焊接機(jī)器人應(yīng)用現(xiàn)狀及三維柔性焊接夾工裝具發(fā)展趨勢(shì)

1、焊接機(jī)器人應(yīng)用現(xiàn)狀及三維柔性焊接夾工裝具發(fā)展趨勢(shì)焊接機(jī)器人應(yīng)用現(xiàn)狀及三維柔性焊接夾工裝具發(fā)展趨勢(shì)2010-06-14 14：40焊接機(jī)器人應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)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。圖4所示是這兩種焊接機(jī)器人在工業(yè)機(jī)器人中所占的大致比例。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

2、在內(nèi)的抓物、搬運(yùn)、安裝、焊接、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。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

3、經(jīng)驗(yàn)的焊工可以根據(jù)眼睛所觀察到的實(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

4、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)器人的精度和重復(fù)精度的控制要求比較低。圖5所示為不同形式的機(jī)器人點(diǎn)焊鉗。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。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

5、有不斷增長(zhǎng)的趨勢(shì)。圖6所示是聯(lián)合國(guó)歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)(UNECE)統(tǒng)計(jì)的從1990年至2000年的機(jī)器人價(jià)格指數(shù)和勞動(dòng)力成本指數(shù)的變化曲線。圖中，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

6、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

7、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(wàn)臺(tái)工業(yè)機(jī)器人用于工業(yè)制造領(lǐng)域，其中38.9萬(wàn)在日本、19.8萬(wàn)在歐盟、9萬(wàn)在北美，7.3萬(wàn)在其余國(guó)家。至2004年底全世界在役的工業(yè)機(jī)器人至少有約100萬(wàn)。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

8、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?？?，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。圖7所示為機(jī)器人電弧焊用于焊接汽車底盤。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)。隨著汽車輕量化制造技術(shù)的推廣，一些高強(qiáng)合金材料和輕合金材料(如鋁合金、鎂合金等)在汽車結(jié)構(gòu)材料中得到應(yīng)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?。因此，機(jī)器人與高功率激光焊和

9、攪拌摩擦焊的結(jié)合將成為必然趨勢(shì)。事實(shí)上，像上海大眾等國(guó)內(nèi)最具實(shí)力的汽車制造商在他們的新車型制造過程中已經(jīng)大量使用機(jī)器人激光焊接。圖8所示為其汽車車頂?shù)臋C(jī)器人激光焊接。和機(jī)器人電弧焊相比，機(jī)器人激光焊的焊縫跟蹤精度要求更高。根據(jù)一般的要求，機(jī)器人電弧焊(包括GTAW和GMAW)的焊縫跟蹤精度必須控制在電極或焊絲直徑的1/2以內(nèi)，在具有填充絲的條件下焊縫跟蹤精度可適當(dāng)放寬。但對(duì)激光焊而言，焊接時(shí)激光照射在工件表面的光斑直徑通常在0.6以內(nèi)，遠(yuǎn)小于焊絲直徑(通常大于1.0)，而激光焊接時(shí)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(huì)造成偏焊、漏焊。因此，上海大眾的汽車車頂機(jī)器人激光焊除

10、了在工裝焊接焊接夾具上采取措施防止焊接變形外，還在機(jī)器人激光焊槍前方安裝了德國(guó)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(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，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。

11、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

12、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。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

13、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

14、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(yǔ)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)位置通常可以采用"虛擬示教"(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)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

15、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。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)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)

16、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，我國(guó)的工業(yè)機(jī)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、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。3、焊接機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì)目前國(guó)際機(jī)器人界都在加大科研力度，

17、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：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)、

18、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。2)機(jī)器人控制系統(tǒng)：重點(diǎn)研究開放式，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。控制系統(tǒng)的性能進(jìn)一步提高，已由過去控制標(biāo)準(zhǔn)

19、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(yǔ)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)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

20、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。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、Profibus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。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

21、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)先顯示進(jìn)行遙控等。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?、多媒體和虛擬現(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

22、和人機(jī)交互。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(wàn)小時(shí)，可以滿足任何場(chǎng)合的需求。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)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

