焊接機(jī)器人的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 
  1仪吧、 機(jī)器人技術(shù)概述
         機(jī)器人(Robot)這個詞最早出現(xiàn)在上世紀(jì)20年代美國科幻小說家阿西莫夫的科幻小說中星肤。自從1959年美國英格伯格和德沃爾制造出世界上第1臺工業(yè)機(jī)器人UNIMATE以后，機(jī)器人才從文學(xué)幻想變成了現(xiàn)實厨杆，機(jī)器人的歷史才由此開始东种。在幾十年的發(fā)展過程中，機(jī)器人技術(shù)的研究和發(fā)展過程大致經(jīng)歷了3個階段：

        第1代是示教再現(xiàn)型（Play-Back）機(jī)器人,它由人操縱機(jī)械手做一遍應(yīng)當(dāng)完成的動作或通過控制器發(fā)出指令讓機(jī)械手臂運動翎郭，一步一步完成各個動作撮译。在動作過程中機(jī)器人會自動將這一過程存入記憶裝置。當(dāng)機(jī)器人工作時蔽掀，能再現(xiàn)人教給它的動作龄羽，并能自動重復(fù)的執(zhí)行。這類機(jī)器人不具有外界信息的反饋能力循抱，很難適應(yīng)變化的環(huán)境砂姥。
    “UNIMATE”和“VERSTRAN”這兩種最早的工業(yè)機(jī)器人是示教再現(xiàn)型機(jī)器人的典型代表。直至目前蟀符，這類機(jī)器人還在一些工業(yè)生產(chǎn)線上得到應(yīng)用掠记。

         第2代是有感覺的機(jī)器人，它們對外界環(huán)境有一定的感知能力拍随，如有聽覺傍菇、視覺、觸覺等功能界赔。機(jī)器人工作時丢习，根據(jù)感覺器官（傳感器）獲得的信息，靈活調(diào)整自己的工作狀態(tài)淮悼，保證在適應(yīng)環(huán)境的情況下完成工作咐低。如：具有視覺的機(jī)器人能認(rèn)字揽思、識別二維圖像或三維物體的特征等，可用于產(chǎn)品的外觀檢查见擦、分揀钉汗、裝配等工作，有些行走機(jī)器人還能判別周圍環(huán)境的其它障礙物鲤屡，并自動避開它們儡湾；有觸覺的機(jī)械手可輕松自如地抓取雞蛋，既不會使雞蛋掉下执俩，也不會捏碎雞蛋(圖2)；具有嗅覺的機(jī)器人能分辨出不同飲料和酒類等癌刽。

        第3代是智能型機(jī)器人蚤就，它不僅具有感覺能力，而且還具有獨立判斷和行動的能力虑治，并具有記憶闰厨、推理和決策的能力，因而能夠完成更加復(fù)雜的動作瘪棱。如：具有行走功能的機(jī)器人害寸，其中央電腦控制著機(jī)器人的手臂和行走裝置，使機(jī)器人的手完成作業(yè)窒兼，而用腳完成移動功能寝谚；有些機(jī)器人能夠識別人的自然語言，可以“聽”懂人用自然語言發(fā)出的各種命令军裂，完成相應(yīng)的動作（圖3）蹋烂。智能機(jī)器人的“智能”特征就在于它具有與外部世界——對象、環(huán)境和人相適應(yīng)威沙、相協(xié)調(diào)的工作機(jī)能苹动。從控制方式看，智能機(jī)器人不同于工業(yè)機(jī)器人的“示教攘活、再現(xiàn)”蠢涝，不同于遙控機(jī)器人的“主—從操縱”，而是以一種“認(rèn)知—適應(yīng)”的方式自律地進(jìn)行操作阅懦。智能機(jī)器人在發(fā)生故障時和二，通過自我診斷裝置能自我診斷出故障部位，并能自我修復(fù)故黑。
可行走并用自然語言和人交流
        自上世紀(jì)90年代以來儿咱，隨著計算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展场晶，機(jī)器人技術(shù)也得到了飛速發(fā)展混埠。原本用于生產(chǎn)制造的工業(yè)機(jī)器人水平不斷提高怠缸，各種用于非制造業(yè)的先進(jìn)機(jī)器人系統(tǒng)也有了長足的進(jìn)展。機(jī)器人的各種功能被相繼開發(fā)并得到不斷增強(qiáng)钳宪，機(jī)器人的種類不斷增多揭北，機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域也從最初的工業(yè)控制拓展到各行各業(yè)，從軍事到民用吏颖，從天上到地下搔体，從工業(yè)到農(nóng)業(yè)、林综俄、牧竿赂、漁，從科研探索到醫(yī)療衛(wèi)生行業(yè)制沦，從生產(chǎn)領(lǐng)域到娛樂服務(wù)行業(yè)宅谁，甚至還進(jìn)入尋常百姓家。

        從機(jī)器人的用途來分榛青，可以分為兩大類：軍用機(jī)器人和民用機(jī)器人记浸。
        軍用機(jī)器人主要用于軍事上代替或輔助軍隊進(jìn)行作戰(zhàn)、偵察曙惋、探險等工作裸悟。根據(jù)不同的作戰(zhàn)空間可分為地面軍用機(jī)器人、空中軍用機(jī)器人(即無人飛行機(jī))妙声、水下軍用機(jī)器人和空間軍用機(jī)器人等绕时。軍用機(jī)器人的控制方式一般有自主操控式、半自主操控式障漓、遙控式等多種方式愤售，這里不作詳述。
    在民用機(jī)器人中胎许，各種生產(chǎn)制造領(lǐng)域中的工業(yè)機(jī)器人在數(shù)量上占絕對多數(shù)峻呛，成為機(jī)器人家族中的主力軍；其它各種種類的機(jī)器人也開始在不同的領(lǐng)域得到研究開發(fā)和應(yīng)用辜窑」呈觯總體看來，若按用途分穆碎，民用機(jī)器人可以分為以下幾個主要類別：

