焊接机器人的应用与发展

焊接机器人第1页1焊接机器人的应用与发展焊接机器人第1页2焊接机器人的应用与发展【论文摘要】：简要介绍了机器人焊接技术发展历程、应用现状，从焊缝跟踪技术、离线编程与路径规划技术、多机器人协调控制技术、专用弧焊电源技术、焊接机器人系统仿真技术、机器人用焊接工艺方法、遥控焊接技术等七个方面论述了焊接机器人技术的研究现状，并对焊接机器人技术的未来发展趋势做出了展望，其中视觉控制技术、模糊控制技术、神经网络控制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。【关键词】：焊接机器人；技术现状；智能化；控制技术；发展趋势【Abstract】：Thispaperbrieflyintroducesthedevelopmentcoursesandapplicationsituationoftechnologyofweldingrobot.Thepresentsituationontechnologyofweldingrobotwerediscussed，thesetechnologiesareseam-tracking，off-lineprogrammingandtrajectoryplanning，multirobotscorrespondedcontrol，weldingpowersource，simulation，weldingtechnologiesandremoteweldingrobot.Thedevelopmenttrendoftechnologyonweldingrobotinfuturewaspresented.Thevisualmanipulation-technology，fuzzymanipulation-technology，neuralnetworkmanipulation-technology，embeddedsystemmanipulation-technologyandintelligenttechnologywereconsideredasthemaindevelopmentdirections.【Keywords】：weldingrobot；technicalstate；intelligenttechnology；manipulation-technology；developmenttendency焊接机器人第1页3目录摘要……………………………………………………………………………………2前言……………………………………………………………………………………41、焊接机器人的发展历程………………………………………………42、焊接机器人国内外应用现状…………………………………………43、焊接机器人的发展趋势………………………………………………4一、焊接基础知识…………………………………………………………………61.2、焊接的定义及其本质…………………………………………………61.3、焊接工艺的发展历史…………………………………………………61.4、概述焊接方法的分类及特点…………………………………………71.5、焊接在现代工业中的地位……………………………………………8二、焊接机器人的发展…………………………………………………………92.1、焊接机器人国内外应用现状…………………………………………92.2、焊接机器人在焊接生产中的应用……………………………………102.3、焊接机器人的编程方法………………………………………………112.4、焊接机器人技术的研究现状…………………………………………112.5、焊接机器人最新进展…………………………………………………13三、焊接机器人的发展趋势………………………………………………………153.1、焊接机器人的发展趋势…………………………………………………153.2、焊接机器人的技术展望…………………………………………………163.3、焊接机器人未来研究的热点及发展方向………………………………18结论挑战与对策……………………………………………………………………19参考文献………………………………………………………………………………20致谢词…………………………………………………………………………………21附录焊接技术发展方向…………………………………………………………22焊接机器人第1页4前言1、焊接机器人的发展历程自从世界上第一台工业机器人UNIMATE于1959年在美国诞生以来，机器人的应用和技术发展经历了三个阶段：第一代是示教再现型机器人。这类机器人操作简单，不具备外界信息的反馈能力，难以适应工作环境的变化，在现代化工业生产中的应用受到很大限制。第二代是具有感知能力的机器人。这类机器人对外界环境有一定的感知能力，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，灵活调整工作状态，保证在适应环境的情况下完成工作。第三代是智能型机器人。这类机器人不但具有感觉能力，而且具有独立判断、行动、记忆、推理和决策的能力，能适应外部对象、环境协调地工作，能完成更加复杂的动作，智能机器人还具备故障自我诊断及修复能力。焊接机器人就是在焊接生产领域代替焊工从事焊接任务的工业机器人。早期的焊接机器人缺乏“柔性”，焊接路径和焊接参数须根据实际作业条件预先设置，工作时存在明显的缺点。随着计算机控制技术、人工智能技术以及网络控制技术的发展，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。