焊接機(jī)器人的應(yīng)用與發(fā)展現(xiàn)狀

1、華 中 科 技 大 學(xué)研究生課程考試答題本考生姓名 考生學(xué)號(hào) 系、年級(jí) 類 別 考試科目 考試日期 年 月 日評(píng) 分題 號(hào)得 分題 號(hào)得 分總 分：評(píng)卷人：注意：1、無評(píng)卷人簽名試卷無效 2、必須用鋼筆或者圓珠筆閱卷，使用紅色。用鉛筆閱卷無效題號(hào)回 答 內(nèi) 容得分焊接機(jī)器人的應(yīng)用與發(fā)展【論文摘要】：簡(jiǎn)要介紹了機(jī)器人焊接技術(shù)發(fā)展歷程、應(yīng)用現(xiàn)狀，從焊縫跟蹤技術(shù)、離線編程與路徑規(guī)劃技術(shù)、多機(jī)器人協(xié)調(diào)控制技術(shù)、專用弧焊電源技術(shù)、焊接機(jī)器人系統(tǒng)仿真技術(shù)、機(jī)器人用焊接工藝方法、遙控焊接技術(shù)等七個(gè)方面論述了焊接機(jī)器人技術(shù)的研究現(xiàn)狀，并對(duì)焊接機(jī)器人技術(shù)的未來發(fā)展趨勢(shì)做出了展望，其中視覺控制技術(shù)、模糊控制技術(shù)、

2、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制及嵌入式控制技術(shù)將是焊接機(jī)器人智能化技術(shù)發(fā)展的主要方向。【關(guān)鍵詞】：焊接機(jī)器人；技術(shù)現(xiàn)狀；智能化；控制技術(shù)；發(fā)展趨勢(shì)前言 1、 焊接機(jī)器人的發(fā)展歷程自從世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人UNIMATE于1959年在美國(guó)誕生以來，機(jī)器人的應(yīng)用和技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段：第一代是示教再現(xiàn)型機(jī)器人。這類機(jī)器人操作簡(jiǎn)單，不具備外界信息的反饋能力，難以適應(yīng)工作環(huán)境的變化，在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用受到很大限制。第二代是具有感知能力的機(jī)器人。這類機(jī)器人對(duì)外界環(huán)境有一定的感知能力，具備如聽覺、視覺、觸覺等功能，工作時(shí)借助傳感器獲得的信息，靈活調(diào)整工作狀態(tài)，保證在適應(yīng)環(huán)境的情況下完成工作。第三代是智能型機(jī)器人。這

3、類機(jī)器人不但具有感覺能力，而且具有獨(dú)立判斷、行動(dòng)、記憶、推理和決策的能力，能適應(yīng)外部對(duì)象、環(huán)境協(xié)調(diào)地工作，能完成更加復(fù)雜的動(dòng)作，智能機(jī)器人還具備故障自我診斷及修復(fù)能力。焊接機(jī)器人就是在焊接生產(chǎn)領(lǐng)域代替焊工從事焊接任務(wù)的工業(yè)機(jī)器人。早期的焊接機(jī)器人缺乏“柔性”，焊接路徑和焊接參數(shù)須根據(jù)實(shí)際作業(yè)條件預(yù)先設(shè)置，工作時(shí)存在明顯的缺點(diǎn)。隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、人工智能技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)的發(fā)展，焊接機(jī)器人也由單一的單機(jī)示教再現(xiàn)型向以智能化為核心的多傳感、智能化的柔性加工單元（系統(tǒng)）方向發(fā)展。2、 焊接機(jī)器人國(guó)內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀焊接機(jī)器人具有焊接質(zhì)量穩(wěn)定、改善工人勞動(dòng)條件、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于汽車、工程

4、機(jī)械、通用機(jī)械、金屬結(jié)構(gòu)和兵器工業(yè)等行業(yè)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全世界在役的工業(yè)機(jī)器人中大約有一半用于各種形式的焊接加工領(lǐng)域。截止2005年全世界在役工業(yè)機(jī)器人約為91.4萬套，其中日本裝備的工業(yè)機(jī)器人總量達(dá)到了50萬臺(tái)以上，成為“機(jī)器人王國(guó)”，其次是美國(guó)和德國(guó)；在亞洲，日本、韓國(guó)和新加坡的制造業(yè)中每萬名雇員占有的工業(yè)機(jī)器人數(shù)量居世界前三位。近幾年，全球機(jī)器人的數(shù)量在迅速增加，僅2005年就達(dá)12.1萬臺(tái)。我國(guó)自上個(gè)世紀(jì)70年代末開始進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人的研究，經(jīng)過二十多年的發(fā)展，在技術(shù)和應(yīng)用方面均取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)尤其是制造業(yè)的發(fā)展起到了重要的推動(dòng)作用。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，最近幾年我國(guó)工業(yè)機(jī)器人呈現(xiàn)出

5、快速增長(zhǎng)勢(shì)頭，平均每年的增長(zhǎng)率都超過40%,焊接機(jī)器人的增長(zhǎng)率超過了60%；2004年國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人數(shù)量突破1400臺(tái)，進(jìn)口機(jī)器人數(shù)量超過9000臺(tái)，這其中的絕大多數(shù)都應(yīng)用于焊接領(lǐng)域；2005年我國(guó)新增機(jī)器人數(shù)量超過了5000臺(tái)，但僅占亞洲新增數(shù)量的6%，遠(yuǎn)小于韓國(guó)所占的 15%，更遠(yuǎn)小于日本所占的69%。這樣的增長(zhǎng)速度相對(duì)于我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度以及經(jīng)濟(jì)總量來說顯然是不匹配的，這說明我國(guó)制造業(yè)的自動(dòng)化程度有待進(jìn)一步提高，另一方面也反映了我國(guó)勞動(dòng)力成本的低廉，制造業(yè)自動(dòng)化水平以及工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用程度的提高受到限制。當(dāng)前焊接機(jī)器人的應(yīng)用迎來了難得的發(fā)展機(jī)遇。一方面，隨著技術(shù)的發(fā)展，焊接機(jī)器人的價(jià)格不斷

