摘 要：本文介绍焊接机器人发展历程，综述国内外焊接机器人技术的应用与研究现状，对焊接机器人未来发展趋势作了展望。
前 言
焊接作为“工业裁缝”，是工业生产中非常重要的加工手段，焊接质量的好坏对产品质量起决定性的影响。随着世界制造业的迅速发展，焊接技术的应用也越来越广泛，焊接智能化技术水平也越来越高，实现焊接产品制造的自动化、柔性化与智能化已经成为必然趋势，采用机器人焊接已经成为焊接技术自动化的主要标志。
1 焊接机器人的发展历程
1959年第1台工业机器人UNIMATE 在美国诞生，到现在为止机器人的应用和技术发展经历了三个阶段：
第一阶段，机器人不具备外界信息的反馈能力，难以适应工作环境的变化，在现代化工业生产中的应用受到很大限制。这一阶段的机器人被称为第一代示教再现型机器人。
第二阶段，机器人对外界环境有一定的感知能力，具备如听觉、视觉、触觉等功能，工作时借助传感器获得的信息，灵活调整工作状态，保证在适应环境的情况下完成工作。这一阶段的机器人被称为第二代具有感知能力的机器人。
第三阶段，机器人不但具有感觉能力，而且具有独立判断、行动、记忆、推理和决策的能力，能适应外部对象、环境协调地工作，能完成更加复杂的动作，还具备故障自我诊断及修复能力。这一阶段的机器人被称为第三代智能型机器人。
目前，国内外大量应用的焊接机器人系统从整体上看基本都属于第一代或准二代的。机器人缺乏“柔性”, 焊接路径和焊接参数须根据实际作业条件预先设置，工作时存在明显的缺点。随着计算机控制技术、人工智能技术以及网络控制技术的发展，焊接机器人也由单一的单机示教再现型向以智能化为核心的多传感、智能化的柔性加工单元（系统）方向发展。
2 焊接机器人国内外应用现状
目前，比较著名的焊接机器人公司有日本的Motoman、FANUC、Yaskwa, 德国的KUKA，瑞典的ABB，美国的Adept Technology，意大利的COMAU，这些公司已成为其所在地区的支柱性企业。截止2005年全世界在役工业机器人约为91.4万套，其中日本装备的工业机器人总量达到了50万台以上，成为“机器人王国”，其次是美国和德国；在亚洲，日本、韩国和新加坡的制造业中每万名雇员占有的工业机器人数量居世界前三位。
我国焊接机器人的应用主要集中在汽车、摩托车、工程机械、铁路机车等几个主要行业。目前在我国应用的机器人主要分日系、欧系和国产三种。日系中主要有安川、OTC、松下、FANUC、不二越、川崎等公司的产品。欧系中主要有德国的KUKA、CLOOS、瑞典的ABB、意大利的COMAU及奥地利的IGM公司。我国焊接机器人经过“七五”、“九五”攻关计划和863计划的支持已经取得了较大进展，建立了9个机器人产业化基地和7个科研基地。基地的建设给产业化带来了希望, 为发展我国机器人产业奠定了基础。但目前国内市场上的机器人进口仍占了绝大多数，我国进口的工业机器人主要来自日本。2004年日本对华出口的机器人占我国进口工业机器人的一半，其他欧洲品牌机器人，如ABB、KUKA和COMAU，占据市场的另一半。2005年，我国工业机器人拥有量达到约7000台。近年来新增工业机器人的台数和总量都在快速增长，截止2009 年年末，我国已有工业机器人约31400 台。虽然机器人总量达到一定的规模, 但与发达国家相比仍然有不少差距。仅从汽车工业每百万名生产工人占有的机器人来讲，我国比几个主要发达工业国家要低很多，仅为90台。
尽管焊接机器人在生产中得到广泛应用，使焊接质量得到了极大改善, 有效提高了企业的劳动生产效率，但在应用中仍然存在很多方面的问题值得我们去进一步研究和改善，其中最主要的有以下三大方面。
2.1 焊接机器人位置偏移后重新示教的问题
