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1、1绪论1.l焊接机器人的发展自从世界上第一台工业机器人UMMATE于1959年在美国诞生以来，机器人的应用和技术发展经验了三个阶段：第一代是示教再现型机器人。这类机器人操作简洁，不具备外界信息的反馈实力，难以适应工作环境的变更，在现代化工业生产中的应用受到很大的限制。其次代是具有感知实力的机器人。这类机器人对外界环境有肯定的感知实力，具备如听觉、视觉、触觉等功能，工作时借助传感器获得的信息，敏捷调整工作状态，保证在适应环境的状况下完成工作。第三代是智能机器人。这类机器人不但具有感觉实力，而且具有独立推断、行动、记忆、推断和决策的实力，能适应外部对象、环境协调工作，能完成更加困难的动作，还具备故

2、障自我诊断及修复实力。焊接机器人就是焊接生产领域代替焊工从事焊接任务的工业机器人。焊接机器人的出现，帮助人们解决了很多问题。焊接机器人具有如下特点：（1）稳定和提高焊接质量，保证其一样性。采纳机器人焊接时，对于每条焊缝的焊接参数都是恒定的，焊缝质量受人的因素影响较小，因此焊接质量是稳定的。而人工焊接时，焊接速度、干伸长等会受人为因素的影响而发生变更,因此很难做到质量的一样性；（2）提高劳动生产率。机器人可24小时连续生产，另外随着高速高效焊接技术的应用，人工焊接已经无法适应，必需运用机器人焊接；（3）改善了工人的劳动条件。采纳机器人焊接工人只是参加管理和限制焊接过程，远离了焊接弧光、烟雾和飞溅

3、等；（4）产品周期明确，简洁限制产品质量。机器人的生产节拍是固定的，因此支配生产支配特别明确；（5）焊接机器人的制造技术不断提高（高速度、高精度、高牢靠性、便于操作和修理），单机价格不断下降。随着工业跌的发展和各种技术的不断革新以及对生产结构和产品质量的要求不断提高，焊接机器人在各种行业中发挥越来越重要的作用。目前，世界各国都在加大科研力度，对焊接机器人进行探讨，从发展趋势上看，焊接机器人和其他工业机器人一样，不断向智能化和多样化方向发展。国内外对焊接机器人的探讨主要体现在机器人操作机结构、焊缝跟踪和传感技术、多台机器人协同限制技术、远程遥控技术、机器人专用弧焊电源技术、焊接机器人系统仿真技术

4、与焊接机器人工艺方法等方面。1.2 焊接机器人的国内外应用现状焊接机器人具有焊接质量稳定、改善工人劳动条件、提高劳动生产率等特点，广泛应用于汽车、工程机械、通用机械、金属结构和兵器工业等行业。据不完全统计，全世界在役的工业机器人大约有一半用于各种形式的焊接加工领域。截止2005年，全世界在役工业机器人约在91.4万台，其中日本装备的工业机器人总量达到了50万台以上，成为“机器人王国”，其次是美国和德国；在亚洲，日本。韩国和新加坡的制造业中每万名雇员占有的工业机器人数量居世界前三位。近几年，全球机器人的数量在快速增加，仅2005年就达12.1万台。我国自上世纪70年头末起先进行工业机器人的探讨，

5、经过二十多年的发展，在技术和应用方面均取得了长足的发展，对国民经济尤其是制造业得发展起到了重要的推动作用。据不完全统计，近几年我国机器人呈现出快速增长势头，平均年增长率都超过40%焊接机器人的增长率超过了60%；2004年国产工业机器人数量突破1400台，进口机器人数量超过9000台，其中绝大多数应用于焊接领域；2005年我国新增机器人数量超过了5000台，但仅占亚洲新增数量6%,远小于韩国所占的15%,更远小于日本所占的69%。这对于我国的经济发展速度以及经济总量来说明显是不匹配的，这说明我国制造业的自动化程度有待进一步提高，另一方面也反映了我国劳动力成本的低廉，制造业自动化水平以及工业机器

