開拓了廣泛的市場，并推動了工業(yè)機器人技術 的發(fā)展。H爾曼民族是一個重實際的民族，他們始終堅持技術應用和 社會需求相結合的原則。除了像大多數國家-?樣，將機器人主要應用 在汽車工業(yè)Z外，突出的一點是德國在紡織工業(yè)中用現代化生產技術 改造原有企業(yè)，報廢了舊機器，購買了現代化自動設備、電子計算機 和機器人，使

22、紡織工業(yè)成本下降、質量提高，產品的花色品種更加適 銷對路。到1984年終于使這一被喻為”快完蛋的行業(yè)”重新振興起來。 與此同時，徳國看到了機器人等先進自動化技術對工業(yè)生產的作用， 提出了 1985年以后要向高級的、帶感覺的肄能世機器人轉移的卜I標。 經過近十年的努力，其智能機器人的研究和應用方面在世界上處于公 認的領先地位。 在前蘇聯（主要是在俄羅斯），從理論和實踐上探討機器人技術是 從50年代后半期開始的。到了 50年代后期開始了機器人樣機的研 究工作。1968年成功地試制出一臺深水作業(yè)機器人。1971年研制出 工廠用的萬能機器人。早在前蘇聯第九個五年計劃（1970年一 1975 年）開始

23、時，就把發(fā)展機器人列入國家科學技術發(fā)展綱領Z屮。到 1975年，已研制出30個型號的120臺機器人，經過20年的努力， 前蘇聯的機器人在數量、質量水乎上均處于世界前列地位。國家有II 的地把提高科學技術進步當作推動社會生產發(fā)展的手段，來安排機器 人的研究制造；有關機器人的研究生產、應用、推廣和提鳥工作，都 山政府安排，有計劃、按步驟地進行。 有人認為，應用機器人只是為了節(jié)省勞動力，而我國勞動力資源豐 富，發(fā)展機器人不一定符合我國國情。這是一種誤解。在我國，社會 主義制度的優(yōu)越性決定了機器人能夠充分發(fā)揮其長處。它不僅能為我 國的經濟建設帶來高度的生產力和巨大的經濟效益，而且將為我國的 宇宙開

24、發(fā)、海洋開發(fā)、核能利用等新興領域的發(fā)展做出卓越的貢獻。 我國已在“七五”計劃屮把機器人列人國家重點科研規(guī)劃內容，撥 巨款在沈陽建立了全國第一個機器人研究示范工程，全面展開了機器 人基礎理論與基礎元器件研究。十兒年來，相繼研制出示教再現型的 搬運、點焊、弧焊、噴漆、裝配等門類齊全的工業(yè)機器人及水下作業(yè)、 軍用和特種機器人。H前，示教再現型機器人技術已基本成熟，并在 工廠屮推廣應用。我國自行生產的機器人噴漆流水線在長春第?汽車 廠及東風汽車廠投入運行。1986年3月開始的國家863高科技發(fā)展 規(guī)劃已列入研究、開發(fā)智能機器人的內容。就口前來看，我們應從生 產和應用的角度出發(fā)，結合我國國情，加快生產

25、結構簡單、成木低廉 的實用型機器人和某些特種機器人。 H本在60年代末正處于經濟高度發(fā)展時期，年增長率達11%o第 二次世界大戰(zhàn)后，H木的勞動力木來就緊張，而高速度的經濟發(fā)展更 加劇了勞動力嚴重不足的困難。為此，n本在1967年山川臨重工業(yè) 公司從美國Unimation公司引進機器人及其技術，建立起生產車間， 并于1968年試制出第一臺川崎的“尤尼曼特”機器人。 止是山于R本當時勞動力顯著不足，機器人在企業(yè)里受到了“救世 主”般的歡迎。Fl本政府一方面在經濟上采収了積極的扶植政策，鼓 勵發(fā)展和推廣應用機器人，從而更進一步激發(fā)了企業(yè)家從事機器人產 業(yè)的積極性。尤其是政府對中、小企業(yè)的?系列

