焊接机器人的结构设计及智能化发展研究

杨仁 郝云卿 马嵩 宋冠儒

（大连理工大学机械工程学院，辽宁 大连 116024）

摘要：目前较多企业开始采用通用的工业焊接机器人完成各种复杂的焊接任务，但是主要针对焊缝种类较为单一的情况。现分析传统焊接机器人的基本特点，然后从机械设计和焊接智能化控制等方面阐述焊接机器人的智能化发展方向。

教育期刊网 http://www.jyqkw.com
关键词 ：焊接机器人；自由度；工作站；智能化

0引言

焊接是一种重要的加工工艺方法，是现代制造工艺的重要组成部分。由于焊接作业环境恶劣，产生强烈的弧光会对人眼造成伤害，并且待焊零件构型复杂多变，故传统的手工焊接作业及其焊接质量难以满足现代高技术产品制造的要求。随着计算机技术、自动控制技术的发展和应用，焊接机器人在制造业中得到了广泛的应用，提高了焊接质量和焊接效率，改善了工人的工作环境。然而，由于作业环境及任务的复杂性不断增加，一般的工业焊接机器人很难灵活、自动避障地完成焊接任务，这就对焊接机器人的自动化、柔性化和智能化提出了更高的技术要求。

1焊接机器人的结构设计

目前，市场上常见的焊接机器人主要有直角坐标型、圆柱坐标型、球坐标型和链式坐标型（全关节型）4种类型，其结构构型示意图依次如图1（a）～（d）所示。其中，全关节型焊接机器人，又称作机械手臂，是焊接生产线上的通用焊接机器人，其通过不同机械臂的冗余组合，获得较高的移动自由度（自由度通常为5～6个，直角坐标型机器人自由度通常为3～4个）。因此，全关节型焊接机器人的焊接灵活度较高，且焊枪的空间姿态远多于直角坐标型机器人，可以实现多方位、多角度焊接，常用在焊缝形状复杂、焊枪不易接近的焊接工况中。

全关节型焊接机器人一般由机械臂、焊接电源、焊枪、工作台、移动机构、控制系统、软件系统及其他辅助装置如焊缝跟踪传感器、伺服电机等部件构成。焊接机器人的机械臂通常包括基座、立轴、机械大臂、机械小臂、回转关节、摆动关节、俯仰关节和扭转关节等几部分，其中机械大臂的一端通过立轴固定在基座上，并能绕立轴转动，另一端通过关节铰接机械小臂，且通过多个关节的连续铰接，可以将多个机械小臂依次连接在机械大臂上；末段机械小臂的外端设置有升降立轴，并与焊枪相铰接，同时各个机械臂和各种轴均设置有独立的控制电机。在焊接过程中，焊接机器人控制系统通过传感器控制各个电机转动，带动各个轴联动，从而控制机械大小臂转动、升降轴升降以及焊枪摆动等，进而对水平角焊缝、水平对接焊缝、接管焊缝等多种形式的焊缝进行施焊。

在焊接机器人结构设计中，应该重点从“两多”入手，以使其可以完成更加复杂的焊接任务，具体如下：

1.1多自由度焊接机器人设计

对于常用的直角坐标型焊接机器人（图1a），其自由度通常为3个，仅能进行X轴水平运动、Y轴前后运动和Z轴上下运动，这就使得焊枪的焊接姿态较受限制，只能完成无其他工件遮挡部位的焊接作业，一旦焊接位置被遮挡，则很难进行施焊。通过将焊枪铰接在旋转轴上，可使焊枪绕旋转轴进行?回转，焊接机器人的自由度增加到4个，从而可以对同一个焊缝进行多角度焊接，能适当减小其他工件对焊枪作业的遮挡和干涉。另外，在4自由度焊接机器人的基础上，通过增加一个工件工装台的旋转轴O轴，并通过高性能数控卡同步控制多台伺服电机，带动5个自由度上的轴运动，能实现复杂的多轴协调运动，使得焊接效率大幅度提高。

