能源工程焊接机器人的智能化技术

徐长海

摘 要：随着焊接机器人技术日趋成熟，机器人的采购、运行成本不断降低。另一方面，由于市场的需要，焊接机器人的使用已由传统的汽车行业向其他行业推广，各企业所生产的焊接机器人种类日益繁多。如何根据工件特性与焊接条件选择合适的焊接机器人，使焊接机器人发挥更大的效用，成为我们所关心的问题。

关键词：能源工程；焊接机器人；智能化技术；研究

引言

国民经济加速发展需要和综合国力支撑能力提升，使能源工程装备呈现出大型化、系统化和复杂化的显著特点，能源工程装备的工作地点也从陆地向太空、海洋和地下发展。在能源工程装备制造与安装过程中，焊接扮演着非常重要的作用，焊接金属结构件已成为产品制造发展的主要方向，金属结构制造基本实现了以焊代铸，向大型化、成套化、自动化方向的发展已成为时代的主流。新材料不断涌现，因功能需要结构日趋复杂。各种焊接机器人不断涌现，焊接过程及焊接装备智能化特征凸显。智能化设备应有自主的决策能力，能够应付复杂的环境和条件变化。

1机器人本体结构

1.1直角坐标机器人

直角坐标机器人具有空间上相互垂直的两根或三根直线移动轴，通过直角坐标方向的三个独立自由度确定其手部的空间位置，其动作空间为一长方体。直角坐标机器人结构简单，定位精度高，空间轨迹易于求解；但其动作范围相对较小，设备的空间因数较低，实现相同的动作空间要求时，机体本身的体积较大。

1.2柱面坐标机器人

柱面坐标机器人的空间位置机构主要由旋转基座、垂直移动和水平移动轴构成，具有一个回转和两个平移自由度，其动作空间呈圆柱形，这种机器人结构简单、刚性好，但缺点是在机器人的动作范围内，必须有沿轴线前后方向的移动空间，空间利用率较低。

1.3球面坐标机器人

其空间位置分别由旋转、摆动和平移三个自由度确定，动作空间形成球面的一部分。其机械手能够作前后伸缩移动、在垂直平面上摆动以及绕底座在水平面上转动。著名的Unimate就是这种类型的机器人，其特点是结构紧凑，所占空间体积小于直角坐标和柱面坐标机器人，但仍大于多关节型机器人。

1.4多关节型机器人

由多个旋转和摆动机构组合而成，这类机器人结构紧凑、工作空间大、动作最接近人的动作，对喷漆、装配、焊接等多种作业都有良好的适应性，应用范围越来越广。不少著名的机器人都采用了这种型式，其摆动方向主要有铅垂方向和水平方向两种，所以这类机器人又可分为垂直多关节机器人和水平多关节机器人。

2焊接机器人的发展现状

2.1国外发展现状

随着计算机技术的不断提高和制造技术的不断发展，国外焊接机器人技术得到了飞速的发展，其准确度和可靠性不断提高，与此同时，造价却不断下降。西方发达国家也将发展焊接机器人作为研究的重点。日本仅用了10年左右的时间，便形成了自己的机器人产业，韩国的機器人发展也极其迅速，截止到2005年全世界的在役工业机器人约为914000套，日本占了其中的60%左右，大约有将近一半的工业机器人用于各种形式的焊接加工领域。尽管美国和德国等老牌工业强国在数量上不如日本，但其技术底蕴身后，制作的焊接机器人水平较高，因此在国际市场上还是占有一定的优势。

2.2国内发展现状

我国开发工业机器人较晚，在二十世纪七十年代末开始进行工业机器人的研究，使得我国整体落后于欧美和日本等国家，但是经过几十年的努力，仍然取得了可喜的成绩，目前已基本掌握了其关键技术，已经在我国建立了9个机器人产业化基地和7个科研基地。2005年我国新增机器人数量超过了5000台，平均每年的增长率都超过40%，主要应用在汽车、摩托车及工程机械三个主要行业，国内拥有焊接机器人最多的是上海市，占全国的19%，长春市居第二，占全国的17%。目前在我国应用的焊接机器人主要分日系、欧系和国产三类。由于进口焊接机器人价格大幅度降低，国产焊接机器人不管是从控制水平还是可靠性方面均与进口焊接机器人有一定的差距。

3能源工程焊接机器人智能化技术研究

3.1焊缝跟踪技术

焊缝跟踪技术就是在焊接过程中，根据环境因素的影响，调整焊接路径和焊接参数，保证焊接质量的可靠性。焊缝跟踪技术的研究以传感器技术与控制理论方法为主，随着近代模糊数学和神经网络的出现，并应用在焊缝跟踪技术中后，焊缝跟踪技术已经进入到了一个全新的时代——智能跟踪的时代。国内外很多研究机构都对对焊缝跟踪技术进行了系统的研究，并研究和设计出很多种较为成熟焊缝跟踪系统。

3.2离线编程与路径规划技术

离线编程与路径规划技术能够利用规划算法，设置机器人程序，根据焊接参数、焊接路径和轨迹完成焊接任务，其特点是智能化程度高、编程质量和效率高等，但是其缺点是还不能实现全自动编程。

3.3多机器人协调控制技术

有些工作单台焊接机器人完成较为困难，不能充分发挥其作用，这个时候就需要采用多机器人协调控制技术，该技术必须由若干个机器人的合作与协调来成。多机器人协调控制技术涉及面很广，包括多智能体的群体体系结构、群体行为控制等，所有机器人在统一的控制下做相应的协调运动。随着工业生产系统向大型、复杂、动态和开放的方向发展，工业多机器人协调控制技术将成为研究的热点。

3.4遥控焊接技术

遥控焊接技术是指焊接机器人在一些危险、恶劣及特殊的环境中，而人在离开现场的安全环境中对焊接机器人的操作进行远程监视和控制，完成完整的焊接工作，它融合了多学科的知识。在如核辐射区域设备维修、深水、有毒、空间站等环境中应用较为广泛，遥控焊接技术可以说是目前最高意义上的焊接自动化、智能化。国内外对遥控技术的研究成果较多，国内哈尔滨工业大学也正在进行这方面的研究。

结束语

综上所述，焊接机器人在生产生活中，发挥了极其重要的作用。目前国内外都在对焊接机器人加大研究力度，其应用迎来了难得的发展机遇。从发展趋势来看，在不断向智能化和多样化方向发展，也会涉及到太空、核事故、医用、仿生等领域。

参考文献

[1]余小榕.高职工业机器人技术专业在焊接机器人实训的探索[J].山东工业技术，2018（09）：219-220.

（作者单位：承德建龙特殊钢有限公司）