1）工業(yè)機(jī)器人
        這是機(jī)器人中數(shù)量和種類最多的一種機(jī)器人牙勘，廣泛用于工業(yè)領(lǐng)域的各行各業(yè)。也是形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的一種機(jī)器人所禀。工業(yè)機(jī)器人一般由機(jī)械本體方面、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置等構(gòu)成色徘，是一種仿人操作恭金、自動控制操禀、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動化生產(chǎn)設(shè)備横腿。特別適合于多品種颓屑、變批量的柔性生產(chǎn)。它對穩(wěn)定灰深、提高產(chǎn)品質(zhì)量饵卸，提高生產(chǎn)效率，改善勞動條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用彰饭。

        工業(yè)機(jī)器人并不是在簡單意義上代替人的勞動驻奇，它既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又具有機(jī)器可長時間持續(xù)工作肤贮、精確度高炮家、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它也是機(jī)器的進(jìn)化過程產(chǎn)物泪缨。機(jī)器人技術(shù)是綜合了計算機(jī)、控制論呛营、機(jī)構(gòu)學(xué)虱忙、信息和傳感技術(shù)、人工智能嘲谚、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)狼楔，是當(dāng)代研究十分活躍，應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域缴渊。機(jī)器人應(yīng)用情況赏壹，是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標(biāo)志。

       工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛衔沼，主要用于生產(chǎn)制造過程中的焊接蝌借、切割、裝配指蚁、噴漆菩佑、搬運、包裝凝化、產(chǎn)品檢驗等等稍坯，目前在汽車制造業(yè)生產(chǎn)線上服役的工業(yè)機(jī)器人占總體數(shù)量的一半以上。

2) 服務(wù)機(jī)器人
        服務(wù)機(jī)器人是機(jī)器人家族中的一個年輕成員搓劫，到目前為止還沒有一個嚴(yán)格的定義瞧哟，不同國家對服務(wù)機(jī)器人的認(rèn)識也有一定差異。國際機(jī)器人聯(lián)合會經(jīng)過幾年的搜集整理枪向，給了服務(wù)機(jī)器人一個初步的定義：服務(wù)機(jī)器人是一種半自主或全自主工作的機(jī)器人勤揩，它能完成有益于人類健康的服務(wù)工作猎蚀，但不包括從事生產(chǎn)的設(shè)備。服務(wù)機(jī)器人的應(yīng)用范圍很廣搀尊，主要從事醫(yī)療室域、救援、監(jiān)護(hù)针容、運輸杜域、維護(hù)、保養(yǎng)补蛋、修理唁谣、清洗、保安为毛、導(dǎo)游等工作溪惶。

3）娛樂機(jī)器人
       娛樂機(jī)器人以供人觀賞、娛樂為目的芦格，具有機(jī)器人的外部特征终距，可以像人，像某種動物俄删，像童話或科幻小說中的人物等宏怔。同時具有機(jī)器人的功能，可以行走或完成動作畴椰，可以有語言能力臊诊，會唱歌，有一定的感知能力斜脂。   如：作為電子寵物的機(jī)器狗抓艳、機(jī)器貓一時曾成為人們的興趣熱點，有些機(jī)器人還會進(jìn)行演奏帚戳、會跟著音樂節(jié)奏跳舞等玷或。
4）類人機(jī)器人 
        大多數(shù)的機(jī)器人并不像人，有的甚至沒有一點人的模樣片任。研制出外觀和功能與人一樣的機(jī)器人是科學(xué)家們夢寐以求的愿望庐椒，也是他們不懈追求的目標(biāo)。然而蚂踊，研制出性能優(yōu)異的類人機(jī)器人约谈，其最大的難關(guān)就是雙足直立行走。由于仿人型機(jī)器人集機(jī)犁钟、電填篱、材料、計算機(jī)、傳感器革陋、控制技術(shù)等多門學(xué)科于一體乌窿，是一個國家高科技實力和發(fā)展水平的重要標(biāo)志，因此锦钓，世界發(fā)達(dá)國家都不惜投入巨資進(jìn)行開發(fā)研究庙炮。日、美求驳、英等國都在研制仿人形機(jī)器人方面做了大量的工作种司，并已取得突破性的進(jìn)展。日本本田公司于1997年10月推出了仿人形機(jī)器人P3粥谐，美國麻省理工學(xué)院研制出了仿人形機(jī)器人科戈（COG）娶得，德國和澳洲共同研制出了裝有52個汽缸，身高2米漾群、體重150公斤的大型機(jī)器人懊湾，韓國最近也推出了機(jī)器人Hubo。本田公司最新開發(fā)的新型機(jī)器人“阿西莫”禽篱，身高120厘米畜伐，體重43公斤，它的走路方式更加接近人躺率。我國也在這方面作了很多工作烤礁，國防科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制出了雙足步行機(jī)器人肥照。
5）農(nóng)業(yè)機(jī)器人 
      農(nóng)業(yè)機(jī)器人最早出現(xiàn)在日本、美國等發(fā)達(dá)國家勤众，在研究方面舆绎，目前日本居于世界各國之首。原因在于這些國家的農(nóng)業(yè)人口較少们颜，隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的規(guī)穆蓝洌化、多樣化窥突、精確化努溃，勞動力不足的現(xiàn)象越來越明顯。在這種情況下阻问，使用農(nóng)業(yè)機(jī)器人可以提高勞動生產(chǎn)率和作業(yè)質(zhì)量檩翁，解決勞動力的不足；還可以改善農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)環(huán)境族逻，防止農(nóng)藥景絮、化肥等對人體的傷害等。但農(nóng)業(yè)機(jī)器人有如下的特點：①農(nóng)業(yè)機(jī)器人一般要求邊作業(yè)邊移動崎络；②農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的行走不是連接出發(fā)點和終點的最短距離说悄，而是具有狹窄較長的距離及遍及整個田間表面的特點猖右；③使用條件變化較大，如氣候影響合圃、道路的不平坦和在傾斜的地面上作業(yè)稽橱，還須考慮左右搖擺的問題；④價格問題砂猿，工業(yè)機(jī)器人所需大量投資由工廠或工業(yè)集團(tuán)支付谷庐，而農(nóng)業(yè)機(jī)器人以個體經(jīng)營為主，如果不是低價格痪罐，就很難普及逸萄；⑤農(nóng)業(yè)機(jī)器人的使用者是農(nóng)民，不是具有機(jī)械電子知識的工程師竭鞍，因此要求農(nóng)業(yè)機(jī)器人必須具有高可靠性和操作簡單的特點板惑。