6、人应用程度的提高受到限制。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，性能不断提高；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，须要提升加工手段，提高产品质量和增加企业竞争力川。1.3 焊接机器人的发展趋势目前国际机器人界都在加大科研力度，进行机器人共性技术的探讨。从机器人技术发展趋势看，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化方向发展。详细而言，表现在以下几个方面。1.3.1 机器人操作机构通过有限元分析、模态分析和仿真设计等现代设计方法的运用，实现机器人操作机构的优化设计。搜寻新的高强度轻质材料，进一步提高负载

7、/自重比。例如，以德国FGFl公司为代表的机器人公司，已将机器人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，加之轻质铝合金材料的应用，大大提高了机器人的性能。此外采纳先进的RV减速器和沟通伺服电机，是机器人操作机几乎成为免维护系统。机构向着模块化、可重构方向发展。例如，关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机；国外已有模块扮装配机器人产品问市。机器人的结构更加灵活，限制系统愈来愈小，两者正朝着一体化方向发展。采纳并联机构,利用机器人技术，实现高精度测量及加工，这是机器人技术向数控技术的拓展,为将来实现机器人和数控技术一体化奠定了

8、基础。意大利CoMAU公司、日本FANUC公司等己开发出了此类产品。1.3.2 机器人限制系统重点探讨开放式、模块化限制系统。向基于PC机得开放型限制器方向发展,便于标准化、网络化；器件集成度提高，限制柜日渐小巧，且采纳模块化结构;大大提高了系统的牢靠性、易操作性和可修理性。限制系统的性能进一步提高,已由过去限制标准的6轴机器人发展到现在能够限制21轴甚至27轴，并且实现了软件伺服和全数字限制。人机界面更加友好，语言、图形编程界面正在研制之中。机器人限制器的标准化和网络化，以及基于PC机网络式限制器已经成为探讨热点。编程技术除进一步提高在线编程的可操作性之外，离线编程的好用化将成为探讨重点，在

9、某些领域的离线编程已经实现好用化。1.3.3 机器人传感技术机器人中的传感器作用日益重要，除采纳传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了激光传感器、视觉传感器和力传感器，并实现了焊缝自动跟踪和自动化生产线上物体的自动定位以及精密装配作业等，大大提高了机器人的作业性能和对环境的适应性。遥控机器人则采纳视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模和决策限制，为进一步提高机器人的智能和适应性，多种传感器的运用是其问题解决的关键。其探讨热点在于有效可行的多传感器融合算法，特殊是在非线性、非平稳和非正态分布的情形下的多传感器融合算法。另一问题就是传感系统的好用化。1.3.

10、4 网络通信功能日本YASKAWA和德国KUKA公司的最新机器人限制器实现了CanbusPrOfibUS、总线极为一些网络的链接，使机器人由过去的独立应用向网络化应用迈进了一大步，也使机器人由过去的专用设备向标准化设备发展。1.3.5 机器人遥控和监控技术在一些诸如核辐射、深水、有毒等高危急环境中进行焊接或其他作业，须要有遥控的机器人代替人去工作。当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互限制，即遥控加局部自助系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出试验室进入好用化阶段。美国放射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统胜利应用的最闻名实例。多机器人

11、和操作者之间的协调限制，可通过网络建立大范围内的机器人遥控系统，在有时延的晴空下，建立预先现实进行遥控等。1.3.6 虚拟机器人技术虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程限制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。基于多传感器、多媒体和虚拟现实以及临场感技术，实现机器人的虚拟遥控操作和人机交互。1.3.7 机器人性能价格比机器人性能不断提高：高速度、高精度、高牢靠性、便于操作和修理，而单机价格不断下降。由于微电子技术的快速发展和大规模集成电路的应用，使机器人系统的牢靠性有了很大的提高。过去机器人系统的牢靠性一般为几千小时，而现在已达到5万小时，可以满

