【正文】 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； 它還 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)磁場等復(fù)雜的環(huán)境因素的存在，機(jī)器人要檢測和 識(shí)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(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)焊的過程相對比較簡單，控制方便，且不需要焊縫軌跡跟蹤，對機(jī)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)力成本有不斷增長的趨勢。聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì) (UNECE)統(tǒng)計(jì)從 1990 年至 2021 10 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。 其中把 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 2021 年，勞動(dòng) 力成本指數(shù)為 140，增長了 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)的整體競爭力。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)， 2021 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 萬在日本、 萬在歐盟、 9 萬在北美， 萬在其余國家。至 2021 年底全世界在役的工業(yè)機(jī)器人至少有約 100 萬。 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?？欤捎脵C(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。 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。事實(shí)上，像上海大眾等國內(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。 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 11 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 以內(nèi)，遠(yuǎn)小于焊絲直徑 (通常大于 )，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 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。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。 對于有些焊接場合，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 1～ 3 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 (Teachin)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 12 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 ?？?以采 用 “ 虛擬示教 ”(virtual Teachin)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)器人的編程效率，也減輕了編程員的勞動(dòng)強(qiáng)度。目前，國際市場上已有基于普通 PC機(jī)的商用機(jī)器人離線編程軟件。如 Workspace 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 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)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，我國的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離，如：可靠性低于國外產(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、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。 焊接機(jī)器人發(fā)展趨勢 目前國際機(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 13 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 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。