6、下降，性能不斷提升；另一方面，勞動(dòng)力成本不斷上升，我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，由制造大國(guó)向制造強(qiáng)國(guó)邁進(jìn)，需要提升加工手段，提高產(chǎn)品質(zhì)量和增加企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，這一切預(yù)示著機(jī)器人應(yīng)用及發(fā)展前景空間巨大。3、 焊接機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)焊接機(jī)器人在高質(zhì)量、高效率的焊接生產(chǎn)中，發(fā)揮了極其重要的作用。工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的研究、發(fā)展與應(yīng)用，有力地推動(dòng)了世界工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步。近年來，焊接機(jī)器人技術(shù)的研究與應(yīng)用在焊縫跟蹤、信息傳感、離線編程與路徑規(guī)劃、智能控制、電源技術(shù)、仿真技術(shù)、焊接工藝方法、遙控焊接技術(shù)等方面取得了許多突出的成果。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、智能控制技術(shù)、人工智能理論以及工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的不斷發(fā)展，焊接機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域還有很

7、多亟待我們?nèi)フJ(rèn)真研究的問題，特別是焊接機(jī)器人的視覺控制技術(shù)、模糊控制技術(shù)、智能化控制技術(shù)、嵌入式控制技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)等方面將是未來研究的主要方向。二、焊接機(jī)器人的發(fā)展 據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全世界在役的工業(yè)機(jī)器人中大約有將近一半的工業(yè)機(jī)器人用于各種形式的焊接加工領(lǐng)域，焊接機(jī)器人應(yīng)用中最普遍的主要有兩種方式，即點(diǎn)焊和電弧焊。我們所說的焊接機(jī)器人其實(shí)就是在焊接生產(chǎn)領(lǐng)域代替焊工從事焊接任務(wù)的工業(yè)機(jī)器人。這些焊接機(jī)器人中有的是為某種焊接方式專門設(shè)計(jì)的，而大多數(shù)的焊接機(jī)器人其實(shí)就是通用的工業(yè)機(jī)器人裝上某種焊接工具而構(gòu)成的。在多任務(wù)環(huán)境中，一臺(tái)機(jī)器人甚至可以完成包括焊接在內(nèi)的抓物、搬運(yùn)、安裝、焊接

8、、卸料等多種任務(wù)，機(jī)器人可以根據(jù)程序要求和任務(wù)性質(zhì)，自動(dòng)更換機(jī)器人手腕上的工具，完成相應(yīng)的任務(wù)。因此，從某種意義上來說，工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展歷史就是焊接機(jī)器人的發(fā)展歷史。2.1、 焊接機(jī)器人國(guó)內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀從機(jī)器人誕生到本世紀(jì)80年代初，機(jī)器人技術(shù)經(jīng)歷了一個(gè)長(zhǎng)期緩慢的發(fā)展過程。到了90年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的快速發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)也得到了飛速發(fā)展。工業(yè)機(jī)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(jī)器人的制造成本和價(jià)格卻不斷下降。在西方社會(huì)，和機(jī)器人價(jià)格相反的是，人的勞動(dòng)力成本有不斷增長(zhǎng)的趨勢(shì)。把1990年的機(jī)器人價(jià)格指數(shù)和勞動(dòng)力成本指數(shù)都作為參考值100，至2000

9、年，勞動(dòng)力成本指數(shù)為140，增長(zhǎng)了40%；而機(jī)器人在考慮質(zhì)量因素的情況下價(jià)格指數(shù)低于20，降低了80%，在不考慮質(zhì)量因素的情況下，機(jī)器人的價(jià)格指數(shù)約為40，降低了60%.這里，不考慮質(zhì)量因素的機(jī)器人價(jià)格是指現(xiàn)在的機(jī)器人實(shí)際價(jià)格與過去相比較；而考慮質(zhì)量因素是指由于機(jī)器人制造工藝技術(shù)水平的提高，機(jī)器人的制造質(zhì)量和性能即使在同等價(jià)格的條件下也要比以前高，因此，如果按過去的機(jī)器人同等質(zhì)量和性能考慮，機(jī)器人的價(jià)格指數(shù)應(yīng)該更低。由此可以看出，在西方國(guó)家，由于勞動(dòng)力成本的提高為企業(yè)帶來了不小的壓力，而機(jī)器人價(jià)格指數(shù)的降低又恰巧為其進(jìn)一步推廣應(yīng)用帶來了契機(jī)。減少員工與增加機(jī)器人的設(shè)備投資，在兩者費(fèi)用達(dá)到某一平

10、衡點(diǎn)的時(shí)候，采用機(jī)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(chǎn)設(shè)備的自動(dòng)化水平，從而提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，同時(shí)又可提升企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量，提高企業(yè)的整體競(jìng)爭(zhēng)力。雖然機(jī)器人一次性投資比較大，但它的日常維護(hù)和消耗相對(duì)于它的產(chǎn)出遠(yuǎn)比完成同樣任務(wù)所消耗的人工費(fèi)用小。因此，從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，產(chǎn)品的生產(chǎn)成本還會(huì)大大降低。而機(jī)器人價(jià)格的降低使一些中小企業(yè)投資購(gòu)買機(jī)器人變得輕而易舉。因此，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用在各行各業(yè)得到飛速發(fā)展。根據(jù)UNECE的統(tǒng)計(jì)，2001年全世界有75萬臺(tái)工業(yè)機(jī)器人用于工業(yè)制造領(lǐng)域，其中38.9萬在日本、19.8萬在歐盟、9萬在北美，7.3萬在其余國(guó)家。至2004年底全世界在役的工業(yè)機(jī)器人至

11、少有約100萬。我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人從80年代“七五”科技攻關(guān)開始起步，目前已基本掌握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計(jì)國(guó)的工業(yè)機(jī)制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人；弧焊機(jī)器人已應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國(guó)外比還有一定的距離，如：可靠性低于國(guó)外產(chǎn)品；機(jī)器人應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國(guó)外比有差距；應(yīng)用規(guī)模小，沒有形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè)。當(dāng)前我國(guó)的機(jī)器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求，單戶單次重新設(shè)計(jì)，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長(zhǎng)、成本也不低，而且質(zhì)量、