26、經濟優(yōu)惠政策，如山 政府銀行提供優(yōu)惠的低息資金，鼓勵集資成立“機器人長期租賃公可， 公訶出資購入機器人后長期租給用戶，使用者每月只需付較低廉的租 金，大大減輕了企業(yè)購入機器人所需的資金負擔；政府把111計算機控 制的示教再現型機器人作為特別折扣優(yōu)待產品，企業(yè)除享受新設備通 常的40%折撲I優(yōu)待外，還可再享受13%的價格補貼。另一方面，國 家出資對小企業(yè)進行應用機器人的&門知識和技術指導等等。 這一系列扶植政策，使「I本機器人產業(yè)迅速發(fā)展起來，經過短短 的十兒年，到80年代中期，已一躍而為“機器人王國”，其機器人的 產量和安裝的臺數在國際上躍居首位。按照「I本產業(yè)機器人工業(yè)會常 務理事米本完

27、二的說法：“口本機器人的發(fā)展經過了 60年代的搖籃 期，70年代的實用期，到80年代進人普及提高期?！辈E式把1980 年定為“產業(yè)機器人的普及元年”，開始在各個領域內廣泛推廣使用機 器人。 H木政府和企業(yè)充分信任機器人，大膽使用機器人。機器人也沒有 辜負人們的期望，它在解決勞動力不足、提高生產率、改進產品質量 和降低生產成木方面，發(fā)揮著越來越顯著的作用，成為丨I木保持經濟 增長速度和產品競爭能力的一支不可缺少的隊伍。 H本在汽車、電子行業(yè)大量使用機器人生產，使口本汽車及電子產 品產量猛增，質量口益提高，而制造成本則大為降低。從而使R本生 產的汽車能夠以價廉的絕對優(yōu)勢進軍號稱“汽車土國”

28、的美國市場，并 且向機器人誕生國出口口本產的實用型機器人。此時，D本價廉物美 的家用電器產品也充斥了美國市場……這使“山姆大叔”后悔不已。H 本山于制造、使用機器人，增大了國力，獲得了巨大的好處，迫使美、 英、法等許多國家不得不采取措施，奮起直追。 焊接機器人應用現狀及發(fā)展趨勢 據不完全統(tǒng)計，全世界在役的匸業(yè)機器人中大約有將近一 半的工業(yè)機器人用于各種形式的焊接加工領域，焊接機器人應 用中最普遍的主要有兩種方式，即點焊和電弧焊。圖4所示是 這兩種焊接機器人在工業(yè)機器人中所占的大致比例。我們所說 的焊接機器人其實就是在焊接生產領域代替焊匸從事焊接任 務的工業(yè)機器人。這些焊接機器人中有的是為某

29、種焊接方式專 門設計的，而人多數的焊接機器人其實就是通用的匸業(yè)機器人 裝上某種焊接工具而構成的。在多任務環(huán)境中，一臺機器人甚 至可以完成包括焊接在內的抓物、搬運、安裝、焊接、卸料等 多種任務，機器人可以根據程序要求和任務性質，H動更換機 器人手腕上的工具，完成相應的任務。因此，從某種意義上來 說，工業(yè)機器人的發(fā)展歷史就是焊接機器人的發(fā)展歷史。 眾所周知，焊接加工一方面要求焊工要有熟練的操作技 能、豐富的實踐經驗、穩(wěn)定的焊接水平；另一方面，焊接又是 一種勞動條件差、煙塵多、熱輻射大、危險性高的工作。工業(yè) 機器人的出現使人們自然而然首先想到用它代替人的手工焊 接，減輕焊工的勞動強度，同時也可以保

30、證焊接質量和提高焊 接效率。 然而，焊接又與其它工業(yè)加工過程不-?樣，比如，電弧焊 過程屮，被焊T?件由于局部加熱熔化和冷卻產生變形，焊縫的 軌跡會因此而發(fā)生變化。手工焊時有經驗的焊工可以根據眼睛 所觀察到的實際焊縫位置適時地調整焊槍的位置、姿態(tài)和行上 的速度，以適應焊縫軌跡的變化。然而機器人要適應這種變化, 必須首先像人?樣要“看”到這種變化，然后采取相應的措施 調整焊槍的位置和狀態(tài)，實現對焊縫的實時跟蹤。由于電弧焊 接過程小有強烈弧光、電弧噪音、煙塵、熔滴過渡不穩(wěn)定引起 的焊絲短路、大電流強磁場等復雜的環(huán)境因素的存在，機器人 要檢測和識別焊縫所需要的信號特征的提取并不像匸業(yè)制造 中其它加

