自动焊接机器人

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(过程装备与控制工程16(01)班 )

1  前言

随着半导体集成电路技术的发展，大量的功能模块被集成在单个或者多个的芯片上，再通过焊接技术组合到合适的基板上组成所需要的电路系统，这样的技术随着通讯技术和计算机技术突飞猛进的发展已经广泛应用在各个领域[1]。由于芯片集成技术的提高，故个体大小在几毫米、焊接点在几十微米的芯片的焊接必须借助高度精确的焊接方式才能实现。要提高焊接机械化和自动化水平, 如焊机实现程序控制、数字控制, 研制从准备工序、焊接到质量监控全部过程自动化的专用焊机， 在自动焊接生产线上， 推广、扩大数控的焊接机械手和焊接机器人,可以提高焊接生产水平,改善焊接卫生安全条件[2]。

故芯片自动焊接机器人为了适应这一需要而提出的。

2  国外焊接机器人发展历史及研究成果

目前，国内和国外都有一些非常有代表性的焊接机器人被制造出来。从60年代诞生和发展到现在，焊接机器人的研究经历了三个阶段，即示教再现阶段、离线编程阶段和自主编程阶段。不过直到现在，在工作车间，机器人常常还是处于示教阶段[3]。随着计算机控制技术的不断进步，使焊接机器人由单一的单机示教再现型向多传感、智能化的柔性加工单元（系统）方向发展，实现由第二代向第三代的过渡将成为焊接机器人追求的目标[4]。国外焊接机器人的研究始于20 世纪60 年代,其中具有代表性的早期焊接机器人有：如图1所示，已有30多年的研发历史的安川公司自1977年研制出第一台全电动工业机器[5]。

自从第一台工业机器人问世以来，焊接机器人就显示出了极强的生命力。经过近50年的飞速发展，在工业发达国家，焊接机器人已经广泛应用于汽车工业、航天、船舶、机械加工行业、电子电气行业、食品工业及其他相关制造业等诸多领域中，并作为先进制造业中不可替代的重要装备和手段，成为衡量一个国家制造水平和科技水平的重要标志之一[6]。目前，比较著名的焊接机器人公司有日本的Motoman、FANUC、Yaskwa，德国的KUKA，瑞典的ABB，美国的Adept Technology，意大利的COMAU，这些公司已成为其所在地区的支柱性企业[6]。

图2　R850型KUKA小型机器人               图3 　Cobra 600型Adept机器人

3  国内焊接机器人发展历史及研究成果

我国开发工业机器人晚于美国和日本，起于20世纪70年代，早期是大学和科研院所的自发性的研究我国焊接机器人的应用主要集中在汽车、摩托车、工程机械、铁路机车等几个主要行业。汽车是焊接机器人的最大用户，也是最早用户。早在70年代末，上海电焊机厂与上海电动工具研究所，合作研制的直角坐标机械手，成功地应用于上海牌轿车底盘的焊接 [7]。1985年哈尔滨工业大学研制成功我国第一台HY-1型焊接机器人。

1989年北京机床研究所和华南理工大学联合为天津自行车二厂研制出了焊接自行车前三脚架的TJR.GI型弧焊机器人，为“二汽”研制出用于焊接东风牌汽车系列驾驶室及车身的点焊机器人。上海交通大学研制的“上海1号”、“上海2号”示教型机器人也都具有弧焊和点焊的功能[8]。

图4 “上海1号”型示教机器人

经过三十几年的持续努力，在国家的组织和支持下，我国焊接机器人的研究在基础技术、控制技术、关键元器件等方面取得了重大进展，并已进入使用化阶段，形成了点焊、弧焊机器人系列产品，能够实现小批量生产。1997年首都钢铁公司和日本安川式会社共同建立了首钢莫托曼机器人公司，并于当年年底推出了第一批国内生产的机器人，其中主要产品是焊接机器人。1999年7月15日，国家863计划智能机器人主题专家验收通过了由“一汽”集团、哈尔滨工业大学和沈阳自动化研究所联合开发的HT-100A型点焊机器人[9]。由此可见，我们国内的焊接机器人已开始逐步走向实用化阶段。