2、焊接机器人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中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为91.4万套，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迅速增加，仅2005年就达12.1万台。我国自上个世纪70年代末开始进行工业机器人的研究，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的发展起到了重要的推动作用。据不完全统计，最近几年我国工业机器人呈现出快速增长势头，平均每年的增长率都超过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，这其中的绝大多数都应用于焊接领域；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的6%，远小于韩国所占的15%，更远小于日本所占的69%。这样的增长速度相对于我国的经济发展速度以及经济总量来说显然是不匹配的，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，性能不断提升；另一方面，劳动力成本不断上升，我国经济的发展，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。3、焊接机器人的发展趋势焊接机器人在高质量、高效率的焊接生产中，发挥了极其重要的作用。工业机器人技术焊接机器人第1页5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认真研究的问题，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、网络控制技术等方面将是未来研究的主要方向。焊接机器人第1页6一、焊接基础知识1.1、焊接的定义及其本质焊接是通过加热、加压，或两者并用，并且用或不用填充材料，使两个分离的物体产生原子（分子）间结合的一种方法被结合的两个物体可以是各种同类或不同类的金属、非金属（石墨、陶瓷、塑料等），也可以是一种金属与一种非金属。金属等固体之所以能保持固定的形状是因为其内部原子间距（晶格距离）十分小，原子之间形成牢固的结合力。要把两个分离的金属焊件连接在一起，从物理本质上来看就是要使这两个焊件连接表面上的原子拉近到金属晶格距离（即0.3~0.5nm或3~5Å）。然而，在一般情况下材料表面总是不平整的，即使经过精密磨削加工，其表面平面度仍比晶格距离大得多（约几十微米）；另外，金属表面总难免存在着氧化膜和其他污物，阻碍着两分离焊件表面原子间的接近。因此，焊接过程的本质就是通过适当的物理化学过程克服这两个困难，使两个分离焊件表面的原子接近到晶格距离而形成结合力。这些物理化学过程，归结起来不外乎是用各种能量加热和用各种方法加压两类。1.2、焊接工艺的发展历史焊接技术是随着金属的应用而出现的，古代的焊接方法主要是铸焊、钎焊和锻焊。中国商朝制造的铁刃铜钺，就是铁与铜的铸焊件，其表面铁与铜的熔合线蜿蜒曲折，结合良好。春秋战国时期曾侯乙墓中的建古铜座上有许多盘龙，是分段钎焊连接而成的。经分析，所用的与现代钎料成分相近。战国时期制造的刀剑，刀刃为钢，刀背为熟铁，一般是经过加热锻焊而成的。据明朝宋应星所著《天工开物》一书记载：中国古代将铜与铁一起入炉加热，经锻打制造刀、斧；用黄泥或筛细的陈久壁土撒在接口上，分段锻造大型船锚。到公元7世纪唐代时，已应用锡钎焊和银钎焊来焊接了这比欧洲国家要早10个世纪。古代焊接技术长期停留在铸焊、锻焊和钎焊的水平上，使用的热源都是炉火，温度低、能量不集中，无法用于大截面、长焊缝工件的焊接，只能用以制作装饰品、简单的工具和武器。然而，目前工业生产中广泛应用的焊接方法却是19世纪末和20世纪初现代科学技术发展的产物。特别是冶金学、金属学以及电工学的发展，奠定了焊接工艺及设备的理论基础；而冶金工业、电力工业和电子工业的进步，则为焊接技术的长远发展提供了有利的物质和技术条件。19世纪初，英国的戴维斯发现电弧和氧乙炔焰两种能局部熔化金属的高温热源；1885~1887年，俄国的别纳尔多斯发明碳极电弧焊钳；1900年又出现了铝热焊。20世纪初，碳极电弧焊和气焊得到应用，同时还出现了薄药皮焊条电弧焊，电弧比较稳定，焊接熔池受到熔渣保护，焊接质量得到提高，使手工电弧焊进入实用阶段，电弧焊从20年代起成为一种重要的焊接方法。在此期间，美国的诺布尔利用电弧电压控制焊条送给速度，制成自动电弧焊机，从而成为焊接机械化、自动化的开端。1930年美国的罗宾诺夫发明使用焊丝和焊剂的埋弧焊，焊接机械化得到进一步发展。40年代，为适应铝、镁合金和合金钢焊接的需要，钨极和熔化极惰性气体保护焊相继问世。1951年苏联的巴顿电焊研究所创造了电渣焊，成为大厚度工件的高效焊接法。1953年，苏联的柳巴夫斯基等人发明了二氧化碳气体保护焊，促进了气体保护电弧焊的应用和发展，如出现了混合气体保护焊、药芯焊丝气渣联合保护焊和自保护电弧焊等。焊接机器人第1页71957年美国的盖奇发明了等离子弧焊；40年代德国和法国发明的电子束焊，也在50年代得到了实用和进一步的发展；60年代又出现激光焊。等离子弧焊、电子束焊和激光焊等焊接方法的出现，标志着高能量高密度熔焊的新发展，大大改善了材料的焊接性，使许多难以用其他方法焊接的材料和结构得以焊接。其他的焊接技术还有，1887年美国的汤普森发明电阻焊，并发明用于薄板的点焊和缝焊；缝焊是压焊中最早的半机械化焊接方法，随着缝焊过程的进行，工件被两滚轮推送前进；20世纪20年代开始使用闪光对焊方法焊接棒材和链条。至此电阻焊进入实用阶段。1956年，美国的琼斯发明了超声波焊；苏联的丘季科夫发明了摩擦焊；1959年，美国斯坦福研究所研究成功爆炸焊；50年