12、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設(shè)計(jì)，積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。2.2、 焊接機(jī)器人在焊接生產(chǎn)中的應(yīng)用眾所周知，焊接加工一方面要求焊工要有熟練的操作技能、豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、穩(wěn)定的焊接水平；另一方面，焊接又是一種勞動(dòng)條件差、煙塵多、熱輻射大、危險(xiǎn)性高的工作。工業(yè)機(jī)器人的出現(xiàn)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(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)也可以保證焊接質(zhì)量和提高焊接效率。然而，焊接又與其它工業(yè)加工過程不一樣，比如，電弧焊過程中，被焊工件由于局部加熱熔化和冷卻產(chǎn)生變形，焊縫的軌跡會(huì)因此而發(fā)生變化。手工焊時(shí)有經(jīng)驗(yàn)的焊工可以根據(jù)眼睛所觀察到的

13、實(shí)際焊縫位置適時(shí)地調(diào)整焊槍的位置、姿態(tài)和行走的速度，以適應(yīng)焊縫軌跡的變化。然而機(jī)器人要適應(yīng)這種變化，必須首先像人一樣要“看”到這種變化，然后采取相應(yīng)的措施調(diào)整焊槍的位置和狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊縫的實(shí)時(shí)跟蹤。由于電弧焊接過程中有強(qiáng)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(qiáng)磁場(chǎng)等復(fù)雜的環(huán)境因素的存在，機(jī)器人要檢測(cè)和識(shí)別焊縫所需要的信號(hào)特征的提取并不像工業(yè)制造中其它加工過程的檢測(cè)那么容易，因此，焊接機(jī)器人的應(yīng)用并不是一開始就用于電弧焊過程的。實(shí)際上，工業(yè)機(jī)器人在焊接領(lǐng)域的應(yīng)用最早是從汽車裝配生產(chǎn)線上的電阻點(diǎn)焊開始的。原因在于電阻點(diǎn)焊的過程相對(duì)比較簡(jiǎn)單，控制方便，且不需要焊縫軌跡跟蹤，對(duì)機(jī)

14、器人的精度和重復(fù)精度的控制要求比較低。點(diǎn)焊機(jī)器人在汽車裝配生產(chǎn)線上的大量應(yīng)用大大提高了汽車裝配焊接的生產(chǎn)率和焊接質(zhì)量，同時(shí)又具有柔性焊接的特點(diǎn)，即只要改變程序，就可在同一條生產(chǎn)線上對(duì)不同的車型進(jìn)行裝配焊接。工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式很多，常用的有直角坐標(biāo)式、柱面坐標(biāo)式、球面坐標(biāo)式、多關(guān)節(jié)坐標(biāo)式、伸縮式、爬行式等等，根據(jù)不同的用途還在不斷發(fā)展之中。焊接機(jī)器人根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合可采取不同的結(jié)構(gòu)形式，但目前用得最多的是模仿人的手臂功能的多關(guān)節(jié)式的機(jī)器人，這是因?yàn)槎嚓P(guān)節(jié)式機(jī)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(diào)至任意狀態(tài)，以滿足焊接需要。理論上講，機(jī)器人的關(guān)節(jié)愈多，自由度也愈多，關(guān)節(jié)冗余度愈大，

15、靈活性愈好；但同時(shí)也給機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)的坐標(biāo)變換和各關(guān)節(jié)位置的控制帶來復(fù)雜性。因?yàn)楹附舆^程中往往需要把以空間直角坐標(biāo)表示的工件上的焊縫位置轉(zhuǎn)換為焊槍端部的空間位置和姿態(tài)，再通過機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算轉(zhuǎn)換為對(duì)機(jī)器人每個(gè)關(guān)節(jié)角度位置的控制，而這一變換過程的解往往不是唯一的，冗余度愈大，解愈多。如何選取最合適的解對(duì)機(jī)器人焊接過程中運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性很重要。不同的機(jī)器人控制系統(tǒng)對(duì)這一問題的處理方式不盡相同。一般來講，具有6個(gè)關(guān)節(jié)的機(jī)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(gè)自由度(XYZ)用于控制焊槍端部的空間位置，另外3個(gè)自由度(ABC)用于控制焊槍的空間姿態(tài)。因此，目前的焊接機(jī)器人多數(shù)為6關(guān)節(jié)式

16、的。對(duì)于有些焊接場(chǎng)合，工件由于過大或空間幾何形狀過于復(fù)雜，使焊接機(jī)器人的焊槍無法到達(dá)指定的焊縫位置或焊槍姿態(tài)，這時(shí)必須通過增加13個(gè)外部軸的辦法增加機(jī)器人的自由度。通常有兩種做法：一是把機(jī)器人裝于可以移動(dòng)的軌道小車或龍門架上，擴(kuò)大機(jī)器人本身的作業(yè)空間；二是讓工件移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)，使工件上的焊接部位進(jìn)入機(jī)器人的作業(yè)空間。也有的同時(shí)采用上述兩種辦法，讓工件的焊接部位和機(jī)器人都處于最佳焊接位置。由于機(jī)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(jī)器人焊接中得到應(yīng)用，使機(jī)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(jī)器人焊接在汽車制造中的應(yīng)用從原來比較單一的汽車裝配點(diǎn)焊很快發(fā)展為汽車

17、零部件和裝配過程中的電弧焊。機(jī)器人電弧焊的最大的特點(diǎn)是柔性，即可通過編程隨時(shí)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(fù)雜的產(chǎn)品。這正好又符合汽車制造的特點(diǎn)。尤其是現(xiàn)代社會(huì)汽車款式的更新速度非常快，采用機(jī)器人裝備的汽車生產(chǎn)線能夠很好地適應(yīng)這種變化。另外，機(jī)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(jī)車車輛、鍋爐、重型機(jī)械等等。因此，機(jī)器人電弧焊的應(yīng)用范圍日趨廣泛，在數(shù)量上大有超過機(jī)器人點(diǎn)焊之勢(shì)。2.3、 焊接機(jī)器人的編程方法焊接機(jī)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(jìn)，尤其是液晶