31、工過程的檢測那么容易，因此，焊接機器人的應用并 不是一開始就用于電弧焊過程的。 實際上，1】業(yè)機器人在焊接領域的應用最早是從汽車裝配 生產線上的電阻點焊開始的。原因在于電阻點焊的過程相對比 較簡單，控制方便，且不需要焊縫軌跡跟蹤，對機器人的精度 和重復精度的控制要求比較低。圖5所示為不同形式的機器人 點焊鉗。點焊機器人在汽車裝配生產線上的人量應用人人提高 了汽車裝配焊接的生產率和焊接質量，同時乂具有柔性焊接的 特點，即只要改變程序，就可在同?條生產線上對不同的車型 進行裝配焊接。 從機器人誕生到本世紀80年代初，機器人技術經歷了一 個長期緩慢的發(fā)展過程。到了 90年代，隨著計算機技術、微

32、電子技術、網絡技術等的快速發(fā)展，機器人技術也得到了飛速 發(fā)展。工業(yè)機器人的制造水平、控制速度和控制精度、可靠性 等不斷提高，而機器人的制造成本和價格卻不斷卜?降。在西方 社會，和機器人價格相反的是，人的勞動力成本有不斷增長的 趨勢。圖6所示是聯合國歐洲經濟委員會(UNECE)統(tǒng)計的從 1990年至2000年的機器人價格指數和勞動力成木指數的變化 I山線。圖屮，把1990年的機器人價格指數和勞動力成本指數 都作為參考值100,至2000年，勞動力成本指數為140,增長 T 40%； iflj機器人在考慮質量因素的情況下價格指數低于20, 降低了 80%,在不考慮質量因素的悄況下，機器人的價格指數

33、 約為40,降低了 60%.這里，不考慮質量因素的機器人價格是 指現在的機器人實際價格與過去相比較；而考慮質量因素是指 由于機器人制造工藝技術水平的提高，機器人的制造質量和性 能即使在同等價格的條件卜?也要比以前高，因此，如果按過去 的機器人同等質量和性能考慮，機器人的價格指數應該更低。 由此可以看出，在西方國家，由于勞動力成本的提高為企 業(yè)帶來了不小的壓力，而機器人價格指數的降低又恰巧為其進 -步推廣應用帶來了契機。減少員工與增加機器人的設備投 資，在兩者費用達到某一平衡點的時候，采用機器人的利顯然 要比采用人工所帶來的利人，它方面可大人提高生產設備的 H動化水平，從而提高勞動生產率，同時

34、乂可提升企業(yè)的產品 質量，提高企業(yè)的整體競爭力。雖然機器人一次性投資比較人, 但它的FI常維護和消耗相對于它的產岀遠比完成同樣任務所 消耗的人工費用小。因此，從長遠看，產品的生產成本還會人 大降低。而機器人價格的降低使?些中小企業(yè)投資購買機器人 變得輕而易舉。因此，工業(yè)機器人的應用在各行各業(yè)得到飛速 發(fā)展。根據UNECE的統(tǒng)計，2001年全世界有75萬臺工業(yè)機器 人用于工業(yè)制造領域，其中38.9萬在H本、19.8萬在歐盟、 9萬在北美，7. 3萬在其余國家。至2004年底全世界在役的工 業(yè)機器人至少有約100萬。 山于機器人控制速度和精度的提高，尤其是電弧傳感器的 開發(fā)并在機器人焊接中得到應

35、用，使機器人電弧焊的焊縫軌跡 跟蹤和控制問題在?定程度上得到很好解決，機器人焊接在汽 車制造中的應用從原來比較單一的汽車裝配點焊很快發(fā)展為 汽車零部件和裝配過程屮的迫弧焊。機器人電弧焊的最人的特 點是柔性，即可通過編程隨時改變焊接軌跡和焊接順序，因此 最適用于被焊匸件品種變化人、焊縫短而多、形狀復朵的產品。 這正好乂符合汽車制造的特點。尤其是現代社會汽車款式的更 新速度非?？欤捎脵C器人裝備的汽車生產線能夠很好地適應 這種變化。圖7所示為機器人電弧焊用于焊接汽車底盤。 另外，機器人電弧焊不僅用于汽車制造業(yè)，更可以用于涉 及電弧焊的其它制造業(yè)，如造船、機車車輛、鍋爐、重型機械 等等。因此，機器