       現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)機(jī)器人主要用于耕耘、施肥偎快、除草冯乘、噴藥、蔬菜嫁接晒夹、收割裆馒、蔬菜水果采摘、林木修剪丐怯、果實分揀等喷好。
       我國有一半以上的農(nóng)業(yè)人口，研究和開發(fā)農(nóng)業(yè)機(jī)器人對于提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的勞動效率和減輕人的勞動具有重要意義读跷，但鑒于農(nóng)業(yè)機(jī)器人的上述特點梗搅，它們的應(yīng)用和普及還尚需時日。

 6) 特種機(jī)器人
        特種機(jī)器人通常是在非結(jié)構(gòu)化的特殊環(huán)境下工作效览，即作業(yè)無法在事先布置好的條件下進(jìn)行无切，而且在作業(yè)過程中環(huán)境可能發(fā)生變化。與在結(jié)構(gòu)化環(huán)境下作業(yè)的工業(yè)機(jī)器人相比踱封，在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下工作的特種機(jī)器人控制更加困難客净，要求的智能程度更高，如空間探測脏诈、深海作業(yè)冀烘、精密操作、在役管道內(nèi)作業(yè)等锯政。

   從某種意義上說盘秕，除工業(yè)機(jī)器人以外的均可稱之為特種機(jī)器人。但從環(huán)境的特殊性考慮，應(yīng)把用于軍事抢熟、科學(xué)探索柄叹、醫(yī)學(xué)、深水匾蛆、核輻射等特殊環(huán)境的稱之為特種機(jī)器人漓客。特種機(jī)器人集當(dāng)代眾多高技術(shù)于一身，將在眾多領(lǐng)域具有非常廣闊的應(yīng)用前景切油。
2蝙斜、 焊接機(jī)器人應(yīng)用現(xiàn)狀
        據(jù)不完全統(tǒng)計，全世界在役的工業(yè)機(jī)器人中大約有將近一半的工業(yè)機(jī)器人用于各種形式的焊接加工領(lǐng)域澎胡，焊接機(jī)器人應(yīng)用中最普遍的主要有兩種方式孕荠，即點焊和電弧焊。圖4所示是這兩種焊接機(jī)器人在工業(yè)機(jī)器人中所占的大致比例攻谁。我們所說的焊接機(jī)器人其實就是在焊接生產(chǎn)領(lǐng)域代替焊工從事焊接任務(wù)的工業(yè)機(jī)器人稚伍。這些焊接機(jī)器人中有的是為某種焊接方式專門設(shè)計的，而大多數(shù)的焊接機(jī)器人其實就是通用的工業(yè)機(jī)器人裝上某種焊接工具而構(gòu)成的戚宦。在多任務(wù)環(huán)境中个曙，一臺機(jī)器人甚至可以完成包括焊接在內(nèi)的抓物、搬運受楼、安裝垦搬、焊接、卸料等多種任務(wù)艳汽，機(jī)器人可以根據(jù)程序要求和任務(wù)性質(zhì)猴贰，自動更換機(jī)器人手腕上的工具，完成相應(yīng)的任務(wù)河狐。因此证摩，從某種意義上來說，工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展歷史就是焊接機(jī)器人的發(fā)展歷史热跨。
       眾所周知，焊接加工一方面要求焊工要有熟練的操作技能碑肚、豐富的實踐經(jīng)驗悍暴、穩(wěn)定的焊接水平；另一方面尔芯，焊接又是一種勞動條件差汽心、煙塵多、熱輻射大拓嗽、危險性高的工作熏疾。工業(yè)機(jī)器人的出現(xiàn)使人們自然而然首先想到用它代替人的手工焊接，減輕焊工的勞動強(qiáng)度，同時也可以保證焊接質(zhì)量和提高焊接效率葵昂。