18、圖形顯示屏的采用使新的焊接機(jī)器人的編程界面更趨友好、操作更加易。然而機(jī)器人編程時(shí)焊縫軌跡上的關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)位置仍必須通過示教方式獲取，然后存入程序的運(yùn)動(dòng)指令中。這對(duì)于一些復(fù)雜形狀的焊縫軌跡來說，必須花費(fèi)大量的時(shí)間示教，從而降低了機(jī)器人的使用效率，也增加了編程人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。目前解決的方法有2種：一是示教編程時(shí)只是粗略獲取幾個(gè)焊縫軌跡上的幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，然后通過焊接機(jī)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(dòng)跟蹤實(shí)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(qiáng)度，提高編程效率。但由于電弧焊本身的特點(diǎn)，機(jī)器人的視覺傳感器并不是對(duì)所有焊縫形式都適用。二是采取完全

19、離線編程的辦法，使機(jī)器人焊接程序的編制、焊縫軌跡坐標(biāo)位置的獲取、以及程序的調(diào)試均在一臺(tái)計(jì)算機(jī)上獨(dú)立完成，不需要機(jī)器人本身的參與。機(jī)器人離線編程早在多年以前就有，只是由于當(dāng)時(shí)受計(jì)算機(jī)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(jī)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(biāo)，因此，編程工作并不輕松省時(shí)。隨著計(jì)算機(jī)性能的提高和計(jì)算機(jī)三維圖形技術(shù)的發(fā)展，如今的機(jī)器人離線編程系統(tǒng)多數(shù)可在三維圖形環(huán)境下運(yùn)行，編程界面友好、方便，而且，獲取焊縫軌跡的坐標(biāo)位置通?？梢圆捎谩疤摂M示教”(virtual Teach-in)的辦法，用鼠標(biāo)輕松點(diǎn)擊三維虛擬環(huán)境中工件的焊接部位即可獲得該點(diǎn)

20、的空間坐標(biāo)；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，然后自動(dòng)生成機(jī)器人程序并下載到機(jī)器人控制系統(tǒng)。從而大大提高了機(jī)器人的編程效率，也減輕了編程員的勞動(dòng)強(qiáng)度。目前，國(guó)際市場(chǎng)上已有基于普通PC機(jī)的商用機(jī)器人離線編程軟件。如Workspace5、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(jī)器人離線編程系統(tǒng)。該系統(tǒng)可針對(duì)ABB公司的IRB140機(jī)器人進(jìn)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(jī)器人按程序中的軌跡作模擬運(yùn)動(dòng)，以此檢驗(yàn)其準(zhǔn)確性和合理性。所編程序可通過網(wǎng)絡(luò)直接下載給機(jī)器人控制器。2.4、 焊接機(jī)器人技術(shù)的

21、研究現(xiàn)狀 機(jī)器人技術(shù)是綜合了計(jì)算機(jī)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)，當(dāng)前對(duì)機(jī)器人技術(shù)的研究十分活躍。從目前國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀來看，焊接機(jī)器人技術(shù)研究主要集中在焊縫跟蹤技術(shù)、離線編程與路徑規(guī)劃技術(shù)、多機(jī)器人協(xié)調(diào)控制技術(shù)、專用弧焊電源技術(shù)、焊接機(jī)器人系統(tǒng)仿真技術(shù)、機(jī)器人用焊接工藝方法、遙控焊接技術(shù)等七個(gè)方面。2.4.1、 焊縫跟蹤技術(shù)的研究 焊接機(jī)器人施焊過程中，由于焊接環(huán)境各種因素的影響，如：強(qiáng)弧光輻射、高溫、煙塵、飛濺、坡口狀況、加工誤差、夾具裝夾精度、表面狀態(tài)和工件熱變形等，實(shí)際焊接條件的變化往往會(huì)導(dǎo)致焊炬偏離焊縫，從而造成焊接質(zhì)量下降甚至失敗。焊縫跟蹤

22、技術(shù)的研究就是根據(jù)焊接條件的變化要求弧焊機(jī)器人能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)出焊縫的偏差，并調(diào)整焊接路徑和焊接參數(shù)，保證焊接質(zhì)量的可靠性。焊縫跟蹤技術(shù)的研究以傳感器技術(shù)與控制理論方法為主,其中傳感技術(shù)的研究又以電弧傳感器和光學(xué)傳感器為主。電弧傳感器是從焊接電弧自身直接提取焊縫位置偏差信號(hào)，實(shí)時(shí)性好，焊槍運(yùn)動(dòng)靈活，符合焊接過程低成本自動(dòng)化的要求，適用于熔化極焊接場(chǎng)合。電弧傳感的基本原理是利用焊炬與工件距離的變化而引起的焊接參數(shù)變化，來探測(cè)焊炬高度和左右偏差。電弧傳感器一般分為三類：并列雙絲電弧傳感器、擺動(dòng)電弧傳感器、旋轉(zhuǎn)式掃描電弧傳感器，其中旋轉(zhuǎn)電弧傳感器比前兩者的偏差檢測(cè)靈敏度高，控制性能較好。光學(xué)傳感器的種類

23、很多，主要包括紅外、光電、激光、視覺、光譜和光纖式，光學(xué)傳感器的研究又以視覺傳感器為主，視覺傳感器所獲得的信息量大，結(jié)合計(jì)算機(jī)視覺和圖像處理的最新技術(shù)，大大增強(qiáng)弧焊機(jī)器人的外部適應(yīng)能力 。激光跟蹤傳感具有優(yōu)越的性能，成為最有前途、發(fā)展最快的焊接傳感器。另一方面，由于近代模糊數(shù)學(xué)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)以及應(yīng)用到焊接這個(gè)復(fù)雜的非線性系統(tǒng)中，使得焊縫跟蹤進(jìn)入了智能焊縫跟蹤的新時(shí)代。2.4.2、 離線編程與路徑規(guī)劃技術(shù)的研究機(jī)器人離線編程系統(tǒng)是機(jī)器人編程語言的拓廣，它利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的成果，建立起機(jī)器人及其工作環(huán)境的模型，利用一些規(guī)劃算法，通過對(duì)圖形的控制和操作，在不使用實(shí)際機(jī)器人的情況下進(jìn)行軌跡規(guī)劃，進(jìn)而