36、人電弧焊的應用范闌Fl趨廣泛，在數量上大 有超過機器人點焊之勢。 隨著汽車輕量化制造技術的推廣，?些高強合金材料和輕 合金材料（如鋁合金、鎂合金等）在汽車結構材料屮得到應用。 這些材料的焊接往往無法用傳統(tǒng)的焊接方法來解決，必須采用 新的焊接方法和焊接匸藝。其屮高功率激光焊和攪拌摩擦焊等 最貝?發(fā)展?jié)摿ΑＲ虼?，機器人與高功率激光焊和攪拌摩擦焊的 結合將成為必然趨勢。事實上，像上海人眾等國內最具實力的 汽車制造商在他們的新車型制造過程中已經大量使用機器人 激光焊接。圖8所示為其汽車車頂的機器人激光焊接。 和機器人電弧焊相比，機器人激光焊的焊縫跟蹤精度要求 更高。根據i般的要求，機器人電弧焊（包

37、括GTAW和GMAW）的 焊縫跟蹤精度必須控制在電極或焊絲肓?徑的1/2以內，在具有 填充絲的條件下焊縫跟蹤精度可適當放寬。但對激光焊而言, 焊接時激光照射在匸件農面的光斑直徑通常在0. 6以內，遠小 于焊絲直徑（通常大于1. 0）,而激光焊接時通常又不加填充焊 絲，因此，激光焊接中若光斑位置稍有偏差，便會造成偏焊、 漏焊。因此，上海大眾的汽車車頂機器人激光焊除了在工裝夾 具上采取措施防止焊接變形外，還在機器人激光焊槍前方安裝 了徳國SCOUT公司的高精度激光傳感器用于焊縫軌跡的跟蹤。 工業(yè)機器人的結構形式很多，常用的有直角坐標式、柱面 坐標式、球面坐標式、多關節(jié)坐標式、伸縮式、爬行式等等,

38、 根據不同的用途還在不斷發(fā)展Z中。焊接機器人根據不同的應 用場合可采取不同的結構形式，但LI前用得最多的是模仿人的 手臂功能的多關節(jié)式的機器人，這是因為多關節(jié)式機器人的手 臂靈活性最大，可以使焊槍的空間位置和姿態(tài)調至任意狀態(tài), 以滿足焊接需要。理論上講，機器人的關節(jié)愈多，(M由度也愈 多，關節(jié)冗余度愈大，靈活性愈好；但同時也給機器人逆運動 學的坐標變換和各關節(jié)位置的控制帶來復雜性。因為焊接過程 中往往需要把以空間直角坐標農示的工件上的焊縫位置轉換 為焊槍端部的空間位置和姿態(tài)，再通過機器人逆運動學計算轉 換為對機器人每個關節(jié)角度位置的控制，而這-變換過程的解 往往不是唯?的，兀余度愈人，解愈多。

39、如何選取最合適的解 對機器人焊接過程中運動的平穩(wěn)性很匝要。不同的機器人控制 系統(tǒng)對這?問題的處理方式不盡相同。 -?般來講，具有6個關節(jié)的機器人基本上能滿足焊槍的位 置和空間姿態(tài)的控制要求，其中3個H由度(XYZ)用于控制焊 槍端部的空間位置，另外3個自山度(ABC)用于控制焊槍的空 間姿態(tài)。因此，目前的焊接機器人多數為6關節(jié)式的。 對于有些焊接場合，工件由于過大或空間兒何形狀過于復 雜，使焊接機器人的焊槍無法到達指定的焊縫位置或焊槍姿 態(tài)，這時必須通過增加1?3個外部軸的辦法增加機器人的自 由度。通常有兩種做法：?是把機器人裝于可以移動的軌道小 車或龍門架上，擴人機器人本身的作業(yè)空間；二

40、是讓工件移動 或轉動，使工件上的焊接部位進入機器人的作業(yè)空間。也有的 同時采用上述兩種辦法，讓工件的焊接部位和機器人都處于最 佳焊接位置。 焊接機器人的編程方法目前還是以在線示教方式 (Teach-in)為主，但編程器的界面比過去有了不少改進，尤其 是液晶圖形顯示屏的采用使新的焊接機器人的編程界面更趨 友好、操作更加易。然而機器人編程時焊縫軌跡上的關鍵點坐 標位置仍必須通過示教方式獲取，然后存入程序的運動指令 中。這對于?些復雜形狀的焊縫軌跡來說，必須花費人量的時 間示教，從而降低了機器人的使用效率，也增加了編程人員的 勞動強度?？谇敖鉀Q的方法有2利- 一是示教編程時只是粗略獲取兒個焊縫軌