12、意任何场合的需求。1.3.8 多智能体调控技术这是目前机器人探讨的一个新领域。主要对多智能体的群体体系机构、相互间的通信与磋商机理、感知与学习方法、建模和规划、群体行为限制等方面进行探讨。人类的活动领域不断扩大，机器人应用也从制造领域向非制造领域发展。像海洋开发、宇宙检测、采掘、建筑、医疗、农林业、服务、消遣等行业都提出了自动化的机器人化的要求。这些行业与制造业相比，其主要特点是工作环境的非结构化和不确定性，因而对机器人的要求更高，须要机器人具有行走功能、对外感知实力以及局部的自主规划实力等，是机器人技术的一个重要发展方向。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

13、为人类的助手和伙伴。1.4 相贯线自动焊接机的发呈现状与趋势相对于国外焊接自动化限制技术的发展，我国在该焊接领域的探讨起步较晚。到目前为止，我国的焊接自动化率同发达工业国家相比差距甚远。从二十世纪末起先，国家起先渐渐在各行业推广自动焊的基础焊接方式一一气体爱护焊，以取代传统的手工电弧焊。并以实现焊接过程的机械化、自动化为战略目标，主动推动焊接生产的自动化和过程智能化，研发焊接生产线及柔性制造技术，将数控技术、柔性制造技术等技术引入焊接生产，促进可焊接自动化技术的快速发展，取得了肯定的成果。在管件相交零件的焊接中，尤其是对环缝、马鞍线焊缝的自动化技术，在我国的科研生产中，已经有了广泛的探讨和应用

14、。以下是两种卧式焊枪自动焊接机：图IT卧式双焊枪环缝自动焊接机Fig.1-1Horizontaldual-torchautomaticweldingmachine图1-2卧式单焊枪环缝自动焊Fig.1-2Horizontalautomaticweldingmachine除了卧式的焊接机，常用的结构形式还有立式焊接机:图1-3工件旋转焊接机Fig.1-3Weldingmachinewithworkpiecerotating图14马鞍线焊接机Fig.1-4Weldingmachinewithsaddle-shapedseam以上是生产中常用的几种管件相交焊缝的自动化焊接机，实行工件立式（卧式）定位

15、，气动压紧，焊枪绕工件（工件绕焊枪）旋转方式，由底座、立柱、压紧气缸座、主传动机构、焊枪手动调整机构、焊枪夹持机构及电气限制部分等组成。焊枪（工件）回转速度无级可调，一遍不同直径、材质和厚度的工件可获得最佳的焊接速度，适用于支管及管道筒体相交的相贯线（马鞍线）接口或偏心的异性工件环缝的焊接。虽然目前对单个相贯线或多个相贯线但无障碍施焊的自动化焊接技术、设备应用广泛，但从现有文献资料看，尚没有查到关于多相贯线连续焊接的避障式自动焊接设备的信息。近期生产的自动化焊接设备的设备精度和制造质量已接近现代金属切削机床。最值得留意的是，大多数焊接设备采纳了最先进的自动限制系统、智能化限制系统和网络限制系统

16、等广泛采纳焊接机器人作为操作单元，组成焊接中心、焊接生产线、柔性制造系统和集成制造系统。早在80年头，国外的焊接设备已向大型化和精密化发展。目前国外生产的重型焊接滚轮架最大的承载实力达16（）0T,自动防窜滚轮架的最大承载实力达800T,采纳P1.e和高精度位移传感器限制，防窜精度为0.5mm。变位机的最大的承载实力达400T,转矩可达450000NM。框架式焊接翻转机和头尾架翻转机的最大承载实力达160T。焊接回转平台的最大承载实力达500T。立柱横梁操作机和门架式操作机的最大行程达12m。龙门架操作机的最大规格为8m8mo纵观当今世界自动化焊接设备的发展趋势，可以概括为如下几个特点：(1)采纳高效的焊接方法中、大型焊件大多数为厚壁构件，焊接工作量大，连续焊接周期长，因此必需采纳高效焊接法，如高效埋弧焊、高效熔化极气体爱护焊、窄间隙焊、激光焊、电子束焊和等离