24、產(chǎn)生機(jī)器人程序。自動(dòng)編程技術(shù)的核心是焊接任務(wù)、焊接參數(shù)、焊接路徑和軌跡的規(guī)劃技術(shù)。針對(duì)弧焊應(yīng)用，自動(dòng)編程技術(shù)可以表述為在編程各階段中，能夠輔助編程者完成獨(dú)立的、具有一定實(shí)施目的和結(jié)果的編程任務(wù)的技術(shù)，具有智能化程度高、編程質(zhì)量和效率高等特點(diǎn)。離線編程技術(shù)的理想目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)編程，即只需輸入工件的模型，離線編程系統(tǒng)中的專家系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)制定相應(yīng)的工藝過程，并最終生成整個(gè)加工過程的機(jī)器人程序。目前，還不能實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)編程，自動(dòng)編程技術(shù)是當(dāng)前研究的重點(diǎn) 。2.4.3、 多機(jī)器人協(xié)調(diào)控制技術(shù)的研究多機(jī)器人系統(tǒng)是指為完成某一任務(wù)由若干個(gè)機(jī)器人通過合作與協(xié)調(diào)組合成一體的系統(tǒng)。它包含兩方面的內(nèi)容，即多機(jī)器人合作

25、與多機(jī)器人協(xié)調(diào)。當(dāng)給定多機(jī)器人系統(tǒng)某項(xiàng)任務(wù)時(shí)，首先面臨的問題是如何組織多個(gè)機(jī)器人去完成任務(wù)，如何將總體任務(wù)分配給各個(gè)成員機(jī)器人，即機(jī)器人之間怎樣進(jìn)行有效地合作。當(dāng)以某種機(jī)制確定了各自任務(wù)與關(guān)系后，問題變?yōu)槿绾伪３謾C(jī)器人間的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)一致，即多機(jī)器人協(xié)調(diào)。對(duì)于由緊耦合子任務(wù)組成的復(fù)雜任務(wù)而言，協(xié)調(diào)問題尤其突出。智能體技術(shù)是解決這一問題的最有力的工具，多智能體系統(tǒng)是研究在一定的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，各個(gè)分散的、相對(duì)獨(dú)立的智能子系統(tǒng)之間通過合作，共同完成一個(gè)或多個(gè)控制作業(yè)任務(wù)的技術(shù)。多機(jī)器人焊接的協(xié)調(diào)控制是目前的一個(gè)研究熱點(diǎn)問題 。2.4.4、 專用弧焊電源的研究在焊接機(jī)器人系統(tǒng)中，電器性能良好的專用弧焊電源直

26、接影響焊接機(jī)器人的使用性能。目前，弧焊機(jī)器人一般采用熔化極氣體保護(hù)焊（MIG焊、MAG焊、CO 焊）或非熔化極氣體保護(hù)焊(TIG、等離子弧焊)方法，熔化極氣體保護(hù)焊焊接電源主要使用晶閘管電源與逆變電源。近年來，弧焊逆變器的技術(shù)已趨于成熟，機(jī)器人用的專用弧焊逆變電源大多為單片微機(jī)控制的晶體管式弧焊逆變器，并配以精細(xì)的波形控制和模糊控制技術(shù)，工作頻率在2050kHz，最高的可達(dá)200kHz，焊接系統(tǒng)具有十分優(yōu)良的動(dòng)特性，非常適合機(jī)器人自動(dòng)化和智能化焊接。還有一些特殊功能的電源，如適合鋁及其鋁合金TIG焊的方波交流電源、帶有專家系統(tǒng)的焊接電源等。目前有一種采用模糊控制方法的焊接電源，可以更好保證焊縫

27、熔寬和熔深的基本一致，不僅焊縫表面美觀，而且還能減少焊接缺陷?；『鸽娫床粩嘞驍?shù)字化方向發(fā)展，其特點(diǎn)是焊接參數(shù)穩(wěn)定，受網(wǎng)路電壓波動(dòng)、溫升、元器件老化等因素的影響很小，具有較高的重復(fù)性，焊接質(zhì)量穩(wěn)定、成型良好。另外，利用DSP的快速響應(yīng)，可以通過主控制系統(tǒng)的指令精確控制逆變電源的輸出，使之具有輸出多種電流波形和弧壓高速穩(wěn)定調(diào)節(jié)的功能，適應(yīng)多種焊接方法對(duì)電源的要求 。2.4.5、 仿真技術(shù)的研究機(jī)器人在研制、設(shè)計(jì)和試驗(yàn)過程中，經(jīng)常需要對(duì)其運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行分析以及進(jìn)行軌跡規(guī)劃設(shè)計(jì)，而機(jī)器人又是多自由度、多連桿空間機(jī)構(gòu)，其運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)問題十分復(fù)雜，計(jì)算難度和計(jì)算機(jī)都很大。若將機(jī)械手作為仿真對(duì)象，

28、運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)CAD技術(shù)和機(jī)器人學(xué)理論在計(jì)算機(jī)中形成幾何圖形，并動(dòng)畫顯示，然后對(duì)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)學(xué)正反解分析、操作臂控制以及實(shí)際工作環(huán)境中的障礙避讓和碰撞干涉等諸多問題進(jìn)行模擬仿真，這樣就可以很好地解決研發(fā)機(jī)械手過程中出現(xiàn)的問題 。2.4.6、 機(jī)器人用焊接工藝方法的研究目前，弧焊機(jī)器人普遍采用氣體保護(hù)焊方法，主要是熔化極氣體保護(hù)焊，其次是鎢極氬氣保護(hù)焊，等離子弧焊、切割及機(jī)器人激光焊數(shù)量有限、比例較低。國(guó)外先進(jìn)國(guó)家的弧焊機(jī)器人已普遍采用高速、高效氣體保護(hù)焊接工藝，如雙絲氣體保護(hù)焊、T.I.M.E焊、熱絲TIG焊、熱絲等離子焊等先進(jìn)的工藝方法，這些工藝方法不僅有效地保證了優(yōu)良的焊接接