41、跡上的幾個關 鍵點，然后通過焊接機器人的視覺傳感器(通常是電弧傳感器 或激光視覺傳感器)口動跟蹤實際的焊縫軌跡。這種方式雖然 仍離不開示教編程，但在…定程度上可以減輕示教編程的強 度，提高編程效率。但由于電弧焊本身的特點，機器人的視覺 傳感器并不是對所有焊縫形式都適用。 二是采取完全離線編程的辦法，使機器人焊接程序的編 制、焊縫軌跡坐標位置的獲取、以及程序的調試均在?臺計算 機上獨立完成，不需要機器人本身的參與。機器人離線編程早 在多年以前就有，只是由于當時受計算機性能的限制，離線編 程軟件以文本方式為主，編程員需要熟悉機器人的所有指令系 統(tǒng)和語法，還要知道如何確定焊縫軌跡的空間位置坐標，因

42、此, 編程匚作并不輕松省時。隨著計算機性能的提高和計算機三維 圖形技術的發(fā)展，如今的機器人離線編程系統(tǒng)多數可在三維圖 形環(huán)境下運行，編程界面友好、方便，而口，獲取焊縫軌跡的 坐標位置通?？梢圆捎谩疤摂M示教” (virtual Teach-in)的 辦法，用鼠標輕松點擊三維虛擬環(huán)境中匸件的焊接部位即可獲 得該點的空間坐標；在有些系統(tǒng)中，可通過CAD圖形文件中事 先定義的焊縫位置直接生成焊縫軌跡，然后口動生成機器人程 序并下載到機器人控制系統(tǒng)。從而大大提高了機器人的編程效 率，也減輕了編程員的勞動強度。目前，國際市場上已有基于 普通PC機的商用機器人離線編程軟件。如Workspace5、 Robo

43、tStudio等。圖9所示為筆者自行開發(fā)的基于PC的三維 可視化機器人離線編程系統(tǒng)。該系統(tǒng)可針對ABB公司的IRB140 機器人進行離線編程，程序中的焊縫軌跡通過虛擬示教獲得, 并在三維圖形 環(huán)境中可讓機器人按程序中的軌跡作模擬運動，以此檢驗 其準確性和合理性。所編程序可通過網絡直接卜?載給機器人控 制器。 我國的工業(yè)機器人從80年代“七五”科技攻關開始起 步，H前已基本掌握了機器人操作機的設計制造技術、控制系 統(tǒng)硬件和軟件設計技術、運動學和軌跡規(guī)劃技術，生產了部分 機器人關鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等 機器人；弧焊機器人已應用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的 來看，我國的

44、匸業(yè)機器人技術及其匚程應用的水平和國外比還 有一定的距離，如：可靠性低于國外產品；機器人應用工程起 步較晚，應用領域窄，生產線系統(tǒng)技術與國外比有差距；應用 規(guī)模小，沒有形成機器人產業(yè)。 當前我國的機器人生產都是應用戶的要求，單戶單次匝新 設計，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期 長、成本也不低，而且質量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解 決產業(yè)化前期的關鍵技術，對產品進行全面規(guī)劃，搞好系列化、 通用化、模塊化設計，積極推進產業(yè)化進程。 3、焊接機器人發(fā)展趨勢 U前國際機器人界都在加大科研力度，進行機器人共性技 術的研究。從機器人技術發(fā)展趨勢看，焊接機器人和其它匚業(yè) 機器人?樣，

45、不斷向智能化和多樣化方向發(fā)展。貝體而言，農 現在如下兒個方面： 1）機器人操作機結構： 通過有限元分析、模態(tài)分析及仿真設計等現代設計方法的 運用，實現機器人操作機構的優(yōu)化設計。 探索新的高強度輕質材料，進?步提高負載/口重比。例 如，以徳國KUKA公司為代農的機器人公司，已將機器人并聯 平行四邊形結構改為開鏈結構，拓展了機器人的工作范圍，加 Z輕質鋁合金材料的應用，大人提高了機器人的性能。此外采 用先進的RV減速器及交流伺服電機，使機器人操作機幾乎成 為免維護系統(tǒng)。 機構向著模塊化、可重構方向發(fā)展。例如，關節(jié)模塊中的 伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化；由關節(jié)模塊、連桿 模塊用重組

