关键词: 智能机器人;焊接机器人;技术应用
随着工业控制技术、人工智能技术及网络通信技术的发展,焊接机器人也由单一的单机示教再现型向以智能化为核心的多传感、智能化的柔性加工单元(系统)方向发展。现主要介绍机器人智能焊接工作站的系统关键组成单元和实际应用。通过智能焊接系统的设计,解决焊接机器人的柔性生产、控制系统与机器人的通信、焊缝跟踪、工件的快速装夹等技术难题。
1智能化焊接机器人的发展需求分析
1.1国内外智能焊接机器人发展现状
传统的焊接机器人是基于生产线操作而产生的，因为流水线作业的焊接动作是可重复的，采用机器人操作可以降低人工操作的不规范性，大幅度提高产品的质量和精度，实现安全的标准化生产。焊接机器人技术经过几代的发展，已经有了电阻点焊、电弧焊、激光焊、电子束焊、搅拌摩擦焊等多种焊接机器人，其控制形式也由最初的单一控制发展到多机器人多轴同步控制。不同于传统的生产线，在工业4.0时代，要求机器人具有自主学习能力，并能够感知和适应周围的不同环境，将视觉图像反馈到本体控制中，适应未来小批量的焊接工作，这使得焊接机器人的智能化成为未来的核心问题。目前德国的KUKA、CLOOS，瑞典的ABB，日本的安川、OTC、松下、FANUC、川崎，美国的AdeptTechnology，意大利的COMAU和奥地利IGM是国际领先技术的代表。中国的智能技术相对落后，传感器及元器件、谐波减速器、伺服电机、信息处理技术等核心零部件还严重依赖进口，广州数控和新松机器人是国内领先技术。
1.2焊接机器人智能化发展需求
目前，全自主智能机器人还未实现，因为机构、控制、传感器以及人工智能目前的技术还不足以支撑。但是远程遥控和智能运行的机器人已经成为可能，通过可视化技术可以实现在极限环境下的作业。在航空航天技术飞速发展的今天，我们迫切需要空间焊接技术，同时，海洋能源的开发要求水下智能焊接机器人的存在，同样核电机组等恶劣环境也需要智能焊接机器人自主作业。在水下等复杂环境下，机器人不仅要具备焊接能力，还应具备发现焊缝自行检测的能力，能够监视工作空间，自主判断环境的变化。现阶段，无线网络技术的发展使机器人的移动化成为可能，在视觉处理、信息融合、规划决策和自动驾驶技术已经较为完善的今天，多机器人可以实现协调作业。
2焊接机器人智能化关键技术
2.1关键原件制造技术
焊接智能化机器人未来以移动式机器人为主，包括轨道移动和自主移动等方式。在机器人关键单元部件上，通过有限元分析、模态分析及仿真设计来优化设计机器人操作机构，确保机器人总体设计上的可靠性。另一方面要在材料上不断创新，选择高强度、耐腐蚀、高性能、轻质量的机械材料，在提高负载自重比的同时，提高材料的热敏性、光敏性、力学性能等。比如:行业内占据领先地位的德国库卡公司，优化机器人的结构，将并联平行四边形结构改为开链结构，拓展了机器人的工作范围。同时，使用轻质铝合金材料，在整体上提高了机器人的性能，各个机构采用模块化设计，关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化。在未来的设计中，机器人可以有两种模式:一种类似安卓手机的操作系统通用模式，另一种是控制系统和结构一体化的苹果手机模式。目前，意大利COMAU公司、日本FANUC等公司已采用并联机构开发了这类机器人。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆如果控制系统和机构的一体化模式发展到一定阶段，那么机器人的自主性和独立性就真正建立起来，实现全智能。
2.2传感器技术