23、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。4、挑戰(zhàn)與對(duì)策進(jìn)入21世紀(jì)，世界經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)正在發(fā)生重大而深刻的變革，但制造業(yè)依然是世界各發(fā)達(dá)與發(fā)展中國(guó)家加快經(jīng)濟(jì)發(fā)展、提高國(guó)家綜合競(jìng)爭(zhēng)力的重要途徑。我國(guó)是一個(gè)制造業(yè)大國(guó)，尚處于工業(yè)化進(jìn)程之中，在未來相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期里，制造業(yè)仍將在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占主導(dǎo)地位。在新一輪國(guó)際產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整中，我國(guó)正逐步成為世界

24、最重要的制造業(yè)基地之一。然而目前我國(guó)裝備制造業(yè)的整體水平與發(fā)達(dá)國(guó)家相比尚有較大的差距，尤其是在戰(zhàn)略必爭(zhēng)裝備技術(shù)與競(jìng)爭(zhēng)前核心技術(shù)、基礎(chǔ)制造裝備與成套關(guān)鍵裝備制造技術(shù)等方面差距更大，這種差距又主要體現(xiàn)在先進(jìn)裝備的自主設(shè)計(jì)與獨(dú)立制造能力差，成套與系統(tǒng)集成、優(yōu)化能力差，技術(shù)創(chuàng)新和集成創(chuàng)新能力差。這些差距已經(jīng)成為制約我國(guó)制造業(yè)乃至其他行業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸問題之一。21世紀(jì)基礎(chǔ)制造裝備的水平主要體現(xiàn)在高精度、高效率、低成本和高柔性等幾個(gè)方面。高效率、高精度工藝的一個(gè)典型例子是精密成形技術(shù)，其目的是盡量減少切削，甚至免除切削，減少原材料的浪費(fèi)，同時(shí)提高制造效率。精密成形技術(shù)在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家已得到廣泛應(yīng)用。柔

25、性自動(dòng)化仍是機(jī)床業(yè)發(fā)展的重要趨勢(shì)之一。柔性自動(dòng)化的進(jìn)一步發(fā)展是敏捷生產(chǎn)設(shè)備。為適應(yīng)敏捷生產(chǎn)模式，人們正在探求設(shè)備自身的結(jié)構(gòu)重組以及生產(chǎn)單元的動(dòng)態(tài)重組問題。另外，國(guó)外在大型、成套裝備方面有很大優(yōu)勢(shì)，并且在成套裝備的高技術(shù)化方面，取得了巨大的進(jìn)展，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)控化、柔性自動(dòng)化，并大量采用工業(yè)機(jī)器人，正向著智能化、集成化的方向發(fā)展。隨著我國(guó)貿(mào)易溶入全球化，我國(guó)裝備制造業(yè)從來沒有像今天這樣直接地面對(duì)國(guó)際同行的有力競(jìng)爭(zhēng)和挑戰(zhàn)。如何適應(yīng)激烈的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)和快速變化的世界市場(chǎng)需求，不斷以高質(zhì)量、低成本、快速響應(yīng)的手段在新的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中求得生存和發(fā)展，已是我國(guó)裝備制造業(yè)不容回避的問題。同時(shí)溶入全球化也為我們提供了前

26、所未有的機(jī)遇，我們必須抓住機(jī)遇迎頭趕上。在"十五"期間，我國(guó)曾把包括焊接機(jī)器人在內(nèi)的示教再現(xiàn)型工業(yè)機(jī)器人的產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)作為重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容之一，其中包括焊接機(jī)器人(把弧焊與點(diǎn)焊機(jī)器人作為負(fù)載不同的一個(gè)系列機(jī)器人，可兼作弧焊、點(diǎn)焊、搬運(yùn)、裝配、切割作業(yè))產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化、系列化設(shè)計(jì)；弧焊機(jī)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)，視覺圖象處理技術(shù)，視覺跟蹤與機(jī)器人協(xié)調(diào)控制；焊接機(jī)器人的離線示教編程及工作站系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真等。在新的歷史時(shí)期，面對(duì)新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，只有一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(shí)產(chǎn)權(quán)的基礎(chǔ)制造裝備；另一方面，