全关节型焊接机器人（图1d）的冗余自由度进一步得到了提高。通过增加关节构件将机械大臂和各种机械小臂进行铰接，形成6自由度、7自由度，甚至30个自由度的超冗余焊接机器人，并分别设置伺服控制电机控制各个机械臂的运动，从而实现了焊接机械臂的回转、摆动、俯仰、扭转等复杂的多方位协同运动，便于从不同角度和不同方位的作业空间进行施焊，极大地提高了焊接机器人的避障能力和焊接效率。不过，冗余自由度的大幅度提高，也给焊接机器人的驱动和控制精度带来了更大的挑战，且制造成本也提高了几倍以上。因此，需要开发高性能控制系统，并降低其制造成本，以促进多自由度焊接机器人的应用。

1.2多焊接机器人工作站设计

在工程机械生产过程中，一条焊接生产线上需要大量的焊接机器人参与。多个焊接机器人通过合理布局，并配置先进的控制器、工作台联动系统和PLC总控系统，形成了多焊接机器人工作站。工作站内的多个焊接机器人系统按功能、物理和时间划分为多个独立智能体，彼此之间互相通信，从而实现多个焊接机器人的合作与协调，进而提高焊接作业的自动化和连续性，可以高效率地完成庞大、复杂的焊接作业任务。

多焊接机器人工作站并不是简单的焊接机器人的线性叠加，每台焊接机器人均有各自的焊接任务。因此，需要设定好各个焊接机器人的焊点种类、间距和顺序，避免其路径和任务发生干涉和碰撞等。采用各种智能算法和程序，如遗传算法、粒子群算法等，可对各个焊接机器人的焊点分配和路径进行约束，形成各个分散、独立的自主智能子系统，进而借助软件和以太网网络技术，完成不同子系统间的通信和协同作业。

2焊接机器人的智能化发展方向

目前，焊接机器人经历了示教机器人、初级感知机器人的发展过程，开始进入具有较强感知能力，可以独立判断、记忆及决策，并能根据焊接环境自行编程的智能机器人阶段。

2.1焊缝智能追踪

在实际焊接过程中，焊接环境和焊接条件及工况的复杂性，容易导致实际焊点偏离焊缝位置，因此，需要实时调整焊接路径及参数，以纠正焊缝位置偏差。各种高性能的电弧传感器和光学视觉传感器被用于实时采集焊接参数（电弧电压、电流、焊炬高度等）和焊接熔池图像信息（光纹与焊缝坡口中心的三维关系等），然后将信息传递给主控系统，经软件处理后发送给机器人各个驱动器，从而实时调整焊接路径。另外，将多种传感器与人工神经网络模型进行融合，可以使焊接机器人根据实际焊接工况的变化和实际问题的处理经验及案例，进行自主学习、记忆和联想，从而在焊接过程中进行自动化的焊缝跟踪和智能化的路径调整。

2.2离线自行编程

当前，基于传感器信息反馈进行离线编程，在焊接机器人中开始得到应用，可在机器人不工作的状态下，根据工作环境和传感器信息分析，进行焊接任务、参数及路径的规划，但目前离线编程技术仍然难以实现全自动编程。通过多种传感器和人工神经网络模型的辅助，焊接机器人能自动提取和记忆焊缝信息和焊接参数，建立焊接特征数据库，从而在接收焊接指令后，仅需人工简单输入工件模型，就可根据数据库和离线编程系统中的专家系统，自动制定相应的工艺流程，并编写焊接机器人程序，进而实现焊接机器人的全自动、自主焊接。

3结语

对于很多工业生产来说，焊接的质量和效率会对产品的生产质量、生产效率和生产成本产生重大影响。机械结构设计和智能化控制技术的发展，可以显著提高焊接机器人的自动化水平，对满足当今工业领域多元化、柔性焊接的需求具有重要意义。

［教育期刊网 http://www.jyqkw.com
参考文献］

［1］郑暾，陈栋栋，强华，等.焊接机械臂结构设计及关键部件强度分析［J］.轻工机械，2014，32（6）： 48-52.

［2］宋金虎.我国焊接机器人的应用与研究现状［J］.电焊机，2009，39（4）： 18-20，67.

［3］陈善本，吕娜.焊接智能化与智能化焊接机器人技术研究进展［J］.电焊机，2013，43（5）： 28-36.

收稿日期：2015-09-07

作者简介：杨仁（1994—），男，湖南怀化人，研究方向：工业机械手以及复合材料工程应用。

郝云卿（1993—），男，辽宁鞍山人，研究方向：控制系统设计。