        然而桶淡，焊接又與其它工業(yè)加工過程不一樣，比如寥掐，電弧焊過程中靴寂，被焊工件由于局部加熱熔化和冷卻產(chǎn)生變形，焊縫的軌跡會因此而發(fā)生變化召耘。手工焊時有經(jīng)驗的焊工可以根據(jù)眼睛所觀察到的實際焊縫位置適時地調(diào)整焊槍的位置百炬、姿態(tài)和行走的速度，以適應(yīng)焊縫軌跡的變化污它。然而機(jī)器人要適應(yīng)這種變化剖踊，必須首先像人一樣要“看”到這種變化，然后采取相應(yīng)的措施調(diào)整焊槍的位置和狀態(tài)衫贬，實現(xiàn)對焊縫的實時跟蹤德澈。由于電弧焊接過程中有強(qiáng)烈弧光、電弧噪音祥山、煙塵圃验、熔滴過渡不穩(wěn)定引起的焊絲短路、大電流強(qiáng)磁場等復(fù)雜的環(huán)境因素的存在缝呕，機(jī)器人要檢測和識別焊縫所需要的信號特征的提取并不像工業(yè)制造中其它加工過程的檢測那么容易澳窑，因此，焊接機(jī)器人的應(yīng)用并不是一開始就用于電弧焊過程的诚咪。
        實際上圾篱，工業(yè)機(jī)器人在焊接領(lǐng)域的應(yīng)用最早是從汽車裝配生產(chǎn)線上的電阻點焊開始的。原因在于電阻點焊的過程相對比較簡單搭肠，控制方便玫惧，且不需要焊縫軌跡跟蹤，對機(jī)器人的精度和重復(fù)精度的控制要求比較低眯华。圖5所示為不同形式的機(jī)器人點焊鉗庞蠕。點焊機(jī)器人在汽車裝配生產(chǎn)線上的大量應(yīng)用大大提高了汽車裝配焊接的生產(chǎn)率和焊接質(zhì)量，同時又具有柔性焊接的特點拇掺，即只要改變程序则菌，就可在同一條生產(chǎn)線上對不同的車型進(jìn)行裝配焊接。

        從機(jī)器人誕生到本世紀(jì)80年代初赚毫，機(jī)器人技術(shù)經(jīng)歷了一個長期緩慢的發(fā)展過程踏靴。到了90年代，隨著計算機(jī)技術(shù)筹柠、微電子技術(shù)窜无、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的快速發(fā)展贱甥，機(jī)器人技術(shù)也得到了飛速發(fā)展。工業(yè)機(jī)器人的制造水平柄错、控制速度和控制精度舷夺、可靠性等不斷提高，而機(jī)器人的制造成本和價格卻不斷下降鄙陡。在西方社會冕房，和機(jī)器人價格相反的是，人的勞動力成本有不斷增長的趨勢趁矾。圖6所示是聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(UNECE)統(tǒng)計的從1990年至2000年的機(jī)器人價格指數(shù)和勞動力成本指數(shù)的變化曲線耙册。圖中，把1990年的機(jī)器人價格指數(shù)和勞動力成本指數(shù)都作為參考值100毫捣，至2000年详拙，勞動力成本指數(shù)為140，增長了40%蔓同；而機(jī)器人在考慮質(zhì)量因素的情況下價格指數(shù)低于20饶辙，降低了80%，在不考慮質(zhì)量因素的情況下斑粱，機(jī)器人的價格指數(shù)約為40弃揽，降低了60%。這里褂省，不考慮質(zhì)量因素的機(jī)器人價格是指現(xiàn)在的機(jī)器人實際價格與過去相比較巷卵；而考慮質(zhì)量因素是指由于機(jī)器人制造工藝技術(shù)水平的提高，機(jī)器人的制造質(zhì)量和性能即使在同等價格的條件下也要比以前高葵稚，因此帘衣，如果按過去的機(jī)器人同等質(zhì)量和性能考慮，機(jī)器人的價格指數(shù)應(yīng)該更低洁席。

       由此可以看出税则，在西方國家，由于勞動力成本的提高為企業(yè)帶來了不小的壓力值唉，而機(jī)器人價格指數(shù)的降低又恰巧為其進(jìn)一步推廣應(yīng)用帶來了契機(jī)赡喻。減少員工與增加機(jī)器人的設(shè)備投資，在兩者費用達(dá)到某一平衡點的時候港赂，采用機(jī)器人的利顯然要比采用人工所帶來的利大旭手，它一方面可大大提高生產(chǎn)設(shè)備的自動化水平，從而提高勞動生產(chǎn)率衰拄，同時又可提升企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量耗跛，提高企業(yè)的整體競爭力裕照。雖然機(jī)器人一次性投資比較大攒发，但它的日常維護(hù)和消耗相對于它的產(chǎn)出遠(yuǎn)比完成同樣任務(wù)所消耗的人工費用小调塌。因此，從長遠(yuǎn)看惠猿，產(chǎn)品的生產(chǎn)成本還會大大降低羔砾。而機(jī)器人價格的降低使一些中小企業(yè)投資購買機(jī)器人變得輕而易舉。因此偶妖，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用在各行各業(yè)得到飛速發(fā)展姜凄。根據(jù)UNECE的統(tǒng)計，2001年全世界有75萬臺工業(yè)機(jī)器人用于工業(yè)制造領(lǐng)域趾访，其中38.9萬在日本态秧、19.8萬在歐盟、9萬在北美扼鞋，7.3萬在其余國家申鱼。至2004年底全世界在役的工業(yè)機(jī)器人至少有約100萬。

        由于機(jī)器人控制速度和精度的提高云头，尤其是電弧傳感器的開發(fā)并在機(jī)器人焊接中得到應(yīng)用捐友，使機(jī)器人電弧焊的焊縫軌跡跟蹤和控制問題在一定程度上得到很好解決，機(jī)器人焊接在汽車制造中的應(yīng)用從原來比較單一的汽車裝配點焊很快發(fā)展為汽車零部件和裝配過程中的電弧焊锁澡。機(jī)器人電弧焊的最大的特點是柔性埋吊，即可通過編程隨時改變焊接軌跡和焊接順序，因此最適用于被焊工件品種變化大神翁、焊縫短而多愈苛、形狀復(fù)雜的產(chǎn)品。這正好又符合汽車制造的特點女骗。尤其是現(xiàn)代社會汽車款式的更新速度非尘扒辏快，采用機(jī)器人裝備的汽車生產(chǎn)線能夠很好地適應(yīng)這種變化镣逃。圖7所示為機(jī)器人電弧焊用于焊接汽車底盤强男。
    另外，機(jī)器人電弧焊不僅用于汽車制造業(yè)撼遵，更可以用于涉及電弧焊的其它制造業(yè)眨仪，如造船、機(jī)車車輛甜杰、鍋爐柑爸、重型機(jī)械等等。因此盒音，機(jī)器人電弧焊的應(yīng)用范圍日趨廣泛表鳍，在數(shù)量上大有超過機(jī)器人點焊之勢。