27、仍然通過引進(jìn)和消化，吸收一些現(xiàn)有的先進(jìn)技術(shù)，踩在別人的肩膀上，盡快縮短和別人的差距。并通過應(yīng)用研究和二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新和關(guān)鍵設(shè)備的產(chǎn)業(yè)化，提高我國(guó)制造業(yè)在國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)舞臺(tái)上的地位。為保證焊件尺寸，提高裝配精度和效率，防止焊接變形所采用的夾具。隨著機(jī)械制造業(yè)的飛速發(fā)展，產(chǎn)品的更新?lián)Q代越來越快，傳統(tǒng)的大批量生產(chǎn)模式逐步被中小批量生產(chǎn)模式所取代，機(jī)械制造系統(tǒng)欲適應(yīng)這種變化須具備較高的柔性。國(guó)外已把柔性制造系統(tǒng)(FMS)作為開發(fā)新產(chǎn)品的有效手段，并將其作為機(jī)械制造業(yè)的主要發(fā)展方向。柔性化的著眼點(diǎn)主要在機(jī)床和工裝兩個(gè)方面，而組合夾具又是工裝柔性化的重點(diǎn)。組合夾具是一種標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化程度很高的工藝

28、裝備，它是由一套預(yù)先制造好的各種不同形狀、不同規(guī)格、不同尺寸、具有完全互換性的標(biāo)準(zhǔn)元件和組合件，按工件的加工要求組裝而成的夾具。由于組合夾具使用完畢后，可以拆卸、清洗，重新組裝新的夾具。因此，組合夾具的應(yīng)用非常普遍，尤其適合于多品種、中小批量的生產(chǎn)。3.三維焊接平臺(tái)焊接工作臺(tái)是指為焊接小型焊件而設(shè)置的工作臺(tái)。自動(dòng)焊接工作臺(tái)，是用于飛行器上的大型壁板類零件焊接的工作臺(tái)，支撐和壓緊零件用；解決已往焊接工作臺(tái)，手工升降，操作者勞動(dòng)強(qiáng)度大，升降和移動(dòng)效率低、精度低，準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)，工作臺(tái)工作效率低等不足；本工作臺(tái)由底座、立柱、壓緊梁、移動(dòng)結(jié)構(gòu)、架車底座、直線導(dǎo)軌及滑塊結(jié)構(gòu)，電動(dòng)機(jī)減速機(jī)組合、聯(lián)軸節(jié)、齒輪齒

29、條組件、電動(dòng)缸、架車工作平臺(tái)、架車支撐翼、壓緊軸、壓緊軸轉(zhuǎn)軸、壓緊塊、氣囊、手動(dòng)換向閥、底板構(gòu)成；其優(yōu)點(diǎn)是升降、移動(dòng)同步，精度高，電動(dòng)移動(dòng)平穩(wěn)，壓緊平穩(wěn)，提高焊接質(zhì)量，縮短準(zhǔn)備時(shí)間，提高工作臺(tái)工作效率。歡迎光臨天凌高(TIPTOP)專業(yè)三維柔性焊接工裝夾具機(jī)器人專用焊接夾具生產(chǎn)商！三維組合焊接工作臺(tái)臺(tái)面采用帶孔格板形式，孔徑有D28和D16兩個(gè)系列。在高精度的臺(tái)面上，每隔100mm均布D28的圓孔或每隔50mm均布D16的圓孔，這些孔可用于拼接各種功能的定位模塊和夾具。各種功能模塊除臺(tái)面外，還有定位塊，直角塊，立柱，任意角度調(diào)整，V形塊，銷栓，各類快速夾具，間隙調(diào)整片及各種輔助模塊。模塊的設(shè)計(jì)

30、構(gòu)思巧妙，可以進(jìn)行各種組合和反復(fù)應(yīng)用。用于模塊之間互相緊固連接的銷栓，內(nèi)部采用三個(gè)同心鋼珠。銷栓松開時(shí)，鋼珠退入銷栓內(nèi)，此時(shí)銷栓可方便地插入模塊的孔內(nèi)。當(dāng)用手逐漸擰緊時(shí)，三個(gè)鋼珠逐漸彈出，自動(dòng)對(duì)中并夾緊模塊。用扳手扳緊后，其對(duì)模塊的夾緊力可達(dá)5噸，剪切力可達(dá)25噸。這種組合夾具的突出優(yōu)點(diǎn)是：1)模塊化：所有組件分門別類，進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化和系列化，互相匹配。選用最少的模塊，就可以實(shí)現(xiàn)各種快速定位和夾緊的功能。2)柔性化：拼裝方式多樣，用戶只要充分發(fā)揮想象力，幾乎可達(dá)到任何專用夾具同樣的定位和夾緊功能。拼裝快速，裝拆方便；工作臺(tái)面可以根據(jù)工件形狀、大小進(jìn)行拼裝組合。臺(tái)面上的刻度和模塊尺寸的設(shè)計(jì)，使操作