这个工作现在需要占用大量的生产时间，如果能够利用先进的计算机动态仿真技术对其进行离线示教和仿真，将是焊接机器人应用的一次革命性的改善。
2.2 焊接机器人的校轴过程占用过多时间的问题
焊接机器人在轴的校正过程中耗费比较长的时间，对于流水化的自动生产线来说，其停机所造成的经济损失非常巨大。如果能够应用高智能化的检测手段，使焊接机器人在其轴的基本参数丢失或变化后，能够自动快速恢复到发生故障前的状态，将给自动化生产线带来巨大的生产效益，目前的TCP自动校零技术仍然有待进一步的提高。
2.3 焊接机器人焊接过程的焊缝实时跟踪问题
目前焊接机器人进行弧焊时，对焊缝进行动态跟踪反馈还没有很好地应用于生产。利用智能技术，动态跟踪焊缝状态，实时反馈，这是保证弧焊质量的可靠性和稳定性的一个发展趋势。
我国的工业机器人从80年代开始起步，目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人；弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如：可靠性低于国外产品；机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距；当前我国的机器人生产都是应用户的要求，单户单次重新设计，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。因此，迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模块化设计，积极推进产业化进程。
3 焊接机器人技术研究现状
从目前国内外研究现状来看，焊接机器人技术研究主要集中在焊缝跟踪技术、离线编程与路径规划技术、多机器人协调控制技术、专用弧焊电源技术、焊接机器人系统仿真技术、机器人用焊接工艺方法、遥控焊接技术等7个主要方面。
3.1 焊缝跟踪技术
焊缝跟踪技术的研究就是根据焊接条件的变化要求弧焊机器人能够实时检测出焊缝的偏差，并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，其中传感器技术的研究又以电弧传感器和光学传感器为主。电弧传感的基本原理是利用焊炬与工件距离的变化而引起的焊接参数变化，来探测焊炬高度和左右偏差。光学传感器的种类很多，主要包括红外、光电、激光、视觉、光谱和光纤式，光学传感器的研究又以视觉传感器为主，视觉传感器所获得的信息量大，结合计算机视觉和图像处理的最新技术，大大增强弧焊机器人的外部适应能力。激光跟踪传感具有优越的性能，成为最有前途、发展最快的焊接传感器。由于近代模糊数学和神经网络的出现以及应用到焊接这个复杂的非线性系统中，使得焊缝跟踪进入了智能焊缝跟踪的新时代。
3.2 离线编程与路径规划技术
机器人离线编程系统是机器人编程语言的拓广，它利用计算机图形学的成果，建立起机器人及其工作环境的模型，利用一些规划算法，通过对图形的控制和操作，在不使用实际机器人的情况下进行轨迹规划，进而产生机器人程序。离线编程技术的理想目标是实现全自动编程，即只需输入工件的模型，离线编程系统中的专家系统会自动制定相应的工艺过程，并最终生成整个加工过程的机器人程序。目前，还不能实现全自动编程，自动编程技术是当前研究的重点。
3.3 多机器人协调控制技术
多机器人系统是指为完成某一任务由若干个机器人通过合作与协调组合成一体的系统。主要对多智能体的群体体系结构、相互间的通信与磋商机理、感知与学习方法、建模和规划、群体行为控制等方面进行研究。它包含两方面的内容，即多机器人合作与多机器人协调。当给定多机器人系统某项任务时，首先面临的问题是如何组织多个机器人去完成任务，如何将总体任务分配给各个机器人成员，即机器人之间怎样进行有效的合作。当以某种机制确定了各自任务与关系后, 问题变为如何保持机器人间的运动协调一致。智能体技术是解决这一问题的最有力的工具，多智能体系统是研究在一定的网络环境中，各个分散的、相对独立的智能子系统之间通过合作, 共同完成一个或多个控制作业任务的技术。多机器人焊接的协调控制是目前的一个研究热点问题。