        隨著汽車輕量化制造技術(shù)的推廣祥诽，一些高強(qiáng)合金材料和輕合金材料(如鋁合金譬圣、鎂合金等)在汽車結(jié)構(gòu)材料中得到應(yīng)用瓮恭。這些材料的焊接往往無法用傳統(tǒng)的焊接方法來解決，必須采用新的焊接方法和焊接工藝厘熟。其中高功率激光焊和攪拌摩擦焊等最具發(fā)展?jié)摿ν捅摹Ｒ虼耍瑱C(jī)器人與高功率激光焊和攪拌摩擦焊的結(jié)合將成為必然趨勢绳姨。事實上登澜，像上海大眾等國內(nèi)最具實力的汽車制造商在他們的新車型制造過程中已經(jīng)大量使用機(jī)器人激光焊接。圖8所示為其汽車車頂?shù)臋C(jī)器人激光焊接飘庄。

       和機(jī)器人電弧焊相比脑蠕，機(jī)器人激光焊的焊縫跟蹤精度要求更高。根據(jù)一般的要求措暗，機(jī)器人電弧焊(包括GTAW和GMAW)的焊縫跟蹤精度必須控制在電極或焊絲直徑的1/2以內(nèi)旬效，在具有填充絲的條件下焊縫跟蹤精度可適當(dāng)放寬。但對激光焊而言踱孕，焊接時激光照射在工件表面的光斑直徑通常在0.6以內(nèi)讯匈，遠(yuǎn)小于焊絲直徑(通常大于1.0)，而激光焊接時通常又不加填充焊絲将窗，因此策坏，激光焊接中若光斑位置稍有偏差，便會造成偏焊泻畏、漏焊烈肉。因此，上海大眾的汽車車頂機(jī)器人激光焊除了在工裝夾具上采取措施防止焊接變形外委丈，還在機(jī)器人激光焊槍前方安裝了德國SCOUT公司的高精度激光傳感器用于焊縫軌跡的跟蹤甩高。
        工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式很多，常用的有直角坐標(biāo)式什偷、柱面坐標(biāo)式霸督、球面坐標(biāo)式、多關(guān)節(jié)坐標(biāo)式衅疙、伸縮式莲趣、爬行式等等，根據(jù)不同的用途還在不斷發(fā)展之中饱溢。焊接機(jī)器人根據(jù)不同的應(yīng)用場合可采取不同的結(jié)構(gòu)形式喧伞，但目前用得最多的是模仿人的手臂功能的多關(guān)節(jié)式的機(jī)器人，這是因為多關(guān)節(jié)式機(jī)器人的手臂靈活性最大绩郎，可以使焊槍的空間位置和姿態(tài)調(diào)至任意狀態(tài)潘鲫，以滿足焊接需要。理論上講肋杖，機(jī)器人的關(guān)節(jié)愈多溉仑，自由度也愈多熄攘，關(guān)節(jié)冗余度愈大，靈活性愈好彼念；但同時也給機(jī)器人逆運動學(xué)的坐標(biāo)變換和各關(guān)節(jié)位置的控制帶來復(fù)雜性。因為焊接過程中往往需要把以空間直角坐標(biāo)表示的工件上的焊縫位置轉(zhuǎn)換為焊槍端部的空間位置和姿態(tài)浅萧，再通過機(jī)器人逆運動學(xué)計算轉(zhuǎn)換為對機(jī)器人每個關(guān)節(jié)角度位置的控制逐沙，而這一變換過程的解往往不是唯一的，冗余度愈大版挣，解愈多蔓酣。如何選取最合適的解對機(jī)器人焊接過程中運動的平穩(wěn)性很重要。不同的機(jī)器人控制系統(tǒng)對這一問題的處理方式不盡相同婆裹。
        一般來講载甸，具有6個關(guān)節(jié)的機(jī)器人基本上能滿足焊槍的位置和空間姿態(tài)的控制要求，其中3個自由度(XYZ)用于控制焊槍端部的空間位置乱险，另外3個自由度(ABC)用于控制焊槍的空間姿態(tài)齐犀。因此，目前的焊接機(jī)器人多數(shù)為6關(guān)節(jié)式的石检。

        對于有些焊接場合滥捣，工件由于過大或空間幾何形狀過于復(fù)雜，使焊接機(jī)器人的焊槍無法到達(dá)指定的焊縫位置或焊槍姿態(tài)惯斥，這時必須通過增加1～3個外部軸的辦法增加機(jī)器人的自由度沦昆。通常有兩種做法：一是把機(jī)器人裝于可以移動的軌道小車或龍門架上，擴(kuò)大機(jī)器人本身的作業(yè)空間病趋；二是讓工件移動或轉(zhuǎn)動愿凶，使工件上的焊接部位進(jìn)入機(jī)器人的作業(yè)空間。也有的同時采用上述兩種辦法存哲，讓工件的焊接部位和機(jī)器人都處于最佳焊接位置因宇。

        焊接機(jī)器人的編程方法目前還是以在線示教方式(Teach-in)為主，但編程器的界面比過去有了不少改進(jìn)祟偷，尤其是液晶圖形顯示屏的采用使新的焊接機(jī)器人的編程界面更趨友好羽嫡、操作更加易。然而機(jī)器人編程時焊縫軌跡上的關(guān)鍵點坐標(biāo)位置仍必須通過示教方式獲取肩袍，然后存入程序的運動指令中杭棵。這對于一些復(fù)雜形狀的焊縫軌跡來說，必須花費大量的時間示教氛赐，從而降低了機(jī)器人的使用效率魂爪，也增加了編程人員的勞動強(qiáng)度。目前解決的方法有2種：

