摘要 介绍了焊接机器人应用意义和应用状况，分析了我国焊接机器人应用方面的不足，从焊缝跟踪技术、专用弧焊电源技术、系统仿真技术、机器人用焊接工艺方法等方面阐述了焊接机器人的研究现状，探讨分析了焊接机器人的发展趋势，指出视觉控制技术、模糊控制技术、 神经网络控制以及嵌入式控制技术将是焊接机器人智能化技术发展的主要方向，并展望了机器人应用和发展前景。 关键词 焊接机器人、智能控制、传感技术
0 引言
焊接是一种利用加热或加压的方式将被焊金属或其他热塑性材料连接到一起的方式，已经有了几百年的历史。但是直到20世纪才出现了半自动焊接模式，如埋弧焊、电渣焊等，在这之前工人一直是奋战在施工的第一线。随着自动化技术的发展日新月异，完全自动化的机器人出现了，自1959年美国推出世界上第一台Unimate型机器人以来，工业机器人的数量在世界范围内不断增加，其中有半数以上为焊接机器人。自此，人类终于可以从恶劣的焊接环境中走出来， 用机器人代替手工，实现高质量的焊接[1]。
1 焊接机器人应用的重要意义
(1)稳定和提高焊接质量，保证其均一性。焊接参数如焊接电流、电压、焊接速度和干伸长量等对焊接结果有着决定作用。采用机器人焊接时，每条焊缝的焊接参数都是恒定的，焊缝质量受人为因素影响较小，降低了对工人操作技术的要求，因此焊接质量稳定。而人工焊接时，焊接速度、干伸长量等都是变化的，很难做到质量的均一性。
(2)改善了劳动条件。采用机器人焊接，工人只需要装卸工件，远离了焊接弧光、烟雾和飞溅等。对于点焊来说，工人无需搬运笨重的手工焊钳，使工人从高强度的体力劳动中解脱出来。
(3)提高劳动生产率。机器人可24h连续生产。随着高速高效焊接技术的应用，采用机器人焊接，效率提高得更为明显。
(4)产品周期明确，容易控制产品产量。机器人的生产节拍是固定的，因此安排生产计划非常明确。
(5)缩短产品改型换代的周期，减小相应的设备投资。可实现小批量产品的焊接自动化。机
器人与专机的最大区别就是可以通过修改程序以适应不同工件的生产。
2 国内外焊接机器人技术研究现状
从目前国内外对焊接机器人技术研究来看，焊接机器人技术研究主要集中在焊缝跟踪技术、多台焊接机器人及外围设备的协调控制技术、机器人专用弧焊电源技术、焊接机器人系统仿真技术与机器人用焊接工艺方法5个方面[2-5]。
2.1焊缝跟踪技术的研究
在弧焊机器人施焊过程中， 如果焊接条件基本稳定， 或者弧焊机器人的工作条件比较适宜， 那么机器人一般能够保证焊接质量。但是，由于焊接环境等各种因素的影响，实际的焊接条件经常发生变化。例如：由于强烈的弧光辐射、高温、烟尘、飞溅、坡口状况、加工误差、夹具装夹精度、表面状态和工件热变形等这些焊接中经常出现的情况，往往会使焊炬偏离焊缝，从而造成焊接质量下降甚至失败。焊接条件的这种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。为了使得机器人在焊接过程中能实时地检测出焊缝的实际位置，开始了弧焊机器人焊缝跟踪技术的研究。弧焊机器人焊缝跟踪技术的研究又以传感器技术与控制理论方法为主。
2.1.1传感器技术
基本传感器仅是一个信号变换元件，近年来随着智能化技术的出现，也就出现了内部具有对 信号进行特定处理的传感器，即智能传感器。在弧焊机器人传感技术的研究中，电弧传感器和光学传感器占有突出地位。电弧传感器是从焊接电弧自身直接提取焊缝位置偏差信号， 实时性好，不需要在焊上附加任何装置，焊运动的灵活性和可达性最好，尤其符合焊接过程低成本自动化的要求。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。电弧传感器一般分为三类：并列双丝电弧传感器、摆 动电弧传感器、旋转式扫描电弧传感器。其中旋转电弧传感器比前两者的偏差检测灵敏度高， 提高了控制性能，得到国内外焊接学者以及相关技术人员的广泛关注。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。在多种光学传感器的研究中以视觉传感器最引人注目， 由于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，可增强弧焊机器人的外部适应能力。
2.1.2 焊缝跟踪控制理论与方法
近代由于模糊数学和神经网络的出现，并将其应用到焊接这一复杂的非线性系统中，使得
焊缝跟踪进入一个崭新的时代¬——智能焊缝跟踪时代。
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得出控制动作。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，因而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极好的控制方法。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。另外，量化因子和比例因子的选择也影响着整个系统的品质，并且当对象动态特性发生变 化时，或者受到随机干扰都会影响模糊控制的效果，以上问题都将导致模糊控制器在焊接应用中碰到较难以解决的问题。由于上述问题的存在，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，概括起来有5种形式：控制规则可调整的模 糊控制器；具有积分作用的模糊控制器；参数自调整的模糊控制器；复合型模糊控制器；自学习模糊控制器。
神经网络控制是研究和利用人脑的某些结构和机理以及人的知识经验对系统进行控制。由