3.4 专用弧焊电源技术
在焊接机器人系统中，电器性能良好的专用弧焊电源直接影响焊接机器人的使用性能。目前，弧焊机器人一般采用熔化极气体保护焊（MIG焊、MAG焊、CO2焊）或非熔化极气体保护焊（TIG、等离子弧焊）方法，熔化极气体保护焊焊接电源主要使用晶闸管电源与逆变电源。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逆变电源大多为单片机控制的晶体管式弧焊逆变器，并配以精细的波形控制和模糊控制技术，工作频率在20~50kHz，最高的可达200kHz，焊接系统具有十分优良的动特性，非常适合机器人自动化和智能化焊接。还有一些特殊功能的电源，如适合铝及其合金TIG焊的方波交流电源、带有专家系统的焊接电源等。目前有一种采用模糊控制方法的焊接电源，可以更好保证焊缝熔宽和熔深的基本一致，不仅焊缝表面美观，而且还能减少焊接缺陷。弧焊电源不断向数字化方向发展，其特点是焊接参数稳定，受网路电压波动、温升、元器件老化等因素的影响很小，具有较高的重复性，焊接质量稳定、成形良好。另外，利用DSP的快速响应，可以通过主控制系统的指令精确控制逆变电源的输出，使之具有输出多种电流波形和弧压高速稳定调节的功能，适应多种焊接方法对电源的要求。
3.5 焊接机器人系统仿真技术
机器人在研制、设计和试验过程中，经常要对其运动学、动力学性能进行分析以及进行轨迹规划设计，而机器人又是多自由度、多连杆空间机构，运动学和动力学问题十分复杂，计算难度和计算量都很大。若将机械手作为仿真对象，运用计算机图形CAD 技术和机器人学理论在计算机中形成几何图形，并动画显示，然后对机器人的机构设计、运动学正反解分析、操作臂控制以及实际工作环境中的障碍避让和碰撞干涉等诸多问题进行模拟仿真，这样就可以很好地解决研发机械手过程中出现的问题。
3.6 机器人用焊接工艺方法
目前，弧焊机器人普遍采用气体保护焊方法，主要是熔化极气体保护焊，其次是钨极氩弧焊，等离子弧焊、切割及机器人激光焊数量有限、比例较小。国外先进国家的弧焊机器人已普遍采用高速、高效气体保护焊接工艺，如双丝气体保护焊、T.I.M.E焊、热丝TIG焊、热丝等离子焊等先进的工艺方法，这些工艺方法不仅有效地保证了优良的焊接接头，还使焊接速度和熔敷效率提高数倍至几十倍。
3.7 遥控焊接技术
遥控焊接是指人在离开现场的安全环境中对焊接设备和焊接过程进行远程监视和控制, 从而完成完整的焊接工作。在一些诸如核辐射、深水、有毒等高危险环境中进行焊接或其他作业，需要有遥控的机器人代替人去工作。而目前的技术水平还不可能实现完全的自主焊接, 因此需要采用遥控焊接技术。目前，美国、欧洲、日本等国对遥控焊接进行了深入的研究, 国内哈尔滨工业大学也正在进行这方面的研究。
4 焊接机器人的发展趋势
从机器人技术发展趋势看，智能化控制技术将是焊接机器人技术发展的主要方向。
4.1 视觉控制技术