       一是示教編程時只是粗略獲取幾個焊縫軌跡上的幾個關(guān)鍵點艰管，然后通過焊接機(jī)器人的視覺傳感器(通常是電弧傳感器或激光視覺傳感器)自動跟蹤實際的焊縫軌跡滓侍。這種方式雖然仍離不開示教編程蒋川，但在一定程度上可以減輕示教編程的強(qiáng)度，提高編程效率撩笆。但由于電弧焊本身的特點倡挚，機(jī)器人的視覺傳感器并不是對所有焊縫形式都適用。

       二是采取完全離線編程的辦法筷疹，使機(jī)器人焊接程序的編制蒸拦、焊縫軌跡坐標(biāo)位置的獲取、以及程序的調(diào)試均在一臺計算機(jī)上獨立完成瞳竖，不需要機(jī)器人本身的參與蜘把。機(jī)器人離線編程早在多年以前就有，只是由于當(dāng)時受計算機(jī)性能的限制乡捧，離線編程軟件以文本方式為主衅滞，編程員需要熟悉機(jī)器人的所有指令系統(tǒng)和語法，還要知道如何確定焊縫軌跡的空間位置坐標(biāo)牵观，因此抓惫，編程工作并不輕松省時。隨著計算機(jī)性能的提高和計算機(jī)三維圖形技術(shù)的發(fā)展塌自，如今的機(jī)器人離線編程系統(tǒng)多數(shù)可在三維圖形環(huán)境下運行氛赞，編程界面友好、方便塘丝，而且赔癌，獲取焊縫軌跡的坐標(biāo)位置通常可以采用“虛擬示教”(virtual Teach-in)的辦法澜沟，用鼠標(biāo)輕松點擊三維虛擬環(huán)境中工件的焊接部位即可獲得該點的空間坐標(biāo)灾票；在有些系統(tǒng)中，可通過CAD圖形文件中事先定義的焊縫位置直接生成焊縫軌跡茫虽，然后自動生成機(jī)器人程序并下載到機(jī)器人控制系統(tǒng)刊苍。從而大大提高了機(jī)器人的編程效率，也減輕了編程員的勞動強(qiáng)度濒析。目前正什，國際市場上已有基于普通PC機(jī)的商用機(jī)器人離線編程軟件。如Workspace5号杏、RobotStudio等婴氮。圖9所示為筆者自行開發(fā)的基于PC的三維可視化機(jī)器人離線編程系統(tǒng)。該系統(tǒng)可針對ABB公司的IRB140機(jī)器人進(jìn)行離線編程盾致，程序中的焊縫軌跡通過虛擬示教獲得主经，并在三維圖形環(huán)境中可讓機(jī)器人按程序中的軌跡作模擬運動，以此檢驗其準(zhǔn)確性和合理性。所編程序可通過網(wǎng)絡(luò)直接下載給機(jī)器人控制器仇钞。

       我國的工業(yè)機(jī)器人從80年代“七五”科技攻關(guān)開始起步嗡窑，目前已基本掌握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計技術(shù)毯甘、運動學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)夭蹦，生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆沙书、弧焊耳恭、點焊、裝配烧已、搬運等機(jī)器人；弧焊機(jī)器人已應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上熔徊。但總的來看烘牌，我國的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離，如：可靠性低于國外產(chǎn)品朽晓；機(jī)器人應(yīng)用工程起步較晚撮点，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國外比有差距方仿；應(yīng)用規(guī)模小固棚，沒有形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè)。

        當(dāng)前我國的機(jī)器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求仙蚜，單戶單次重新設(shè)計此洲，品種規(guī)格多、批量小委粉、零部件通用化程度低呜师、供貨周期長、成本也不低贾节，而且質(zhì)量汁汗、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)栗涂，對產(chǎn)品進(jìn)行全面規(guī)劃知牌，搞好系列化、通用化斤程、模塊化設(shè)計角寸，積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

3忿墅、 焊接機(jī)器人發(fā)展趨勢
        目前國際機(jī)器人界都在加大科研力度窗蠕，進(jìn)行機(jī)器人共性技術(shù)的研究。從機(jī)器人技術(shù)發(fā)展趨勢看，焊接機(jī)器人和其它工業(yè)機(jī)器人一樣骏疆，不斷向智能化和多樣化方向發(fā)展亥矿。具體而言，表現(xiàn)在如下幾個方面：

1)．機(jī)器人操作機(jī)結(jié)構(gòu)：
       通過有限元分析潜佑、模態(tài)分析及仿真設(shè)計等現(xiàn)代設(shè)計方法的運用锨飞，實現(xiàn)機(jī)器人操作機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。
       探索新的高強(qiáng)度輕質(zhì)材料镐准，進(jìn)一步提高負(fù)載/自重比徘敦。例如，以德國KUKA公司為代表的機(jī)器人公司诈金，已將機(jī)器人并聯(lián)平行四邊形結(jié)構(gòu)改為開鏈結(jié)構(gòu)虾钾，拓展了機(jī)器人的工作范圍，加之輕質(zhì)鋁合金材料的應(yīng)用拐棺，大大提高了機(jī)器人的性能透嫩。此外采用先進(jìn)的RV減速器及交流伺服電機(jī)，使機(jī)器人操作機(jī)幾乎成為免維護(hù)系統(tǒng)察绷。

       機(jī)構(gòu)向著模塊化干签、可重構(gòu)方向發(fā)展。例如拆撼，關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)容劳、減速機(jī)、檢測系統(tǒng)三位一體化闸度；由關(guān)節(jié)模塊竭贩、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī)；國外已有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問市莺禁。