图5  HT-100A型点焊机器人

4  焊接机器人研究动态与趋势

从机器人技术发展趋势来看，焊接机器人和其他工业机器人一样，在不断向智能化和多样向发展。随着计算机技术、网络技术、智能控制技术、人工智能理论以及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我们去研究的问题，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、网络控制技术等将是未来研究的主要方向。从机器人技术的发展趋势看，焊接机器人不断向智能化方向发展，完全实现生产系统中机器人的群体协作和集成控制，从而达到更高的可靠性和安全性[10]。

可以预见，在21世纪各种先进的机器人系统将会进入人类生活的各个领域，成为人类的助手和伙伴。随着我国汽车、船舶等工业的发展和制造业对自动化水平要求的不断提高，特别是在双层船体还有许多非自动化焊接操作，尽管对于工人来说，这是一个极其危险的环境。此外，这个危害主要是因为来自内孔的尺寸的约束[11]。工业的发展和制造业对自动化水平要求的不断提高，将为焊接机器人市场的快速增长提供一个良好的平台，也将为我国机器人应用产业的拓展带来前所未有的机遇。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，提高产品质量和增强企业竞争力，这一切预示着机器人应用及发展前景空间巨大。国外工业机器人有非常成熟的工业产品，经历了30多年的发展历程，而且在实际生产中不断地完善和提高，而我国则处于一种单件小批量的生产状态。焊接机器人是机电一体化的高技术产品，单靠企业的自身能力是不够的，还需要政府、研究院所、生产厂家和企业的共同努力，才能不断加速我国国产机器人的发展。

5  小结

如上所述, 目前已经制造出来的这些焊接机器人或多或少的都存在不同方面的问题，都有许多不完善的地方。目前，焊接机器人系统从整体上看基本都属于第一代的任务示教再现型，功能较为单一[3]，工作前要求操作者通过示教盒控制机器人各关节的运动，采用逐点示教的方式来实现焊枪空间位姿的定位和记录。由于焊接路径和焊接参数是根据实际作业条件预先设置的，在焊接时缺少外部信息传感和实时调整控制的功能，这类焊接机器人对作业条件的稳定性要求严格，焊接时缺乏“柔性”，表现出下述明显缺点[4]：

1）不具备适应焊接对象和任务变化的能力。

2）对复杂形状的焊缝编程效率低，占用大量生产时间。

3）不能对焊接动态过程实时检测控制，无法满足对复杂焊件的高质量和高精度焊接要求。

无论是现代制造技术发展趋势的推动，还是焊接产品制造的生产实际需求，都对焊接机器人技术性能提出了智能化水平的期望和要求。

参考文献

[1] 相午, 曹玉栋. 芯片焊接机光学探头的设计及标定[J]. 光学仪器, 2007, 29(3):56~59

[2] 魏娜然, 刘明亮, 唐文庆. 我国焊接技术的发展现状及趋势[J]. 科技创新导报, 2009,（3): 2

[3] Fabienne Reynier, Jean-Yves Hascoet. Off-line programming by CAD-systems for welding robot. Robotics and Autonomous Systems, 6 (1990) : 383~389

[4] 陈善本, 林涛. 智能化焊接机器人[M]. 北京：机械工业出版社, 2006. 4~8

[5] 陈爱珍. 日本工业机器人的发展历史及现状[J]. 机械工程师, 2008, (7): 8-11

[6] 许燕玲, 林海, 陈善本. 焊接机器人应用现状与研究发展趋势[J]. 金属加工热加工, 2010, (8) : 32-37

[7] 毛鹏军. 焊接机器人技术发展的回顾与展望[J]. 焊接, 2001, (8): 6~9

[8] 王彬. 中国焊接生产机械化自动化技术发展回顾[J]. 焊接技术, 2000, (3): 12~14

[9] 姚志良. 我国工业机器人发展的几点思考[J]. 机器人技术与应用, 2005, (3): 28~9

[10] 谭一炯, 周方明, 王江超, 黄志杰. 焊接机器人技术现状与发展趋势[J]. 电焊机，2006, 36(3): 6~11

[11] Donghun Lee, Namkug Ku, Tae-Wan Kim, Jongwon Kim, Kyu-Yeul Lee, Youg-Shuk Son. Development and application of an intelligent welding robot system for shipbuilding, Robotics and Computer-Integrated Manufacturing, 2011(27):377~388