46、方式構造機器人整機；國外已有模塊化裝配機器人 產品問市。 機器人的結構更加靈巧，控制系統(tǒng)愈來愈小，二者正朝著 一體化方向發(fā)展。 采用并聯機構，利用機器人技術,實現高精度測量及加匸, 這是機器人技術向數控技術的拓展，為將來實現機器人和數控 技術一體化奠定了基礎。意大利COMAU公司，FI本FANUC等公 司已開發(fā)出了此類產品。 2） 機器人控制系統(tǒng)： 重點研究開放式，模塊化控制系統(tǒng)。向基于PC機的開放 型控 制器方向發(fā)展，便于標準化、網絡化；器件集成度提高, 控制柜F1見小巧，且采用模塊化結構：大人提離了系統(tǒng)的可靠 性、易操作性和可維修性?？刂葡到y(tǒng)的性能進?步提高，已由 過去控制標準

47、的6軸機器人發(fā)展到現在能夠控制21軸其至27 軸，并且實現了軟件伺服和全數字控制。 人機界面更加友好，語言、圖形編程界面正在研制之中。 機器人控制器的標準化和網絡化，以及基于PC機網絡式控制 器已成為研究熱點。 編程技術除進?步提高在線編程的可操作性Z外，離線編 程的實用化將成為研究重點，在某些領域的離線編程已實現實 用化。 3） 機器人傳感技術： 機器人中的傳感器作用口益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速 度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機器人還應用了激光傳感 器、視覺傳感器和力傳感器，并實現了焊縫口動跟蹤和自動化 生產線上物體的自動定位以及精密裝配作業(yè)等，大大提高了機 器人的作業(yè)性能和對環(huán)

48、境的適應性。 遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的 融合技術來進行環(huán)境建模及決策控制。為進一步提高機器人的 智能和適應性，多種傳感器的使用是其問題無決的關鍵。其研 究熱點在于有效可行的多傳感器融合算法，特別是在非線性及 非平穩(wěn)、非正態(tài)分布的情形下的多傳感器融合算法。另i問題 就是傳感系統(tǒng)的實用化。 4） 網絡通信功能： H本YASKAWA和德國KUKA公司的最新機器人控制器已實 現了與Canbus. Profibus總線及?些網絡的聯接，使機器人 由過去的獨立應用向網絡化應用邁進了一大步，也使機器人由 過去的專用設備向標準化設備發(fā)展。 5） 機器人遙控和監(jiān)控技術 在?些

49、諸如核輻射、深水、有毒等高危險環(huán)境中進行焊接 或其它作業(yè)，需要有遙控的機器人代替人去工作。當代遙控機 器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者 與機器人的人機交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構成完整的 監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機器人龍岀實驗室進入實用化階 段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機器人就是這種系統(tǒng)成功 應用的最著名實例。多機器人和操作者之間的協(xié)調控制，可通 過網絡建立人范禺內的機器人遙控系統(tǒng)，在有時延的情況下， 建立預先顯示進行遙控等。 6） 虛擬機器人技術： 虛擬現實技術在機器人中的作用已從仿真、預演發(fā)展到用 于過程控制，如使遙控機器人操作者產生置身于遠端作業(yè)環(huán)境 中

50、的感覺來操縱機器人?；诙鄠鞲衅鳌⒍嗝襟w和虛擬現實以 及臨場感技術，實現機器人的虛擬遙操作和人機交互。 7） 機器人性能價格比： 機器人性能不斷提高（高速度、高精度、高可靠性、便于 操作和維修），而單機價格不斷下降。由于微電了技術的快速 發(fā)展和大規(guī)模集成電路的應用，使機器人系統(tǒng)的可靠性有了很 大提高。過去機器人系統(tǒng)的可靠性MTBF ?般為幾千小時，而 現在已達到5萬小時，可以滿足任何場合的需求。 8） 多智能體調控技術： 這是H前機器人研究的一個嶄新領域。主要對多智能體的 群體體系結構、相互間的通信與磋商機理，感知與學習方法, 建模和規(guī)劃、群體行為控制等方面進行研究。 近年來，人類的