       機(jī)器人的結(jié)構(gòu)更加靈巧娶视，控制系統(tǒng)愈來愈小，二者正朝著一體化方向發(fā)展睁宰。
       采用并聯(lián)機(jī)構(gòu)肪获，利用機(jī)器人技術(shù)，實現(xiàn)高精度測量及加工柒傻，這是機(jī)器人技術(shù)向數(shù)控技術(shù)的拓展孝赫，為將來實現(xiàn)機(jī)器人和數(shù)控技術(shù)一體化奠定了基礎(chǔ)。意大利COMAU公司藻清，日本FANUC等公司已開發(fā)出了此類產(chǎn)品岗制。
2).機(jī)器人控制系統(tǒng)： 
         重點研究開放式，模塊化控制系統(tǒng)诗差。向基于PC機(jī)的開放型控 
        制器方向發(fā)展刷男，便于標(biāo)準(zhǔn)化袖蝙、網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高剪碱，控制柜日見小巧羊耸，且采用模塊化結(jié)構(gòu)；大大提高了系統(tǒng)的可靠性穆递、易操作性和可維修性葵伟。控制系統(tǒng)的性能進(jìn)一步提高词惭，已由過去控制標(biāo)準(zhǔn)的6軸機(jī)器人發(fā)展到現(xiàn)在能夠控制21軸甚至27軸夕谬，并且實現(xiàn)了軟件伺服和全數(shù)字控制。

        人機(jī)界面更加友好扣墩，語言哲银、圖形編程界面正在研制之中。機(jī)器人控制器的標(biāo)準(zhǔn)化和網(wǎng)絡(luò)化呻惕，以及基于PC機(jī)網(wǎng)絡(luò)式控制器已成為研究熱點荆责。

        編程技術(shù)除進(jìn)一步提高在線編程的可操作性之外，離線編程的實用化將成為研究重點蟆融，在某些領(lǐng)域的離線編程已實現(xiàn)實用化草巡。
3).機(jī)器人傳感技術(shù)：
       機(jī)器人中的傳感器作用日益重要守呜，除采用傳統(tǒng)的位置型酥、速度、加速度等傳感器外查乒，裝配弥喉、焊接機(jī)器人還應(yīng)用了激光傳感器、視覺傳感器和力傳感器玛迄，并實現(xiàn)了焊縫自動跟蹤和自動化生產(chǎn)線上物體的自動定位以及精密裝配作業(yè)等由境，大大提高了機(jī)器人的作業(yè)性能和對環(huán)境的適應(yīng)性。

       遙控機(jī)器人則采用視覺蓖议、聲覺虏杰、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進(jìn)行環(huán)境建模及決策控制毁几。為進(jìn)一步提高機(jī)器人的智能和適應(yīng)性撕擂，多種傳感器的使用是其問題解決的關(guān)鍵。其研究熱點在于有效可行的多傳感器融合算法陵租，特別是在非線性及非平穩(wěn)泉蠢、非正態(tài)分布的情形下的多傳感器融合算法。另一問題就是傳感系統(tǒng)的實用化育床。
4). 網(wǎng)絡(luò)通信功能：
        日本YASKAWA和德國KUKA公司的最新機(jī)器人控制器已實現(xiàn)了與Canbus诡语、Profibus總線及一些網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)接，使機(jī)器人由過去的獨立應(yīng)用向網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用邁進(jìn)了一大步，也使機(jī)器人由過去的專用設(shè)備向標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備發(fā)展窑竖。

5). 機(jī)器人遙控和監(jiān)控技術(shù)
        在一些諸如核輻射擅啸、深水、有毒等高危險環(huán)境中進(jìn)行焊接或其它作業(yè)奠拢，需要有遙控的機(jī)器人代替人去工作镣学。當(dāng)代遙控機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機(jī)器人的人機(jī)交互控制瘟则，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)黎炉，使智能機(jī)器人走出實驗室進(jìn)入實用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機(jī)器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實例醋拧。多機(jī)器人和操作者之間的協(xié)調(diào)控制慷嗜，可通過網(wǎng)絡(luò)建立大范圍內(nèi)的機(jī)器人遙控系統(tǒng)，在有時延的情況下丹壕，建立預(yù)先顯示進(jìn)行遙控等庆械。

6). 虛擬機(jī)器人技術(shù)：
        虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機(jī)器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過程控制菌赖，如使遙控機(jī)器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機(jī)器人缭乘。基于多傳感器琉用、多媒體和虛擬現(xiàn)實以及臨場感技術(shù)堕绩，實現(xiàn)機(jī)器人的虛擬遙操作和人機(jī)交互。

7).機(jī)器人性能價格比：
        機(jī)器人性能不斷提高（高速度邑时、高精度奴紧、高可靠性、便于操作和維修）晶丘，而單機(jī)價格不斷下降冬蝶。由于微電子技術(shù)的快速發(fā)展和大規(guī)模集成電路的應(yīng)用，使機(jī)器人系統(tǒng)的可靠性有了很大提高象体。過去機(jī)器人系統(tǒng)的可靠性MTBF一般為幾千小時瘟气，而現(xiàn)在已達(dá)到5萬小時，可以滿足任何場合的需求档改。
8)．多智能體調(diào)控技術(shù)：
        這是目前機(jī)器人研究的一個嶄新領(lǐng)域断憨。主要對多智能體的群體體系結(jié)構(gòu)、相互間的通信與磋商機(jī)理粹岁，感知與學(xué)習(xí)方法披蚕，建模和規(guī)劃、群體行為控制等方面進(jìn)行研究骂领。