29、頭，還使焊接速度和熔敷效率提高數(shù)倍至幾十倍 。2.4.7、 遙控焊接技術(shù)的研究遙控焊接是指人在離開現(xiàn)場(chǎng)的安全環(huán)境中對(duì)焊接設(shè)備和焊接過程進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制, 從而完成完整的焊接工作。在核電站設(shè)備的維修, 海洋工程建設(shè)以及未來的空間站建設(shè)中都要用到焊接, 這些環(huán)境中的焊接工作不適合人類親臨現(xiàn)場(chǎng), 而目前的技術(shù)水平還不可能實(shí)現(xiàn)完全的自主焊接, 因此需要采用遙控焊接技術(shù)。目前美國(guó)、歐洲、日本等國(guó)對(duì)遙控焊接進(jìn)行了深入的研究，國(guó)內(nèi)哈爾濱工業(yè)大學(xué)也正在進(jìn)行這方面的研究 。2.5、 焊接機(jī)器人最新進(jìn)展隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等快速發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)也得到了飛速發(fā)展。制造價(jià)格不斷降低，而其質(zhì)量與性能卻

30、在迅速提高。 1.工業(yè)機(jī)器人。工業(yè)機(jī)器人已廣泛地應(yīng)用于各種自動(dòng)化生產(chǎn)線，由操作機(jī)（機(jī)械本體）、控制器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和檢測(cè)傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作、自動(dòng)控制，可重復(fù)編程，能在一維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動(dòng)生產(chǎn)設(shè)備，工業(yè)機(jī)器人包括模仿人類關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的關(guān)節(jié)型工業(yè)型機(jī)器人、直角坐標(biāo)型機(jī)器人、圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人、球坐標(biāo)型機(jī)器人、噴漆機(jī)器人、焊接機(jī)器人等等。（1）機(jī)器人操作機(jī)：通過有限元分析、模態(tài)分析及仿真設(shè)計(jì)等現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，機(jī)器人操作機(jī)已實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化設(shè)計(jì)。（2）并聯(lián)機(jī)器人：采用并聯(lián)機(jī)構(gòu)，利用機(jī)器人技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量及加工，這是機(jī)器人技術(shù)向數(shù)控技術(shù)的拓展，為將來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人和數(shù)控技術(shù)一體化奠定了基礎(chǔ)。

31、（3）控制系統(tǒng)：控制系統(tǒng)的性能進(jìn)一步提高，已由過去控制標(biāo)準(zhǔn)的6軸機(jī)器人發(fā)展到現(xiàn)在能夠控制21軸甚至27軸，并且實(shí)現(xiàn)了軟件伺服和全數(shù)字控制。（4）傳感系統(tǒng)：激光傳感器、視覺傳感器和力傳感器在機(jī)器人系統(tǒng)中已得到成功應(yīng)用，并實(shí)現(xiàn)了焊縫自動(dòng)跟蹤和自動(dòng)化生產(chǎn)線上物體的自動(dòng)定位以及精密裝配作業(yè)等，大大提高了機(jī)器人的作業(yè)性能和對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性。日本KAWASALI、YASKAWA、FANLC和瑞典ABB、德國(guó)KLKA、BEIS等公司都推出了該類產(chǎn)品。 2.先進(jìn)機(jī)器人。近年來，人類活動(dòng)領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，機(jī)器人應(yīng)用也從制造領(lǐng)域向非制造領(lǐng)域發(fā)展。在海洋開發(fā)，消防、戰(zhàn)斗系統(tǒng)，宇宙探測(cè)，采掘，建筑，醫(yī)療服務(wù)，娛樂等行業(yè)都提

32、出了自動(dòng)化和機(jī)器人化的要求，如核事故機(jī)器人、醫(yī)用機(jī)器人、消防機(jī)器人、仿生機(jī)器人、軍用機(jī)器人、太空機(jī)器人等。 三、焊接機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)3.1、 焊接機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)目前國(guó)際機(jī)器人界都在加大科研力度，進(jìn)行機(jī)器人共性技術(shù)的研究。從機(jī)器人技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)看，焊接機(jī)器人和其它工業(yè)機(jī)器人一樣，不斷向智能化和多樣化方向發(fā)展。具體而言，表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：3.1.1、 機(jī)器人操作機(jī)結(jié)構(gòu)：通過有限元分析、模態(tài)分析及仿真設(shè)計(jì)等現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人操作機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。探索新的高強(qiáng)度輕質(zhì)材料，進(jìn)一步提高負(fù)載/自重比。例如，以德國(guó)KUKA公司為代表的機(jī)器人公司，已將機(jī)器人并聯(lián)平行四邊形結(jié)構(gòu)改為開鏈結(jié)構(gòu)，拓展了機(jī)器

33、人的工作范圍，加之輕質(zhì)鋁合金材料的應(yīng)用，大大提高了機(jī)器人的性能。此外采用先進(jìn)的RV減速器及交流伺服電機(jī)，使機(jī)器人操作機(jī)幾乎成為免維護(hù)系統(tǒng)。機(jī)構(gòu)向著模塊化、可重構(gòu)方向發(fā)展。例如，關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、減速機(jī)、檢測(cè)系統(tǒng)三位一體化；由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī)；國(guó)外已有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問市。機(jī)器人的結(jié)構(gòu)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(lián)機(jī)構(gòu)，利用機(jī)器人技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量及加工，這是機(jī)器人技術(shù)向數(shù)控技術(shù)的拓展，為將來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人和數(shù)控技術(shù)一體化奠定了基礎(chǔ)。意大利COMAU公司，日本FANUC等公司已開發(fā)出了此類產(chǎn)品。3.1.2、 機(jī)器人控制系統(tǒng)：重點(diǎn)研究