焊接机器人视觉控制技术是通过对焊接区图像进行采集，产生视频信号送至图像处理机，对图像进行快速处理并提取跟踪特征参量，进行数据识别和计算，通过逆运动学求解得到机器人各关节位置给定值，最后控制高精度的末端执行机构，调整机器人的位置和姿式。视觉控制的关键在于视觉测量，在焊接过程中视觉技术分为直接视觉传感和间接视觉传感二种形式。直接视觉传感技术是一种常用的非接触式传感形式，其主要优点是不接触工件，不干扰正常的焊接过程, 获取的信息量大，通用性强。研究人员直接利用电弧光照射熔池前方的工件间隙获取焊接区焊缝信息，根据熔池前方不同远近处电弧光闪烁的强度来实现焊接过程中的焊缝跟踪；典型的例子是利用带有CCD摄像机的微型计算机控制系统对焊接熔池行为进行观察和控制；现在，基于激光三角形的视觉系统具有高度的灵活性，价格低、精度高、获取信息能力强，且不受周围噪声和电弧产生的高温影响，其获得的信息可以用于多种自适应功能。弧焊中使用激光视觉系统可以抗电弧辐射、火焰、热金属飞溅、振动、冲击和高温，这种传感器正在成为智能自适应焊接机器人焊接优先选用的视觉系统。
4.2 模糊控制技术
由于焊接机器人系统具有非线性和时变特点，难以用精确的数学模型进行描述，用传统的控制方法难以实现最佳控制，而模糊控制具有自适应和鲁棒性等特点，它为机器人焊接控制提供了一个理想的控制方法。模糊控制是智能控制的较早形式，它吸取了人的思维具有模糊性的特点，使用模糊数学中的隶属函数、模糊关系、模糊推理和决策等工具，巧妙地综合了人们的直觉经验，从而在其他经典控制理论和现代控制理论不太奏效的场合能够实现较满意的控制。将模糊控制理论和实际焊接过程相结合，发展成为专用焊接控制器，进一步发展成为了通用型焊接模糊控制器。模糊控制具有较完善的控制规则，但模糊控制综合定量知识的能力较差，当对象动态特性发生变化，或者受到随机干扰的影响都会影响模糊控制的效果。因此，在模糊控制理论方面，人们对常规模糊控制进行了改进，设计了一些高性能模糊控制器，有效解决精度较低、自适应能力有限及设备产生振荡现象等问题。
4.3 神经网络控制技术
神经网络控制是研究和利用人脑的某些结构、机理以及人的知识和经验对系统进行控制，它是神经网络作为人工智能的一种途径在控制领域的渗透。用神经网络设计的控制系统适应性、鲁棒性均较好，能处理时变、多因素、非线性等复杂焊接过程的控制问题。人工神经网络具有很强的自学习、自适应能力，信息存储量大，容错性好，能够实现并行联想搜索解空间和完成自适应推理，提高智能系统的智能水平、知识处理能力及强壮性。因此，在机器人焊接质量控制中可采用神经网络建立焊接过程模型从而解决线性控制方法所不能克服的问题，弥补传统专家系统以及模糊控制的不足，现在焊接机器人神经网络控制系统中使用较多的是前馈式多层神经网络。
4.4 嵌入式控制技术的应用
嵌入式系统以其小型、专用、易携带、可靠性高的特点，已经在焊接机器人控制领域得到了应用，嵌入式控制系统具备网络和人机交互能力，可以取代以往基于微处理器的控制方式。嵌入式控制器具有液晶显示器，可以替代CRT显示器在控制系统中所扮演的角色，键盘响应也具有很高的实时性，满足信息的输入和对控制系统的干预等工作。经实验和实际应用表明，嵌入式控制器比基本的模糊控制器具有更好的控制性能。嵌入式控制技术为焊接工艺的在线监测提供了新的技术方法，它能确保焊接质量“零缺陷”的目标得以实现。
5 结束语
目前，焊接机器人已广泛应用于汽车、航天、船舶、机械加工行业、电子电气行业、食品工业及其他相关制造业等诸多领域中，并作为先进制造业中不可替代的重要装备和手段，在高质量、高效率的焊接生产中发挥了极其重要的作用。近年来，焊接机器人技术的研究与应用在焊缝跟踪技术、离线编程与路径规划技术、多机器人协调控制技术、专用弧焊电源技术、焊接机器人系统仿真技术、机器人用焊接工艺方法、遥控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、人工智能理论以及工业生产系统的不断发展，焊接机器人技术特别是焊接机器人的视觉控制技术、模糊控制技术、嵌入式控制技术、网络控制技术等方面将是未来研究的主要方向。