51、活動領域不斷擴人，機器人應用也從制造 領域向非制造領域發(fā)展。像海洋開發(fā)、寧宙探測、采掘、建筑、 醫(yī)療、農林業(yè)、服務、娛樂等行業(yè)都提出了自動化和機器人化 的要求。這些行業(yè)與制造業(yè)相比，其主要特點是工作環(huán)境的非 結構化和不確立性，因而對機器人的要求更高，霜要機器人具 有行走功能，對外感知能力以及局部的自主規(guī)劃能力等，是機 器人技術的一個重要發(fā)展方向。 可以預見，在21世紀各種先進的機器人系統(tǒng)將會進入人 類生活的各個領域，成為人類良好的助手和親密的伙伴。 4、挑戰(zhàn)與對策 進入21世紀，世界經濟結構正在發(fā)生覓大而深刻的變革, 但制造業(yè)依然是世界各發(fā)達與發(fā)展中國家加快經濟發(fā)展、提高 國家綜合競爭力

52、的重要途徑。 我國是?個制造業(yè)大國，尚處于工業(yè)化進程之中，在未來 相當長的時期里，制造業(yè)仍將在國民經濟中占主導地位。在新 ?輪國際產業(yè)結構調整中，我國正逐步成為世界最覓要的制造 業(yè)基地Z-o 然而H前我國裝備制造業(yè)的整體水平與發(fā)達國家相比尚 有較大的差距，尤其是在戰(zhàn)略必爭裝備技術與競爭前核心技 術、基礎制造裝備與成套關鍵裝備制造技術等方面差距更人, 這種差距又主要體現在先進裝備的自主設計與獨立制造能力 差，成套與系統(tǒng)集成、優(yōu)化能力岸，技術創(chuàng)新和集成創(chuàng)新能力 差。這些差距已經成為制約我國制造業(yè)乃至其他行業(yè)經濟發(fā)展 的關鍵瓶頸問題Z-o 21世紀基礎制造裝備的水平主要體現在高精度、高效率、

53、低成本和高柔性等兒個方面。高效率、高精度工藝的一個典型 例子是精密成形技術，其H的是盡量減少切削，其至免除切削, 減少原材料的浪費，同時提高制造效率。精密成形技術在工業(yè) 發(fā)達國家已得到廣泛應用。柔性自動化仍是機床業(yè)發(fā)展的重要 趨勢之一。柔性自動化的進一步發(fā)展是敏捷生產設備。為適應 敏捷生產模式，人們正在探求設備自身的結構重組以及生產單 元的動態(tài)重組問題。 另外，國外在大型、成套裝備方面有很大優(yōu)勢，并且在成 套裝備的高技術化方面，取得了巨大的進展，已經實現了數控 化、柔性動化，并大量采用工業(yè)機器人，正向著智能化、集 成化的方向發(fā)展。 隨著我國貿易溶入全球化，我國裝備制造業(yè)從來沒有像今 天這樣

54、直接地面對國際同行的有力競爭和挑戰(zhàn)。如何適應激烈 的國際競爭和快速變化的世界市場需求，不斷以高質量、低成 本、快速響應的手段在新的市場競爭屮求得生存和發(fā)展，已是 我國裝備制造業(yè)不容回避的問題。同時溶入全球化也為我們提 供了前所未有的機遇，我們必須抓住機遇迎頭趕上。 在“十五”期間，我國曾把包括焊接機器人在內的示教再 現型工業(yè)機器人的產業(yè)化關鍵技術作為覓點研究內容之?，其 中包括焊接機器人（把弧焊與點焊機器人作為負載不同的一個 系列機器人，可兼作弧焊、點焊、搬運、裝配、切割作業(yè)）產 品的標準化、通用化、模塊化、系列化設計；弧焊機器人用激 光視覺焊縫跟蹤裝置的開發(fā)，激光發(fā)射器的選用，CCD成象系 統(tǒng)，視覺圖彖處理技術，視覺跟蹤與機器人協(xié)調控制；焊接機 器人的離線示教編程及工作站系統(tǒng)動態(tài)仿真等。 在新的歷史時期，面對新的機遇和挑戰(zhàn)，只有?方面緊跟 世界科技發(fā)展的潮流，研究與開發(fā)具有自主知識產權的基礎制 造裝備；另…方面，仍然通過引進和消化，吸收一些現有的先 進技術，踩在別人的肩膀上，盡快縮短和別人的差距。并通過 應用研究和二次開發(fā)，實現技術創(chuàng)新和關鍵設備的產業(yè)化，提 高我國制造業(yè)在國際競爭舞臺上的地位。