34、開放式，模塊化控制系統(tǒng)。向基于PC機(jī)的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性?？刂葡到y(tǒng)的性能進(jìn)一步提高，已由過去控制標(biāo)準(zhǔn)的6軸機(jī)器人發(fā)展到現(xiàn)在能夠控制21軸甚至27軸，并且實(shí)現(xiàn)了軟件伺服和全數(shù)字控制。人機(jī)界面更加友好，語言、圖形編程界面正在研制之中。機(jī)器人控制器的標(biāo)準(zhǔn)化和網(wǎng)絡(luò)化，以及基于PC機(jī)網(wǎng)絡(luò)式控制器已成為研究熱點(diǎn)。編程技術(shù)除進(jìn)一步提高在線編程的可操作性之外，離線編程的實(shí)用化將成為研究重點(diǎn)，在某些領(lǐng)域的離線編程已實(shí)現(xiàn)實(shí)用化。3.1.3、 機(jī)器人傳感技術(shù)：機(jī)器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的

35、位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機(jī)器人還應(yīng)用了激光傳感器、視覺傳感器和力傳感器，并實(shí)現(xiàn)了焊縫自動(dòng)跟蹤和自動(dòng)化生產(chǎn)線上物體的自動(dòng)定位以及精密裝配作業(yè)等，大大提高了機(jī)器人的作業(yè)性能和對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性。遙控機(jī)器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進(jìn)行環(huán)境建模及決策控制。為進(jìn)一步提高機(jī)器人的智能和適應(yīng)性，多種傳感器的使用是其問題解決的關(guān)鍵。其研究熱點(diǎn)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。另一問題就是傳感系統(tǒng)的實(shí)用化。3.1.4、 網(wǎng)絡(luò)通信功能：日本YASKAWA和德國(guó)KUKA公司的最新機(jī)器人控制器已實(shí)現(xiàn)了與Canbus、Pr

36、ofibus總線及一些網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)接，使機(jī)器人由過去的獨(dú)立應(yīng)用向網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用邁進(jìn)了一大步，也使機(jī)器人由過去的專用設(shè)備向標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備發(fā)展。3.1.5、 機(jī)器人遙控和監(jiān)控技術(shù)在一些諸如核輻射、深水、有毒等高危險(xiǎn)環(huán)境中進(jìn)行焊接或其它作業(yè)，需要有遙控的機(jī)器人代替人去工作。當(dāng)代遙控機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展特點(diǎn)不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機(jī)器人的人機(jī)交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機(jī)器人走出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入實(shí)用化階段。美國(guó)發(fā)射到火星上的“索杰納”機(jī)器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實(shí)例。多機(jī)器人和操作者之間的協(xié)調(diào)控制，可通過網(wǎng)絡(luò)建立大范圍內(nèi)的機(jī)器人遙控系統(tǒng)，在有時(shí)延的情況下，建立預(yù)先顯示

37、進(jìn)行遙控等。3.1.6、 虛擬機(jī)器人技術(shù)：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機(jī)器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機(jī)器人?；诙鄠鞲衅鳌⒍嗝襟w和虛擬現(xiàn)實(shí)以及臨場(chǎng)感技術(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的虛擬遙操作和人機(jī)交互。3.1.7、 機(jī)器人性能價(jià)格比：機(jī)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(jī)價(jià)格不斷下降。由于微電子技術(shù)的快速發(fā)展和大規(guī)模集成電路的應(yīng)用，使機(jī)器人系統(tǒng)的可靠性有了很大提高。過去機(jī)器人系統(tǒng)的可靠性MTBF一般為幾千小時(shí)，而現(xiàn)在已達(dá)到5萬小時(shí)，可以滿足任何場(chǎng)合的需求。3.1.8、 多智能體調(diào)控技術(shù)：這是目前機(jī)器人研究的一個(gè)嶄新領(lǐng)

38、域。主要對(duì)多智能體的群體體系結(jié)構(gòu)、相互間的通信與磋商機(jī)理，感知與學(xué)習(xí)方法，建模和規(guī)劃、群體行為控制等方面進(jìn)行研究。近年來，人類的活動(dòng)領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，機(jī)器人應(yīng)用也從制造領(lǐng)域向非制造領(lǐng)域發(fā)展。像海洋開發(fā)、宇宙探測(cè)、采掘、建筑、醫(yī)療、農(nóng)林業(yè)、服務(wù)、娛樂等行業(yè)都提出了自動(dòng)化和機(jī)器人化的要求。這些行業(yè)與制造業(yè)相比，其主要特點(diǎn)是工作環(huán)境的非結(jié)構(gòu)化和不確定性，因而對(duì)機(jī)器人的要求更高，需要機(jī)器人具有行走功能，對(duì)外感知能力以及局部的自主規(guī)劃能力等，是機(jī)器人技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向?？梢灶A(yù)見，在21世紀(jì)各種先進(jìn)的機(jī)器人系統(tǒng)將會(huì)進(jìn)入人類生活的各個(gè)領(lǐng)域，成為人類良好的助手和親密的伙伴。3.2、 焊接機(jī)器人的技術(shù)展望為了適

39、應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)向大型、復(fù)雜、動(dòng)態(tài)和開放方向發(fā)展的需要，國(guó)際機(jī)器人界都在加大科研力度，對(duì)機(jī)器人技術(shù)進(jìn)行深入研究。從機(jī)器人技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)看，智能化控制技術(shù)將是焊接機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的主要方向。3.2.1、 視覺控制技術(shù)焊接機(jī)器人視覺控制技術(shù)是通過對(duì)焊接區(qū)圖像進(jìn)行采集，產(chǎn)生視頻信號(hào)送至圖像處理機(jī)，對(duì)圖像進(jìn)行快速處理并提取跟蹤特征參量，進(jìn)行數(shù)據(jù)識(shí)別和計(jì)算，通過逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解得到機(jī)器人各關(guān)節(jié)位置給定值，最后控制高精度的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，調(diào)整機(jī)器人的位姿。視覺控制的關(guān)鍵在于視覺測(cè)量，在焊接過程中視覺技術(shù)分為直接視覺傳感和間接視覺傳感二種形式。直接視覺傳感技術(shù)是一種常用的非接觸式傳感形式，其主要優(yōu)點(diǎn)是不接觸工件，不干擾