31、工人不用量具就可以根據(jù)工件尺寸迅速搭出所需要的工裝。3)高精度：工作臺(tái)面和各種功能模塊上每隔50或100mm配套的D16或D28的圓孔，任意孔的孔間距尺寸公差小于0.02mm，這種精度將會(huì)反映在用戶所加工的產(chǎn)品中。所以，也有用戶將此工作臺(tái)用作檢具的基準(zhǔn)平臺(tái)。4)專利設(shè)計(jì)：各功能模塊中有不少是專利產(chǎn)品，如模塊間連接采用的銷栓，為防止工件在夾緊過程中移位而特殊設(shè)計(jì)的帶補(bǔ)償?shù)膹椥詩(shī)A具等5)三維立體設(shè)計(jì)：模塊中的立柱，直角塊可用于向三維空間拼接，便于生產(chǎn)各類立體構(gòu)件。有了這種組合焊接工作臺(tái)，對(duì)于不斷重復(fù)設(shè)計(jì)工裝的用戶來說，就可大大節(jié)約重復(fù)投資耗費(fèi)在工裝上的設(shè)計(jì)制作時(shí)間和資金。用戶可根據(jù)需要快速拼接出不

32、同要求的工裝，就像兒童玩拼裝式玩具一樣。這種三維柔性工裝可用于汽車制造行業(yè)，工程機(jī)械行業(yè)，鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)行業(yè)，扳金加工行業(yè)，自行車(摩托車)制造行業(yè)，與焊接機(jī)器人或?qū)Ｓ煤笝C(jī)配套等等。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。圖4所示是這兩種焊接機(jī)器人在工業(yè)機(jī)器人中所占的大致比例。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

33、人甚至可以完成包括焊接在內(nèi)的抓物、搬運(yùn)、安裝、焊接、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。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

34、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

35、。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)器人的精度和重復(fù)精度的控制要求比較低。圖5所示為不同形式的機(jī)器人點(diǎn)焊鉗。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。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

36、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。圖7所示為機(jī)器人電弧焊用于焊接汽車底盤。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)。隨著汽車輕量化制造技術(shù)的推廣，一些高強(qiáng)合金材料和輕合金材料(如鋁合金、鎂合金等)在汽車結(jié)構(gòu)材料中得到應(yīng)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

37、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(jī)器人與高功率激光焊和攪拌摩擦焊的結(jié)合將成為必然趨勢(shì)。事實(shí)上，像上海大眾等國(guó)內(nèi)最具實(shí)力的汽車制造商在他們的新車型制造過程中已經(jīng)大量使用機(jī)器人激光焊接。圖8所示為其汽車車頂?shù)臋C(jī)器人激光焊接。和機(jī)器人電弧焊相比，機(jī)器人激光焊的焊縫跟蹤精度要求更高。根據(jù)一般的要求，機(jī)器人電弧焊(包括GTAW和GMAW)的焊縫跟蹤精度必須控制在電極或焊絲直徑的1/2以內(nèi)，在具有填充絲的條件下焊縫跟蹤精度可適當(dāng)放寬。但對(duì)激光焊而言，焊接時(shí)激光照射在工件表面的光斑直徑通常在0.6以內(nèi)，遠(yuǎn)小于焊絲直徑(通常大于1.0)，而激光焊接時(shí)通常又不加填充焊絲，因此，激光焊

38、接中若光斑位置稍有偏差，便會(huì)造成偏焊、漏焊。因此，上海大眾的汽車車頂機(jī)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(jī)器人激光焊槍前方安裝了德國(guó)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(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，靈

39、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)式的

40、。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。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

41、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，

42、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(yǔ)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?quot;虛擬示教"(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)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，

43、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。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)制造

44、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，我國(guó)的工業(yè)機(jī)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、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

45、極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。3、焊接機(jī)器人發(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：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)