       近年來讹渴，人類的活動領(lǐng)域不斷擴(kuò)大装屈，機(jī)器人應(yīng)用也從制造領(lǐng)域向非制造領(lǐng)域發(fā)展。像海洋開發(fā)擒欢、宇宙探測路学、采掘、建筑盒件、醫(yī)療蹬碧、農(nóng)林業(yè)、服務(wù)炒刁、娛樂等行業(yè)都提出了自動化和機(jī)器人化的要求恩沽。這些行業(yè)與制造業(yè)相比，其主要特點是工作環(huán)境的非結(jié)構(gòu)化和不確定性翔始，因而對機(jī)器人的要求更高罗心，需要機(jī)器人具有行走功能，對外感知能力以及局部的自主規(guī)劃能力等城瞎，是機(jī)器人技術(shù)的一個重要發(fā)展方向渤闷。

        可以預(yù)見，在21世紀(jì)各種先進(jìn)的機(jī)器人系統(tǒng)將會進(jìn)入人類生活的各個領(lǐng)域脖镀，成為人類良好的助手和親密的伙伴飒箭。

4、 挑戰(zhàn)與對策
        進(jìn)入21世紀(jì)蜒灰，世界經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)正在發(fā)生重大而深刻的變革弦蹂，但制造業(yè)依然是世界各發(fā)達(dá)與發(fā)展中國家加快經(jīng)濟(jì)發(fā)展、提高國家綜合競爭力的重要途徑反俱。

        我國是一個制造業(yè)大國忱厨，尚處于工業(yè)化進(jìn)程之中辱囤，在未來相當(dāng)長的時期里炸一，制造業(yè)仍將在國民經(jīng)濟(jì)中占主導(dǎo)地位。在新一輪國際產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整中牢介，我國正逐步成為世界最重要的制造業(yè)基地之一校槐。

        然而目前我國裝備制造業(yè)的整體水平與發(fā)達(dá)國家相比尚有較大的差距，尤其是在戰(zhàn)略必爭裝備技術(shù)與競爭前核心技術(shù)泳厌、基礎(chǔ)制造裝備與成套關(guān)鍵裝備制造技術(shù)等方面差距更大另焕，這種差距又主要體現(xiàn)在先進(jìn)裝備的自主設(shè)計與獨立制造能力差，成套與系統(tǒng)集成起驱、優(yōu)化能力差惦鄙，技術(shù)創(chuàng)新和集成創(chuàng)新能力差。這些差距已經(jīng)成為制約我國制造業(yè)乃至其他行業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸問題之一鹊获。
        21世紀(jì)基礎(chǔ)制造裝備的水平主要體現(xiàn)在高精度喧久、高效率追城、低成本和高柔性等幾個方面。高效率燥撞、高精度工藝的一個典型例子是精密成形技術(shù)座柱，其目的是盡量減少切削，甚至免除切削物舒，減少原材料的浪費色洞，同時提高制造效率。精密成形技術(shù)在工業(yè)發(fā)達(dá)國家已得到廣泛應(yīng)用冠胯。柔性自動化仍是機(jī)床業(yè)發(fā)展的重要趨勢之一火诸。柔性自動化的進(jìn)一步發(fā)展是敏捷生產(chǎn)設(shè)備。為適應(yīng)敏捷生產(chǎn)模式荠察，人們正在探求設(shè)備自身的結(jié)構(gòu)重組以及生產(chǎn)單元的動態(tài)重組問題惭蹂。

        另外，國外在大型割粮、成套裝備方面有很大優(yōu)勢盾碗，并且在成套裝備的高技術(shù)化方面，取得了巨大的進(jìn)展舀瓢，已經(jīng)實現(xiàn)了數(shù)控化廷雅、柔性自動化，并大量采用工業(yè)機(jī)器人瓣车，正向著智能化唆逻、集成化的方向發(fā)展。
        隨著我國加入WTO菠贡，我國裝備制造業(yè)從來沒有像今天這樣直接地面對國際同行的有力競爭和挑戰(zhàn)唇墅。如何適應(yīng)激烈的國際競爭和快速變化的世界市場需求，不斷以高質(zhì)量睛至、低成本特奇、快速響應(yīng)的手段在新的市場競爭中求得生存和發(fā)展，已是我國裝備制造業(yè)不容回避的問題治部。同時加入WTO也為我們提供了前所未有的機(jī)遇剧么，我們必須抓住機(jī)遇迎頭趕上。

        在“十五”期間沧蛉，我國曾把包括焊接機(jī)器人在內(nèi)的示教再現(xiàn)型工業(yè)機(jī)器人的產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)作為重點研究內(nèi)容之一苫治，其中包括焊接機(jī)器人（把弧焊與點焊機(jī)器人作為負(fù)載不同的一個系列機(jī)器人，可兼作弧焊蟀思、點焊零院、搬運、裝配村刨、切割作業(yè)）產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化告抄、通用化喊积、模塊化、系列化設(shè)計玄妈；弧焊機(jī)器人用激光視覺焊縫跟蹤裝置的開發(fā)乾吻，激光發(fā)射器的選用，CCD成象系統(tǒng)拟蜻，視覺圖象處理技術(shù)绎签，視覺跟蹤與機(jī)器人協(xié)調(diào)控制；焊接機(jī)器人的離線示教編程及工作站系統(tǒng)動態(tài)仿真等酝锅。

        在新的歷史時期诡必，面對新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，只有一方面緊跟世界科技發(fā)展的潮流搔扁，研究與開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的基礎(chǔ)制造裝備爸舒；另一方面，仍然通過引進(jìn)和消化遇冶，吸收一些現(xiàn)有的先進(jìn)技術(shù)材又，踩在別人的肩膀上，盡快縮短和別人的差距涧智。并通過應(yīng)用研究和二次開發(fā)药屠，實現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新和關(guān)鍵設(shè)備的產(chǎn)業(yè)化，提高我國制造業(yè)在國際競爭舞臺上的地位誊桅。
 

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