40、正常的焊接過程，獲取的信息量大，通用性強(qiáng)。早先，研究人員直接利用電弧光照射熔池前方的工件間隙獲取焊接區(qū)焊縫信息，根據(jù)熔池前方不同遠(yuǎn)近處電弧光強(qiáng)度的閃爍來實(shí)現(xiàn)焊接過程中的焊縫跟蹤；典型的例子是利用帶有CCD攝像機(jī)的微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)焊接熔池行為進(jìn)行觀察和控制；現(xiàn)在，基于激光三角形的視覺系統(tǒng)具有高度的靈活性，價(jià)格低，精度高，獲取信息能力強(qiáng)，且不受周圍噪聲和電弧產(chǎn)生的高溫影響，其獲得的信息可以用于多種自適應(yīng)功能?；『钢惺褂眉す庖曈X系統(tǒng)可以抗電弧輻射、火焰、熱金屬飛濺、振動(dòng)、沖擊和高溫，這種傳感器正在成為智能自適應(yīng)焊接機(jī)器人焊接優(yōu)先選用的視覺系統(tǒng) 。3.2.2、 模糊控制技術(shù)由于焊接機(jī)器人系統(tǒng)具有非

41、線性和時(shí)變特點(diǎn)，難以用精確的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行描述，用傳統(tǒng)的控制方法難以實(shí)現(xiàn)最佳控制，而模糊控制具有自適應(yīng)和魯棒性等特點(diǎn)，它為機(jī)器人焊接控制提供了一個(gè)理想的控制方法。模糊控制是智能控制的較早形式，它吸取了人的思維具有模糊性的特點(diǎn)，使用模糊數(shù)學(xué)中的隸屬函數(shù)、模糊關(guān)系、模糊推理和決策等工具，巧妙地綜合了人們的直覺經(jīng)驗(yàn)，從而在其他經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論不太奏效的場(chǎng)合能夠?qū)崿F(xiàn)較滿意的控制。將模糊控制理論和實(shí)際焊接過程相結(jié)合，發(fā)展成為專用焊接控制器，進(jìn)一步發(fā)展成為了通用型焊接模糊控制器。模糊控制具有較完善的控制規(guī)則，但模糊控制綜合定量知識(shí)的能力較差，當(dāng)對(duì)象動(dòng)態(tài)特性發(fā)生變化，或者受到隨機(jī)干擾的影響都會(huì)影響模

42、糊控制的效果。因此，在模糊控制理論方面，人們對(duì)常規(guī)模糊控制進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一些高性能模糊控制器，有效解決精度較低、自適應(yīng)能力有限及設(shè)備產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象等問題 。3.2.3、 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是研究和利用人腦的某些結(jié)構(gòu)、機(jī)理以及人的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，它是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為人工智能的一種途徑在控制領(lǐng)域的滲透。用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)適應(yīng)性、魯棒性均較好，能處理時(shí)變、多因素、非線性等復(fù)雜焊接過程的控制問題。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)能力，信息存儲(chǔ)量大，容錯(cuò)性好，能夠?qū)崿F(xiàn)并行聯(lián)想搜索解空間和完成自適應(yīng)推理，提高智能系統(tǒng)的智能水平、知識(shí)處理能力及強(qiáng)壯性。因此，在機(jī)器人焊接質(zhì)量控制中

43、可采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立焊接過程模型從而解決線性控制方法所不能克服的問題，彌補(bǔ)傳統(tǒng)專家系統(tǒng)以及模糊控制的不足，現(xiàn)在焊接機(jī)器人神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中使用較多的是前饋式多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 。3.2.4、 嵌入式控制技術(shù)嵌入式系統(tǒng)以其小型、專用、易攜帶、可靠性高的特點(diǎn)，已經(jīng)在焊接機(jī)器人控制領(lǐng)域得到了應(yīng)用,嵌入式控制系統(tǒng)具備網(wǎng)絡(luò)和人機(jī)交互能力，可以取代以往基于微處理器的控制方式。嵌入式控制器具有液晶顯示器，可以替代CRT顯示器在控制系統(tǒng)中所扮演的角色，鍵盤響應(yīng)也具有很高的實(shí)時(shí)性，滿足信息的輸入和對(duì)控制系統(tǒng)的干預(yù)等工作。經(jīng)實(shí)驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)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。嵌入式為焊接工藝的在線監(jiān)測(cè)提

44、供了新的技術(shù)方法，它能確保焊接質(zhì)量“零缺陷”的目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)。3.3、 焊接機(jī)器人未來研究的熱點(diǎn)及發(fā)展方向1. 工業(yè)機(jī)器人性能不斷提高，而單機(jī)價(jià)格不斷下降。 2. 機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。 3. 工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于PC機(jī)的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化。 4. 機(jī)器人中的多傳感器系統(tǒng)日益重要。 5. 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過程控制。 6. 微型和微小機(jī)器人技術(shù)是機(jī)器人研究的一個(gè)新領(lǐng)域和重點(diǎn)發(fā)展方向。 7. 當(dāng)代遙控機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展特點(diǎn)不是追求全自動(dòng)系統(tǒng)，而是致力于操作者與機(jī)器人的人機(jī)交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機(jī)器人走出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入實(shí)用化階段。 8. 機(jī)器人化機(jī)械研究開發(fā)包括并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)床（VMT）與機(jī)器人化加工中心(RVIC)的開發(fā)研究，以及機(jī)器人化無人值守和具有自適應(yīng)能力的多機(jī)遙控操作的人型散料輸送設(shè)備的研究開發(fā)。