通过声波、激光、视觉和力觉等传感器，可以实现焊缝自动跟踪、自动化生产线上物体的自动定位以及精密装配作业，还能让机器人像人类一样感知工作环境，在不同场所内实现自主作业，并且通过多种传感器技术实现环境建模及决策控制。目前，非线性及非平稳、非正态分布情形下的多传感器融合算法是重点研究领域。离线编程和远程诊断等技术也正在和传感器技术相结合，通过离线编程技术只需对其中的焊接空间点的位置进行修改即可，通过远程诊断技术可以实现对机器人的远程遥控和适度自助控制。这些技术和传感器技术相结合，将会实现焊接机器人的高度智能化，使之能在多种工作场所根据指令做出判断。
2.3开放式控制系统
机器人的控制系统呈现出开放式、网络化、模块化的特征，随着芯片技术的发展，机器人控制箱将会越来越小，现在的控制系统可以控制27轴作业的复杂机器人，焊接机器人可以携带多种设备，并且具备多种能力，在软件伺服和全数字控制下，实现智能操作。随着动力能源技术的发展，机器人可以携带更好的人机操作界面，操作智能机器人像操作鼠标一样方便，并且引入语言输入等方式，机器人通过语音指令就可以自动识别进行操作。网络化的控制系统已有了巨大发展，德国KUKA、日本YASKAWA的控制器已经实现了网络连接。焊接机器人可以吸取自动驾驶技术的经验，将系统连入互联网，操作人员在电脑前就可以对机器人进行整体控制。
2.4多智能群控技术
通过对多智能体的群体结构、通信与磋商机理、感知与学习方法、群控等方面的研究，在机器人内部实现信息共享和群体感知。采用宏观遥控微观自主的策略，构建多智能系统，实现分布存储和控制，提升各个子系统智能化水平，通过并行处理自主做出决策。
3焊接机器人智能技术发展的创新思路
3.1融入仿生学知识
人类的文明和技术其实都是观察自身和其他物种的行为而发展起来的，比如飞机的设想是源自于鸟类，轮船的发明和鱼类有关，机器人的发明也是在人类自身行为方式的基础上进行的。人类在不同的环境下会有不同的行为，比如在水下和地上行动方式和轨迹都不相同。开发自主移动的机器人要注意引入这方面的思维，比如轨道焊接机器人可以在船舶等大型设施上操作，也可以将导轨引入生产线，在不同的生产环境下对导轨进行优化设计。自主行走机器人也要考虑稳定性，一旦失去平衡就会摔倒，因此，自主行走机器人基本都是履带和轮式。
3.2发展机器人的自主学习模式
机器人通过感知环境，以INPUT的方式自主学习，这减少了人类示教的工作量，这样就能够在大型甲板等区域实现自动化焊接，能够有效解决机器人系统复杂、结构庞大、功能单一、自主性差的问题。通过发展自主编程技术，机器人能够利用视觉或其他传感器的数据规划焊接路径，在非结构环境中，机器人也能实现自主焊接，真正实现观察和决策，逐步实现智能化。
3.3提高每个零部件的精度
我国机器人行业和日本、德国的差距在于精益求精的态度。焊接是一项高精度的工作，在系统设计、总体构成、部件选材方面都必须要坚持精益求精的精神，在细节部分反复实验，才能实现科技的进步。智能机器人行业必须要有工匠精神，比如:要多次筛选取材，切不可敷衍了事，或为了降低成本随意取材，导致机器人性能下降。
4结语
我国工业机器人产业大而不强，机器人密度远小于韩国、日本、德国、美国，核心技术也不具备，国产智能机器人亟待自强。要发展焊接机器人技术，一方面要依赖国内庞大的市场需求，另一方面要不断开发核心技术，提升机器人寿命、精度、质量。同时，要多利用现有市场上的技术，不断创新。
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[3]王恩浩.焊接机器人技术现状与发展趋势［J］．中国高新技术企业，2014，296(17):1－2.
论文作者:黄劭家
论文发表刊物:《防护工程》2019年第4期
论文发表时间:2019/5/29
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