于焊接过程是一个时变、多因素、非线形的复杂系统，强烈的弧光、电网电压波动、焊接工艺规范的波动以及工件的高温变形等等因素的干扰，使得采用传统的控制系统难于实现焊缝的精确跟踪。人工神经网络通过软件或硬件模拟人脑机能，使机器能实现学习、记忆、联想等功能，由于人工神经网络采用并行处理方式，分布式的信息存储，具有信息存储量大、容错性强等特点，从自动化的角度来说很适合焊缝跟踪中的视觉模式识别和跟踪智能控制。
与传统的专家系统相比，焊接参数处理神经网络系统有所不同。
a.系统可以直接从事例或试验数据中进行学习，而无需请教领域专家。
b.源数据可以是不完整、不精确或是模糊的。
c.当输入数据和输出数据之间的关系是间接时，没有现成的模型或算法可以采用。
现在焊接机器人控制系统中多采用前馈式多层神经网络，多层神经网络学习算法多采用 Rumelhart于1986年提出的反向传播算法 ，一般称之为BP算法。
2.2仿真技术
机器人在研制、设计和试验过程中，经常需要对其运动学、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，其运动学和动力学问题十分复杂， 计算难度和计算机都很大。若将机械手作为仿真对象，运用计算机图形技术、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。
2.3 多台焊接机器人和外围设备的协调控制技术
从严格意义上讲，焊接机器人是一个焊接机器人系统或工作站，通常包括机器人本体、机器人控制柜、焊机系统及送丝单元、变位机、工装夹具等部件。在生产应用中，单台机器人往往不能充分发挥其作用，这就要求焊接机器人与变位机、弧焊电源等周边设备实现柔性化集成。在焊接过程中，焊接机器人与周边设备的柔性化协调控制，有助于减少辅助时间，是提高生产效率的关键之一。对于大多数工件而言，其焊缝总存在有平焊、横焊、立焊、仰焊等 焊接位置。而这对于焊接品质及焊缝成形有很大的影响，若单靠调节机器人位姿来保证获得满意的接头是相当困难的，同时也给操作者带来很大不便。若此时能协调控
制变位机，使工件被焊处总处于水平的焊接位置，将会大大提高焊接质量。即变位机在焊接过程中不是静止不动的，而是要做相应的协调运动。弧焊电源和工装夹具等也要在机器人统一控制下做相应 的协调运动，才能保证整个系统高效率、高质量地工作。
2.4 专用弧焊电源
在焊接机器人系统中，电气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)，熔化极气体保护焊焊接电源主要使用晶闸管电源和逆变电源。近年来，弧焊逆变器的技术已趋于成熟，机器人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20-50kHz，最高可达200kHz，焊接系统动特性优良，适合于机器人自动化和智能化焊接。还有一些特殊功能的电源，如适合铝及其铝合金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，可以更好地保证焊缝熔宽和熔深基本一致，不仅焊缝表面美观，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小，具有较高的重复性，焊接质量
稳定、 成形良好。另外，利用DSP快速响应，通过主控制系统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功能，适应多种焊接方法对电源的要求[6]。
2.5 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即富氩混合气体保护焊和熔化极(脉冲)氩弧焊；其次是钨极氩气保护焊，等离子弧焊、切割及机器人激光焊数量有限、比例较低。国外先进国家的弧焊机器人已较为普遍的采用高速、高效气体保护焊接工艺， 如双丝气体保护焊、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[7]。
3 结束语
焊接机器人在高质量、高效率的焊接生产中发挥了重要的作用。 工业机器人技术的研究、发展与应用有力地推动了世界工业技术的进步。近年来，焊接机器人技术的研究与应用在焊缝跟踪、信息传感、离线编程与路径规划、智能控制、电源技术、仿真技术、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、 人工智能理论和工业生产系统的不断发展，焊接机器人技术领域还有很多亟待解决的问题，特别是焊接机器人的视觉控制技术、模糊控制技术、智能化控制技术、嵌入式控制技术、虚拟现实技术、网络控制技术等方面将是未来研究的主要方向。
当前焊接机器人的应用迎来了难得的发展机遇。一方面，随着技术的发展，焊接机器人的价格不断下降，性能不断提升；另一方面，劳动力成本不断上升，我国由制造大国向制造强国迈进，需要提升加工手段，提高产品质量和增加企业竞争力，这一切预示着机器人应用及发展前景空间巨大。
参考文献：
[1] 林尚扬,陈善本.焊接机器人及其应用[M].北京:机械工业出版社,2000.
[2] 毛鹏军,黄石生,薛家祥,等.弧焊机器人焊缝跟踪系统研究现状及发展趋势[J].电焊机,2001.
[3] 毛鹏军,黄石生,李 阳.焊接机器人技术发展的回顾与展望[J].焊接,2001.
机器人焊接系统
[4] 熊震宇,张 华,潘际銮.电弧传感器的发展状况及应用前景[J].焊接技术,2001.
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